露天礦潛孔鉆泡沫抑塵劑配方及試驗研究

蔣仲安,姜 蘭,陳舉師

(北京科技大學(xué)教育部金屬礦山高效開采與安全重點實驗室,北京 100083)

露天礦潛孔鉆泡沫抑塵劑配方及試驗研究

蔣仲安,姜 蘭,陳舉師

(北京科技大學(xué)教育部金屬礦山高效開采與安全重點實驗室,北京 100083)

為有效降低露天礦潛孔打鉆作業(yè)產(chǎn)生的大量粉塵,并解決濕式抑塵用水量大的問題,基于泡沫抑塵原理,從發(fā)泡性能及濕潤性能兩個方面來設(shè)計復(fù)配實驗。以泡沫綜合指數(shù)、表面張力、接觸角及反向滲透吸重為指標(biāo),優(yōu)選出最佳泡沫抑塵劑配方為α-烯烴磺酸鈉、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉、十二烷基二甲基甜菜堿和椰子油單乙醇酰胺,各成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.15%,0.20%, 0.05%和0.50%。經(jīng)現(xiàn)場試驗,驗證該配方的泡沫抑塵效果良好,在下風(fēng)向5 m工作區(qū)域內(nèi)全塵除塵率平均值為87.8%,呼吸性粉塵除塵率平均值為80.7%,明顯優(yōu)于噴霧降塵及干式除塵效果。

潛孔鉆;粉塵;泡沫;抑塵劑;表面活性劑;露天礦

目前,我國的露天礦山打鉆多采用潛孔鉆機(jī)和牙輪鉆機(jī),據(jù)現(xiàn)場觀測,潛孔鉆機(jī)的產(chǎn)塵嚴(yán)重,現(xiàn)場粉塵污染明顯,而且粒徑分布范圍廣,既有小于5 μm的超細(xì)粉塵,是作業(yè)工人患塵肺病的病源隱患,又有幾毫米直徑的不規(guī)則大顆粒,對鉆機(jī)及抑塵設(shè)備等磨損較大,不利于設(shè)備保養(yǎng)。目前采用的干式抑塵措施效果并不理想,尤其是對呼吸性粉塵效果甚微,而且有二次揚塵的問題。噴霧抑塵效果相對較好,但是用水量過大,且作業(yè)區(qū)域粉塵濃度依然無法達(dá)到作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1-3]。于是,筆者研制一種適合潛孔鉆機(jī)使用的泡沫抑塵劑,將有利于泡沫抑塵技術(shù)在潛孔鉆作業(yè)時的推廣,解決潛孔打鉆粉塵濃度嚴(yán)重超標(biāo)的問題,為作業(yè)人員提供良好的作業(yè)環(huán)境,具有重要的現(xiàn)實意義。

1 泡沫抑塵原理

泡沫抑塵就是將一定濃度和配比的泡沫抑塵劑,通過泡沫發(fā)生器產(chǎn)生大量泡沫,通過管道及噴嘴噴灑到塵源處,連續(xù)產(chǎn)生的泡沫體將塵源覆蓋住,同時還能濕潤粉塵并形成泥漿排出。另外,當(dāng)泡沫遇到空氣中懸浮的粉塵時,大量的泡沫粒子群與粉塵接觸碰撞或黏附,將粉塵捕集下來[4]。

泡沫中氣泡為分散相,液體為連續(xù)相,泡沫捕塵主要是靠截留、慣性碰撞、擴(kuò)散、黏附、重力沉降等多種機(jī)理綜合作用的結(jié)果。對于大直徑粉塵,主要降塵機(jī)理為截留和重力;對于呼吸性粉塵,主要降塵機(jī)理為擴(kuò)散、黏附等[5-9]。由于泡沫的總體積和總表面積較水滴大很多,所以捕塵效率也比噴霧除塵高[10-11]。

2 泡沫抑塵劑的配方優(yōu)選

2.1 泡沫抑塵劑的發(fā)泡實驗

通過表面張力實驗在9種表面活性劑(十二烷基硫酸鈉、十二烷基磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、辛基苯酚聚氧乙烯醚、α-烯烴磺酸鈉、十六烷基三甲基溴化胺、十二烷基二甲基甜菜堿、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉和十二烷基二甲基氧化胺)中選出對表面張力較小的5種表面活性劑進(jìn)行攪拌法發(fā)泡實驗[12-15]。首先配備相應(yīng)濃度的表面活性劑溶液 100 mL,在1 000 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌60 s,停止轉(zhuǎn)動后立即讀取所產(chǎn)生的泡沫體積(V0)來表示發(fā)泡能力[5]。然后記錄泡沫體積消失一半所經(jīng)歷的時間(T1/2)為泡沫的半衰期,并作為穩(wěn)定性的衡量指標(biāo)。為方便實驗標(biāo)記,將十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、α-烯烴磺酸鈉、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉、十二烷基二甲基甜菜堿順序編號為A～E。

2.1.1 發(fā)泡劑正交復(fù)配實驗

通過對比各單一發(fā)泡劑的FCI值,優(yōu)選出該單一發(fā)泡劑的最佳發(fā)泡濃度進(jìn)行復(fù)配?？紤]到各發(fā)泡劑之間的交互作用,設(shè)計L16(215)有交互作用的正交實驗表,表頭設(shè)計見表2。另外考慮到這5種因素之間的交互作用,分別置于其他10列。

表1 各發(fā)泡劑的FCI值Table 1 FCI values of each foaming agent

表2 正交實驗表頭設(shè)計(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 2 The header of orthogonal design table

根據(jù)正交實驗表所示的實驗組合進(jìn)行實驗,其中1和2代表各自發(fā)泡劑的濃度水平1和水平2,結(jié)果見表3。

表3 發(fā)泡正交實驗數(shù)據(jù)Table 3 Orthogonal experimental data of foaming test

由顯著性檢驗可以得出,所有含A,B及AB的因子都是不顯著的,也就是說所有不含A,B的因子都是顯著因子,即C,D,E均為顯著因子。通過均值比較,選出最優(yōu)組合,見表4。

表4 顯著因子的各水平均值Table 4 Average value of each levels of significant factors

通過表4中計算的各水平平均值,可以選出最優(yōu)組合為C1D1E1,由于A,B為不顯著因子,考慮到成本因素及程序最簡化原則,選擇B2A2組合,即發(fā)泡劑復(fù)配正交實驗的最佳組合為A2B2C1D1E1。

2.1.2 添加穩(wěn)泡劑實驗

初步確定以最佳組合配方1(下文中簡稱配方1)及發(fā)泡體積最大的配方2(下文中簡稱配方2)作為發(fā)泡劑配方,添加穩(wěn)泡劑(椰子油單乙醇酰胺、羧甲基纖維素鈉和陰離子聚丙烯酰胺,編號分別為F,G和H)進(jìn)行發(fā)泡實驗,實驗結(jié)果見表5。

兩種手術(shù)方法治療股骨轉(zhuǎn)子間骨質(zhì)疏松性骨折的療效 …………………………… 蔡韻律(6):734膝關(guān)節(jié)炎家兔外周血BTLA、IL-1、TNF-α、IL-10及部分血小板參數(shù)的變化 … … 張可訓(xùn)，等(7):794

表5 添加穩(wěn)泡劑實驗數(shù)據(jù)Table 5 Experimental data after adding foam stabilizer

對比添加穩(wěn)泡劑后的發(fā)泡實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn):

(1)對于配方1,添加穩(wěn)泡劑F之后的半衰期是未添加時的5.89倍,但是發(fā)泡體積減半;添加穩(wěn)泡劑G后,半衰期延長165 min,發(fā)泡體積也減半;而添加穩(wěn)泡劑H后,不僅半衰期減小至90 min,且發(fā)泡體積也減少了近3/4,發(fā)泡效果不佳。

(2)對于配方2,添加穩(wěn)泡劑F大大延長了泡沫的半衰期,是未添加時的16倍,但是發(fā)泡體積也減少了2/5;添加穩(wěn)泡劑G后,半衰期是未添加時的16.6倍,同時發(fā)泡體積幾乎減半;而添加穩(wěn)泡劑H后,半衰期增加了21 min,且發(fā)泡體積也減少了400 mL,發(fā)泡效果最差。

(3)綜合考慮得出結(jié)論:配方2的綜合發(fā)泡性能最佳,穩(wěn)泡劑中的最佳效果為穩(wěn)泡劑F,泡沫綜合指數(shù)(FCI)幾乎是未添加時的10倍。

2.2 泡沫抑塵劑的濕潤性實驗

2.2.1 表面張力實驗

使用BZY界面張力儀,采用鉑金板法分別對單一發(fā)泡劑及配方1、配方2、添加穩(wěn)泡劑F的配方1 (下文中簡稱配方3)及添加穩(wěn)泡劑F的配方2(下文中簡稱配方4)進(jìn)行表面張力測定,每個結(jié)果測定3次取平均值,實驗結(jié)果見表6。

表6 表面張力測定數(shù)據(jù)Table 6 Experimental data of surface tension

2.2.2 接觸角實驗

首先,將從現(xiàn)場取回的巖塊依次使用顎式破碎機(jī)、輥式破碎篩分機(jī)和統(tǒng)一試驗小磨進(jìn)行破碎,使用200目標(biāo)準(zhǔn)篩篩分巖粉,得到粒徑為75 μm以下的試樣。然后,每次稱量1 g試樣巖粉在加壓成型模具中,在YES-300的數(shù)顯液壓壓力試驗機(jī)上壓成直徑為16 mm的圓形試片。最后在JY-82接觸角測定儀上測定接觸角,并對全過程錄像,截圖在Image J軟件中分析得出該濃度溶液的巖樣接觸角。

分別對單一發(fā)泡劑及各配方進(jìn)行接觸角測定,實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)巖粉樣片上的溶液液滴基本都在15 s內(nèi)鋪展,且接觸角均小于10°,說明表面活性劑溶液對于巖粉的濕潤性優(yōu)良。

2.2.3 反向滲透實驗

毛細(xì)管反向滲透是將裝有粉塵的毛細(xì)管的一端附加滲透膜,粉塵通過滲透膜與液體接觸,液體反向滲入粉塵,在計算液體上升速度的同時,通過稱量粉塵柱的吸濕質(zhì)量來表示粉塵的潤濕性能。毛細(xì)管反向滲透濕潤試驗裝置如圖1所示。

圖1 毛細(xì)管反向滲透實驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of reverse permeation experiment in capillary

首先,將巖塵分別篩取200目,每份10 g。然后,給每個玻璃管劃刻度,并將其下端用膠布將透水濾紙封住玻璃管開口端;將10 g粉塵裝入內(nèi)徑為5.5 mm的玻璃管中,為提高精度,將每個玻璃管內(nèi)的粉塵都振實至相同的高度。計時開始的同時,將裝好粉塵的玻璃管插在試劑溶液中,每間隔1 min稱量一次試管的質(zhì)量。配好相應(yīng)濃度比例的配方及配方中的單一表面活性劑溶液,每組做3次實驗,取平均值。實驗數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 巖樣吸重曲線Fig.2 Diagram of liquid-injection weight of rock sample

由上述發(fā)泡實驗及濕潤性實驗可以看出:復(fù)配后的泡沫抑塵劑發(fā)泡性能及濕潤性能均優(yōu)于各單一表面活性劑,且配方2優(yōu)于配方1,故最佳泡沫抑塵劑配方為配方4(A∶D∶E∶F=0.15∶0.20∶0.05∶0.50)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

試驗地點為某露天礦KQ-200潛孔鉆機(jī),礦石普式硬度F=8～12,巖石普式硬度F=8～10,礦石密度3.24 t/m3,巖石密度2.7 t/m3,屬較易磨選礦石。泡沫抑塵裝置現(xiàn)場裝配如圖3所示。

圖3 泡沫抑塵裝置現(xiàn)場裝配Fig.3 On-site schematic diagram of foaming dust removal system

通過調(diào)節(jié)氣壓和水壓,在氣壓0.7 MPa左右、氣水比為50左右條件下,產(chǎn)生的泡沫細(xì)膩均勻,且穩(wěn)定性好。對比泡沫抑塵、水霧抑塵及干式抑塵的降塵效果,全塵除塵率及呼吸性粉塵除塵率如圖4所示。

圖4 不同除塵措施下的粉塵全塵和呼吸性粉塵除塵率對比Fig.4 Comparison of total dust and respirable dust removal efficiency between different dust remove measures

由試驗結(jié)果可以得出:

(1)干式除塵措施條件下,全塵除塵率平均值為46.4%,在下風(fēng)向5 m工作區(qū)域內(nèi)除塵率平均值為48.7%;呼吸性粉塵除塵率平均值為48.6%,在下風(fēng)向5 m工作區(qū)域除塵率平均值為52%,效果不佳。

(2)噴霧除塵措施條件下,全塵除塵率平均值為69%,在下風(fēng)向5 m工作區(qū)域內(nèi)除塵率平均值為78%,效果較干式除塵好;呼吸性粉塵除塵率平均值為62.3%,在下風(fēng)向5 m工作區(qū)域除塵率平均值為69.4%,效果一般,有待提高。

(3)泡沫除塵措施條件下,全塵除塵率平均值為77.5%,在下風(fēng)向5 m工作區(qū)域內(nèi)除塵率平均值為87.8%;呼吸性粉塵除塵率平均值為70.8%,在下風(fēng)向5 m工作區(qū)域除塵率平均值為80.7%,降塵效果良好。

(4)泡沫抑塵效果優(yōu)于噴霧抑塵,干式抑塵效果最差。而且由于泡沫穩(wěn)定性較好,二次揚塵現(xiàn)象也得到了有效抑制。

4 結(jié) 論

(1)采用攪拌發(fā)泡法,以結(jié)合發(fā)泡量與半衰期的泡沫綜合指數(shù)(FCI)為衡量標(biāo)準(zhǔn),得出了兩個相對最優(yōu)的泡沫抑塵劑配方。

(2)通過一系列濕潤性實驗,測定泡沫抑塵劑的表面張力、接觸角及反向滲透吸重,得出最優(yōu)泡沫抑塵劑配方為添加穩(wěn)泡劑F的配方2(A∶D∶E∶F= 0.15∶0.2∶0.05∶0.5)。

(3)經(jīng)現(xiàn)場實驗驗證,該配方的泡沫抑塵效果良好,在下風(fēng)向5 m工作區(qū)域內(nèi)全塵除塵率平均值為87.8%,呼吸性粉塵除塵率平均值為80.7%;明顯優(yōu)于噴霧降塵及干式除塵效果,有推廣應(yīng)用價值。

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Experimental study on foam dust suppression during downthe-hole drilling in open-pit mine

JIANG Zhong-an,JIANG Lan,CHEN Ju-shi

(The Key Laboratory of Ministry of Education for High Efficiency Exploitation and Safety of Metal Mine,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

In order to efficiently reduce the dust concentration during down-the-hole drilling in the open-pit mine,and to solve the problem of the great use of water with moist dust removing method,based on the foam dust suppression mechanism,the experimental methods for the complex of dust depressor were designed from two parts of foaming and wetting.Taking the comprehensive foaming index,surface tension,contact angle and the weight of reverse permeation as measurement indexes,the best formula was obtained and the mass fraction of Sodium alpha-olefin sulfonate,Sodium Alcohol Ether Sulphate,Dodecyl dimethyl betaine and Coconut Monoethanol Amide were respectively 0.15%, 0.20%,0.05%and 0.50%.At last,according to field tests,the average suppression rates of total dust and respirable dust were 87.8%and 80.7%in 5 m working area,which were much more effective compared to those of dry and water dedusting.

down-the-hole drilling;dust;foam;dust depressor;surfactant;open-pit mine

TD714

A

0253-9993(2014)05-0903-05

蔣仲安,姜 蘭,陳舉師.露天礦潛孔鉆泡沫抑塵劑配方及試驗研究[J].煤炭學(xué)報,2014,39(5):903-907.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1344

Jiang Zhongan,Jiang Lan,Chen Jushi.Experimental study on foam dust suppression during down-the-hole drilling in open-pit mine[J].Journal of China Coal Society,2014,39(5):903-907.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1344

2013-09-16 責(zé)任編輯:畢永華

浙江省科技計劃資助項目(2011C23063);國家自然科學(xué)基金資助項目(51274024)

蔣仲安(1963—),男,浙江諸暨人,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:jza1963@263.net。通訊作者:陳舉師(1987—),男,貴州畢節(jié)人,博士研究生。E-mail:chenjushi@163.com