采掘工作面新型高效抑塵劑研究

左文強

（陜西小保當?shù)V業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000）

1 引言

隨著我國煤礦開采技術的不斷提升，煤礦生產(chǎn)不斷向規(guī)模化、現(xiàn)代化方向發(fā)展，隨之出現(xiàn)的問題是井下工作面的產(chǎn)塵量不斷增加。粉塵作為礦井五大災害之一，以前沒有得到足夠的重視以及沒有有效的治理方式，1930 年以后化學抑塵得到世界范圍內(nèi)的普遍認可。粉塵較小的顆粒會隨著井下工作人員的呼吸進入到呼吸系統(tǒng)，嚴重侵蝕著礦工們的身體健康，不但對人體內(nèi)的器官造成永久性傷害，還會磨損井下儀器以及造成煤塵爆炸，引發(fā)一系列的反應，造成不可挽回的損失[1-2]。

針對煤礦井下煤塵治理，國內(nèi)外研究人員進行了多項實驗研究，把煤礦煤塵治理分為煤炭開采前和開采后兩個階段。開采前主要采用煤層注水、灌漿、潤濕煤壁以及濕式鑿巖等措施，雖然方法眾多但收效甚微；開采期間產(chǎn)生的煤塵將成為開放性塵源，屬于開采后治理階段，主要采用灑水、噴化學抑塵劑、噴泡沫凝膠以及覆蓋等措施，其中化學抑塵在現(xiàn)代煤礦煤塵治理過程中應用效果良好[3-5]。于是，研制一種適合煤礦井下采掘工作面的新型樹脂型抑塵劑，將有利于解決井下采掘工作面產(chǎn)塵量大以及二次揚塵的問題，降低煤塵對井下工作人員的身體危害以及工作面爆炸的危險指數(shù)，具有重要的現(xiàn)實意義。

2 抑塵劑制備

2.1 原料

2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS），二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC），過硫酸銨，N，N'-亞甲基雙丙烯酰，十二烷基苯磺酸鈉，氯化鈉（以上均采購于青島精科化學試劑有限公司，以上物質(zhì)均為分析純），蒸餾水（自己制備）。

2.2 實驗過程

本文產(chǎn)物制備過程：稱取一定質(zhì)量的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸放在恒溫磁力攪拌鍋內(nèi)進行加熱攪拌，然后依次添加引發(fā)劑過硫酸銨、二甲基二烯丙基氯化銨，交聯(lián)劑N，N'-亞甲基雙丙烯酰，鹵化物氯化鈉以及表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉，將反應裝置通入氮氣進行保護，設置反應溫度。反應一段時間后將制成的溶液倒入燒杯中并對杯口進行加膜覆蓋，放入微波爐中進行加熱，得到最終粘性溶液。

2.3 最佳配比

2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸與二甲基二烯丙基氯化銨比為3:1，過硫酸銨與2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的質(zhì)量比為4.0%，N，N'-亞甲基雙丙烯酰與二甲基二烯丙基氯化銨的質(zhì)量比為5.0%，氯化鈉與過硫酸銨比為10:1，十二烷基苯磺酸鈉與氯化鈉比為2:1，最佳反應溫度為50 ℃，微波照射時間為4 min。

3 實驗測定

3.1 成膜耐高溫實驗

將制得的產(chǎn)物噴灑在煤樣表面，待產(chǎn)物固結成膜后切取一定質(zhì)量的膜片放置在真空干燥箱中烘干，烘干完成后稱取適量粉末用STA510G 熱重分析儀進行分析，觀察熱分解情況。所設測量參數(shù)：加熱速率20 ℃/min，溫度區(qū)間0～650 ℃。熱重DSC 曲線如圖1。

圖1 熱重DSC 曲線

從最終產(chǎn)物熱重曲線可知，該曲線主要分為3個階段：脫水階段（＜180 ℃），主要是由于膜片中水分蒸發(fā)導致質(zhì)量下降；破壞階段（200～400 ℃），這個階段主要由于產(chǎn)物中磺酸基以及C=C 雙鍵被破壞導致質(zhì)量損失；氧化階段（420～500 ℃），這是由于產(chǎn)物持續(xù)被加熱炭化導致質(zhì)量明顯下降。該熱重曲線表明在200 ℃以下產(chǎn)物結構良好，能夠滿足煤礦井下高溫的特殊環(huán)境，可以起到良好的抑塵效果。

3.2 抑塵率實驗

稱取一定質(zhì)量的煤樣放于測量裝置當中，稱量煤樣和裝置的總質(zhì)量為W1，用一定的風流速度對表面進行吹蝕，經(jīng)過t時間后稱取剩余煤樣以及裝置的總質(zhì)量為W2。再稱取同樣質(zhì)量的煤樣置于裝置當中，煤樣和裝置的總質(zhì)量為W1，在煤樣表面均勻噴灑配置好的抑塵劑，待表面固結成膜后再用同樣的風流速度進行吹蝕，持續(xù)時間仍為t，然后稱取煤樣和裝置的總質(zhì)量為W3?？赏ㄟ^下列公式計算抑塵率：

式中：α為抑塵劑的抑塵率；W1為風吹前煤樣和裝置總質(zhì)量；W2為風吹后煤樣和裝置總質(zhì)量；W3為成膜后風吹煤樣和裝置總質(zhì)量。

經(jīng)過實驗測量，測得W1為642.23 g，W2為606.59 g，W3為640.49 g，通過上述公式計算得α為95.118%。通過肉眼以及稱重可以看出，噴灑抑塵劑之后煤樣會進行板結成塊，對風具有一定的抵抗能力，抑塵效果較好達到95.118%，能夠滿足煤礦井下工作面除塵需要。

3.3 滲透性測試

通過采用向下滲透的方法來測定抑塵劑的滲透性能，具體實驗做法如下。

采用三支相同的玻璃管，每根玻璃管上都有相應的刻度，在每根管中裝入相同質(zhì)量的煤塵，進行振動夯實記錄玻璃管上的刻度。然后在每根管中加入相同質(zhì)量的該抑塵劑，在同一時間記錄抑塵劑的滲透刻度，即可計算抑塵劑在玻璃管中的滲透速度。

通過實驗發(fā)現(xiàn)，計算該抑塵劑在三根管中的平均滲透速率為5 cm/min，滲透速率較快?？梢娫诠ぷ髅嬉约跋锏赖孛鎳姙⒃撘种苿r能夠及時滲透到內(nèi)部，并且在較短的時間內(nèi)將煤塵板結成塊，起到抑塵以及控制揚塵的作用。

3.4 成膜時間測試

抑塵劑的成膜時間是評價抑塵劑性能的主要指標，在現(xiàn)場實際應用中能夠在短時間內(nèi)成膜并且在一定的時間內(nèi)能夠保持表面濕潤，對抑塵以及揚塵的吸收有著至關重要的作用。因此設計如下實驗：在培養(yǎng)皿中加入一定質(zhì)量的煤粉，噴灑該抑塵劑，使煤粉充分濕潤，放置在自然環(huán)境中，記錄成膜時間并且用邵氏硬度計測量成膜硬度。成膜時間見表1。

表1 成膜時間

通過表中實驗數(shù)據(jù)可知，該抑塵劑成膜時間在1 h 左右，說明該抑塵劑能夠滿足在一定時間內(nèi)的濕潤性，同時又滿足在較短時間內(nèi)能夠成膜，可以滿足煤礦井下工作環(huán)境和工作進度的需求。

4 結論

隨著社會的進步以及采煤工藝的發(fā)展，煤礦工人的身體健康受到社會各界的廣泛關注，該抑塵劑能夠基本滿足煤礦井下工作面抑塵的需求，有效保障井下工人的身體健康，保護設備的正常運行，同時減少煤塵引發(fā)其他災害的可能性，改善我國煤礦井下的作業(yè)環(huán)境，并帶來巨大的經(jīng)濟效益以及社會效益。