矿用抑尘剂对不同粒径煤尘的润湿性能影响.pdf

收稿日期：作者简介：赵奕博（），男，陕西西安人，硕士，工程师，现从事煤矿安全技术、矿山智慧能源服务等方向研究工作。矿用抑尘剂对不同粒径煤尘的润湿性能影响赵奕博，王康，徐磊，王海龙（陕西煤业新型能源科技股份有限公司科研中心分公司，陕西 西安 ；陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 ；陕西新能联慧科技有限公司，陕西 西安 ；西安陕煤新能源科技有限公司，陕西 西安 ）摘要：为优化矿用抑尘剂的使用浓度及对不同类型、不同粒径煤尘的润湿性能，对曹家滩、张家峁、凉水井、小纪汗和象山煤矿的不同粒径煤尘进行试验分析。通过表面张力试验及沉降试验，发现该抑尘剂的临界胶束浓度为 ，且在该浓度下表面张力为 ，不同煤矿及不同粒径煤尘的沉降时间可控制在 内，润湿效果较好。通过保湿性试验，发现抑尘剂中添加一定比例的无机盐氯化钙，煤尘被完全润湿后失水率下降。当氯化钙含量占溶质的 时，被润湿的煤尘在室温下静置 后含水率为 ，在高湿环境下被润湿煤尘质量逆向减少，后蒸发与吸湿达到平衡，抑尘剂表现出良好的保湿性能，试验结果为现场应用提供了有价值的数据参考。关键词：煤尘；表面张力；沉降时间；保湿性；润湿效果；抑尘剂中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，；，）：，：；引言煤矿井下生产过程中，大量细微煤尘随着采掘第 期赵奕博王康徐磊等矿用抑尘剂对不同粒径煤尘的润湿性能影响设备的作业而产生。煤尘不仅会引发矿工尘肺病，而且会加速设备的磨损，甚至存在爆炸危险 。由于煤自身特殊的理化性质及井下复杂的作业环境，传统的降尘技术受限较大 。为解决煤尘超限及难以沉降问题，国内外众多学者开发各类抑尘剂以适应不同作业环境的降、除尘需要 。等 研制出一种环保生物除尘剂，通过风蚀耐性试验确定了有效除尘成分最佳比例，证明 技术对露天煤矿煤尘防治具有重要意义。张江石、等 以正交试验为基础，通过对多种表面活性剂进行性能优选，复配得到最佳的抑尘剂配方，并对抑尘剂的降尘效率及安全性进行分析。王振宇、等 以淀粉为主要原料，与表面活性剂、无机盐和粘结剂等进行复配，得到适用于井下润湿沉积粉尘的复合型抑尘剂，并探究其作用性能。王和堂等 通过优化微生物发酵工艺，利用枯草芽孢杆菌发酵合成可降解的生物抑尘剂 ，并进行性能试验。现有研究主要集中在对表面活性剂的选择和复配 ，缺乏能够直接指导现场，针对抑尘剂最佳使用浓度及对不同类型、不同粒径煤尘润湿效果的研究。鉴于此，选取曹家滩、张家峁、凉水井、小纪汗和象山煤矿的煤样，进行表面张力、沉降及保湿性试验，优化矿用抑尘剂最佳使用工况，为现场提供有价值的数据参考。抑尘剂制备 试验原理表面活性剂对煤尘具有良好的捕捉、润湿作用，被润湿的煤尘会团聚沉降。其中非离子型表面活性剂在溶液中不以离子形式存在，不易受外界环境干扰，稳定性较强，其亲水基之间无静电排斥力且在气、液界面的排列比离子型表面活性剂更紧密，故在同一浓度下，非离子型表面活性剂有更低的表面张力 。非离子型表面活性剂的相容性较好，离子型 非离子型表面活性剂的复配会对混合体系产生协同效应，由于吸附平衡，会进一步降低混合体系的临界胶束浓度 。无机盐无水氯化钙是良好的干燥剂，将其按一定比例加入表面活性剂中，当表面活性剂溶液润湿煤尘后，其中的氯化钙会通过吸收空气中的水分来增强表面活性剂的保湿性和抗蒸发性，使沉降的煤尘被长时间润湿，避免水分快速蒸发造成二次扬尘 。原料主要选取 种原料用于分析试验。即，壬基酚聚氧乙烯醚中活性物 ，化学纯，山东淄博海杰化工有限公司；曲拉通为化学纯，国药集团化学试剂有限公司；无水氯化钙为分析纯，含量 ，国药集团化学试剂有限公司；自制蒸馏水。制备过程为得到质量浓度为 的抑尘剂溶液，将盛有 蒸馏水的烧杯置于磁力搅拌器上，加热至 左右。称取 壬基酚聚氧乙烯醚和 曲拉通于烧杯中，调节磁力搅拌器至适宜转速，恒温搅拌 。待壬基酚聚氧乙烯醚和曲拉通完全溶解后，在室温下静置 ，使体系温度降至室温并维持稳定。再加入 无水氯化钙搅拌 制成目标溶液。试验方案 表面张力试验将抑 尘 剂 分 别 制 备 质 量 浓 度 为 、的样品溶液。利用密度计测得蒸馏水的密度，用游标卡尺测量屈氏粘力管外径。利用滴重法对已知表面张力的蒸馏水进行测定，根据式（）及哈金斯校正因子表迭代计算（插值法），得到屈氏粘力管的精确半径 。同法测得样品溶液每滴重量和密度，由式（）即可求得样品表面张力。（）槡（）式中，为屈氏粘力管半径，；为表面张力，常温下蒸馏水的表面张力为 ；为哈金斯校正因子；为每滴液滴质量（测量 次取平均值），；为重力加速度，；为每滴液体的体积，。沉降试验选取曹家滩、张家峁、凉水井、小纪汗和象山煤矿 个矿井的煤尘样品，分别利用标准筛筛分制备粒径为 、的煤尘进行沉降试验。利用精度为 的分析天平，称取 不同粒径的煤尘，使其自然下落在快速定性滤纸上形成圆锥体。将 不同浓度的抑尘剂溶液置于烧杯，用铁丝环将盛有煤尘的快速定性滤纸托于贴近抑尘剂溶液表面的同一高度。用秒表记录从滤纸接触液面至煤尘全部沉底所需时间，超过 未完全沉降即认为该浓度抑尘剂的润湿性能差，每组试验重复 次，为消除试验结果带来的误差，取 次试验平均值进行分析。陕西煤炭 年 保湿性试验抑尘剂溶液的保湿性能主要依靠其中无机盐的吸湿作用，改变抑尘剂溶液中无机盐含量，可直接调节抑尘剂溶液润湿煤尘后的保湿时间和抗蒸发性能。改变抑尘剂溶液中无机盐含量为溶质的 、。称取 粒径为 的煤尘于烧杯中，再称取 上述浓度的抑尘剂溶液并将煤尘完全润湿，记录烧杯质量。将全部样品统一置于同一环境室温下，每隔一段时间记录烧杯重量，利用式（）计算其样品失水率。（）（）式中，为失水率，；为初始样品质量，；为第 小时后样品质量，。试验结果分析 表面张力分析表面张力是表征抑尘剂溶液润湿性能的重要指标之一，由于气 液面蒸发，液体表面分子比液体内部稀疏，分子间距变大，分子间相互作用表现为引力，使液面具有一定程度的抗拉伸性。抑尘剂溶液浓度直接影响着水分子表面张力被破坏程度，抑尘剂不同浓度时表面张力如图 所示。?图 抑尘剂不同浓度时表面张力 由图 可知，随着抑尘剂溶液质量浓度的上升，表面张力呈现先下降后平稳的趋势。当质量浓度达到 时，表面张力为 ，继续升高浓度，表面张力基本保持不变，表明抑尘剂溶液达到临界胶束浓度（）。这说明，若只考虑表面张力的影响，该抑尘剂溶液在使用过程中，质量浓度为 左右时，保证润湿效果较好的同时成本较低。沉降时间分析沉降时间是验证抑尘剂能否有效降尘的主要标准之一。采用沉降法测定煤尘的沉降时间，沉降时间越短，则说明其润湿效果越好。选择曹家滩煤矿 粒径的煤样进行试验，确定最佳稀释浓度后，对 个煤矿共 个粒径的煤尘样品进行验证，抑尘剂不同浓度时沉降时间和不同煤尘粒径的沉降时间分别如图 、所示。?图 抑尘剂不同浓度时沉降时间?图 抑尘剂 质量浓度下不同煤尘粒径的沉降时间 由图 可知，对于同一粒径煤尘而言，抑尘剂溶液浓度越大，沉降所需时间越短，润湿效果越好。当抑尘剂溶液浓度为 左右时，沉降时间为 ，继续增加抑尘剂溶液浓度，煤尘沉降速率降幅缓慢。综合抑尘剂溶液表面张力和沉降时间，确定抑尘剂使用浓度为 。图 为 浓度抑尘剂对不同粒径煤尘沉降第 期赵奕博王康徐磊等矿用抑尘剂对不同粒径煤尘的润湿性能影响试验结果。由图 可知，抑尘剂溶液浓度为 时，对各煤矿、较大粒径范围的煤尘沉降时间在 至 内。随着煤尘粒径的增大，沉降时间显著缩短。试验结果说明浓度为 的抑尘剂溶液在具备较好润湿作用的同时也具备较高的普适性，便于大规模工业制备和推广。保湿性分析要强化抑尘剂溶液对煤矿井下工作面抑尘效果，应具有一定的保湿性能，可以避免溶液快速蒸发后造成二次扬尘。为了增强矿用抑尘剂的保湿性能，本试验通过改变无机盐氯化钙的含量，在一定程度上控制抑尘剂的保湿性。在室温环境下，测量了种不同氯化钙添加含量对抑尘剂失水率的影响，依据研究经验和试验结果，选取如下 种浓度梯度，分别为 、和 ，抑尘剂在室温下氯化钙不同含量时失水率测量结果如图 所示。?图 室温下氯化钙不同含量时失水率 由图 可知，随着抑尘剂中无机盐氯化钙含量的增加，被润湿煤尘的失水率呈现先减小后增加的趋势。当氯化钙含量为溶质的 时，在各时间段的失水率均最低，保湿效果显著，在放置时间超过 后，含水率基本可维持在 左右，被润湿煤尘的含水率最大相差 。此外，考虑到抑尘剂应用场景的高湿环境可能会对添加剂含量和失水率效果存在潜在影响，故又在高湿（湿度 ）环境下，对 种浓度氯化钙含量添加剂进行了失水率试验，试验结果如图 所示。由图 可知，高湿环境下被润湿煤尘失水率变化与正常湿度下一致。当氯化钙含量为溶质的 时，被润湿煤尘表现出吸湿现象，重量不减反增，后润湿煤尘的蒸发与吸湿达到平衡状态。其余样品在 后达到平衡，重量不再出现变化。综上试验结果考虑，抑尘剂使用浓度为 ，氯化钙占溶质的最佳比重为 。?图 室温高湿下氯化钙不同含量时失水率 结论（）随着浓度的升高，抑尘剂溶液表面张力先减小后趋于稳定，当抑尘剂浓度为 时达到临界胶束浓度。（）抑尘剂浓度越高，煤尘粒径越大，沉降所需时间越短。种煤尘样品所表现出的沉降效果随时间变化的趋势相同，在抑尘剂溶液浓度为 时，煤尘沉降时间被控制在 内。（）随着无机盐氯化钙含量升高，抑尘剂的保湿性能呈现先增强后减小。当氯化钙含量为溶质的 时，抑尘剂溶液作用于煤尘时的保湿性能最佳，在室温高湿环境下表现出良好的吸湿性和抗蒸发性。参考文献：程卫民，周刚，陈连军，等 我国煤矿粉尘防治理论与技术 年研究进展及展望 煤炭科学技术，（）：张文浩，王志军，黄传波 远程遥控智能综掘面高效泡沫除尘技术 陕西煤炭，（）：，翁安琦，袁树杰，王晓楠，等 煤层注水降尘中表面活性剂复配应用研究 中国安全科学学报，（）：，：孙健，王钰颖，高丹红 一种凝聚型抑尘剂的制备陕西煤炭 年檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪（上接第 页），：王楠 不同构造变形程度下高煤级煤分子结构演化特征 西安：西安科技大学，王振洋 构造煤微观结构演化及对瓦斯吸附解吸动力学特性的影响 徐州：中国矿业大学，白鹏飞，史广山，张玉贵，等 超临界状态下构造煤甲烷等温吸附模型研究 煤炭技术，（）：李子文 低阶煤的微观结构特征及其对瓦斯吸附解吸的控制机理研究 徐州：中国矿业大学，檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 （上接第 页）黄庆享 浅埋煤层长壁开采顶板控制研究 岩石力学与工程学报，（）：王宏志，刘洪林，宋帅帅，等 沟谷地形下近浅埋煤层工作面矿压显现规律研究 中国矿业，（）：，（）：赵杰，刘长友，李建伟 沟谷区域浅埋煤层工作面覆岩破断及矿压显现特征 煤炭科学技术，（）：杨治林 浅埋煤层长壁开采顶板岩层的不稳定性态 煤炭学报，（）：王方田，屠世浩，张艳伟，等 冲沟地貌下浅埋煤层开采矿压规律及顶板控制技术 采矿与安全工程学报，（）：王旭锋，张东升，卢鑫，等 浅埋煤层沙土质冲沟坡体下开采矿压显现特征 煤炭科学技术，（）：及性能测试 矿业研究与开发，（）：，（）：，（）：张江石，刘绍灿，范召兖 新型煤尘化学抑尘剂配方优选实验 煤矿安全，（）：，：王振宇，王飞 复合型散煤抑尘剂的合成及性能研究 煤矿安全，（）：，：王和堂，贺胜，章琦，等 微生物发酵法合成生物抑尘剂的试验研究 煤炭学报，（）：李皓伟，王兆丰，岳基伟，等 不同类型表面活性剂对煤体的润湿性研究 煤矿安全，（）：张京兆，王建国，王延秋，等 复配型表面活性剂对煤尘润湿效果的优选研究 矿业研究与开发，（）：，：赵瑞格，张卫红，马二倩，等 两个非离子表面活性剂复配体系的 研究 波谱学杂志，（）：张殿龙 不同非离子表面活性剂的动态吸附铺展及对煤尘润湿机制的研究 太原：太原理工大学，李明，赖慧楠，关子杰，等 复合型水雾抑尘剂作用机理与优选方法研究 中国安全生产科学技术，（）：第 期赵奕博王康徐磊等矿用抑尘剂对不同粒径煤尘的润湿性能影响