廖 奇，樊煜熔，徐樂(lè)華

(1.太原理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

隨著煤礦基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)，煤炭產(chǎn)量大幅提高的同時(shí)，生產(chǎn)過(guò)程中的產(chǎn)塵量也隨之增加[1-2]。煤塵濃度過(guò)高不僅會(huì)降低工作面可見(jiàn)度，導(dǎo)致生產(chǎn)效率下降，還會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員的人身健康造成危害[3]。在《煤礦安全規(guī)程》中明確規(guī)定，進(jìn)行掘進(jìn)、回采和運(yùn)輸?shù)裙ば驎r(shí)必須采取防塵措施[4]。噴霧降塵是煤礦常用的防塵措施[5]。由于煤塵具有疏水性，導(dǎo)致清水噴霧的降塵效果不佳。一般通過(guò)向噴霧中添加抑塵劑來(lái)增強(qiáng)噴霧的濕潤(rùn)能力，以保證除塵效果，而常用抑塵劑存在濕潤(rùn)性能不足、成本較高和添加裝置復(fù)雜等問(wèn)題，制約著抑塵劑廣泛應(yīng)用[7]。因此，亟需研發(fā)一種適用于煤礦噴霧設(shè)備的復(fù)合抑塵劑，保障煤礦工作人員的生命安全和健康。

1 降塵機(jī)理分析

煤塵在巷道中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程可分為產(chǎn)生、擴(kuò)散和沉降三個(gè)階段[8]。向噴霧中添加抑塵劑主要作用在煤塵的擴(kuò)散階段，對(duì)于抑制煤塵產(chǎn)生的效果不佳。根據(jù)污染源優(yōu)先控制原則，應(yīng)重點(diǎn)抑制粉塵的產(chǎn)生。因此，可考慮向噴霧中添加纖維素以增強(qiáng)噴霧對(duì)煤塵的絮凝作用，使煤粒發(fā)生凝聚而不會(huì)在風(fēng)流的攜帶作用下向空氣中擴(kuò)散，從根源上抑制煤塵的產(chǎn)生[9]。現(xiàn)對(duì)復(fù)合抑塵劑中的表面活性劑和纖維素兩個(gè)重要功能組分的作用原理進(jìn)行分析。

1.1 表面活性劑

溶液的潤(rùn)濕能力與其表面張力相關(guān)，溶液的表面張力越小則潤(rùn)濕性能越強(qiáng)[10]。表面活性劑分子包括親水基和疏水基。當(dāng)表面活性劑加入水溶液中后，表面活性劑分子中的親水基受到水分子的吸引在液體內(nèi)側(cè)排列，另一端的疏水基在斥力的作用下伸向空氣一側(cè)，從而表面活性劑分子替代水分子在溶液表面排布。由于表面活性劑分子同時(shí)受水分子的吸引力與斥力作用，相較于表面水分子受到的吸引力較小，因此,致使水溶液的表面張力減小[11]。當(dāng)煤塵與含有表面活性劑的溶液接觸時(shí)，煤塵表面的非極性基團(tuán)與表面活性劑分子的疏水基團(tuán)發(fā)生吸附作用，煤塵則迅速被溶液濕潤(rùn)。

1.2 纖維素

纖維素的分子鏈長(zhǎng)而細(xì)，向外側(cè)伸出化學(xué)活性基團(tuán)。其中的非離子性基團(tuán)，易與其他物質(zhì)的活性基團(tuán)吸附形成氫鍵，與吸附的粒子連結(jié)在一起凝聚成團(tuán)[12]。此特性使得纖維素分子與煤粒相互接觸吸附形成質(zhì)量與體積均較大的絮凝物，克服浮力加速沉降。

2 復(fù)合抑塵劑關(guān)鍵組分確定

2.1 實(shí)驗(yàn)試劑

為了研究復(fù)合抑塵劑的潤(rùn)濕性和絮凝能力，選取了常用的8種表面活性劑(其中6種選自常用抑塵劑)[13]、10種纖維素、4種輔助離子和礦用自來(lái)水進(jìn)行性能測(cè)試。對(duì)表面活性劑進(jìn)行編號(hào)S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8；對(duì)纖維素進(jìn)行編號(hào)C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9和C10；對(duì)輔助離子進(jìn)行編號(hào)I1、I2、I3和I4。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用《礦用降塵劑性能測(cè)定方法》(MT 506—1996)中的沉降法進(jìn)行抑塵劑濕潤(rùn)性能測(cè)定，具體操作為：取50 mg的煤樣倒入不同的表面活性劑溶液中，記錄每種表面活性劑沉降等質(zhì)量煤塵所需時(shí)間[6]。沉降時(shí)間越短，其濕潤(rùn)性越強(qiáng)。篩選出濕潤(rùn)性較佳的兩種表面活性劑后再進(jìn)行復(fù)配實(shí)驗(yàn)，確定表面活性劑最佳復(fù)配比例。然后向復(fù)配表面活性劑濃度溶液中加入輔助離子，采用沉降法檢測(cè)其濕潤(rùn)性，篩選出增效效果最佳的輔助離子。利用DNJ-1黏度計(jì)對(duì)10種質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.1%的纖維素進(jìn)行黏度測(cè)試[14]。根據(jù)黏度越大，凝聚作用越佳的標(biāo)準(zhǔn)確定最佳的材料配比。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，確定潤(rùn)濕性和絮凝性最佳的單體試劑。

2.3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.3.1 表面活性劑及復(fù)配濃度確定

圖1為粉塵在質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%的不同表面活性劑溶液中的沉降時(shí)間。由圖1可知，向礦用自來(lái)水中添加表面活性劑可以顯著縮短煤塵的沉降時(shí)間，且隨表面活性劑濃度的提高，溶液對(duì)煤塵的濕潤(rùn)性增強(qiáng)。但當(dāng)表面活性劑的濃度達(dá)到一定程度后，粉塵的沉降時(shí)間不會(huì)再縮短，因此存在最佳濕潤(rùn)濃度[15]。對(duì)比煤塵在不同濃度的S5、S6、S7和S8溶液中的沉降時(shí)間，當(dāng)表面活性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到一定值時(shí)，煤塵的沉降時(shí)間將不會(huì)因?yàn)楸砻婊钚詣┑臐舛仍龃蠖档?。表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，煤塵的沉降時(shí)間排序?yàn)椋篠1>S3>S2>S4>S8>S5>S7>S6，因此,表面活性劑濕潤(rùn)能力依次為S6>S7>S5>S8>S4>S2>S3>S1，其中表面活性劑S6、S7、S5和S8的濕潤(rùn)性顯著優(yōu)于S4、S2、S3和S1。 由于表面活性劑S7存放時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)形成膠體，考慮在實(shí)際使用時(shí)會(huì)堵塞噴霧裝置，因此排除。 選擇表面活性劑S5與S6進(jìn)行復(fù)配。 由于兩種表面活性劑的濕潤(rùn)能力較強(qiáng)，為確保區(qū)分效果明顯，將復(fù)配實(shí)驗(yàn)與輔助離子實(shí)驗(yàn)中的表面活性劑總質(zhì)量分?jǐn)?shù)確定為0.05%。

圖1 不同表面活性劑沉降時(shí)間Fig.1 Settling time of different surfactants

圖2為S5與S6質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比分別為0∶5、1∶4、2∶3、1∶1、3∶2、4∶1和5∶0時(shí)溶液的濕潤(rùn)能力圖。由圖2可知，當(dāng)表面活性劑S5與S6的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比為1∶4和1∶1時(shí)，復(fù)配溶液的濕潤(rùn)性最強(qiáng)，其粉塵沉降時(shí)間相較于等濃度下S5與S6溶液分別縮短了33.33%和60%。由于表面活性劑S6的單價(jià)較S5高，綜合考慮濕潤(rùn)性與經(jīng)濟(jì)性，復(fù)配溶液中S5與S6的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比定為1∶4。

2.3.2 輔助離子

輔助離子可增強(qiáng)表面活性劑對(duì)煤塵顆粒表面的疏水基吸附作用，產(chǎn)生親水效應(yīng)，進(jìn)一步增強(qiáng)表面活性劑的濕潤(rùn)性能[16]。由于同種輔助離子對(duì)不同表面活性劑的增效效果不同，因此需確定單一表面活性劑的最佳輔助離子。如圖3所示，對(duì)表面活性S5增效效果最佳的輔助離子是I3，添加I3輔助離子后，粉塵沉降時(shí)間縮短了84%；對(duì)表面活性S6增效效果最佳的輔助離子是I4，添加I4輔助離子后，粉塵沉降時(shí)間縮短了72.73%。由于I3輔助離子對(duì)表面活性S6無(wú)抑制作用，且I4輔助離子對(duì)表面活性S5無(wú)抑制作用，因此可采用輔助離子I3與I4增強(qiáng)復(fù)配溶液的濕潤(rùn)能力。

圖2 不同復(fù)配比例溶液沉降時(shí)間Fig.2 Settling time of solution in different compounding ratios

圖3 添加不同輔助離子后沉降時(shí)間Fig.3 Settling time after adding different auxiliary ions

2.3.3 纖維素

纖維素的絮凝能力可以通過(guò)黏度來(lái)表征[17]。如圖4所示，為不同纖維素在質(zhì)量濃度為0.1%的條件下的黏度。由圖4可知，纖維素C1的黏度是水的13.73倍，C7的黏度是水的23.64倍，遠(yuǎn)高于其余纖維素的黏度，但纖維素C1長(zhǎng)期放置會(huì)發(fā)生凝結(jié)沉降影響使用效果，因此選用纖維素C7。

圖4 不同纖維素黏度Fig.4 Different cellulose viscosity

3 復(fù)合抑塵劑組分比例確定

3.1 復(fù)合抑塵劑正交實(shí)驗(yàn)

選用表面活性劑S5與S6復(fù)配溶液，輔助離子I3、I4，以及纖維素C7進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，將各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為復(fù)合抑塵劑濕潤(rùn)黏塵性能的關(guān)鍵影響因素，進(jìn)行4因素3水平的正交實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)表1[7]。按表1配制9種不同配比的溶液分別進(jìn)行沉降實(shí)驗(yàn)與黏度測(cè)試，沉降實(shí)驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)表2，黏度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。 由表2可知，對(duì)復(fù)合抑塵劑濕潤(rùn)性的影響程度依次為表面活性劑S5與S6復(fù)配溶液>輔助離子I3>輔助離子I4>纖維素C7。由于表面活性劑S5與S6復(fù)配溶液的均值K2與K3遠(yuǎn)小于K1，且兩者相差較小，考慮到經(jīng)濟(jì)性，將表面活性劑S5與S6復(fù)配溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)確定為0.05%；因?yàn)檩o助離子I3相較輔助離子I4對(duì)復(fù)合抑塵劑濕潤(rùn)性影響較大，因此其質(zhì)量分?jǐn)?shù)確定為0.02%，輔助離子I4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)確定為0.01%；纖維素C7對(duì)表面活性劑濕潤(rùn)性的影響較小可以忽略不計(jì)。由表3可知，纖維素C7對(duì)復(fù)合抑塵劑黏度的影響程度遠(yuǎn)大于其余三種組分的影響，為保證凝聚效果，纖維素C7的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)盡可能高，但當(dāng)纖維素C7的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.1%時(shí)溶液會(huì)過(guò)于黏稠而流動(dòng)性不佳,容易造成管道堵塞，因此纖維素C7的質(zhì)量分?jǐn)?shù)確定為0.1%。最終復(fù)合抑塵劑的最佳配比見(jiàn)表4。

表1 正交實(shí)驗(yàn)的因素水平Table 1 Level of orthogonal experiment factors

表2 沉降實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of sedimentation experiment

表3 黏度測(cè)試結(jié)果Table 3 Testing results for viscosity

表4 復(fù)合抑塵劑組分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 4 Composite dust depressor composition and concentration

3.2 配比優(yōu)選及效果對(duì)比

復(fù)合抑塵劑與常用的六種抑塵劑在相同濃度時(shí)的濕潤(rùn)性及黏度對(duì)比見(jiàn)表5。由表5可知，煤塵在復(fù)合抑塵劑中的完全沉降僅用4.1 s，顯著低于在常用抑塵劑中的6.1～9.5 s；復(fù)合抑塵劑溶液的黏度為26.4 MPa·s，而常用抑塵劑對(duì)礦用自來(lái)水的黏度無(wú)影響。復(fù)合抑塵劑與水同時(shí)滴至煤塵堆的濕潤(rùn)效果如圖5所示。該復(fù)合抑塵劑滴加到煤樣表面后，煤塵被迅速濕潤(rùn)發(fā)生凝結(jié)。因此，該復(fù)合抑塵劑對(duì)煤塵顆粒的吸附濕潤(rùn)和凝聚能力強(qiáng)于常用抑塵劑。

表5 抑塵劑的濕潤(rùn)性與黏度對(duì)比Table 5 Comparison of wettability and viscosity of dust depressor

圖5 復(fù)合抑塵劑與水效果對(duì)比Fig.5 Composite dust suppressant and water effect comparison

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在漳村煤礦480材料巷Ⅲ段綜掘面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。在綜掘工作面設(shè)置6個(gè)粉塵濃度測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖6所示。分別測(cè)量未開(kāi)啟掘進(jìn)機(jī)內(nèi)、外噴霧，開(kāi)啟內(nèi)、噴霧時(shí)未添加復(fù)合抑塵劑和添加復(fù)合抑塵劑條件下的工作面粉塵濃度，各測(cè)點(diǎn)的粉塵濃度見(jiàn)表6。由表6可知，直接使用井下靜壓水除塵時(shí)，噴霧的全塵平均降塵率為70.0%，呼塵平均降塵率為63.7%，除塵效率低下。在添加復(fù)合抑塵劑后，各測(cè)點(diǎn)的粉塵濃度顯著降低，全塵的平均降塵率達(dá)到95.0%，呼塵的平均降塵率達(dá)到92.8%。結(jié)果表明，使用該復(fù)合抑塵劑后，掘進(jìn)機(jī)內(nèi)、外噴霧的全塵降塵效率提高了25.0%，呼塵降塵效率提高了29.1%。

圖6 測(cè)塵點(diǎn)設(shè)置Fig.6 Measuring point setting

表6 各測(cè)點(diǎn)的粉塵濃度及降塵率Table 6 Dust concentration and dust reduction rate of each measuring point

5 結(jié) 論

1) 采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)沉降實(shí)驗(yàn)和黏度測(cè)定實(shí)驗(yàn)，確定復(fù)合抑塵劑的組分為：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%的表面活性劑S5、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%的表面活性劑S6、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%的輔助離子I3、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%的輔助離子I4、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的纖維素C7。

2) 配制成的復(fù)合抑塵劑沉降粉塵僅需4.1 s，耗時(shí)顯著低于常用抑塵劑的6.1～9.5 s。同時(shí)復(fù)合抑塵劑溶液的黏度為26.4 MPa·s，顯著高于常用抑塵劑溶液與礦用自來(lái)水，表明復(fù)合抑塵劑濕潤(rùn)性與黏性較常用抑塵劑更強(qiáng)。

3) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，向掘進(jìn)機(jī)內(nèi)、外噴霧用水中添加復(fù)合抑塵劑后，全塵與呼塵的降塵效率分別提高到95.0%和92.8%，工作面的粉塵濃度已接近國(guó)家《煤礦安全規(guī)程》的粉塵濃度規(guī)定。因此，研發(fā)的復(fù)合抑塵劑可以有效控制綜掘工作面的粉塵，為井下工作人員的健康提供保障。