新密礦區新登煤礦二1 煤層復配潤濕劑配方及其應用效果研究

單文選，肖 健，黃晶晶

（華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 101601）

0 引 言

煤礦生產智能化綜合機械化程度不斷提高，生產效率和生產設備也在不斷提高和改善[1]，粉塵對人機環造成的巨大損害與安全生產的矛盾日益顯著[2-5]。因此降塵除塵成為煤礦安全生產的重要環節，其效果直接關系達到煤礦安全生產效益[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，但由于地質條件的多樣性，本次研究主要針對新密礦區新登煤礦二1 煤層潤濕劑復配配方進行研究。本次研究，通過測試其基本參數進行可注性分析，又對不同質量濃度潤濕劑表面張力及其接觸角的實驗研究，結合煤塵沉降實驗[15-17]，找到與該礦二1 煤層相適應的復配潤濕劑，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場試驗進行驗證，進而提高煤層注水效率。

1 試樣制備

1.1 煤樣制備

實驗所用煤塵由新密礦區新登煤礦二1 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驗室測試其測定水分、孔隙率、吸水率和堅固性系數，另一部分經破碎機處理后用分樣篩篩選出200 目以下煤塵，抽真空干燥12 h，用煤片成型機施加壓力10 MPa 制備無損優質圓形煤片若干片。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 種潤濕劑進行復配，復配前需分別對6 中潤濕劑不同質量濃度溶液表面張力進行測試，綜合經濟適用性和降塵效率研究復配質量濃度。此次實驗需為6 種潤濕劑先制備質量濃度分別為0.01%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%和0.30%的潤濕劑溶液。

2 實驗方法和結果分析

2.1 表面張力、接觸角測試及分析

經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 新型動態接觸角分析儀經3 次測試取平均值所得。實驗室所得純水表面張力為71.85 mN/m，與煤樣接觸角為70°。

基于實驗室測得的6 種不同質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量濃度變化率，如圖1（b） 和圖1（d）。可以得出如下結論：①潤濕劑溶液表面張力和接觸角與質量濃度呈對數關系，當濃度為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實驗溶液質量濃度為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溶液質量濃度增加至0.10%時，表面張力和接觸角微分數均接近于0，表面張力和接觸角變化率較小，溶液質量濃度大于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 潤濕劑復配

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

表1 復配實驗結果Table 1 Matching experimental results

由實驗結果可知，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 號配方更適合現場實際，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配配方。

3 井下現場試驗

3.1 注水對比試驗

前文的研究結果是否對煤層注水降塵有明顯改善需進行現場試驗驗證。此次研究所取煤樣水分、孔隙率、吸水率和堅固性系數由實驗室測試所得，結果分別為1.781，7.83，0.15 和9.21，對照《MT/T1023—2006》 規范判斷該工作面煤層具有可注性。現場驗證地點選在該礦二1 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 號潤濕劑復配配方和純水進行注水，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 號鉆孔不同時間點的注水量，通過做差處理可以得出不同時間點注水量差值，如圖3 所示。由圖3 分析可以得出：①相同注水時間點，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 個工序進行，此次粉塵濃度測定采用AKFC-92A 防爆粉塵采樣儀進行。放炮煤塵在回風巷中測定，其他粉塵濃度均在工序附近測定，分別對未注水、注水、注復配潤濕劑的粉塵發生量進行記錄，并計算注水和注復配潤濕劑降塵的效率，結果如圖4 所示。

根據圖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 論

（1） 此次研究對6 種潤濕劑的表面張力和接觸角分別進行了測試，通過測試結果可以發現溶液質量濃度為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指標的大小不能完全決定潤濕劑的效果，本次研究采用沉降實驗表征兩者共同作用的最終結果，由此確定最佳潤濕劑配方。

（3） 現場試驗對注水和注復配潤濕劑的注水效果以及降塵效果分別進行了測試，復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） 通過實驗室實驗和現場試驗研究表明，10 號復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 比例復配，溶液質量濃度為1%時，為此次研究中最佳潤濕劑復配配方。