新密礦區(qū)新登煤礦二1 煤層復(fù)配潤濕劑配方及其應(yīng)用效果研究

單文選，肖 健，黃晶晶

（華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601）

0 引 言

煤礦生產(chǎn)智能化綜合機(jī)械化程度不斷提高，生產(chǎn)效率和生產(chǎn)設(shè)備也在不斷提高和改善[1]，粉塵對人機(jī)環(huán)造成的巨大損害與安全生產(chǎn)的矛盾日益顯著[2-5]。因此降塵除塵成為煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，其效果直接關(guān)系達(dá)到煤礦安全生產(chǎn)效益[6]。煤層注水是采掘工作面最基本和最有效的防塵措施，煤體注水量的增加可以顯著提高注水降塵效率[7]。由于煤本身的親水性不好，而潤濕劑則可以有效提高煤層注水降塵效率，并取得了較好的降塵效果[8-14]。在水中添加表面活性劑的研究較多，但由于地質(zhì)條件的多樣性，本次研究主要針對新密礦區(qū)新登煤礦二1 煤層潤濕劑復(fù)配配方進(jìn)行研究。本次研究，通過測試其基本參數(shù)進(jìn)行可注性分析，又對不同質(zhì)量濃度潤濕劑表面張力及其接觸角的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)合煤塵沉降實(shí)驗(yàn)[15-17]，找到與該礦二1 煤層相適應(yīng)的復(fù)配潤濕劑，并通過對注水量和炮采工作面放炮、人工攉煤和移架工序的降塵效果的現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而提高煤層注水效率。

1 試樣制備

1.1 煤樣制備

實(shí)驗(yàn)所用煤塵由新密礦區(qū)新登煤礦二1 煤層所取煤樣制備而成。將井下所取新鮮煤樣一部分送至實(shí)驗(yàn)室測試其測定水分、孔隙率、吸水率和堅(jiān)固性系數(shù)，另一部分經(jīng)破碎機(jī)處理后用分樣篩篩選出200 目以下煤塵，抽真空干燥12 h，用煤片成型機(jī)施加壓力10 MPa 制備無損優(yōu)質(zhì)圓形煤片若干片。再用精度為0.01 g 的電子天平稱取制備好的煤粉15 份，每份（10±0.2） g。

1.2 潤濕劑溶液制備

綜合考慮礦用潤濕劑成本和平均降塵效率，選取十二烷基硫酸鈉（SLS）、十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）、十二烷基磺酸鈉（SAS）、磺化琥珀酸二辛酯鈉鹽（KT）、烷基酚聚氧乙烯醚（OP-10）、椰子油脂肪酸二乙醇酰胺（6501） 6 種潤濕劑進(jìn)行復(fù)配，復(fù)配前需分別對6 中潤濕劑不同質(zhì)量濃度溶液表面張力進(jìn)行測試，綜合經(jīng)濟(jì)適用性和降塵效率研究復(fù)配質(zhì)量濃度。此次實(shí)驗(yàn)需為6 種潤濕劑先制備質(zhì)量濃度分別為0.01%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%和0.30%的潤濕劑溶液。

2 實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果分析

2.1 表面張力、接觸角測試及分析

經(jīng)溶液表面張力和與煤體的接觸角是影響注水降塵的主要因素，因此需對不同單種潤濕劑溶液和純水的表面張力和溶液與煤樣接觸角進(jìn)行測試并分析。此次研究中表面張力和接觸角由FTA-200 新型動態(tài)接觸角分析儀經(jīng)3 次測試取平均值所得。實(shí)驗(yàn)室所得純水表面張力為71.85 mN/m，與煤樣接觸角為70°。

基于實(shí)驗(yàn)室測得的6 種不同質(zhì)量濃度潤濕劑溶液表面張力和接觸角，如圖1（a） 圖1（c）；用微分表示同種潤濕劑溶液表面張力和接觸角隨溶液質(zhì)量濃度變化率，如圖1（b） 和圖1（d）。可以得出如下結(jié)論：①潤濕劑溶液表面張力和接觸角與質(zhì)量濃度呈對數(shù)關(guān)系，當(dāng)濃度為0.30%，微分值基本減小至0，此時表面張力和接觸角變化率接近0；②實(shí)驗(yàn)溶液質(zhì)量濃度為0.30%，各潤濕劑單體溶液表面張力從大到小依次為：SDBS、6501、SLS、OP-10、SAS、KT，接觸角從大到小依次為：6501、SDBS、KT、OP-10、SAS、SLS；③溶液質(zhì)量濃度增加至0.10%時，表面張力和接觸角微分?jǐn)?shù)均接近于0，表面張力和接觸角變化率較小，溶液質(zhì)量濃度大于0.10%后，效果改善效率偏低。

圖1 潤濕劑表面張力和接觸角測定結(jié)果及變化率Fig.1 Change of the surface strength and contact angle of the wetting agent

2.2 潤濕劑復(fù)配

此次研究將6 種潤濕劑按1∶1 的比例兩兩復(fù)配，鑒于潤濕劑質(zhì)量濃度大于0.10%表面張力變化不明顯，因此選擇復(fù)配溶液質(zhì)量濃度為0.10%，即每次復(fù)配所用潤濕劑的質(zhì)量濃度均為0.05%。為使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有適應(yīng)性，在對測試表面張力和接觸角的同時，采用德拉弗斯實(shí)驗(yàn)法對復(fù)配溶液配方篩選最優(yōu)結(jié)果。將稱好的煤粉倒入到裝有復(fù)配試劑1 000 mL 的量杯中，記錄從煤粉倒入到完全沉降所用時間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 復(fù)配實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Matching experimental results

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，10 號配方為表面張力最小溶液，同時也是沉降所用時間最少的溶液；1 號配方為表接觸角最小溶液，但沉降所用時間較長。顯然，10 號配方更適合現(xiàn)場實(shí)際，因此本次研究將10 號配方（SAS+KT） 作為本次研究的最佳潤濕劑復(fù)配配方。

3 井下現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 注水對比試驗(yàn)

前文的研究結(jié)果是否對煤層注水降塵有明顯改善需進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證。此次研究所取煤樣水分、孔隙率、吸水率和堅(jiān)固性系數(shù)由實(shí)驗(yàn)室測試所得，結(jié)果分別為1.781，7.83，0.15 和9.21，對照《MT/T1023—2006》 規(guī)范判斷該工作面煤層具有可注性。現(xiàn)場驗(yàn)證地點(diǎn)選在該礦二1 煤層21211 炮采工作面。21211 炮采工作面，平均煤層傾角6°，厚度平均4 m。注水孔布置數(shù)量為2，間隔10 m，如圖2 所示。

圖2 鉆孔布置示意Fig.2 Drilling layout schematic

注水方式選擇動壓短孔注水（孔深4 m），注水壓力2.5 MPa，鉆孔直徑42 mm。其中1 號鉆孔和2 號鉆孔分別使用10 號潤濕劑復(fù)配配方和純水進(jìn)行注水，直至煤壁滲水。在注水的同時觀測流量并記錄時間，觀測結(jié)果見表2。

表2 鉆孔注水量Table 2 Drilling water injectio

1 號鉆孔和2 號鉆孔不同時間點(diǎn)的注水量，通過做差處理可以得出不同時間點(diǎn)注水量差值，如圖3 所示。由圖3 分析可以得出：①相同注水時間點(diǎn)，單位時間注水量1 號鉆孔明顯高于2 號鉆孔，潤濕劑注水鉆孔注水效果明顯優(yōu)于純水鉆孔注水；②隨著注水時間增加，鉆孔注水量有減小趨勢，但1 號鉆孔注水量與2 號鉆孔注水量差值逐漸增大，潤濕劑作用效果隨注水時間增加而更加明顯；③由兩鉆孔注水量和和其差值分析可知隨時間增加，潤濕劑注水鉆孔相較純水注水鉆孔注水量，相同時間注水量提高率隨時間增加而增加。

圖3 鉆孔注水量Fig.3 Drilling water injection

3.2 降塵效果測試

炮采工作面粉塵的主要來源是放炮、人工攉煤和移架[18]，因此粉塵濃度測定只針對上述3 個工序進(jìn)行，此次粉塵濃度測定采用AKFC-92A 防爆粉塵采樣儀進(jìn)行。放炮煤塵在回風(fēng)巷中測定，其他粉塵濃度均在工序附近測定，分別對未注水、注水、注復(fù)配潤濕劑的粉塵發(fā)生量進(jìn)行記錄，并計(jì)算注水和注復(fù)配潤濕劑降塵的效率，結(jié)果如圖4 所示。

根據(jù)圖4 可知：①在爆破、人工攉煤和放頂煤三個工序中，煤層注水降塵和注復(fù)配潤濕劑降塵均對粉塵控制有明顯作用；②相同采煤工序中注水降塵效率明顯低于注復(fù)配潤濕劑降塵效率，平均相差19%，其中放頂煤工序降塵效率提升最大，相差24%。

圖4 降塵效率Fig.4 Dust control efficiency

4 結(jié) 論

（1） 此次研究對6 種潤濕劑的表面張力和接觸角分別進(jìn)行了測試，通過測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)溶液質(zhì)量濃度為0.30%時，表面張力從從小到大依次為：KT、SAS、OP-10、SLS、6501、SDBS；接觸角從小到大依次為：SLS、SAS、OP-10、KT、SDBS、6501。

（2） 表面張力或接觸角任何單項(xiàng)指標(biāo)的大小不能完全決定潤濕劑的效果，本次研究采用沉降實(shí)驗(yàn)表征兩者共同作用的最終結(jié)果，由此確定最佳潤濕劑配方。

（3） 現(xiàn)場試驗(yàn)對注水和注復(fù)配潤濕劑的注水效果以及降塵效果分別進(jìn)行了測試，復(fù)配潤濕劑均有較大提高，注水流量相差最大0.09m3/min，3 種工序中降塵效率與注水降塵相比平均提高19%。

（4） 通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)研究表明，10 號復(fù)配配方即十二烷基磺酸鈉（SAS） 和磺化琥珀酸二辛酯鈉鹽（KT） 以1∶1 比例復(fù)配，溶液質(zhì)量濃度為1%時，為此次研究中最佳潤濕劑復(fù)配配方。