煤自燃是矿井火灾的重要原因,造成了大量的人员伤亡和财产损失。于是国内外科研人员对煤自燃的起因和机理进行深入研究,提出了许多煤自燃防灭火技术。根据煤自燃防灭火技术的作用原理,主要分为物理作用型阻化剂、化学作用型阻化剂和物理化学复合型阻化剂。但是,过去大量的煤自燃防治理论主要侧重于如何提升阻化效果,对阻化剂失效问题研究甚少。而且几乎没有学者研究采空区阻化剂时域性失效问题。一般,阻化剂失效主要原因分为两个:一是物理作用型阻化剂存在水分蒸发、惰气易流动逸散等问题,使得煤与氧气接触面积增大而加快氧化;二是化学作用型阻化剂不稳定,比如抗氧型阻化剂长时间暴露于空气中而失效。首先实测了南屯矿回采工作面在注浆前后的空气相对湿度,证实了采空区漏风会带走大量采空区煤体水分。然后,通过建立采空区水分蒸发三维模型,研究了U型通风方式下漏风量对采空区水分蒸发的影响。发现采空区煤体水分蒸发与位置和时间有关。又研究了水分蒸发对阻化剂抑制煤自燃效果的影响。研究结果表明,水分蒸发会降低阻化剂的阻化效果。煤体水分越低,阻化剂抑制煤自燃的效果越小,甚至失效。主要原因是水分蒸发会带走大量煤体水分,煤与氧气接触面积增大,氧化速率加快而促进煤体自燃。结合煤体水分与时间的关系以及水分蒸发对阻化剂阻化效果的影响,可以得出采空区阻化剂的时效性。通过可视化观察采空区气流运移轨迹,结合水分蒸发对阻化剂阻化效果的影响,得到水分蒸发后采空区可能自燃带最大边界,即采空区阻化剂区域性失效特性。其次,在采空区阻化剂时域性失效特性基础上,结合煤自燃过程,提出了利用温敏型阻化剂的温敏特性,来保证其在漫长的煤自燃潜伏期内不失效。并使其在煤温达到临界温度时释放阻化剂,从而发挥阻化剂的最佳阻化效果。对于温敏阻化剂,本文初步研究了温敏材料阻化剂、钻孔型温敏胞衣阻化剂和爆裂型温敏胞衣阻化剂。虽然它们有良好的抑制煤自燃效果,但也有一定缺点。比如,温敏材料阻化剂分解或融化后产生水分较少、吸热量较少,释放温度较高。钻孔型温敏胞衣阻化剂尺寸较大,在球体内接正二十面体顶点处布置12个钻孔较难操作。而且最终还有阻化剂溶液残留在球体内。对于爆裂型温敏胞衣阻化剂,内部材料反应后产生气体压力很高,有一定危险性。因此,通过对比其优缺点,创新性提出了利用温敏复合材料作为胞衣球壳,将阻化剂溶液包装在球壳内,制作复合材料型温敏胞衣阻化剂。复合材料型温敏胞衣阻化剂的球壳为复合材料。该复合材料以石蜡硬脂酸为基体,以纤维和颗粒增强体为骨架。其温敏特性主要由石蜡硬脂酸体现。作为骨架的纤维增强体和颗粒增强体可以大大提高复合材料的力学性能。保证了复合材料型温敏胞衣阻化剂在运输和铺洒过程中不被破坏。考虑到该阻化剂主要被用于煤矿井下防灭火,因此用颗粒状的阻燃剂作为颗粒增强体。颗粒增强体虽然可以显著提高复合材料的应力水平,但也会降低复合材料的韧性。因此,需要向复合材料中加入一定量的纤维增强体来增大其韧性。先研究了颗粒增强体(氢氧化铝、3.5水硼酸锌、氢氧化镁和氯化石蜡)和1?2 mm纤维增强体(玻璃纤维和聚丙烯纤维)单独与石蜡硬脂酸混合后的力学性能。结果表明氢氧化铝、3.5水硼酸锌可以显著提高复合材料的应力水平,而玻璃纤维可以提高复合材料的应力水平和韧性。在确定了复合材料组成种类后,进一步研究颗粒增强体、纤维增强体与石蜡硬脂酸基体的配比对温敏复合材料抗压强度的影响。由于石蜡硬脂酸基体为有机物,颗粒增强体和纤维增强体为无机物,无机物和有机物的性质差异显著。这会导致混合不均匀,严重降低其力学性能。因此需要加入微量偶联剂来使他们充分混合均匀,提高其力学性能。此外,还要研究复合材料型胞衣球体的球径和球壳厚度对抗压强度的影响。通过上述研究,选取的温敏复合材料的最佳种类和配比为石蜡(51.2%)+硬脂酸(12.8%)+3.5水硼酸锌(15%)+氢氧化铝(15%)+短切玻璃纤维(5%)+钛酸酯偶联剂(1.0%)。同时分析得出最优的球径和壁厚分别为15 mm和1.4 mm。最后,利用程序升温实验装置和煤自燃绝热升温装置研究复合型温敏胞衣阻化剂抑制煤自燃机理。先研究了石蜡对煤低温氧化的影响。发现石蜡融化后会包裹煤体,隔绝煤与氧气接触,具有抑制煤自燃的效果。程序升温实验研究结果表明,复合材料型温敏胞衣阻化剂在80℃左右释放阻化剂溶液。水分蒸发吸热使煤体升温速率降低,同时水隔绝煤与氧气接触,抑制煤体氧化。此外,融化的温敏复合材料也会包裹部分煤体。煤自燃绝热升温实验结果表明,在煤自燃临界温度释放阻化剂溶液后,煤体温度会迅速下降。主要原因是阻化剂溶液加入后,水分提高煤体导热性,而且水蒸发吸热,使得煤体热量无法积聚。同时,阻化剂溶液会润湿包裹煤体,隔绝煤与氧气接触,抑制煤氧化。因此被水包裹的煤体温度最低。该论文有图196幅,表31个,参考文献180篇。