煤層復(fù)配潤(rùn)濕劑研制及降塵效果

陳浩 張超 王星龍 李樹(shù)剛 江丙友 成銘 張愛(ài)琳

摘 要：為提高煤層注水的抑塵效果，通過(guò)表面活性劑復(fù)配的方法研制復(fù)配潤(rùn)濕劑作為注水添加劑，對(duì)煤層濕潤(rùn)能力和降塵效果進(jìn)行研究。首先開(kāi)展單因素試驗(yàn)，通過(guò)表面張力、接觸角試驗(yàn)，從9種表面活性劑中篩選出3種具有良好潤(rùn)濕性的表面活性劑，然后選擇臨界膠束濃度（CMC）作為復(fù)配溶液的濃度，將優(yōu)選的3種表面活性劑與2種無(wú)機(jī)鹽進(jìn)行復(fù)配，利用熒光分子探針試驗(yàn)選出新型復(fù)配潤(rùn)濕劑最佳配比為0.1wt%快滲T+0.1wt%LAO-30+0.13wt%MgCl₂。最后，通過(guò)煤塵沉降和低場(chǎng)核磁共振試驗(yàn)研究復(fù)配潤(rùn)濕劑的作用機(jī)理，分析復(fù)配潤(rùn)濕劑作用前后煤體孔隙結(jié)構(gòu)差異性，明確微孔和中孔的水潤(rùn)濕率是影響潤(rùn)濕效果的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證新型復(fù)配潤(rùn)濕劑能夠有效改善注水除塵效果，添加新型復(fù)配潤(rùn)濕劑的注水煤層平均水分增量達(dá)到3.32%左右，全塵和呼吸性粉塵降塵率分別由71.6%和80.1%提升至95.2%和97.3%，對(duì)余吾煤業(yè)1105綜采工作面降塵效果顯著。

關(guān)鍵詞：煤塵防治；煤層注水；表面活性劑；潤(rùn)濕性能；沉降試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TD 712文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2023）03-0495-10

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2023.0306開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Development of coal seam compound wetting agent and dust reduction effect

CHEN Hao¹，ZHANG Chao¹，WANG Xinglong²，LI Shugang¹，JIANG Bingyou³，CHENG Ming¹，ZHANG Ailin¹

（1.College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China；2.Institute of New Energy and Low Carbon Technology，Sichuan University，Chengdu 610200，China；3.State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control of Deep Coal Mine，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China）

Abstract：In order to improve the dust suppression effect of coal seam water injection，the compound wetting agent was developed as water injection additive by surfactant compounding，and the wetting capacity and dust reduction effect of coal seam were examined.First of all，the univariate experiment was conducted：Through the surface tension and contact angle experiment，3 kinds of surfactants with good wetting were screened from 9 kinds of surfactants.Then the Critical Micellar Concentration was selected as the concentration of the compound solution，with the three preferred surfactants? compounded with two inorganic salts，and the optimal ratio of the new compound wetting agent was determined by fluorescence fluorescent molecular probe test：0.1wt% Rapid Penetration Agent T+0.1wt% LAO-30+0.13wt% MgCl₂.Finally，the mechanism of action of the compound wettant was explored through coal dust settlement and Low-Field NMR experiments，the pore structure differences of the coal before and after the action of the composite wetting agent were analyzed，and the moisture wettability of micropores and mesoporous pores was clarified as the key factor affecting the wetting effect.The field test verified that the new compound wettant can effectively improve the effects of water injection and dust removal，and the average moisture increase of the water-injected coal seam water with the addition of the new compound wetting agent reaches about 3.32%;the dust reduction rate of total dust and respiratory dust is increased from 71.6% and 80.1% to 95.2% and 97.3% respectively，which has a significant dust reduction effect on the 1105 comprehensive mining working surface of Yuwu Coal Industry.

Key words：coal dust control；coal seam water infusion；surfactant；wetting performance；dust reduction experiment

0 引 言

近年來(lái)，隨著煤炭產(chǎn)業(yè)的快節(jié)奏發(fā)展，綜合采掘機(jī)械化水平大幅提高。然而，隨著機(jī)械化水平的提高，煤體開(kāi)采時(shí)破碎程度增加，產(chǎn)生的粉塵量也明顯增多，特別是對(duì)人體危害最大的呼吸性粉塵^[1-2]。一方面，煤塵濃度積累到一定范圍時(shí)可能引發(fā)粉塵爆炸，威脅礦井的安全生產(chǎn)^[3]；另一方面，細(xì)小的煤塵能隨巷道風(fēng)流懸浮在空氣中，導(dǎo)致煤礦井下工人患?jí)m肺病的幾率大幅增加^[4]。

與通風(fēng)除塵、噴霧除塵等在粉塵產(chǎn)生后采取的被動(dòng)除塵方式相比，煤層注水是一種布置簡(jiǎn)單、成本低、適用范圍廣的主動(dòng)降塵方法^[5-6]。注入煤層的水不僅能夠潤(rùn)濕煤體內(nèi)的原生煤塵，同時(shí)被潤(rùn)濕的煤體也避免了在割煤及放煤過(guò)程中產(chǎn)生大量粉塵，提高其他防塵措施的效率^[7]。然而，由于煤的疏水性和水的高表面張力，煤體在注水過(guò)程中潤(rùn)濕緩慢，在一定程度上影響了注水防塵的效率^[8-9]。這種情況可以通過(guò)在注水過(guò)程中添加潤(rùn)濕劑來(lái)改善，濕潤(rùn)劑能大大提高水在煤體內(nèi)的滲透能力，顯著提高防塵效率^[10-11]。因此，選擇合適的潤(rùn)濕劑是決定煤層注水成功與否的重要因素^[12]。

目前開(kāi)發(fā)的潤(rùn)濕劑大多由表面活性劑組成，各國(guó)學(xué)者對(duì)表面活性劑的潤(rùn)濕性能研究取得了很大進(jìn)展。ZHOU進(jìn)行了表面張力、接觸角和Walker沉降試驗(yàn)，驗(yàn)證了表面活性劑能夠顯著提高降塵效果^[13]。ZHANG分別測(cè)試了含有不同表面活性劑（包括快速滲透劑T、SDS、JFC-S和AEO-9）的水的表面張力，并測(cè)量了它們?cè)?種煤樣表面的接觸角，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明加入潤(rùn)濕劑的煤層含水率比僅注入純水的高^[14]。同時(shí)，由于單一表面活性劑對(duì)潤(rùn)濕效率的提升有限，對(duì)不同類型表面活性劑進(jìn)行復(fù)配是提升潤(rùn)濕能力的有效途徑。MANDAL等將脂肪族有機(jī)化合物與潤(rùn)濕劑相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)煤礦粉塵控制^[15]；LI等發(fā)現(xiàn)揮發(fā)分含量較高的煤的潤(rùn)濕性能較差，2種表面活性劑（十二烷基硫酸鈉和羧甲基纖維素鈉）復(fù)配可顯著改善煤塵的潤(rùn)濕性能^[16]。

無(wú)機(jī)鹽的添加主要影響表面活性劑臨界膠束濃度和膠束聚集結(jié)構(gòu)2個(gè)方面。孫文杰發(fā)現(xiàn)親水鹽和疏水鹽的加入會(huì)使陰陽(yáng)離子表面活性劑（TTAOH和DA）復(fù)配體系具有更加豐富的相行為^[17]。高軻利用熒光探針技術(shù)，測(cè)定了SDS-PEO復(fù)配溶液不同濃度下的熒光光譜，并對(duì)不同濃度NaCl溶液下的熒光強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，得出了表面活性劑CMC隨NaCl濃度增加而大大降低的結(jié)論^[18]。

因此，除了將不同表面活性劑進(jìn)行復(fù)配，無(wú)機(jī)鹽的加入也是提高潤(rùn)濕劑潤(rùn)濕能力的常用方法。以表面張力和接觸角為參數(shù)，選擇了一種高效的煤層注水潤(rùn)濕劑復(fù)配方案，研制了基于不同種類表面活性劑混合、輔以無(wú)機(jī)鹽增強(qiáng)潤(rùn)濕效果的復(fù)配型注水潤(rùn)濕劑，同時(shí)通過(guò)沉降與核磁共振試驗(yàn)分別從宏觀和微觀角度探討了潤(rùn)濕劑處理后煤樣孔隙潤(rùn)濕性的變化。研究結(jié)果對(duì)優(yōu)化注水除塵工藝、改善作業(yè)環(huán)境以及降低塵肺病發(fā)病率具有一定的意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 煤樣

試驗(yàn)煤樣來(lái)自余吾煤業(yè)N1105工作面，根據(jù)《煤層煤樣采取方法》（GB/T482—2008）的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行取樣。采樣完成后將煤樣放入90 ℃的真空干燥室中干燥至質(zhì)量穩(wěn)定，然后將干燥后的煤樣研磨，過(guò)200目篩后密封保存用于后續(xù)測(cè)試，同時(shí)將一部分原始煤塊切割為25 mm×60 mm的圓柱試樣。

1.1.2 表面活性劑

根據(jù)在溶液中離子所帶電荷的不同，表面活性劑分為陰離子、陽(yáng)離子、非離子和兩性離子表面活性劑。但陽(yáng)離子表面活性劑所解離出的正電荷會(huì)在基質(zhì)表面形成親水基向內(nèi)、疏水基向外的排列，不利于基質(zhì)的潤(rùn)濕，因此一般不用做潤(rùn)濕劑的配方。由于是在井下環(huán)境中使用，礦用表面活性劑必須同時(shí)滿足無(wú)毒無(wú)味且無(wú)腐蝕性的要求，性價(jià)比高、環(huán)保，以及對(duì)煤塵的潤(rùn)濕效果好等特點(diǎn)。按照以上原則初步選擇了表1的9種表面活性劑進(jìn)行試驗(yàn)，溶液配制時(shí)以去離子水為溶劑。

1.1.3 無(wú)機(jī)鹽增效劑

無(wú)機(jī)鹽可以通過(guò)減小表面活性劑離子頭的電性斥力作用，使離子型表面活性劑在更低的濃度下形成膠束，即降低臨界膠束濃度（Critical Micelle Concentration，CMC）來(lái)發(fā)揮作用。同時(shí)，無(wú)機(jī)鹽能增強(qiáng)煤塵的保水性，使煤塵不至于在短時(shí)間內(nèi)失水干燥，發(fā)生二次飛揚(yáng)?？紤]到經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性^[19]，選取MgCl₂與NaCl作為增效劑，通過(guò)復(fù)配試驗(yàn)研究無(wú)機(jī)鹽對(duì)表面活性劑之間的增強(qiáng)作用。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 復(fù)配潤(rùn)濕劑測(cè)試方法

復(fù)配濕潤(rùn)劑由表面活性劑與無(wú)機(jī)鹽增效劑組成，通過(guò)單因素試驗(yàn)對(duì)表面活性劑的接觸角和表面張力進(jìn)行測(cè)試，確定各組分的單體濃度；然后將優(yōu)選出的表面活性劑與無(wú)機(jī)鹽增效劑進(jìn)行復(fù)配試驗(yàn)，最終確定各組分的最佳復(fù)配比。

1）接觸角測(cè)試。根據(jù)楊式方程，接觸角可以有效表征煤塵表面被液體潤(rùn)濕能力的強(qiáng)弱^[20]，接觸角越小，液體對(duì)煤的潤(rùn)濕程度越大，反之越小。采用CA-100D接觸角測(cè)量?jī)x對(duì)溶液的接觸角進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量前將煤粉在壓片機(jī)20 MPa的承壓狀態(tài)下保持5 min后取出，制成直徑13 mm，厚度約2 mm的光滑煤片，在液滴接觸煤片的第1 s記錄各接觸角大小，每組測(cè)試3次，記錄平均值。

2）表面張力測(cè)試。在注水壓力和煤層瓦斯壓力一定的情況下，液體在煤體孔隙中的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力主要取決于液體表面張力^[21]，因此可以根據(jù)液體表面張力判斷潤(rùn)濕能力。表面張力使用HTYZL-H全自動(dòng)張力測(cè)定儀（華天電力）進(jìn)行測(cè)試，按照《石油產(chǎn)品油對(duì)水界面張力測(cè)定法》（GB6541-86）要求，在溶液溫度為25 ℃條件下對(duì)各質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液表面張力進(jìn)行測(cè)定，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

3）熒光分子探針試驗(yàn)。芘（Py）作為研究膠束體系常用的疏水性探針，在特定波長(zhǎng)照射下熒光發(fā)射譜的振動(dòng)結(jié)構(gòu)區(qū)呈現(xiàn)五峰結(jié)構(gòu)，位于373 nm的第1峰與位于384 nm第3峰的熒光強(qiáng)度之比I₁/I₃對(duì)芘分子所處微環(huán)境的極性極為敏感，由此可以判定芘分子所處微環(huán)境極性的變化，從而得到不同配方的復(fù)配表面活性劑CMC的變化規(guī)律。選擇西安科技大學(xué)化工學(xué)院LS-55熒光分光光度計(jì)進(jìn)行熒光光譜掃描，激發(fā)波長(zhǎng)為350 nm，激發(fā)狹縫設(shè)置為5.0 nm，發(fā)射狹縫設(shè)置為2.5 nm，掃描速度為500 nm·min^-1。

1.2.2 復(fù)配濕潤(rùn)劑潤(rùn)濕性質(zhì)測(cè)試

1）煤塵沉降速度測(cè)試。依據(jù)《礦用降塵劑性能測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)》（MT506-1996），通過(guò)分析煤塵在潤(rùn)濕劑中的沉降速度對(duì)潤(rùn)濕劑潤(rùn)濕效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，沉降速度越快，說(shuō)明表面活性劑潤(rùn)濕性越好。首先用電子天秤稱取約100 mg的煤粉樣品置于定性濾紙上，用鐵絲環(huán)將盛有煤塵樣品的定性濾紙固定在燒杯內(nèi)部，要求濾紙輕觸溶液液面，之后記錄煤塵沉降時(shí)所需要的時(shí)間。每次試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值，要求每次測(cè)定值與平均值之間的偏差≤5%，根據(jù)煤塵質(zhì)量和沉降時(shí)間繪制煤塵的沉降速度曲線。

2）低場(chǎng)核磁共振（LF-NMR）。煤體作為一種多孔介質(zhì)，具有大量的孔隙，提高其內(nèi)部潤(rùn)濕能力顯得更為重要。LF-NMR技術(shù)是基于氫原子核在外加磁場(chǎng)作用下發(fā)生定向排列的基本原理，測(cè)量被測(cè)對(duì)象含氫原子流體的弛豫特征，弛豫特征見(jiàn)式（1）^[22]。

1/T₂≈ρ₂（S/V）=F_sρ₂/r（1）

式中 T₂為橫向弛豫時(shí)間，ms；ρ₂為表面弛豫率，nm·ms^-1；S為孔隙的表面積，nm²；V為流體體積，nm³；F_S為幾何因數(shù)；r為孔隙半徑，nm。由式（1）可知，測(cè)試得到的T₂譜振幅變化反映了不同預(yù)處理時(shí)間下樣品孔隙含水量的變化。

利用NMI20-015V-Ⅰ低場(chǎng)核磁共振儀對(duì)煤樣進(jìn)行測(cè)試，首先將試樣置于80 ℃的烘箱中8 h，完全去除樣品中的水分。然后分別浸潤(rùn)在復(fù)配潤(rùn)濕劑溶液和純水中，在第4，8和12 h的預(yù)處理時(shí)間后，用LF-NMR對(duì)不同預(yù)處理方式下煤樣潤(rùn)濕程度進(jìn)行測(cè)定。每次測(cè)定時(shí)將煤樣從溶液中取出并擦干表面水分，時(shí)間保持在1 min左右，避免對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 接觸角測(cè)試結(jié)果

對(duì)9種不同濃度的表面活性劑在煤樣表面的接觸角進(jìn)行測(cè)定，如圖2所示，隨著濃度的增加，陰離子、非離子和兩性表面活性劑的接觸角都逐漸減小，說(shuō)明表面活性劑的加入增強(qiáng)了溶液的潤(rùn)濕能力。9條曲線具有相似的趨勢(shì)，但陰離子表面活性劑快滲T（在質(zhì)量濃度為0.25wt%時(shí)的接觸角為15.57°）、非離子表面活性劑AEO-9（質(zhì)量濃度為0.25wt%時(shí)的接觸角為19.71°）、兩性離子表面活性劑LAO-30（在質(zhì)量濃度為0.25wt%時(shí)的接觸角為18.60°）與其他種類的表面活性劑相比，這3種表面活性劑降低溶液接觸角的效果較好。

2.1.2 表面張力測(cè)試結(jié)果

對(duì)這9種不同濃度的表面活性劑表面張力進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定數(shù)據(jù)如圖3所示。從圖3可以看出，表面張力會(huì)有一個(gè)較低點(diǎn)，之后表面張力基本不隨濃度的增大而減小，這個(gè)濃度稱為CMC。可以得出所選的表面活性劑的CMC在0.2wt%左右。

當(dāng)試劑濃度在0.25wt%時(shí)，陰離子表面活性劑的表面張力范圍為26.3～45.5 mN·m^-1，非離子表面活性劑的表面張力范圍為31.1～36.7 mN·m^-1，兩性離子表面活性劑的表面張力范圍為28.8～36.3 mN·m^-1。陰離子表面活性劑快滲T在質(zhì)量濃度為0.25wt%時(shí)的表面張力為26.3 mN·m^-1，非離子表面活性劑AEO-9和吐溫-80在質(zhì)量濃度為0.25wt%時(shí)的表面張力結(jié)果非常接近，分別為31.6 mN·m^-1和31.1 mN·m^-1，兩性離子表面活性劑LAO-30在質(zhì)量濃度為0.25wt%時(shí)表面張力為28.8 mN·m^-1，這4種表面活性劑對(duì)表面張力的改善效果較好。綜合考慮接觸角與表面張力測(cè)試結(jié)果，選擇陰離子表面活性劑中的快滲T、非離子表面活性劑中的AEO-9以及兩性離子表面活性劑中的LAO-30進(jìn)行復(fù)配潤(rùn)濕劑的配制。

2.2 復(fù)配潤(rùn)濕劑復(fù)配試驗(yàn)

2.2.1 復(fù)配組合的確定

在實(shí)際中，往往通過(guò)主動(dòng)將表面活性劑進(jìn)行復(fù)配來(lái)達(dá)到增強(qiáng)表面活性劑性能的目的。根據(jù)接觸角測(cè)試、表面活性劑表面張力測(cè)試結(jié)果，在CMC都在0.2wt%左右的表面活性劑中優(yōu)選出快滲T、非離子表面活性劑中的AEO-9以及兩性離子表面活性劑中的LAO-30兩兩等質(zhì)量混合制成復(fù)配表面活性劑，同時(shí)加入無(wú)機(jī)鹽增效劑混合成復(fù)配潤(rùn)濕劑。為了探明復(fù)配表面活性劑最佳組成，探究最佳無(wú)機(jī)鹽增效劑種類和濃度，將復(fù)配潤(rùn)濕劑組成分為6組，通過(guò)芘熒光分子探針試驗(yàn)探究復(fù)配潤(rùn)濕劑的CMC以及最佳復(fù)配組合，見(jiàn)表2。

2.2.2 復(fù)配組合的光譜分析

按照規(guī)程配置1×10^-5mol·L^-1濃度的芘溶液并與6組表面活性劑組合混合。分別配置不同濃度（0.01，0.03，0.05，0.07，0.09，0.11，0.13，0.15，0.17，0.20wt%）NaCl和MgCl₂無(wú)機(jī)鹽增效劑溶液，并與上述帶有芘分子的表面活性劑組合混合，得到不同表面活性劑組合、不同無(wú)機(jī)鹽種類、不同無(wú)機(jī)鹽濃度的復(fù)配表面活性劑共計(jì)60組。復(fù)配表面活性劑的熒光光譜及I₁/I₃值如圖4所示。

如圖5所示，I₁/I₃線性擬合曲線均呈現(xiàn)隨無(wú)機(jī)鹽濃度增加而迅速下降然后基本保持不變的趨勢(shì)。這表明隨著無(wú)機(jī)鹽濃度的增加，表面活性劑溶液內(nèi)膠束逐漸形成，復(fù)配表面活性劑達(dá)到了臨界聚集濃度（CAC），芘分子開(kāi)始進(jìn)入到膠束的疏水微區(qū)，I₁/I₃有迅速下降的趨勢(shì)。之后，膠束在表面活性劑溶液中的數(shù)量逐漸達(dá)到飽和，隨著無(wú)機(jī)鹽濃度的增加I₁/I₃基本不再改變，這表示復(fù)配表面活性劑抵達(dá)了臨界膠束濃度（CMC）。

對(duì)于F₁、F₂、F₃，達(dá)到CMC時(shí)的無(wú)機(jī)鹽濃度約為0.15wt%，而F₄、F₅、F₆對(duì)應(yīng)的無(wú)機(jī)鹽濃度約為0.13wt%。同時(shí)可見(jiàn)，F(xiàn)₄、F₅、F₆的I₁/I₃線性擬合曲線下降趨勢(shì)較F₁、F₂、F₃更迅速，這是因?yàn)閷?duì)于同周期元素，Mg²⁺的水合能力強(qiáng)于Na⁺，使得鹽析作用更明顯。所以加入更小濃度的MgCl₂就能讓復(fù)配表面活性劑更快地達(dá)到CMC，對(duì)表面活性劑效果的提升作用更明顯。

此外，I₁/I₃的大小可以判斷微環(huán)境極性的變化，極性越大則比值越大，反之則比值越小。整體上可見(jiàn)，F(xiàn)₃和F₆的表面活性劑組合是相同的，I₁/I₃均明顯小于其他4組的I₁/I₃，可以認(rèn)為在同一無(wú)機(jī)鹽濃度下F₃和F₆的溶液微環(huán)境極性是最低的，這是因?yàn)镕₃和F₆的表面活性劑組合快滲T和LAO-30之間產(chǎn)生了更強(qiáng)的協(xié)同效應(yīng)。又如上文所述，MgCl₂對(duì)降低CMC的作用比NaCl更強(qiáng)烈，故隨著無(wú)機(jī)鹽濃度的增加，F(xiàn)₆的I₁/I₃值較F₃逐漸變小。

綜上所述，復(fù)配組合F₆達(dá)到混合表面活性劑的最佳效果。因此文中選取0.13wt%MgCl₂作為無(wú)機(jī)鹽增效劑，最后得出復(fù)配潤(rùn)濕劑的最佳配比為：0.1wt%快滲T+0.1wt%LAO-30+0.13wt%MgCl₂。

2.3 復(fù)配潤(rùn)濕劑潤(rùn)濕性能測(cè)試

2.3.1 煤塵沉降試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)復(fù)配濕潤(rùn)劑以及9種不同濃度的表面活性劑進(jìn)行沉降速度測(cè)定以進(jìn)行效果對(duì)比，試驗(yàn)裝置及結(jié)果如圖6、圖7所示?？芍?，各表面活性劑的沉降速度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而迅速增加，煤塵沉降速度最快的3種表面活性劑是AEO-9，快滲T和LAO-30，這與前文接觸角測(cè)試、表面活性劑表面張力測(cè)試結(jié)果一致。復(fù)配濕潤(rùn)劑的煤塵沉降速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他單體表面活性劑，幾乎不受到質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。復(fù)合潤(rùn)濕劑對(duì)煤塵沉降速度的改善明顯，對(duì)比單組分AEO-9，快滲T和LAO-30分別提高了41.9%，59.8%和75.1%（提升至20.33 mg/s），證明其對(duì)煤體的潤(rùn)濕效果較好。

2.3.2 低場(chǎng)核磁共振與孔隙水潤(rùn)濕率分析

通過(guò)低場(chǎng)核磁共振測(cè)量不同預(yù)處理時(shí)間煤樣的T₂弛豫時(shí)間譜，如圖8所示，煤樣均表現(xiàn)出三峰特征。不同譜峰之間的分布連續(xù)性能夠反映不同孔隙之間的連通性^[23]，從飽水煤樣的T₂光譜可以看出，煤體各類型孔隙與裂隙譜峰之間的連續(xù)性較差，說(shuō)明其連通性較差，不利于注水過(guò)程中液體的滲流。對(duì)比不同處理時(shí)間煤樣的T₂光譜可以看出，隨著預(yù)處理時(shí)間的增加，煤樣各個(gè)孔徑對(duì)應(yīng)的T₂曲線整體上移，且振幅均有所增加，這意味著隨著預(yù)處理時(shí)間的增加，更多的水進(jìn)入煤樣內(nèi)部的孔隙，各類孔隙的潤(rùn)濕率逐漸增加；同時(shí)，與純水相比，在相同時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)潤(rùn)濕劑處理煤樣的T₂峰面積較大，說(shuō)明與純水相比，潤(rùn)濕劑對(duì)煤體潤(rùn)濕效率較高，能在較短時(shí)間內(nèi)滲透入煤體內(nèi)部。

利用LF-NMR結(jié)果，通過(guò)對(duì)比不同預(yù)處理時(shí)間下煤樣T₂譜峰面積的變化，可以計(jì)算出不同類型孔隙的潤(rùn)濕率，從而評(píng)價(jià)煤孔隙被水潤(rùn)濕的程度。通過(guò)式（2）分析不同預(yù)處理時(shí)間后煤樣孔隙的水潤(rùn)濕百分比

η（t）=S_t/S×100%（2）

式中 η（t）為預(yù)處理時(shí)間t后煤孔隙的水潤(rùn)濕百分比；S_t為t時(shí)刻下煤樣孔隙對(duì)應(yīng)的T₂譜面積；S為飽水煤樣孔隙的T₂譜面積。

煤孔隙的水潤(rùn)濕率直接反映了煤表面孔隙被水填充的程度，如圖9所示，隨著預(yù)處理時(shí)間的增加，微孔、中孔和大孔的水潤(rùn)濕百分比都逐漸增加。分析對(duì)比兩組曲線，在相同處理時(shí)間下加入復(fù)配潤(rùn)濕劑的煤樣潤(rùn)濕效果要明顯好于在純水中的潤(rùn)濕效果，這是由于潤(rùn)濕劑較低的表面張力有利于提高煤體孔隙潤(rùn)濕率，達(dá)到較好的潤(rùn)濕效果。

與此同時(shí)，對(duì)比不同類型孔隙的潤(rùn)濕率可以發(fā)現(xiàn)，微孔和中孔的潤(rùn)濕率與大孔相比增幅較大，潤(rùn)濕劑處理12 h后其含水率分別提升至92.5%和90.2%，對(duì)比純水提升了44.2%和43.6%，而相同條件下大孔的潤(rùn)濕率僅增加了9%。這是由于在不同處理方式下，液體在大孔中滲流速度都會(huì)更快，能很快達(dá)到飽水狀態(tài)，因此隨著預(yù)處理時(shí)間的增大其潤(rùn)濕率沒(méi)有顯著增加。通過(guò)以上分析可以看出，潤(rùn)濕劑對(duì)煤體微孔和中孔水潤(rùn)濕率的提升是改善其潤(rùn)濕性能的關(guān)鍵。

3 降塵效果研究

為了驗(yàn)證復(fù)配潤(rùn)濕劑在煤層注水防塵技術(shù)中的效果，選取山西余吾煤礦N1105工作面為試驗(yàn)地點(diǎn)。N1105工作面開(kāi)采煤層為3號(hào)煤層，平均煤厚5.5 m。由于長(zhǎng)期的煤層瓦斯抽放，工作面煤體含水率較低，回采時(shí)產(chǎn)生大量粉塵。潤(rùn)濕劑注水試驗(yàn)布置方式，注水孔參數(shù)如圖10所示。

注水前分別在2個(gè)試驗(yàn)區(qū)域各選取5個(gè)注水孔進(jìn)行原始含水率測(cè)定，同時(shí)測(cè)定工作面原始粉塵濃度。注水結(jié)束后再對(duì)采樣點(diǎn)的注水煤層進(jìn)行采樣，測(cè)定注水后煤層水分含量和工作面粉塵濃度。

考察地點(diǎn)選擇在N1105工作面回風(fēng)巷，在回風(fēng)巷每隔10 m共8檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行粉塵濃度測(cè)定，首個(gè)檢測(cè)點(diǎn)設(shè)置在轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)頭處，其余檢測(cè)點(diǎn)按順序在回風(fēng)巷中設(shè)置，檢測(cè)點(diǎn)高度1.5 m，記錄對(duì)比普通注水與加入潤(rùn)濕劑注水后的回采粉塵濃度。如圖11，圖12所示，隨著與工作面距離的增大，各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的降塵率也隨之提高，這是由于粉塵在巷道中發(fā)生了自然沉降；對(duì)比不同注水方式的全塵和呼吸性粉塵降塵率可以發(fā)現(xiàn)，添加潤(rùn)濕劑后煤層的降塵率均高于普通注水煤層。普通煤層注水對(duì)全塵和呼塵的平均降塵率分別為71.6%和80.1%，而采用添加了新型潤(rùn)濕劑后，全塵和呼塵的綜合降塵率提升至95.2%和97.3%，全塵降塵效率提升了32.9%，呼吸性粉塵降塵效率提升了17.7%?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明復(fù)配潤(rùn)濕劑能有效降低回采時(shí)產(chǎn)生的煤塵，改善井下勞動(dòng)環(huán)境，保障礦井生產(chǎn)的安全。

4 結(jié) 論

1）進(jìn)行表面張力、接觸角試驗(yàn)，通過(guò)單因素試驗(yàn)優(yōu)選出3種表面活性劑，并通過(guò)熒光分子探針試驗(yàn)將優(yōu)選的3種表面活性劑與2種無(wú)機(jī)鹽進(jìn)行復(fù)配。表面活性劑復(fù)配試驗(yàn)結(jié)果表明，快滲T、AEO-9以及LAO-30兩兩復(fù)配都對(duì)煤體潤(rùn)濕有增強(qiáng)效果，其中快滲T和LAO-30混合溶液的潤(rùn)濕性能最佳，無(wú)機(jī)鹽增效劑MgCl₂對(duì)潤(rùn)濕性能的提升較NaCl更大。

2）新型復(fù)配潤(rùn)濕劑配比為：0.1wt%快滲T+0.1wt%LAO-30+0.13wt%MgCl₂，通過(guò)煤塵沉降試驗(yàn)，測(cè)得復(fù)配潤(rùn)濕劑對(duì)煤塵沉降速度提升至20.43 mg·s^-1，對(duì)比單組分快滲T和LAO-30分別提高了40.11%和47.34%；核磁共振試驗(yàn)表明，潤(rùn)濕劑主要影響液體在煤體微孔和中孔的滲流，從而提高煤體孔隙潤(rùn)濕率，新型復(fù)配潤(rùn)濕劑表現(xiàn)出良好的潤(rùn)濕性能。

3）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了新型復(fù)配潤(rùn)濕劑能夠有效改善工作面煤層注水效果，添加潤(rùn)濕劑的煤層平均水分增量由1.97%提升至3.32%，工作面全塵和呼塵降塵率分別由71.6%和80.1%提升至95.2%和97.3%。

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（責(zé)任編輯：楊泉林）