飽和水霧條件下環(huán)境溫度對不同變質(zhì)程度煤塵吸水率的影響

任 鵬，王 飛，閆晶晶，賀志宏，劉振明，申 龍

（1.太原理工大學 安全與應(yīng)急管理工程學院，山西 太原030024；2.山西煤礦安全研究生教育創(chuàng)新中心，山西 太原030024；3.山西焦煤西山煤電集團公司，山西 太原030000；4.山西汾西礦業(yè)集團 通風部，山西 介休032000）

現(xiàn)代煤礦機械化程度加深加快了掘進速度，同時增加了掘進工作面煤塵產(chǎn)生量，加大了礦井粉塵的治理難度[1-3]，而掘進面粉塵中5μm以下的呼吸性粉塵較難去除。長時間接觸呼吸性粉塵，一些細小顆粒會進入細支氣管和肺泡，會在生理、病理上產(chǎn)生一系列變化，導致塵肺病日益嚴重[4-5]。而D Prostański[6]研究發(fā)現(xiàn)水霧降塵是目前最常用的工作面降塵方式，普通的噴霧降塵雖能有效降低掘進工作面的粉塵濃度，但由于傳統(tǒng)水霧降塵水霧粒徑較大，難以有效捕捉呼吸性粉塵。以往的研究[7-8]表明，較小粒徑的水霧對呼吸性粉塵具有更好的捕捉效果，可以通過超聲霧化噴霧來提高降塵效率。大量的現(xiàn)場實測[9-10]發(fā)現(xiàn)，掘進工作面水霧降塵環(huán)境常處于飽和水霧條件下；與此同時，劉英鵬[11]等人的研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度對煤塵吸水率具有顯著的影響。因此，進行了飽和水霧條件下環(huán)境溫度對掘進工作面煤塵吸水率影響的實驗研究，利用自行設(shè)計的超聲霧化吸水實驗系統(tǒng)制造飽和水霧環(huán)境，測定不同環(huán)境溫度下煤塵的吸水能力，根據(jù)實驗結(jié)果，得出掘進工作面呼吸性粉塵的最佳降塵環(huán)境，從而實現(xiàn)最佳的降塵效果。

1 飽和水霧條件下煤塵吸水率實驗

1.1 實驗裝置

超聲霧化吸水實驗系統(tǒng)如圖1。

圖1 超聲霧化吸水實驗系統(tǒng)Fig.1 Ultrasonic atom ization moisture adsorption experiment system

該系統(tǒng)由電腦控制端、NRWT-12十二噴頭超聲霧化器、ZWB-0.003/7型空氣壓縮機、R-WTH-1000L恒溫恒濕箱、MF1035C電子天平BPZ75/12高壓水泵等組成。實驗系統(tǒng)由控制段和實驗段和數(shù)據(jù)處理段組成，為便于實驗觀測，實驗段由8 mm透明亞克力板制成。

通過觀察壓力流量計調(diào)節(jié)空氣壓縮機，在實驗段模型內(nèi)形成穩(wěn)定氣流。開啟高壓水泵將水運輸至水箱，經(jīng)過濾器過濾，通過超聲霧化裝置的高頻振蕩將液態(tài)水分子打散至5～10μm，產(chǎn)生水霧的利用穩(wěn)定氣流流動至吸水裝置中，形成飽和水霧條件。

1.2 實驗煤樣

準備20種煤樣，通過測量鏡質(zhì)組反射率，選取具有煤階代表性的4種煤樣，分別是晉城無煙煤（WY）、官地煙煤（YM-G）、西易煙煤（YM-X）、內(nèi)蒙古寶日希勒褐煤（HM），原煤去除氧化層經(jīng)碎煤機粉碎和80～100目（150～180μm）標準篩的過濾，裝入密封袋保存。原煤樣品的工業(yè)分析和元素分析見表1。

表1 原煤樣品的工業(yè)分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of coal sam ples %

1.3 實驗方案

首先將煤樣放置在實驗室環(huán)境下達到濕度平衡狀態(tài)，在預先干燥和已稱量的培養(yǎng)皿中稱取500 g煤粉并均勻平攤，在30℃的恒溫干燥箱中連續(xù)干燥1 h直至煤樣質(zhì)量恒定；然后通過自行研制的實驗裝置，構(gòu)建飽和水霧環(huán)境，分別將晉城無煙煤（高階）、官地煙煤（中階）、西易煙煤（中階）、內(nèi)蒙古寶日希勒褐煤（低階）放在吸水箱中，在不同環(huán)境溫度下（20、22.5、25、27.5、30、32.5、35、37.5、40℃）進行煤塵吸水性實驗。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 實驗結(jié)果

煤樣在不同環(huán)境溫度下的吸水率變化如圖2。

圖2 4種煤樣在不同環(huán)境溫度下的吸水率變化Fig.2 Change ofmoisture absorption rate of four coal samp les at different water m ist temperatures

從圖2可以看出，煤塵吸水率在0～360 min內(nèi)總體上呈上升趨勢，雖然每次吸水率實驗的環(huán)境溫度不同，但煤樣的吸水能力沒有發(fā)生變化，吸水能力依次為HM＞YM-X＞YM-G＞W(wǎng)Y。4種不同變質(zhì)程度的煤在吸水過程中均有吸水率先升高后降低的趨勢，大部分發(fā)生在120～170 min左右，環(huán)境溫度為37.5、40℃時，這種趨勢較為明顯。從圖2中發(fā)現(xiàn)HM和YM-G的吸水曲線起伏波動較大，而YM-X和WY的吸水曲線趨于平緩。在9個不同環(huán)境溫度下，HM的上升趨勢最為明顯，YM-G從27.5℃開始吸水率上升幅度加大，吸水速度加快，直到35℃時吸水速度放緩。其中WY和YM-X的變質(zhì)程度雖然有較大差距，但YM-X的吸水能力強于WY的吸水能力，總體上兩者吸水趨勢較為接近，說明2種煤樣具有相似性。4種不同變質(zhì)程度的煤在實驗剛開始時吸水速度較快，隨著時間的增加，吸水速度逐漸變小且穩(wěn)定下來。

2.2 實驗結(jié)果分析

2.2.1 環(huán)境溫度對同一種煤塵吸水率影響

根據(jù)每個稱量點的樣品質(zhì)量計算出各個時刻的吸水率R[11]，計算公式為：

式中：R為吸水率；m0為干燥煤樣質(zhì)量，g；m為稱量點煤樣質(zhì)量，g。

不同環(huán)境溫度下干燥樣品在飽和水霧條件下的平均吸水率變化如圖3。

圖3 不同環(huán)境溫度下干燥樣品在飽和水霧條件下的平均吸水率變化Fig.3 Changes in average water absorption of dry sam ples under saturated water m ist at different ambient temperatures

由圖3可知，4種干燥煤樣的吸水率受環(huán)境溫度影響較大，4種煤粉的吸水率都隨環(huán)境溫度先升高后減小，趨勢一致。當環(huán)境溫度為27.5℃時，4種煤樣從0～6 h吸水率都高于其他八種環(huán)境溫度，WY的平均吸水率變化幅度最小，潤濕性最差。這主要是因為隨著溫度升高，空氣中水蒸汽分壓升高，蒸汽擴散到煤顆粒表面的壓力差增加，水分擴散能力得到增強，所以吸水率呈現(xiàn)增強的趨勢。另一方面，隨著溫度的升高，煤的吸附熱減小，對應(yīng)的吸附力變小，解吸附作用增強[11-12]，并且解吸附作用增強程度超過前者，因此吸水率又呈現(xiàn)下降趨勢。這與劉英鵬等人研究得到的溫度趨勢一致，隨著溫度增加，吸水率先升高后降低，但最高吸水率對應(yīng)的環(huán)境溫度不同，這主要因為其研究的溫度只有20、30、40℃3個溫度點，而且只研究了低階褐煤。

從圖3可以看出，在環(huán)境溫度20～40℃，溫度每增加2.5℃，吸水率變化范圍為0.6%～1.3%。

2.2.2 環(huán)境溫度對不同煤樣吸水率影響

在相同環(huán)境溫度下，不同變質(zhì)程度的煤塵的吸水率有很大差異，因此為了探究煤變質(zhì)程度影響煤吸水性的作用機理，采用賽默飛IS5傅里葉紅外光譜進行分析。該設(shè)備的波數(shù)掃描范圍為4 000～400 cm-1，動鏡速度為0.474 7 cm/s，樣品掃描次數(shù)32次，背景掃描32次，采樣增益為1.0。不同煤階煤樣的紅外光譜如圖4。

圖4 不同煤階煤樣的紅外光譜Fig.4 Infrared spectrum of different coal ranks

從圖4可知，不同變質(zhì)程度的煤具有結(jié)構(gòu)相似性，波段發(fā)生震蕩的位置大體一致，不同點主要在于吸光率、峰高和峰面積。主要表現(xiàn)在4個振動區(qū)域：羥基伸縮振動區(qū)間（3 200～3 800 cm-1）、芳香族和脂肪族C-H吸收伸縮振動區(qū)間（2 800～3 100 cm-1）、羰基C=O化合物伸縮振動區(qū)間（1 500～1 850 cm-1）和醇、醚類C-O伸縮振動區(qū)間（1 000～1 200 cm-1）。煤樣的紅外光譜中官能團波數(shù)及峰面積數(shù)據(jù)見表2。

表2 煤樣的紅外光譜中官能團波數(shù)及峰面積數(shù)據(jù)Table 2 W ave number and peak area data of functional groups in infrared spectra of coal samp les

從圖4、表2可以看出，在3 200～3 800 cm-1振動吸收區(qū)包含-OH分子內(nèi)締合寬峰（3 200～3 400 cm-1）和游離-OH（3 500～3 650 cm-1），隨著煤變質(zhì)程度加深，-OH在分子內(nèi)締合的吸收帶有逐漸下降的趨勢，峰面積從YM-X開始明顯減少，從HM的67.39 mm2下降到Y(jié)M-X的22.57 mm2。官能團的羰基的吸收帶峰面積也隨著變質(zhì)程度的升高而逐步降低，而醇、酚和醚類C-O吸收帶峰面積變動不大。HM在芳香族C-H（3 000～3 100 cm-1）吸收帶沒有明顯的吸收峰，變質(zhì)程度較高的WY表新出很強的吸收峰，趨勢與-OH變化正好相反，隨著煤階增加，芳構(gòu)化程度加深，芳香核增大。在2 800～3 000 cm-1區(qū)間中，2 900～2 920 cm-1處屬于甲基（-CH3）非對稱伸縮振動吸收峰，2 811 cm-1處屬于亞甲基（-CH2-）非對稱吸收峰，都屬于脂肪烴，隨著煤變質(zhì)程度的加深，疏水官能團吸收峰面積越來越大。已有的研究表明，決定煤塵表面親水性的基團是羥基、羧基、羰基等官能團，決定煤塵表面疏水性的集團是脂肪烴和芳香烴[13]。煤分子結(jié)構(gòu)中的親水基團羥基和羰基是影響煤親水性的主要基團，分子結(jié)構(gòu)中的羥基等含氧基團是重要的活性氧，能夠與水分子形成氫鍵，而且羥基等極性極大，容易和介電常數(shù)大的水結(jié)合，所以親水基團越多，煤親水能力越強。而芳香烴和脂肪烴都是非極性的，水是極性溶劑，所以芳香烴和脂肪烴基團越多，煤塵表面疏水性越強。從表2中可知，隨著煤階升高，親水基團吸收峰面積逐漸降低，疏水基團吸收峰面積逐漸增加，煤吸水性越來越差。

3結(jié) 論

1）環(huán)境溫度對煤塵吸水率影響較大。在飽和水霧條件下，環(huán)境溫度從20℃到40℃不斷升高，同一種變質(zhì)程度的煤的吸水率先升高后降低，最佳煤塵吸水率對應(yīng)的環(huán)境溫度為27.5℃。雖然4種煤變質(zhì)程度有較大區(qū)別，但在飽和水霧條件下煤塵吸水趨勢一致，且最佳環(huán)境溫度都為27.5℃。

2）隨著煤變質(zhì)程度加深，羥基和羰基等含氧官能團越來越少，芳香烴、脂肪烴等基團逐漸增加，碳結(jié)構(gòu)官能團增加，煤往石墨化方向變化，導致煤的吸水率降低，相應(yīng)的煤的潤濕性變差

3）在飽和水霧條件下，環(huán)境溫度為27.5℃，煤塵為低階褐煤時，煤的吸水率最高，潤濕性最佳，降塵效果最好。