多組份水炮泥配方優選及降塵試驗研究

2020-04-17 11:50:42郭敬中金龍哲王天暘

金屬礦山 2020年3期

郭敬中金龍哲李剛王天暘

（1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京100083；2.華北科技學院安全工程學院，北京東燕郊101601；3.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽馬鞍山243000；4.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽馬鞍山243000）

隨著國民經濟的發展，一方面，滿足人們日益增長的職業健康需求已成為社會共識；另一方面，金屬礦山大型設備的大量使用及開采強度的持續增加，使得礦山粉塵量大幅增加，粉塵粒徑越來越小，嚴重污染作業環境和危害職工身心健康。因而，開展金屬礦山粉塵防治顯得尤為重要。金屬礦山開采中，鑿巖、爆破、裝卸礦石、破碎等工序均會產生大量微細粉塵。在濕式鑿巖作業時，各工序粉塵產生的比例約為鑿巖工序41.3%，爆破工序45.6%，裝運礦（巖）石13.1%［1］。由此可見，爆破作業作為金屬礦山開采粉塵的主要來源，應當采取有效措施進行消減。

近年來，行業內專家學者采用了各種技術手段來降低礦塵產生量、控制與捕集作業環境內粉塵，從而緩解礦塵對井下作業人員、運行設備的危害。通過改善水質可增強溶液與粉塵顆粒之間的接觸與沉降能力，其中降低水溶液的表面張力是目前研究的熱點。金龍哲等［2-4］基于表面活性能理論和界面能理論，通過比較不同類型表面活性劑溶液的表面張力和潤濕能力進行配方篩選與復配，獲得了高效水炮泥、新型水炮泥、潤濕型化學抑塵劑的配方，在降塵消煙方面取得了很好的效果。蔣仲安等［5-6］以潤濕高度和表面張力為試驗指標，運用對比試驗方法獲得了降低爆破煙塵的降塵劑，其中氯化鈉為最佳基料、十二烷基苯磺酸鈉為最佳表面活性劑，硫酸銅和氯化銨為添加劑，制成的水炮泥可有效降低爆破時的煙塵濃度。薛里等［7］在分析爆炸水霧降塵機理的基礎上，采用高速攝相機和圖像處理軟件，對爆炸水霧、粉塵和水霧捕塵的特性進行了試驗，試驗結果表明：當裝藥量和水量的比值（相當于水炮泥質量濃度）為0.24 kg/m3時，霧化效果最好；當爆炸水霧置于塵源正側方，近距離同時起爆時，降塵率可達80%以上。陳沅江等［8］綜合闡述了表面活性劑用于礦山塵毒治理的主要途徑，如采掘面噴灑表面活性劑溶液、煤層注水預濕、轉載點泡沫除塵、爆破和路面抑塵等。楊海濤等［9］從爆破塵毒機理分析出發，利用自制密閉容器對裝藥結構進行了研究，由試驗得出，與孔底布置和徑向布置相比，采用孔口布置水間隔裝藥結構的除塵效果更好，且可行性和可靠性強。鄒常富等［10］在分析水炮泥降塵機理的基礎上，通過對比分析普通水炮泥（添加純水）和高效水炮泥（添加高效降塵劑）的降塵消煙能力，認為高效水炮泥較普通水炮泥的降塵效率提高20%以上，炮煙平均濃度降低50%以上。此外，近年來，學術界在煤塵控制方面也取得了很多研究成果［11-15］，為金屬礦山防塵研究提供了有益參考。

相關研究表明，向水中添加潤濕劑可以有效改善溶液性質［16-18］，明顯減小水的表面張力以及潤濕邊角，增大顆粒與霧滴碰撞時融合的概率，尤其對于呼吸塵為代表的微細粉塵的控制效果顯著，為金屬礦塵消減提供了方向。本研究通過設計基料與輔料的對比優選試驗，以表面張力和接觸角為優選指標，獲得最佳多組份潤濕劑配方，并據此自制多組份水炮泥應用于梅山鐵礦爆破落礦作業。

1 多組份潤濕劑及其作用機理

1.1 多組份潤濕劑

多組份潤濕劑是一種由基料和輔料按照一定比例配制而成的混合劑，其中基料為吸濕性無機鹽，輔料為一種或幾種表面活性劑。

表面活性劑作為多組份潤濕劑的重要組成部分，具有潤濕、增溶、保水等作用［19-20］。水中加入表面活性劑，可使溶液的表面張力和濕潤邊角減小，從而增大溶液對礦塵的潤濕能力。表面活性劑是親水基和憎水基兩個不同性質的基團組成的化合物，通過改變水的表面張力和粉塵的物理化學性質，來增強溶液對固體顆粒（尤其是微細顆粒）的潤濕能力。將其配入水中后，親水基急速插入水中，憎水基受排斥而伸向空氣，從而在氣液表面形成界面吸附層，改變了氣液界面的接觸狀態，降低了液體表面張力。此外，伸向空氣的憎水基與固體顆粒相互吸引。因而，當水分子與固體分子接觸時，憎水基與固體顆粒、親水基與溶液形成對粉塵顆粒的包裹，使礦塵顆粒更易潤濕。

吸濕性無機鹽的加入，使得多組份潤濕劑密度較純水大，爆破時具有更大的迸發力。爆破時已氣化的溶液霧滴與礦塵碰撞凝結，因其密度較大而更易沉降。此外，吸濕性無機鹽使得粉塵潤濕后能繼續吸收空氣中的水分，一方面加速其沉降，另一方面保持潤濕粉塵顆粒的含水率，從根本上消解二次揚塵。

1.2 潤濕機理

采場引爆瞬間，因爆炸力而形成的粉塵與氣化的多組份潤濕劑霧滴相互碰撞，經過吸附、潤濕、增重、沉降等一系列過程，使得粉塵顆粒長期喪失飛揚能力［3］，從而起到潤濕降塵的效果。

粉塵顆粒的潤濕效果受固相—液相—氣相三相界面力的制約，其中接觸角θ 表示固—液界面張力γSL作用方向經液相轉至液—氣界面張力γLG作用方向所經過的角度，如圖1 所示。當接觸角θ ＜90°時，為可潤濕，且接觸角越小，其潤濕能力越強；當接觸角θ ≥90°時，粉塵顆粒難以潤濕，且隨著接觸角增大，其潤濕性能越差。

固相—液相、液相—氣相和氣相—固相之間作用力的關系可用潤濕方程進行表示：

式中，γSG為固—氣界面張力；γSL為固—液界面張力；γLG為液—氣界面張力。

由式（1）可知，若要提高溶液的潤濕能力，只有兩種途徑，要么增大氣—固界面張力，要么降低液—氣界面張力γLG或固—液界面張力γSL。多組份潤濕劑具備了降低液—氣界面張力γLG和減小固—液界面張力γSL的功能，因而可取得減小接觸角、增強礦塵潤濕能力的效果。

2 多組份潤濕劑優選試驗

2.1 礦塵樣本預處理

礦塵樣品選取梅山鐵礦-318 m 水平的N16 巷道型采場爆破迎頭粉塵。首先對原始粉塵樣品進行水分離試驗。粉塵樣品經200 目（對應網孔直徑為74μm）標準篩篩分（圖2），并在60℃恒溫箱中烘干8.0 h。在25 ℃室溫下冷卻后，進行分離處理，向盛水的燒杯表面緩慢傾倒塵樣，穩定2.0 min后，原始粉塵樣品即被分為兩部分（圖3）。浮于水面的粉塵即為原始粉塵樣品中難被潤濕的部分，可認定為疏水性粉塵（Hydrophobic Dust，HCD），沉聚水底的粉塵即易被潤濕的部分，可以認定為親水性粉塵（Hydrophilic Dust，HD）。本研究以分離所得的HCD為試驗樣品進行相關試驗分析。

本研究利用FW-4A 型粉末壓片機以30 MPa 壓力對粉塵進行壓片處理，用無水酒精將壓片模具擦洗干凈，向模具孔中加入一定量（約200 mg）的粉塵樣品，利用液壓機在50.0 MPa 壓力下形成直徑15.0 mm、厚約3.0 mm 具有壓光平面的圓柱體試片，保壓5.0 min，制成粉塵塊狀樣品（圖4）。

2.2 基料優選試驗

通過文獻研究［2-4］，初選出吸水性好的吸濕性無機鹽材料8種，并配制成一定濃度的溶液。首先稱量等量的HCD 粉塵樣品8 份，分別放置于編號為1#～8#的容器中；然后將等量等濃度的吸濕性無機鹽溶液分別加入容器中，并稱量總重，記錄數據。每天上午9點（記作A）、下午5點（記作P）分別稱量一次總重并記錄數據。按照含水率計算公式（式（2））計算各種吸濕性材料的含水率，

式中，φ 為粉塵含水率，%；wF、wO分別為粉塵樣品的濕重和初始質量，g。

根據式（2）計算，繪制出的含水率變化曲線如圖5所示。

由圖5可知：相同條件下，氯化鈣、氯化鎂的吸濕性能明顯優于其他吸濕性材料，粉塵含水率達到了6%以上。經過調查，氯化鈣和氯化鎂不僅都具有良好的吸濕性能，而且能夠滿足化工產品在井下應用的條件，即：無毒無臭，對環境不造成污染；能溶于任何礦井水中，且溶解度較大；無燃燒、爆炸性；無明顯的腐蝕性。該類材料來源廣泛，價格低廉，是十分理想的吸濕性材料。

2.3 表面張力測定試驗

表面張力是液體表面任意相鄰部分垂直于其單位長度分界線相互作用的拉力。溶液的表面張力大小直接反映了溶液潤濕粉塵顆粒的能力大小。

2.3.1 表面活性劑初選

通過查詢相關文獻［2-4，13-16］，篩選出12 種表面活性劑（表1），分別為陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑以及非離子表面活性劑。在室溫條件下，采用QBZY 系列全自動表面張力儀（圖6）對12 種表面活性劑溶液的表面張力進行測定，其在濃度為0.005%、0.01%、0.05%、0.1%和0.2%時的表面張力值見圖7。

由圖7可知：不管是陰離子、非離子表面活性劑，還是陽離子表面活性劑，其表面張力均隨濃度的增加而降低。但不同類型的表面活性劑的表面張力有較大不同，陽離子表面活性劑的表面張力大于其他兩種類型表面活性劑的表面張力。根據表面張力大小，本研究初選出3 種表面張力較小的表面活性劑SDBS、SDS、PMEE，并復配出兩種復合型表面活性劑N1、N2。

2.3.2 多組份潤濕劑初配

利用優選的無機鹽，按照一定的比例分別與5種表面活性劑SDBS、SDS、PMEE、N1、N2配制不同濃度的溶液，分別記作X+（其中X表示表面活性劑類型），測定了其表面張力，結果見圖8。

由圖8可知：5種表面活性劑無論是在純水中，還是在添加無機鹽的溶液中，均表現出隨著溶液濃度的增加，其表面張力值呈逐漸降低的趨勢，說明其對粉塵的潤濕能力逐漸增強，且表現出較好的一致性。表面活性劑SDBS、SDS、PMEE、N1在加入無機鹽的溶液中其表面應力值相對于在純水中都有一定程度增大，但表面活性劑N2在加入無機鹽的溶液中的表面應力值相對于在純水中有所減小。與其他表面活性劑相比，N2在加入無機鹽溶液中的表面張力值最小，說明由N2和基料配制而成的多組份潤濕劑溶液表面張力小，潤濕粉塵能力強。在多組份潤濕劑溶液質量分數達到0.05%之后，隨著濃度繼續增大，表面張力值變化趨于平緩，并逐步穩定在28.0 mN/m 左右，說明添加多組份潤濕劑只能在一定程度上降低水的表面張力，超過這一臨界濃度，濃度繼續變大不會使水的表面張力發生明顯變化，即其潤濕能力也逐漸靠近最大值。

2.4 接觸角測定

本研究采用Theta Lite（TL101）接觸角測定儀（圖9）測定了10 種溶液對梅山鐵礦粉塵樣品的接觸角，分析不同溶液在不同濃度下的粉塵潤濕效果，為多組份潤濕劑優選提供參考數據，測試結果見圖10。

通過分析潤濕接觸角隨濃度的變化曲線（圖10）可知，優選的表面活性劑無論是在純水中還是在加入基料的溶液中，隨著溶液濃度的增大，其接觸角不斷減小。與其他溶液相比，多組份潤濕劑N2+溶液對粉塵樣品的接觸角較小，其潤濕能力隨著濃度的不斷變大而變大，當溶液質量分數達到0.05%之后，接近達到最佳潤濕效果，這與其表面張力呈現出的規律具有一致性。

2.5 溶液鋪展系數

溶液的鋪展系數與其濃度之間的關系曲線見圖11。

分析圖11 可知：10 種溶液的鋪展系數隨著溶液濃度的增加而增大，并趨于平緩。多組份潤濕劑N2+溶液相較于其他溶液具有較大的鋪展系數，說明多組份潤濕劑N2+在粉塵表面更容易鋪展潤濕。

3 多組份潤濕劑降塵效果試驗

3.1 試驗概況

將最佳配比的多組份潤濕劑裝入自制的水炮泥袋中，制成多組份水炮泥，用于梅山鐵礦采場爆破工作面，驗證多組份水炮泥的減塵效果。試驗地點選取梅山鐵礦-318W-N16 巷道型采場，爆破作業面巷道斷面尺寸為6 m×4 m。針對采場爆破鉆孔深度達21 m，直徑為90 mm，鉆孔內壁粗糙，且局部區域出現孔徑變小的現象，自制了直徑75 mm、長度320 mm、自封口、外包裹尼龍袋的多組份水炮泥成品，有效滿足了注水壓力、孔內輸送等要求。

在距爆破迎頭約30.0 m 處，安放了兩臺CCZ20改進型粉塵濃度采樣器，分別進行總粉塵和呼吸性粉塵采樣。采樣器取樣高度設為1.5 m（呼吸帶位置），全塵、呼塵采樣時間分別為5 min、10 min，采樣流量均為20 L/min。

3.2 試驗結果分析

在炮眼數量、裝藥量、水炮泥裝入數量等外界條件等同的情況下，分別對未裝水炮泥（裸爆）、添加普通水炮泥（清水）、填裝多組份水炮泥時的全塵和呼塵數據進行了測定，結果見圖12。

根據測試數據，參照行業標準《煤礦防塵措施的分級除塵效率》（MT/T 712—1997），相對降塵效率可進行如下計算

式中，D1為采場未裝水炮泥時的粉塵濃度，mg/m3；D2為工作面裝有普通水炮泥或多組份水炮泥時的粉塵濃度，mg/m3。

根據圖12中的粉塵濃度數據，利用式（3）計算相對降塵效率可知，采用普通水炮泥爆破作業時，全塵降塵效率為28.57%，呼塵降塵效率為27.67%，而采用多組份水炮泥爆破作業時，全塵降塵效率提高至63.61%，呼塵降塵效率提高至61.63%。與普通水炮泥爆破作業相比，應用多組份水炮泥爆破作業的降塵效率提高了35%左右，說明多組份水炮泥可有效降低水的表面張力與減小礦塵和溶液之間的界面張力，具有較強的潤濕礦塵能力，從而降低了爆破作業時的粉塵濃度，這與多組份潤劑的試驗結果相一致。

為進一步探索多組份水炮泥的功效，分別對未裝水炮泥、添加普通水炮泥、填裝多組份水炮泥時礦塵的沉降時間進行了測試，結果見圖13。

由爆破作業粉塵沉降時間測試數據（圖13）可知，未采用任何技術措施時，距爆破作業面30 m 處的礦塵約需32 min 以上才能沉降至50 mg/m3以下并趨于穩定，采用普通水炮泥進行爆破作業時，時間降至20 min 左右，但應用多組份水炮泥進行爆破作業時，在12 min內礦塵質量濃度降至50 mg/m3以內，沉降時間大大縮短。說明爆破作業時添加多組份水炮泥可加速礦塵沉降，從而減少爆破工序耗時，提高作業效率。

4 結論

（1）多組份潤濕劑是一種由基料和輔料按照一定比例配制而成的混合劑，其中基料為吸濕性無機鹽，輔料為一種或幾種表面活性劑。多組份潤濕劑潤濕礦塵機理可以概括為：通過改變溶液的表面張力和粉塵的物理化學性質，增強對固體顆粒（尤其是微細顆粒）的潤濕能力；溶液密度增大，溶液霧滴與礦塵碰撞凝結的概率倍增，沉降速度加快；延長被潤濕粉塵顆粒的保濕時間，從源頭上消減二次揚塵。

（2）以表面張力和接觸角為優選指標，運用對比試驗方法確定了最佳基料和輔料，獲得的最佳多組份潤濕劑配方具有較強的鋪展能力、潤濕及保濕能力。