多组份水炮泥配方优选及降尘试验研究_郭敬中.pdf

收稿日期2019-12-04 基金项目 “十三五” 国家重点研发计划项目 （编号 2017YFC0805204） ， 国家自然科学基金项目 （编号 51874015） ， 中央高校基本科研业务费专 项 （编号 HKJYZD201604， 3142015028） 。 作者简介郭敬中 （1983） ， 男， 讲师， 博士研究生。通讯作者金龙哲 （1963） ， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。 总第 525 期 2020 年第 3 期 金属矿山 METAL MINE 多组份水炮泥配方优选及降尘试验研究 郭敬中 1， 2 金龙哲 1 李刚 3， 4 王天暘 11 （1. 北京科技大学土木与资源工程学院， 北京 100083； 2. 华北科技学院安全工程学院， 北京 东燕郊 101601； 3. 中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司， 安徽 马鞍山 243000； 4. 金属矿山安全与健康国家重点实验室， 安徽 马鞍山 243000） 摘要为解决水炮泥降尘效果不佳的问题， 改善作业环境， 以梅山铁矿-318W-N16巷道型采场为工程背景， 研究多组份水炮泥降尘技术在采场爆破防尘方面的应用。以表面张力和接触角为优选指标， 通过对比试验的方法 完成了基料和辅料的初选与复配， 得到了表面张力小、 接触角小、 铺展能力强的多组份润湿剂配方， 并以此自制了 多组份水炮泥应用于梅山铁矿爆破落矿作业。现场试验表明 应用多组份水炮泥进行采场爆破作业时， 总粉尘降 尘效率为63.61％， 呼吸性粉尘降尘效率达61.63％， 较普通水炮泥降尘效率提高35％左右， 说明多组份水炮泥可从 源头上有效降低采场爆破作业时的粉尘浓度， 加速矿尘沉降， 减少爆破工序作业时间， 提高作业效率， 对于进一步 研究金属矿山深孔爆破落矿源头降尘具有一定的参考价值。 关键词多组份润湿剂润湿效果呼吸性粉尘润湿机理爆破作业 中图分类号TD714文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -03-190-07 DOI10.19614/ki.jsks.202003028 Study on the ulation Optimization of Multi-component Water Stemming and Dust Removal Test Guo Jingzhong1， 2Jin Longzhe1Li Gang3， 4Wang Tianyang12 （1. School of Civil and Resource Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China； 2. Safety Engineering College， North China Institute of Science and Technology， East Yanjiao 101601， China； 3. Sinosteel Maanshan General Institute of Mining Research Co.， Ltd.， Maanshan 243000， China； 4. State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mines， Maanshan 243000， China） AbstractIn order to solve the problem of poor dust removal effect of water stemming and to improve the operation en- vironment， based on -318W-N16 roadway stope in Meishan Iron Mine as the engineering background， a study was conducted on the application of multi-component water stemming dust removal technology to stope blasting.With the surface tension and contact angle as the preferred inds， the primary selection and compounding of base materials and additives were complet- ed through comparative tests， and the ula of multi-component wetting agent with small surface tension， small contact an- gle and strong spreading ability was obtained.Field test shows that when multi-component water stemming is added for blast- ing， the total dust removal efficiency is 63.61， and the dust removal efficiency is 61.63， which is about 35 higher than that of ordinary water cannon mud， indicating that multi-component water stemming can effectively reduce the dust concentra- tion during face blasting， reduce the blasting process operation time，improve work efficiency， which has certain reference value for the dust removal of deep hole blasting mining in metal mines. KeywordsMulti-component wetting agent， Wetting effect， Respirable dust， Wetting mechanism， Blasting operation Series No. 525 March 2020 随着国民经济的发展， 一方面， 满足人们日益增 长的职业健康需求已成为社会共识； 另一方面， 金属 矿山大型设备的大量使用及开采强度的持续增加， 使得矿山粉尘量大幅增加， 粉尘粒径越来越小， 严重 污染作业环境和危害职工身心健康。因而， 开展金 属矿山粉尘防治显得尤为重要。金属矿山开采中， 安全与环保 190 ChaoXing 凿岩、 爆破、 装卸矿石、 破碎等工序均会产生大量微 细粉尘。在湿式凿岩作业时， 各工序粉尘产生的比 例约为凿岩工序41.3， 爆破工序45.6， 装运矿 （岩） 石13.1 ［1］。由此可见， 爆破作业作为金属矿山开采 粉尘的主要来源， 应当采取有效措施进行消减。 近年来， 行业内专家学者采用了各种技术手段来 降低矿尘产生量、 控制与捕集作业环境内粉尘， 从而 缓解矿尘对井下作业人员、 运行设备的危害。通过改 善水质可增强溶液与粉尘颗粒之间的接触与沉降能 力， 其中降低水溶液的表面张力是目前研究的热点。 金龙哲等 ［2-4］基于表面活性能理论和界面能理论， 通 过比较不同类型表面活性剂溶液的表面张力和润湿 能力进行配方筛选与复配， 获得了高效水炮泥、 新型 水炮泥、 润湿型化学抑尘剂的配方， 在降尘消烟方面 取得了很好的效果。蒋仲安等 ［5-6］以润湿高度和表面 张力为试验指标， 运用对比试验方法获得了降低爆破 烟尘的降尘剂， 其中氯化钠为最佳基料、 十二烷基苯 磺酸钠为最佳表面活性剂， 硫酸铜和氯化铵为添加 剂， 制成的水炮泥可有效降低爆破时的烟尘浓度。薛 里等 ［7］在分析爆炸水雾降尘机理的基础上， 采用高速 摄相机和图像处理软件， 对爆炸水雾、 粉尘和水雾捕 尘的特性进行了试验， 试验结果表明 当装药量和水 量的比值 （相当于水炮泥质量浓度） 为0.24 kg/m3时， 雾化效果最好； 当爆炸水雾置于尘源正侧方， 近距离 同时起爆时， 降尘率可达80以上。陈沅江等 ［8］综合 阐述了表面活性剂用于矿山尘毒治理的主要途径， 如 采掘面喷洒表面活性剂溶液、 煤层注水预湿、 转载点 泡沫除尘、 爆破和路面抑尘等。杨海涛等 ［9］从爆破尘 毒机理分析出发， 利用自制密闭容器对装药结构进行 了研究， 由试验得出， 与孔底布置和径向布置相比， 采 用孔口布置水间隔装药结构的除尘效果更好， 且可行 性和可靠性强。邹常富等 ［10］在分析水炮泥降尘机理 的基础上， 通过对比分析普通水炮泥 （添加纯水） 和高 效水炮泥 （添加高效降尘剂） 的降尘消烟能力， 认为高 效水炮泥较普通水炮泥的降尘效率提高20以上， 炮 烟平均浓度降低50以上。此外， 近年来， 学术界在 煤尘控制方面也取得了很多研究成果 ［11-15］， 为金属矿 山防尘研究提供了有益参考。 相关研究表明， 向水中添加润湿剂可以有效改 善溶液性质 ［16-18］， 明显减小水的表面张力以及润湿边 角， 增大颗粒与雾滴碰撞时融合的概率， 尤其对于呼 吸尘为代表的微细粉尘的控制效果显著， 为金属矿 尘消减提供了方向。本研究通过设计基料与辅料的 对比优选试验， 以表面张力和接触角为优选指标， 获 得最佳多组份润湿剂配方， 并据此自制多组份水炮 泥应用于梅山铁矿爆破落矿作业。 1多组份润湿剂及其作用机理 1. 1多组份润湿剂 多组份润湿剂是一种由基料和辅料按照一定比 例配制而成的混合剂， 其中基料为吸湿性无机盐， 辅 料为一种或几种表面活性剂。 表面活性剂作为多组份润湿剂的重要组成部 分， 具有润湿、 增溶、 保水等作用 ［19-20］。水中加入表面 活性剂， 可使溶液的表面张力和湿润边角减小， 从而 增大溶液对矿尘的润湿能力。表面活性剂是亲水基 和憎水基两个不同性质的基团组成的化合物， 通过 改变水的表面张力和粉尘的物理化学性质， 来增强 溶液对固体颗粒 （尤其是微细颗粒） 的润湿能力。将 其配入水中后， 亲水基急速插入水中， 憎水基受排斥 而伸向空气， 从而在气液表面形成界面吸附层， 改变 了气液界面的接触状态， 降低了液体表面张力。此 外， 伸向空气的憎水基与固体颗粒相互吸引。因而， 当水分子与固体分子接触时， 憎水基与固体颗粒、 亲 水基与溶液形成对粉尘颗粒的包裹， 使矿尘颗粒更 易润湿。 吸湿性无机盐的加入， 使得多组份润湿剂密度 较纯水大， 爆破时具有更大的迸发力。爆破时已气 化的溶液雾滴与矿尘碰撞凝结， 因其密度较大而更 易沉降。此外， 吸湿性无机盐使得粉尘润湿后能继 续吸收空气中的水分， 一方面加速其沉降， 另一方面 保持润湿粉尘颗粒的含水率， 从根本上消解二次扬 尘。 1. 2润湿机理 采场引爆瞬间， 因爆炸力而形成的粉尘与气化 的多组份润湿剂雾滴相互碰撞， 经过吸附、 润湿、 增 重、 沉降等一系列过程， 使得粉尘颗粒长期丧失飞扬 能力 ［3］， 从而起到润湿降尘的效果。 粉尘颗粒的润湿效果受固相液相气相三相 界面力的制约， 其中接触角θ表示固液界面张力 γSL作用方向经液相转至液气界面张力γLG作用方 向所经过的角度， 如图1所示。当接触角θ ＜ 90时， 为可润湿， 且接触角越小， 其润湿能力越强； 当接触 角θ ≥ 90时， 粉尘颗粒难以润湿， 且随着接触角增 大， 其润湿性能越差。 固相液相、 液相气相和气相固相之间作 用力的关系可用润湿方程进行表示 cosθ γSG- γSL γLG ，（1） 式中，γSG为固气界面张力；γSL为固液界面张力； γLG为液气界面张力。 2020年第3期郭敬中等 多组份水炮泥配方优选及降尘试验研究 191 ChaoXing 由式 （1） 可知， 若要提高溶液的润湿能力， 只有 两种途径， 要么增大气固界面张力， 要么降低液 气界面张力γLG或固液界面张力γSL。多组份润湿 剂具备了降低液气界面张力γLG和减小固液界 面张力γSL的功能， 因而可取得减小接触角、 增强矿尘 润湿能力的效果。 2多组份润湿剂优选试验 2. 1矿尘样本预处理 矿尘样品选取梅山铁矿-318 m水平的N16巷道 型采场爆破迎头粉尘。首先对原始粉尘样品进行水 分离试验。粉尘样品经 200目 （对应网孔直径为 74 m） 标准筛筛分 （图 2） ， 并在 60℃恒温箱中烘干 8.0 h。在25 ℃室温下冷却后， 进行分离处理， 向盛水的 烧杯表面缓慢倾倒尘样， 稳定2.0 min后， 原始粉尘样 品即被分为两部分 （图3） 。浮于水面的粉尘即为原 始粉尘样品中难被润湿的部分， 可认定为疏水性粉 尘 （Hydrophobic Dust， HCD） ， 沉聚水底的粉尘即易被 润湿的部分， 可以认定为亲水性粉尘 （Hydrophilic Dust， HD） 。本研究以分离所得的HCD为试验样品进 行相关试验分析。 本研究利用 FW-4A型粉末压片机以 30 MPa压 力对粉尘进行压片处理， 用无水酒精将压片模具擦 洗干净， 向模具孔中加入一定量 （约200 mg） 的粉尘 样品， 利用液压机在 50.0 MPa压力下形成直径 15.0 mm、 厚约3.0 mm具有压光平面的圆柱体试片， 保压 5.0 min， 制成粉尘块状样品 （图4） 。 2. 2基料优选试验 通过文献研究 ［2-4］， 初选出吸水性好的吸湿性无 机盐材料8种， 并配制成一定浓度的溶液。首先称量 等量的HCD粉尘样品8份， 分别放置于编号为1～8 的容器中； 然后将等量等浓度的吸湿性无机盐溶液 分别加入容器中， 并称量总重， 记录数据。每天上午 9点 （记作A） 、 下午5点 （记作P） 分别称量一次总重并 记录数据。按照含水率计算公式 （式 （2） ） 计算各种 吸湿性材料的含水率， φ wF- wO wF 100，（2） 式中，φ为粉尘含水率， ％；wF、wO分别为粉尘样品的 湿重和初始质量， g。 根据式 （2） 计算， 绘制出的含水率变化曲线如图 5所示。 由图5可知 相同条件下， 氯化钙、 氯化镁的吸湿 金属矿山2020年第3期总第525期 192 ChaoXing 性能明显优于其他吸湿性材料， 粉尘含水率达到了 6以上。经过调查， 氯化钙和氯化镁不仅都具有良 好的吸湿性能， 而且能够满足化工产品在井下应用 的条件， 即 无毒无臭， 对环境不造成污染； 能溶于任 何矿井水中， 且溶解度较大； 无燃烧、 爆炸性； 无明显 的腐蚀性。该类材料来源广泛， 价格低廉， 是十分理 想的吸湿性材料。 2. 3表面张力测定试验 表面张力是液体表面任意相邻部分垂直于其单 位长度分界线相互作用的拉力。溶液的表面张力大 小直接反映了溶液润湿粉尘颗粒的能力大小。 2. 3. 1表面活性剂初选 通过查询相关文献 ［2-4， 13-16］， 筛选出 12 种表面活 性剂 （表1） ， 分别为阴离子表面活性剂、 阳离子表面 活性剂以及非离子表面活性剂。在室温条件下， 采 用QBZY系列全自动表面张力仪 （图6） 对12种表面 活性剂溶液的表面张力进行测定， 其在浓度为 0.005、 0.01、 0.05、 0.1和0.2时的表面张力值 见图7。 由图7可知 不管是阴离子、 非离子表面活性剂， 还是阳离子表面活性剂， 其表面张力均随浓度的增 加而降低。但不同类型的表面活性剂的表面张力有 较大不同， 阳离子表面活性剂的表面张力大于其他 两种类型表面活性剂的表面张力。根据表面张力大 小， 本研究初选出 3种表面张力较小的表面活性剂 SDBS、 SDS、 PMEE， 并复配出两种复合型表面活性剂 N1、 N2。 2. 3. 2多组份润湿剂初配 利用优选的无机盐， 按照一定的比例分别与5种 表面活性剂 SDBS、 SDS、 PMEE、 N1、 N2配制不同浓度 的溶液， 分别记作X （其中X表示表面活性剂类型） ， 测定了其表面张力， 结果见图8。 由图8可知 5种表面活性剂无论是在纯水中， 还 是在添加无机盐的溶液中， 均表现出随着溶液浓度 的增加， 其表面张力值呈逐渐降低的趋势， 说明其对 粉尘的润湿能力逐渐增强， 且表现出较好的一致性。 表面活性剂SDBS、 SDS、 PMEE、 N1在加入无机盐的溶 液中其表面应力值相对于在纯水中都有一定程度增 大， 但表面活性剂N2在加入无机盐的溶液中的表面 应力值相对于在纯水中有所减小。与其他表面活性 2020年第3期郭敬中等 多组份水炮泥配方优选及降尘试验研究 193 ChaoXing 剂相比， N2在加入无机盐溶液中的表面张力值最小， 说明由N2和基料配制而成的多组份润湿剂溶液表面 张力小， 润湿粉尘能力强。在多组份润湿剂溶液质 量分数达到0.05之后， 随着浓度继续增大， 表面张 力值变化趋于平缓， 并逐步稳定在28.0 mN/m左右， 说明添加多组份润湿剂只能在一定程度上降低水的 表面张力， 超过这一临界浓度， 浓度继续变大不会使 水的表面张力发生明显变化， 即其润湿能力也逐渐 靠近最大值。 2. 4接触角测定 本研究采用Theta Lite （TL101） 接触角测定仪 （图 9） 测定了10种溶液对梅山铁矿粉尘样品的接触角， 分析不同溶液在不同浓度下的粉尘润湿效果， 为多 组份润湿剂优选提供参考数据， 测试结果见图10。 通过分析润湿接触角随浓度的变化曲线 （图10） 可知， 优选的表面活性剂无论是在纯水中还是在加 入基料的溶液中， 随着溶液浓度的增大， 其接触角不 断减小。与其他溶液相比， 多组份润湿剂N2溶液对 粉尘样品的接触角较小， 其润湿能力随着浓度的不 断变大而变大， 当溶液质量分数达到0.05之后， 接 近达到最佳润湿效果， 这与其表面张力呈现出的规 律具有一致性。 2. 5溶液铺展系数 溶液的铺展系数与其浓度之间的关系曲线见图 11。 分析图11可知 10种溶液的铺展系数随着溶液 浓度的增加而增大， 并趋于平缓。多组份润湿剂N2 溶液相较于其他溶液具有较大的铺展系数， 说明多 组份润湿剂N2在粉尘表面更容易铺展润湿。 3多组份润湿剂降尘效果试验 3. 1试验概况 将最佳配比的多组份润湿剂装入自制的水炮泥 袋中， 制成多组份水炮泥， 用于梅山铁矿采场爆破工 作面， 验证多组份水炮泥的减尘效果。试验地点选 取梅山铁矿-318W-N16巷道型采场， 爆破作业面巷 道断面尺寸为6 m4 m。针对采场爆破钻孔深度达 21 m， 直径为90 mm， 钻孔内壁粗糙， 且局部区域出现 孔径变小的现象， 自制了直径75 mm、 长度320 mm、 自封口、 外包裹尼龙袋的多组份水炮泥成品， 有效满 足了注水压力、 孔内输送等要求。 在距爆破迎头约 30.0 m 处， 安放了两台 CCZ20 改进型粉尘浓度采样器， 分别进行总粉尘和呼吸性 粉尘采样。采样器取样高度设为 1.5 m （呼吸带位 置） ， 全尘、 呼尘采样时间分别为5 min、 10 min， 采样 流量均为20 L/min。 3. 2试验结果分析 在炮眼数量、 装药量、 水炮泥装入数量等外界条 金属矿山2020年第3期总第525期 194 ChaoXing 件等同的情况下， 分别对未装水炮泥 （裸爆） 、 添加普 通水炮泥 （清水） 、 填装多组份水炮泥时的全尘和呼 尘数据进行了测定， 结果见图12。 根据测试数据， 参照行业标准 煤矿防尘措施的 分级除尘效率 （MT/T 7121997） ， 相对降尘效率可 进行如下计算 μ D1- D2 D1 100，（3） 式中，D1为采场未装水炮泥时的粉尘浓度， mg/m3；D2 为工作面装有普通水炮泥或多组份水炮泥时的粉尘 浓度， mg/m3。 根据图12中的粉尘浓度数据， 利用式 （3） 计算相 对降尘效率可知， 采用普通水炮泥爆破作业时， 全尘 降尘效率为28.57％， 呼尘降尘效率为27.67％， 而采 用多组份水炮泥爆破作业时， 全尘降尘效率提高至 63.61％， 呼尘降尘效率提高至61.63％。与普通水炮 泥爆破作业相比， 应用多组份水炮泥爆破作业的降 尘效率提高了35％左右， 说明多组份水炮泥可有效 降低水的表面张力与减小矿尘和溶液之间的界面张 力， 具有较强的润湿矿尘能力， 从而降低了爆破作业 时的粉尘浓度， 这与多组份润剂的试验结果相一致。 为进一步探索多组份水炮泥的功效， 分别对未 装水炮泥、 添加普通水炮泥、 填装多组份水炮泥时矿 尘的沉降时间进行了测试， 结果见图13。 由爆破作业粉尘沉降时间测试数据 （图 13） 可 知， 未采用任何技术措施时， 距爆破作业面30 m处的 矿尘约需32 min以上才能沉降至50 mg/m3以下并趋 于稳定， 采用普通水炮泥进行爆破作业时， 时间降至 20 min左右， 但应用多组份水炮泥进行爆破作业时， 在12 min内矿尘质量浓度降至50 mg/m3以内， 沉降时 间大大缩短。说明爆破作业时添加多组份水炮泥可 加速矿尘沉降， 从而减少爆破工序耗时， 提高作业效 率。 4结论 （1） 多组份润湿剂是一种由基料和辅料按照一 定比例配制而成的混合剂， 其中基料为吸湿性无机 盐， 辅料为一种或几种表面活性剂。多组份润湿剂 润湿矿尘机理可以概括为 通过改变溶液的表面张 力和粉尘的物理化学性质， 增强对固体颗粒 （尤其是 微细颗粒） 的润湿能力； 溶液密度增大， 溶液雾滴与 矿尘碰撞凝结的概率倍增， 沉降速度加快； 延长被润 湿粉尘颗粒的保湿时间， 从源头上消减二次扬尘。 （2） 以表面张力和接触角为优选指标， 运用对比 试验方法确定了最佳基料和辅料， 获得的最佳多组 份润湿剂配方具有较强的铺展能力、 润湿及保湿能 力。 （3） 通过添加普通水炮泥与多组份水炮泥进行 爆破作业对比试验发现， 多组份水炮泥全尘降尘效 率为63.61％， 呼尘降尘效率达61.63％， 较普通水炮 泥降尘效率提高了35％左右， 说明多组份水炮泥可 有效降低溶液的表面张力与减小矿尘和溶液之间的 界面张力， 具有较强的润湿矿尘能力。 （4） 通过测试爆破作业粉尘沉降时间数据发现， 爆破作业时添加多组份水炮泥可加速矿尘沉降， 从 而减少爆破工序作业时间， 提高作业效率。 参 考 文 献 吴超.化学抑尘 ［M］ .长沙 中南大学出版社， 2003 72-78. 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