煤炭作為我國的主要能源，在未來一段時間內(nèi)，仍將處于能源消費的主導(dǎo)地位。煤炭在開采過程中產(chǎn)生大量粉塵，對人體產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。井下工人長期處于高濃度粉塵環(huán)境中，會吸入較多的粉塵，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，滿足相應(yīng)條件時，便會發(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。

在煤塵潤濕性研究方面，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的工作，取得了一定的成果。例如，采用軸對稱落體分析技術(shù)，通過將巖相學(xué)與圖像分析、接觸角測量技術(shù)相結(jié)合，綜合分析了煤中各組分的疏水性與煤潤濕性之間的關(guān)系；運用Walker試驗法詳細(xì)分析了煤中化學(xué)成分與其潤濕性的關(guān)系，認(rèn)為煤塵的潤濕時間與水分含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，同時，研究發(fā)現(xiàn)煤表面的羥基官能團是決定煤塵潤濕的主要因素；通過研究煤潤濕性與煤質(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煤塵潤濕影響最為顯著；通過對不同變質(zhì)程度的煤樣進(jìn)行XRD測試，并結(jié)合接觸角測定結(jié)果，對煤塵堆垛結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出對煤塵潤濕性較好的XRD的相關(guān)參數(shù)；通過煤質(zhì)分析與接觸角測定，并利用紅外光譜對煤塵表面官能團進(jìn)行分析，得出含氧官能團及芳環(huán)、C—H與接觸角具有很強的線性關(guān)系，對煤塵的潤濕影響較大；通過模擬軟件，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濕性能的主要因素；通過對13種煤樣進(jìn)行工業(yè)與元素分析，并通過毛細(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，確定了對煤潤濕性影響最大的煤質(zhì)因素；以接觸角、表面張力、沉降速度及沉降時間作為抑塵劑的考察指標(biāo)，通過正交試驗篩選出最優(yōu)的抑塵劑配方;通過測試溶液表面張力、接觸角，分析了復(fù)配試劑的潤濕性能。

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，通過化學(xué)改性后，制備出流動性好、潤濕性強的團聚型抑塵劑；優(yōu)選4種表面活性劑，通過對單體和復(fù)配溶液的表面張力、接觸角的測試及反滲透實驗，得到煤塵潤濕性較好的復(fù)配溶液；通過正交試驗優(yōu)選出針對煤礦粉塵的3種抑塵劑，通過試驗驗證了優(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%；通過對大豆磷脂進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其是一種天然的表面活性劑，且具有無毒可降解的特性。

綜上所述，國內(nèi)外科研工作者對煤塵潤濕性及降塵劑進(jìn)行了大量研究，但仍存在以下兩方面問題：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與疏水基團，其親水部分是由兩分子葡萄糖通過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)點在于滲透性較強，有良好的擴散性和分散性，且溶液環(huán)保無毒，對人體皮膚無刺激，使用后會發(fā)生生物分解，轉(zhuǎn)化為有機肥料，對環(huán)境不會造成二次污染。通過測試EMI溶液對煤塵潤濕性的影響，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)實意義。

1.實驗部分

1.1實驗樣品制備

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。實驗煤樣選取黃陵一號煤礦弱黏煤樣，煤樣工業(yè)分析結(jié)果見表1。在制備煤塵樣品時，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)對黃陵一號煤礦綜采工作面煤塵粒徑分布進(jìn)行檢測，并結(jié)合國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對粉塵粒徑的定義，以及實驗室制備條件，去除煤塊外表皮，使用破碎機對煤心破碎60 s，用160、200、300、400目標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)篩對煤粉進(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個粒度范圍的樣品進(jìn)行實驗，其中煤塵粒徑與煤樣編號見表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后密封保存以備實驗使用。

表1煤樣的工業(yè)分析

1.2實驗方法及裝置

1.2.1表面張力測試

表面張力測試采用拉脫法原理，將測試用的鉑金板底端浸入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的EMI溶液中，利用表面張力測試儀測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3次，取平均值作為最終結(jié)果。表面張力計算公式如下：

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，m。

1.2.2 EMI溶液與煤塵接觸角測試

通過壓片機配套的壓片模具將200 mg不同粒徑的測試煤樣在50 MPa的成型壓力下對煤樣施壓2 min，每個煤樣制作3個厚為2 mm的測試煤片。利用移液器將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)EMI溶液滴在測試煤片表面，將儀器調(diào)焦拍照，對每組煤片進(jìn)行3次重復(fù)實驗，取3次實驗結(jié)果的平均值。

1.2.3煤塵在EMI溶液中的沉降測試

實驗采用自然沉降法。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，并開始計時，分別記錄4種不同粒徑測試煤樣完全穿過不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的EMI溶液所需的時間，從開始計時到所有煤塵樣品穿透降塵溶液沉降至杯底的時間記為煤塵的沉降時間。

1.2.4 EMI影響煤塵吸濕性測試

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

1.2.5 EMI保水效果及煤樣板結(jié)硬度測試

保水性通常以溶液抗蒸發(fā)率來進(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干燥測試煤樣均勻混合，每隔8 h對測試煤樣的質(zhì)量進(jìn)行稱量。煤樣的保水率計算公式如下：

η=(m1-m2)/m1*100%(2)

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

利用邵氏硬度計，對失水后的煤樣進(jìn)行硬度測試。將硬度計垂直壓入試樣表面，當(dāng)壓足表面與試樣表面完全貼合時，指針發(fā)生一定偏移，使得儀表盤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。

實驗用到的測試裝置如圖1所示。

圖1實驗裝置

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的EMI溶液的表面張力測定【實驗上】

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的EMI溶液的表面張力測定【實驗下】