采掘工作面新型高效抑塵劑研究

左文強

（陜西小保當礦業有限公司，陜西 榆林 719000）

1 引言

隨著我國煤礦開采技術的不斷提升，煤礦生產不斷向規模化、現代化方向發展，隨之出現的問題是井下工作面的產塵量不斷增加。粉塵作為礦井五大災害之一，以前沒有得到足夠的重視以及沒有有效的治理方式，1930 年以后化學抑塵得到世界范圍內的普遍認可。粉塵較小的顆粒會隨著井下工作人員的呼吸進入到呼吸系統，嚴重侵蝕著礦工們的身體健康，不但對人體內的器官造成永久性傷害，還會磨損井下儀器以及造成煤塵爆炸，引發一系列的反應，造成不可挽回的損失[1-2]。

針對煤礦井下煤塵治理，國內外研究人員進行了多項實驗研究，把煤礦煤塵治理分為煤炭開采前和開采后兩個階段。開采前主要采用煤層注水、灌漿、潤濕煤壁以及濕式鑿巖等措施，雖然方法眾多但收效甚微；開采期間產生的煤塵將成為開放性塵源，屬于開采后治理階段，主要采用灑水、噴化學抑塵劑、噴泡沫凝膠以及覆蓋等措施，其中化學抑塵在現代煤礦煤塵治理過程中應用效果良好[3-5]。于是，研制一種適合煤礦井下采掘工作面的新型樹脂型抑塵劑，將有利于解決井下采掘工作面產塵量大以及二次揚塵的問題，降低煤塵對井下工作人員的身體危害以及工作面爆炸的危險指數，具有重要的現實意義。

2 抑塵劑制備

2.1 原料

2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS），二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC），過硫酸銨，N，N'-亞甲基雙丙烯酰，十二烷基苯磺酸鈉，氯化鈉（以上均采購于青島精科化學試劑有限公司，以上物質均為分析純），蒸餾水（自己制備）。

2.2 實驗過程

本文產物制備過程：稱取一定質量的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸放在恒溫磁力攪拌鍋內進行加熱攪拌，然后依次添加引發劑過硫酸銨、二甲基二烯丙基氯化銨，交聯劑N，N'-亞甲基雙丙烯酰，鹵化物氯化鈉以及表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉，將反應裝置通入氮氣進行保護，設置反應溫度。反應一段時間后將制成的溶液倒入燒杯中并對杯口進行加膜覆蓋，放入微波爐中進行加熱，得到最終粘性溶液。

2.3 最佳配比

2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸與二甲基二烯丙基氯化銨比為3:1，過硫酸銨與2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的質量比為4.0%，N，N'-亞甲基雙丙烯酰與二甲基二烯丙基氯化銨的質量比為5.0%，氯化鈉與過硫酸銨比為10:1，十二烷基苯磺酸鈉與氯化鈉比為2:1，最佳反應溫度為50 ℃，微波照射時間為4 min。

3 實驗測定

3.1 成膜耐高溫實驗

將制得的產物噴灑在煤樣表面，待產物固結成膜后切取一定質量的膜片放置在真空干燥箱中烘干，烘干完成后稱取適量粉末用STA510G 熱重分析儀進行分析，觀察熱分解情況。所設測量參數：加熱速率20 ℃/min，溫度區間0～650 ℃。熱重DSC 曲線如圖1。

圖1 熱重DSC 曲線

從最終產物熱重曲線可知，該曲線主要分為3個階段：脫水階段（＜180 ℃），主要是由于膜片中水分蒸發導致質量下降；破壞階段（200～400 ℃），這個階段主要由于產物中磺酸基以及C=C 雙鍵被破壞導致質量損失；氧化階段（420～500 ℃），這是由于產物持續被加熱炭化導致質量明顯下降。該熱重曲線表明在200 ℃以下產物結構良好，能夠滿足煤礦井下高溫的特殊環境，可以起到良好的抑塵效果。

3.2 抑塵率實驗

稱取一定質量的煤樣放于測量裝置當中，稱量煤樣和裝置的總質量為W1，用一定的風流速度對表面進行吹蝕，經過t時間后稱取剩余煤樣以及裝置的總質量為W2。再稱取同樣質量的煤樣置于裝置當中，煤樣和裝置的總質量為W1，在煤樣表面均勻噴灑配置好的抑塵劑，待表面固結成膜后再用同樣的風流速度進行吹蝕，持續時間仍為t，然后稱取煤樣和裝置的總質量為W3。可通過下列公式計算抑塵率：

式中：α為抑塵劑的抑塵率；W1為風吹前煤樣和裝置總質量；W2為風吹后煤樣和裝置總質量；W3為成膜后風吹煤樣和裝置總質量。

經過實驗測量，測得W1為642.23 g，W2為606.59 g，W3為640.49 g，通過上述公式計算得α為95.118%。通過肉眼以及稱重可以看出，噴灑抑塵劑之后煤樣會進行板結成塊，對風具有一定的抵抗能力，抑塵效果較好達到95.118%，能夠滿足煤礦井下工作面除塵需要。

3.3 滲透性測試

通過采用向下滲透的方法來測定抑塵劑的滲透性能，具體實驗做法如下。

采用三支相同的玻璃管，每根玻璃管上都有相應的刻度，在每根管中裝入相同質量的煤塵，進行振動夯實記錄玻璃管上的刻度。然后在每根管中加入相同質量的該抑塵劑，在同一時間記錄抑塵劑的滲透刻度，即可計算抑塵劑在玻璃管中的滲透速度。

通過實驗發現，計算該抑塵劑在三根管中的平均滲透速率為5 cm/min，滲透速率較快。可見在工作面以及巷道地面噴灑該抑制劑時能夠及時滲透到內部，并且在較短的時間內將煤塵板結成塊，起到抑塵以及控制揚塵的作用。

3.4 成膜時間測試

抑塵劑的成膜時間是評價抑塵劑性能的主要指標，在現場實際應用中能夠在短時間內成膜并且在一定的時間內能夠保持表面濕潤，對抑塵以及揚塵的吸收有著至關重要的作用。因此設計如下實驗：在培養皿中加入一定質量的煤粉，噴灑該抑塵劑，使煤粉充分濕潤，放置在自然環境中，記錄成膜時間并且用邵氏硬度計測量成膜硬度。成膜時間見表1。

表1 成膜時間

通過表中實驗數據可知，該抑塵劑成膜時間在1 h 左右，說明該抑塵劑能夠滿足在一定時間內的濕潤性，同時又滿足在較短時間內能夠成膜，可以滿足煤礦井下工作環境和工作進度的需求。

4 結論

隨著社會的進步以及采煤工藝的發展，煤礦工人的身體健康受到社會各界的廣泛關注，該抑塵劑能夠基本滿足煤礦井下工作面抑塵的需求，有效保障井下工人的身體健康，保護設備的正常運行，同時減少煤塵引發其他災害的可能性，改善我國煤礦井下的作業環境，并帶來巨大的經濟效益以及社會效益。