蔣仲安,姜 蘭,陳舉師

(北京科技大學(xué)教育部金屬礦山高效開(kāi)采與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

露天礦潛孔鉆泡沫抑塵劑配方及試驗(yàn)研究

蔣仲安,姜 蘭,陳舉師

(北京科技大學(xué)教育部金屬礦山高效開(kāi)采與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

為有效降低露天礦潛孔打鉆作業(yè)產(chǎn)生的大量粉塵,并解決濕式抑塵用水量大的問(wèn)題,基于泡沫抑塵原理,從發(fā)泡性能及濕潤(rùn)性能兩個(gè)方面來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)配實(shí)驗(yàn)。以泡沫綜合指數(shù)、表面張力、接觸角及反向滲透吸重為指標(biāo),優(yōu)選出最佳泡沫抑塵劑配方為α-烯烴磺酸鈉、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉、十二烷基二甲基甜菜堿和椰子油單乙醇酰胺,各成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.15%,0.20%, 0.05%和0.50%。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),驗(yàn)證該配方的泡沫抑塵效果良好,在下風(fēng)向5 m工作區(qū)域內(nèi)全塵除塵率平均值為87.8%,呼吸性粉塵除塵率平均值為80.7%,明顯優(yōu)于噴霧降塵及干式除塵效果。

潛孔鉆;粉塵;泡沫;抑塵劑;表面活性劑;露天礦

目前,我國(guó)的露天礦山打鉆多采用潛孔鉆機(jī)和牙輪鉆機(jī),據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),潛孔鉆機(jī)的產(chǎn)塵嚴(yán)重,現(xiàn)場(chǎng)粉塵污染明顯,而且粒徑分布范圍廣,既有小于5 μm的超細(xì)粉塵,是作業(yè)工人患?jí)m肺病的病源隱患,又有幾毫米直徑的不規(guī)則大顆粒,對(duì)鉆機(jī)及抑塵設(shè)備等磨損較大,不利于設(shè)備保養(yǎng)。目前采用的干式抑塵措施效果并不理想,尤其是對(duì)呼吸性粉塵效果甚微,而且有二次揚(yáng)塵的問(wèn)題。噴霧抑塵效果相對(duì)較好,但是用水量過(guò)大,且作業(yè)區(qū)域粉塵濃度依然無(wú)法達(dá)到作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1-3]。于是,筆者研制一種適合潛孔鉆機(jī)使用的泡沫抑塵劑,將有利于泡沫抑塵技術(shù)在潛孔鉆作業(yè)時(shí)的推廣,解決潛孔打鉆粉塵濃度嚴(yán)重超標(biāo)的問(wèn)題,為作業(yè)人員提供良好的作業(yè)環(huán)境,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 泡沫抑塵原理

泡沫抑塵就是將一定濃度和配比的泡沫抑塵劑,通過(guò)泡沫發(fā)生器產(chǎn)生大量泡沫,通過(guò)管道及噴嘴噴灑到塵源處,連續(xù)產(chǎn)生的泡沫體將塵源覆蓋住,同時(shí)還能濕潤(rùn)粉塵并形成泥漿排出。另外,當(dāng)泡沫遇到空氣中懸浮的粉塵時(shí),大量的泡沫粒子群與粉塵接觸碰撞或黏附,將粉塵捕集下來(lái)[4]。

泡沫中氣泡為分散相,液體為連續(xù)相,泡沫捕塵主要是靠截留、慣性碰撞、擴(kuò)散、黏附、重力沉降等多種機(jī)理綜合作用的結(jié)果。對(duì)于大直徑粉塵,主要降塵機(jī)理為截留和重力;對(duì)于呼吸性粉塵,主要降塵機(jī)理為擴(kuò)散、黏附等[5-9]。由于泡沫的總體積和總表面積較水滴大很多,所以捕塵效率也比噴霧除塵高[10-11]。

2 泡沫抑塵劑的配方優(yōu)選

2.1 泡沫抑塵劑的發(fā)泡實(shí)驗(yàn)

通過(guò)表面張力實(shí)驗(yàn)在9種表面活性劑(十二烷基硫酸鈉、十二烷基磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、辛基苯酚聚氧乙烯醚、α-烯烴磺酸鈉、十六烷基三甲基溴化胺、十二烷基二甲基甜菜堿、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉和十二烷基二甲基氧化胺)中選出對(duì)表面張力較小的5種表面活性劑進(jìn)行攪拌法發(fā)泡實(shí)驗(yàn)[12-15]。首先配備相應(yīng)濃度的表面活性劑溶液 100 mL,在1 000 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌60 s,停止轉(zhuǎn)動(dòng)后立即讀取所產(chǎn)生的泡沫體積(V0)來(lái)表示發(fā)泡能力[5]。然后記錄泡沫體積消失一半所經(jīng)歷的時(shí)間(T1/2)為泡沫的半衰期,并作為穩(wěn)定性的衡量指標(biāo)。為方便實(shí)驗(yàn)標(biāo)記,將十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、α-烯烴磺酸鈉、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉、十二烷基二甲基甜菜堿順序編號(hào)為A～E。

2.1.1 發(fā)泡劑正交復(fù)配實(shí)驗(yàn)

通過(guò)對(duì)比各單一發(fā)泡劑的FCI值,優(yōu)選出該單一發(fā)泡劑的最佳發(fā)泡濃度進(jìn)行復(fù)配。考慮到各發(fā)泡劑之間的交互作用,設(shè)計(jì)L16(215)有交互作用的正交實(shí)驗(yàn)表,表頭設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。另外考慮到這5種因素之間的交互作用,分別置于其他10列。

表1 各發(fā)泡劑的FCI值Table 1 FCI values of each foaming agent

表2 正交實(shí)驗(yàn)表頭設(shè)計(jì)(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 2 The header of orthogonal design table

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)表所示的實(shí)驗(yàn)組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn),其中1和2代表各自發(fā)泡劑的濃度水平1和水平2,結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 發(fā)泡正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Orthogonal experimental data of foaming test

由顯著性檢驗(yàn)可以得出,所有含A,B及AB的因子都是不顯著的,也就是說(shuō)所有不含A,B的因子都是顯著因子,即C,D,E均為顯著因子。通過(guò)均值比較,選出最優(yōu)組合,見(jiàn)表4。

表4 顯著因子的各水平均值Table 4 Average value of each levels of significant factors

通過(guò)表4中計(jì)算的各水平平均值,可以選出最優(yōu)組合為C1D1E1,由于A,B為不顯著因子,考慮到成本因素及程序最簡(jiǎn)化原則,選擇B2A2組合,即發(fā)泡劑復(fù)配正交實(shí)驗(yàn)的最佳組合為A2B2C1D1E1。

2.1.2 添加穩(wěn)泡劑實(shí)驗(yàn)

初步確定以最佳組合配方1(下文中簡(jiǎn)稱配方1)及發(fā)泡體積最大的配方2(下文中簡(jiǎn)稱配方2)作為發(fā)泡劑配方,添加穩(wěn)泡劑(椰子油單乙醇酰胺、羧甲基纖維素鈉和陰離子聚丙烯酰胺,編號(hào)分別為F,G和H)進(jìn)行發(fā)泡實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

兩種手術(shù)方法治療股骨轉(zhuǎn)子間骨質(zhì)疏松性骨折的療效 …………………………… 蔡韻律(6):734膝關(guān)節(jié)炎家兔外周血BTLA、IL-1、TNF-α、IL-10及部分血小板參數(shù)的變化 … … 張可訓(xùn)，等(7):794

表5 添加穩(wěn)泡劑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 5 Experimental data after adding foam stabilizer

對(duì)比添加穩(wěn)泡劑后的發(fā)泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):

(1)對(duì)于配方1,添加穩(wěn)泡劑F之后的半衰期是未添加時(shí)的5.89倍,但是發(fā)泡體積減半;添加穩(wěn)泡劑G后,半衰期延長(zhǎng)165 min,發(fā)泡體積也減半;而添加穩(wěn)泡劑H后,不僅半衰期減小至90 min,且發(fā)泡體積也減少了近3/4,發(fā)泡效果不佳。

(2)對(duì)于配方2,添加穩(wěn)泡劑F大大延長(zhǎng)了泡沫的半衰期,是未添加時(shí)的16倍,但是發(fā)泡體積也減少了2/5;添加穩(wěn)泡劑G后,半衰期是未添加時(shí)的16.6倍,同時(shí)發(fā)泡體積幾乎減半;而添加穩(wěn)泡劑H后,半衰期增加了21 min,且發(fā)泡體積也減少了400 mL,發(fā)泡效果最差。

(3)綜合考慮得出結(jié)論:配方2的綜合發(fā)泡性能最佳,穩(wěn)泡劑中的最佳效果為穩(wěn)泡劑F,泡沫綜合指數(shù)(FCI)幾乎是未添加時(shí)的10倍。

2.2 泡沫抑塵劑的濕潤(rùn)性實(shí)驗(yàn)

2.2.1 表面張力實(shí)驗(yàn)

使用BZY界面張力儀,采用鉑金板法分別對(duì)單一發(fā)泡劑及配方1、配方2、添加穩(wěn)泡劑F的配方1 (下文中簡(jiǎn)稱配方3)及添加穩(wěn)泡劑F的配方2(下文中簡(jiǎn)稱配方4)進(jìn)行表面張力測(cè)定,每個(gè)結(jié)果測(cè)定3次取平均值,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 表面張力測(cè)定數(shù)據(jù)Table 6 Experimental data of surface tension

2.2.2 接觸角實(shí)驗(yàn)

首先,將從現(xiàn)場(chǎng)取回的巖塊依次使用顎式破碎機(jī)、輥式破碎篩分機(jī)和統(tǒng)一試驗(yàn)小磨進(jìn)行破碎,使用200目標(biāo)準(zhǔn)篩篩分巖粉,得到粒徑為75 μm以下的試樣。然后,每次稱量1 g試樣巖粉在加壓成型模具中,在YES-300的數(shù)顯液壓壓力試驗(yàn)機(jī)上壓成直徑為16 mm的圓形試片。最后在JY-82接觸角測(cè)定儀上測(cè)定接觸角,并對(duì)全過(guò)程錄像,截圖在Image J軟件中分析得出該濃度溶液的巖樣接觸角。

分別對(duì)單一發(fā)泡劑及各配方進(jìn)行接觸角測(cè)定,實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)巖粉樣片上的溶液液滴基本都在15 s內(nèi)鋪展,且接觸角均小于10°,說(shuō)明表面活性劑溶液對(duì)于巖粉的濕潤(rùn)性優(yōu)良。

2.2.3 反向滲透實(shí)驗(yàn)

毛細(xì)管反向滲透是將裝有粉塵的毛細(xì)管的一端附加滲透膜,粉塵通過(guò)滲透膜與液體接觸,液體反向滲入粉塵,在計(jì)算液體上升速度的同時(shí),通過(guò)稱量粉塵柱的吸濕質(zhì)量來(lái)表示粉塵的潤(rùn)濕性能。毛細(xì)管反向滲透濕潤(rùn)試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 毛細(xì)管反向滲透實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic diagram of reverse permeation experiment in capillary

首先,將巖塵分別篩取200目,每份10 g。然后,給每個(gè)玻璃管劃刻度,并將其下端用膠布將透水濾紙封住玻璃管開(kāi)口端;將10 g粉塵裝入內(nèi)徑為5.5 mm的玻璃管中,為提高精度,將每個(gè)玻璃管內(nèi)的粉塵都振實(shí)至相同的高度。計(jì)時(shí)開(kāi)始的同時(shí),將裝好粉塵的玻璃管插在試劑溶液中,每間隔1 min稱量一次試管的質(zhì)量。配好相應(yīng)濃度比例的配方及配方中的單一表面活性劑溶液,每組做3次實(shí)驗(yàn),取平均值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 巖樣吸重曲線Fig.2 Diagram of liquid-injection weight of rock sample

由上述發(fā)泡實(shí)驗(yàn)及濕潤(rùn)性實(shí)驗(yàn)可以看出:復(fù)配后的泡沫抑塵劑發(fā)泡性能及濕潤(rùn)性能均優(yōu)于各單一表面活性劑,且配方2優(yōu)于配方1,故最佳泡沫抑塵劑配方為配方4(A∶D∶E∶F=0.15∶0.20∶0.05∶0.50)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

試驗(yàn)地點(diǎn)為某露天礦KQ-200潛孔鉆機(jī),礦石普式硬度F=8～12,巖石普式硬度F=8～10,礦石密度3.24 t/m3,巖石密度2.7 t/m3,屬較易磨選礦石。泡沫抑塵裝置現(xiàn)場(chǎng)裝配如圖3所示。

圖3 泡沫抑塵裝置現(xiàn)場(chǎng)裝配Fig.3 On-site schematic diagram of foaming dust removal system

通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓和水壓,在氣壓0.7 MPa左右、氣水比為50左右條件下,產(chǎn)生的泡沫細(xì)膩均勻,且穩(wěn)定性好。對(duì)比泡沫抑塵、水霧抑塵及干式抑塵的降塵效果,全塵除塵率及呼吸性粉塵除塵率如圖4所示。

圖4 不同除塵措施下的粉塵全塵和呼吸性粉塵除塵率對(duì)比Fig.4 Comparison of total dust and respirable dust removal efficiency between different dust remove measures

由試驗(yàn)結(jié)果可以得出:

(1)干式除塵措施條件下,全塵除塵率平均值為46.4%,在下風(fēng)向5 m工作區(qū)域內(nèi)除塵率平均值為48.7%;呼吸性粉塵除塵率平均值為48.6%,在下風(fēng)向5 m工作區(qū)域除塵率平均值為52%,效果不佳。

(2)噴霧除塵措施條件下,全塵除塵率平均值為69%,在下風(fēng)向5 m工作區(qū)域內(nèi)除塵率平均值為78%,效果較干式除塵好;呼吸性粉塵除塵率平均值為62.3%,在下風(fēng)向5 m工作區(qū)域除塵率平均值為69.4%,效果一般,有待提高。

(3)泡沫除塵措施條件下,全塵除塵率平均值為77.5%,在下風(fēng)向5 m工作區(qū)域內(nèi)除塵率平均值為87.8%;呼吸性粉塵除塵率平均值為70.8%,在下風(fēng)向5 m工作區(qū)域除塵率平均值為80.7%,降塵效果良好。

(4)泡沫抑塵效果優(yōu)于噴霧抑塵,干式抑塵效果最差。而且由于泡沫穩(wěn)定性較好,二次揚(yáng)塵現(xiàn)象也得到了有效抑制。

4 結(jié) 論

(1)采用攪拌發(fā)泡法,以結(jié)合發(fā)泡量與半衰期的泡沫綜合指數(shù)(FCI)為衡量標(biāo)準(zhǔn),得出了兩個(gè)相對(duì)最優(yōu)的泡沫抑塵劑配方。

(2)通過(guò)一系列濕潤(rùn)性實(shí)驗(yàn),測(cè)定泡沫抑塵劑的表面張力、接觸角及反向滲透吸重,得出最優(yōu)泡沫抑塵劑配方為添加穩(wěn)泡劑F的配方2(A∶D∶E∶F= 0.15∶0.2∶0.05∶0.5)。

(3)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該配方的泡沫抑塵效果良好,在下風(fēng)向5 m工作區(qū)域內(nèi)全塵除塵率平均值為87.8%,呼吸性粉塵除塵率平均值為80.7%;明顯優(yōu)于噴霧降塵及干式除塵效果,有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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Experimental study on foam dust suppression during downthe-hole drilling in open-pit mine

JIANG Zhong-an,JIANG Lan,CHEN Ju-shi

(The Key Laboratory of Ministry of Education for High Efficiency Exploitation and Safety of Metal Mine,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

In order to efficiently reduce the dust concentration during down-the-hole drilling in the open-pit mine,and to solve the problem of the great use of water with moist dust removing method,based on the foam dust suppression mechanism,the experimental methods for the complex of dust depressor were designed from two parts of foaming and wetting.Taking the comprehensive foaming index,surface tension,contact angle and the weight of reverse permeation as measurement indexes,the best formula was obtained and the mass fraction of Sodium alpha-olefin sulfonate,Sodium Alcohol Ether Sulphate,Dodecyl dimethyl betaine and Coconut Monoethanol Amide were respectively 0.15%, 0.20%,0.05%and 0.50%.At last,according to field tests,the average suppression rates of total dust and respirable dust were 87.8%and 80.7%in 5 m working area,which were much more effective compared to those of dry and water dedusting.

down-the-hole drilling;dust;foam;dust depressor;surfactant;open-pit mine

TD714

A

0253-9993(2014)05-0903-05

蔣仲安,姜 蘭,陳舉師.露天礦潛孔鉆泡沫抑塵劑配方及試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(5):903-907.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1344

Jiang Zhongan,Jiang Lan,Chen Jushi.Experimental study on foam dust suppression during down-the-hole drilling in open-pit mine[J].Journal of China Coal Society,2014,39(5):903-907.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1344

2013-09-16 責(zé)任編輯:畢永華

浙江省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011C23063);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51274024)

蔣仲安(1963—),男,浙江諸暨人,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:jza1963@263.net。通訊作者:陳舉師(1987—),男,貴州畢節(jié)人,博士研究生。E-mail:chenjushi@163.com