螯合劑IDS對煤層礦物質Ca元素的溶解作用影響研究

（遼寧大學環境學院 遼寧·沈陽 110036）

0 引言

煤層注水是現階段開采煤礦的提前準備工作，其作用之一是增加煤層中水的含量以降低沖擊傾向性，從而降低發生沖擊地壓的幾率與危害程度。由此可見，煤層注水的效果直接影響煤礦的安全開采。為了增加煤層的含水率，在傳統的煤層注水的技術條件下，采取高壓注水、鉆孔注水、添加濕潤劑等方式，但是隨著開采工作面的越來越深，注水效果達不到預期，所以在深部開采的背景下如何保證煤層含水率問題迫在眉睫。

煤中除了其主要成分碳以外，還有氫、氧和少量的氮、硫，以及微量的礦物質元素。煤的硬度除了煤質種類本身因素以外，礦物質含量也是硬性其硬度的重要因素之一，Ca元素的含量是衡量煤層硬度的重要指標之一。并且由于礦物質結晶的存在，封閉了部分煤孔隙，也影響了煤層注水效果。螯合劑亞氨基二琥珀酸四納（IDS）能對煤礦中絕大多數礦物質元素進行溶解，其特有的螯合配體是溶液和礦物晶體之間的一個橋梁，它擾動礦物質晶面吸附的水層，破壞了礦物質表面的水合環境，降低了蝕坑的產生能壘，使礦物表面產生蝕坑變得容易。IDS浸泡使用的濃度以及浸泡的時間等因素都會對煤層中礦物質元素的溶解作用效果產生影響，因此本文對煤層注水中添加螯合劑的一種合適的使用濃度與浸泡時間展開了研究。

1 實驗設計

實驗煤樣取自平頂山礦區24030工作面，并加工成標準試樣50mm*50mm*100mm，分別加入超純水、表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）、螯合劑IDS進行浸泡處理，SDBS與IDS使用濃度設立條件為 0.05wt%、0.10wt%、0.15wt%、0.20wt%、0.25wt%，浸泡時間設立條件為2d、4d、8d、12d、16d，分析浸泡液中礦物質元素Ca的離子含量。

2 實驗結果分析

將各組浸泡液離心過濾之后采用電感耦合等離子發射光譜儀（ICP）檢測浸泡液中的金屬離子溶解含量，如圖1、圖2所示。

圖1：Ca2+離子在SDBS溶解作用下的含量變化

圖2：Ca2+離子在IDS溶解作用下的含量變化

Ca離子在超純水中的溶解較少，在2天時間內溶解濃度只有 1.2mg/L，從 4-16天離子濃度不再明顯增加，維持在10mg/L左右，即4天的時候基本處于飽和狀態，隨后隨著浸泡時間的增加不再明顯變化。

在添加SDBS進行煤樣浸泡的實驗中，Ca離子濃度有了明顯變化，并且隨著浸泡時間的增加Ca離子濃度也隨之出現上升趨勢。在使用濃度為0.05wt%條件下，Ca離子濃度隨時間的增加而增加，浸泡2天時Ca離子濃度為26.5mg/L，是同時期超純水浸泡的22.1倍，浸泡時間到16天時離子濃度達到39.8mg/L，是同時期超純水浸泡的4.02倍，離子濃度增長幅度為50.2%；在使用濃度為0.15wt%條件下，浸泡2天時Ca離子濃度為44.0mg/L，是同時期超純水浸泡的36.7倍，而到浸泡時間為16天時，離子濃度為76.7mg/L，是同時期超純水浸泡的7.75倍，離子濃度增長幅度為74.3%；在使用濃度為0.25wt%時，浸泡時間為2天時，離子濃度為33.2mg/L，是同時期超純水浸泡的27.7倍，浸泡16天時離子濃度為77.7mg/L，是同時期超純水浸泡的 7.85倍，離子濃度增長幅度為134.0%。

同樣，溶液中Ca離子濃度與SDBS的使用濃度也有一定的聯系，即使用濃度的增加會導致溶液中Ca離子濃度的增加。在浸泡2天條件下，使用濃度為0.05wt%時，Ca離子濃度為26.5mg/L，使用濃度為0.15wt%時，Ca離子濃度為44.0mg/L，使用濃度為0.25mg/L時，Ca離子濃度為33.2mg/L，增長幅度相比于0.05wt%分別為66.0%和25.3%；在浸泡16天條件下，使用濃度為0.05wt%時，Ca離子濃度為39.8mg/L，使用濃度為0.15wt%時，Ca離子濃度為76.7mg/L，使用濃度為0.25mg/L時，Ca離子濃度為77.7mg/L，增長幅度相比于0.05wt%分別為92.7%和95.2%。

在添加IDS進行煤樣浸泡的實驗中，Ca離子濃度變化較為明顯，在高濃度（0.20wt%和0.25wt%）條件下Ca離子濃度也相對較高，并且隨著浸泡時間的增加Ca離子濃度也隨之出現上升趨勢。在使用濃度為0.05wt%條件下，Ca離子濃度隨時間的增加而增加，浸泡2天時Ca離子濃度為12.1mg/L，是同時期超純水浸泡的10.8倍，同時期SDBS浸泡的4.48倍；浸泡時間到16天時離子濃度達到22.6mg/L，是同時期超純水浸泡的2.28倍，是同時期SDBS浸泡的6.11倍，離子濃度增長幅度為86.8%；在使用濃度為0.15wt%條件下，浸泡2天時Ca離子濃度為31.4mg/L，是同時期超純水浸泡的26.2倍，同時期SDBS的8.05倍；而到浸泡時間為16天時，離子濃度為48.6mg/L，是同時期超純水浸泡的4.91倍，同時期SDBS的7.71倍，離子濃度增長幅度為54.8%；在使用濃度為0.25wt%時，浸泡時間為2天時，離子濃度為54.3mg/L，是同時期超純水浸泡的45.3倍，同時期SDBS的11.1倍，浸泡16天時離子濃度為73.5mg/L，是同時期超純水浸泡的7.42倍，同時期SDBS的9.55倍，離子濃度增長幅度為35.4%。

并且溶液中Ca離子濃度與IDS的使用濃度也有一定的聯系，即使用濃度的增加會導致溶液中Ca離子濃度的增加。在浸泡2天條件下，使用濃度為0.05wt%時，Ca離子濃度為12.1mg/L，使用濃度為0.15wt%時，Ca離子濃度為31.4mg/L，使用濃度為0.25mg/L時，Ca離子濃度為54.3mg/L，增長幅度相比于0.05wt%分別為159.5%和348.8%；在浸泡16天條件下，使用濃度為0.05wt%時，Ca離子濃度為22.6mg/L，使用濃度為 0.15wt%時，Ca離子濃度為 48.6mg/L，使用濃度為0.25mg/L時，Ca離子濃度為 73.5mg/L，增長幅度相比于0.05wt%分別為115.0%和225.2%。

從圖中也可看出，在高濃度0.20wt%和0.25wt%條件下，溶液中Ca離子濃度走向基本一致，并且含量也相差不多，導致此結果的原因有兩個；一是說明0.20wt%濃度條件下，對煤礦中Ca元素作用能力已經接近于最大化，再添加IDS增加使用濃度已經對煤礦中的Ca元素作用不大；二是說明煤礦中的Ca元素已經全部被IDS螯合溶解。

3 實驗結論與建議

（1）在超純水、添加SDBS、添加IDS三種浸泡液中，通過對浸泡液中礦物質金屬離子的檢測發現，在0.20wt%使用濃度并浸泡8天時間條件下，IDS對煤層中Ca離子的溶解濃度相對于SDBS更大，溶解能力相對更強。

（2）煤層中礦物質元素是影響煤層硬度的重要指標之一，礦物質含量過高導致煤質較硬，容易引發沖擊地壓等復合動力災害，SDBS和IDS分別對煤層中Ca元素有一定的溶解作用，說明兩者能對煤層中的礦物質能起到溶解作用，降低煤的硬度，能對煤礦沖擊傾向性有改善作用。

（3）現階段降低煤的沖擊傾向性最有效也是最簡單易行、普及率較高的辦法之一是在開采之前進行煤層注水，通過實驗結論在煤層注水過程中添加 0.20wt%SDBS和 0.20wt%IDS，注水時間控制在8天左右，能對煤層中礦物質元素Ca的溶解起到最大作用，從而能使煤層注水降低煤層沖擊傾向性效果達到最佳。

（4）螯合劑IDS相對于SDBS來講，對環境無毒無害，并且能在微生物作用下分解，不造成任何污染，是一種綠色環保安全無污染的清潔添加劑。

（5）由于IDS和SDBS分別對Ca元素各有優勢，而本文只針對某一種添加劑進行研究，因此推薦后續對IDS、SDBS配合使用進行研究，尋求一種配合使用能更有效的溶解煤中礦物質，降低煤層沖擊傾向性，防治復合動力災害的煤層注水辦法。