煤炭作為我國(guó)的主要能源，在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，仍將處于能源消費(fèi)的主導(dǎo)地位。煤炭在開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生大量粉塵，對(duì)人體產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。井下工人長(zhǎng)期處于高濃度粉塵環(huán)境中，會(huì)吸入較多的粉塵，容易患上支氣管炎、塵肺病甚至肺癌等疾病。煤塵不僅會(huì)污染作業(yè)環(huán)境、縮短設(shè)備使用壽命，并且當(dāng)空氣中所含煤塵的濃度達(dá)到一定量，滿(mǎn)足相應(yīng)條件時(shí)，便會(huì)發(fā)生煤塵爆炸，引發(fā)重大傷亡事故。目前，煤礦主要采用濕式抑塵、通風(fēng)排塵、物理化學(xué)抑塵等降塵措施，最常用的為高壓噴霧降塵。其將高壓噴霧與抑塵劑配合使用取得了良好的降塵效果。

在煤塵潤(rùn)濕性研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的工作，取得了一定的成果。例如，采用軸對(duì)稱(chēng)落體分析技術(shù)，通過(guò)將巖相學(xué)與圖像分析、接觸角測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，綜合分析了煤中各組分的疏水性與煤潤(rùn)濕性之間的關(guān)系；運(yùn)用Walker試驗(yàn)法詳細(xì)分析了煤中化學(xué)成分與其潤(rùn)濕性的關(guān)系，認(rèn)為煤塵的潤(rùn)濕時(shí)間與水分含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)煤表面的羥基官能團(tuán)是決定煤塵潤(rùn)濕的主要因素；通過(guò)研究煤潤(rùn)濕性與煤質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，得出影響煤塵潤(rùn)濕的內(nèi)在因素是煤的化學(xué)組成，并采用多元逐步回歸方法，確定了氧含量與固定碳對(duì)煤塵潤(rùn)濕影響最為顯著；通過(guò)對(duì)不同變質(zhì)程度的煤樣進(jìn)行XRD測(cè)試，并結(jié)合接觸角測(cè)定結(jié)果，對(duì)煤塵堆垛結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出對(duì)煤塵潤(rùn)濕性較好的XRD的相關(guān)參數(shù)；通過(guò)煤質(zhì)分析與接觸角測(cè)定，并利用紅外光譜對(duì)煤塵表面官能團(tuán)進(jìn)行分析，得出含氧官能團(tuán)及芳環(huán)、C—H與接觸角具有很強(qiáng)的線性關(guān)系，對(duì)煤塵的潤(rùn)濕影響較大；通過(guò)模擬軟件，構(gòu)建了6種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的十二烷基苯磺酸鈉與水、煤共存的系統(tǒng)，確定十二烷基苯磺酸鈉是影響煤塵潤(rùn)濕性能的主要因素；通過(guò)對(duì)13種煤樣進(jìn)行工業(yè)與元素分析，并通過(guò)毛細(xì)管上向滲透法，確立了煤質(zhì)組分與吸水量之間的關(guān)系，確定了對(duì)煤潤(rùn)濕性影響最大的煤質(zhì)因素；以接觸角、表面張力、沉降速度及沉降時(shí)間作為抑塵劑的考察指標(biāo)，通過(guò)正交試驗(yàn)篩選出最優(yōu)的抑塵劑配方;通過(guò)測(cè)試溶液表面張力、接觸角，分析了復(fù)配試劑的潤(rùn)濕性能。

在礦用降塵劑方面，研究表明，目前應(yīng)用最多的降塵劑主要為表面活性劑及吸水鹽類(lèi)降塵劑，而表面活性劑依據(jù)在水中能否發(fā)生電離可分為陰離子型、陽(yáng)離子型、非離子型及兩性離子型表面活性劑，因表面活性劑可在水面定向排列，使水的表面張力降低，從而提高降塵效率而被廣泛使用。以海藻酸鈉為基體，通過(guò)化學(xué)改性后，制備出流動(dòng)性好、潤(rùn)濕性強(qiáng)的團(tuán)聚型抑塵劑；優(yōu)選4種表面活性劑，通過(guò)對(duì)單體和復(fù)配溶液的表面張力、接觸角的測(cè)試及反滲透實(shí)驗(yàn)，得到煤塵潤(rùn)濕性較好的復(fù)配溶液；通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)選出針對(duì)煤礦粉塵的3種抑塵劑，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)選出的抑塵溶液具有良好的降塵效果，煤塵總降塵率達(dá)到93%；通過(guò)對(duì)大豆磷脂進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其是一種天然的表面活性劑，且具有無(wú)毒可降解的特性。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外科研工作者對(duì)煤塵潤(rùn)濕性及降塵劑進(jìn)行了大量研究，但仍存在以下兩方面問(wèn)題：①煤礦現(xiàn)有的清水噴霧降塵難以達(dá)到理想的降塵效果，煤塵很難被吸附于水霧上，從而難以沉降；②普通降塵劑在煤體上易出現(xiàn)分散不均勻的現(xiàn)象，而且降塵劑大多是化學(xué)試劑，具有一定的污染性、腐蝕性，容易腐蝕井下設(shè)備，影響井下工人的身體健康。

筆者選用的綠色高效生物降塵劑(EMI)，是以蘆薈為原材料，經(jīng)多種微生物發(fā)酵后，物理提取獲得的生物大分子化合物。EMI主要成分為親水基團(tuán)與疏水基團(tuán)，其親水部分是由兩分子葡萄糖通過(guò)β-1,2糖苷鍵結(jié)合形成，疏水性部分為飽和或不飽和的長(zhǎng)鏈ω(或ω-1)羥基脂肪酸，這兩部分以β-糖苷鍵相連，分子式為C34H56O14。EMI具有較高的表面活性，其優(yōu)點(diǎn)在于滲透性較強(qiáng)，有良好的擴(kuò)散性和分散性，且溶液環(huán)保無(wú)毒，對(duì)人體皮膚無(wú)刺激，使用后會(huì)發(fā)生生物分解，轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料，對(duì)環(huán)境不會(huì)造成二次污染。通過(guò)測(cè)試EMI溶液對(duì)煤塵潤(rùn)濕性的影響，以改善噴霧降塵效果，解決普通降塵劑具有污染性及腐蝕性的問(wèn)題，降低工作面的粉塵濃度，優(yōu)化井下工作面的工作環(huán)境，使礦工的人身健康和安全得到充分保障，從而實(shí)現(xiàn)煤礦綠色高效降塵，確保礦井生產(chǎn)工作可以安全順利進(jìn)行，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)樣品制備

將EMI原液稀釋至質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、2.0%、4.0%、6.0%、8.0%的混合溶液。實(shí)驗(yàn)煤樣選取黃陵一號(hào)煤礦弱黏煤樣，煤樣工業(yè)分析結(jié)果見(jiàn)表1。在制備煤塵樣品時(shí)，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)對(duì)黃陵一號(hào)煤礦綜采工作面煤塵粒徑分布進(jìn)行檢測(cè)，并結(jié)合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)粉塵粒徑的定義，以及實(shí)驗(yàn)室制備條件，去除煤塊外表皮，使用破碎機(jī)對(duì)煤心破碎60 s，用160、200、300、400目標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)篩對(duì)煤粉進(jìn)行篩分，共篩分出0.075~0.096、0.048~＜0.075、0.038~＜0.048、＜0.038 mm共4個(gè)粒度范圍的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中煤塵粒徑與煤樣編號(hào)見(jiàn)表2。煤樣制備完成后，將其放入80℃的真空干燥箱，真空干燥8 h后密封保存以備實(shí)驗(yàn)使用。

表1煤樣的工業(yè)分析

1.2實(shí)驗(yàn)方法及裝置

1.2.1表面張力測(cè)試

表面張力測(cè)試采用拉脫法原理，將測(cè)試用的鉑金板底端浸入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的EMI溶液中，利用表面張力測(cè)試儀測(cè)量鉑金板脫離液體表面的拉力，每種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的EMI溶液測(cè)3次，取平均值作為最終結(jié)果。表面張力計(jì)算公式如下：

α=F/D(1)

式中：α為溶液表面張力，mN/m；F為拉脫力，mN；D為鉑金板周長(zhǎng)，m。

1.2.2 EMI溶液與煤塵接觸角測(cè)試

通過(guò)壓片機(jī)配套的壓片模具將200 mg不同粒徑的測(cè)試煤樣在50 MPa的成型壓力下對(duì)煤樣施壓2 min，每個(gè)煤樣制作3個(gè)厚為2 mm的測(cè)試煤片。利用移液器將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)EMI溶液滴在測(cè)試煤片表面，將儀器調(diào)焦拍照，對(duì)每組煤片進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，取3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值。

1.2.3煤塵在EMI溶液中的沉降測(cè)試

實(shí)驗(yàn)采用自然沉降法。在燒杯中準(zhǔn)備200 mL的不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的EMI溶液，將1 g的測(cè)試煤樣均勻平鋪在快速定性濾紙的表面，將攜帶煤塵的快速定性濾紙放入液體表面，并開(kāi)始計(jì)時(shí)，分別記錄4種不同粒徑測(cè)試煤樣完全穿過(guò)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的EMI溶液所需的時(shí)間，從開(kāi)始計(jì)時(shí)到所有煤塵樣品穿透降塵溶液沉降至杯底的時(shí)間記為煤塵的沉降時(shí)間。

1.2.4 EMI影響煤塵吸濕性測(cè)試

毛細(xì)管滲透吸濕實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量煤塵的吸濕能力。實(shí)驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的小型實(shí)驗(yàn)裝置，其由直徑為10 mm的玻璃管、樣品支架及儲(chǔ)水盒三部分組成。首先利用定性濾紙包裹密封玻璃管一端，稱(chēng)取5 g待測(cè)煤樣裝入玻璃管；將玻璃管固定在實(shí)驗(yàn)裝置上，在儲(chǔ)水盒中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)EMI溶液，當(dāng)水面剛好淹沒(méi)濾紙表面時(shí)停止注入溶液同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)；樣品吸濕1 h后，用分析天平稱(chēng)量吸濕前后的樣品與玻璃管質(zhì)量，每個(gè)測(cè)試煤樣進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，取3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值。

1.2.5 EMI保水效果及煤樣板結(jié)硬度測(cè)試

保水性通常以溶液抗蒸發(fā)率來(lái)進(jìn)行表征。分別加入30 mL不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的EMI溶液后與30 g干燥測(cè)試煤樣均勻混合，每隔8 h對(duì)測(cè)試煤樣的質(zhì)量進(jìn)行稱(chēng)量。煤樣的保水率計(jì)算公式如下：

η=(m1-m2)/m1*100%(2)

式中：η為保水率，%；m1為干燥煤樣與測(cè)量杯質(zhì)量，g；m2為浸水煤樣與測(cè)量杯質(zhì)量，g。

利用邵氏硬度計(jì)，對(duì)失水后的煤樣進(jìn)行硬度測(cè)試。將硬度計(jì)垂直壓入試樣表面，當(dāng)壓足表面與試樣表面完全貼合時(shí)，指針發(fā)生一定偏移，使得儀表盤(pán)中的指針偏離指向某一數(shù)值，該數(shù)值即為煤樣失水后的板結(jié)硬度。

實(shí)驗(yàn)用到的測(cè)試裝置如圖1所示。

圖1實(shí)驗(yàn)裝置

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的EMI溶液的表面張力測(cè)定【實(shí)驗(yàn)上】

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的EMI溶液的表面張力測(cè)定【實(shí)驗(yàn)下】