煤尘微细观润湿特性及抑尘剂研发初探——以平顶山矿区为例.pdf

第4 6 卷第3 期 2 0 2 1 年3 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．3 M a r ．2 0 2 1 煤尘微细观润湿特性及抑尘剂研发初探 以平顶山矿区为例 张建国1 ，李红梅2 ⋯，刘依婷2 ，李喜员1 ，谢晶2 ，代志旭1 ，叶思琪2 ，李露明3 ，周伟奇4 ，赵赘4 ，郝海春5 1 ．炼焦煤资源开发及综合利用国家重点实验室，河南平顶山4 6 7 0 0 2 ；2 ．四川大学水利水电学院，四川成都6 1 0 0 6 5 ；3 ．成都大学食品与生 物工程学院，四川成都6 1 0 1 0 6 ；4 ．成都大学机械工程学院，四川成都6 1 0 1 0 6 ；5 ．深圳大学深地科学与绿色能源研究院，广东深圳5 1 8 0 6 0 摘要煤矿开采逐渐向深部延伸，深部开采条件下煤尘灾害频发，防控难度高，除尘机理与技术仍 然是深部开采科学高效除尘基础研究的难点与重点之一。以平顶山矿区丁、戊、己、庚4 组煤层采 集的原煤为研究对象，联合多种煤尘物理化学性质测试 工业分析，X R D ，B E T ，S E M ，F T I R 、分子 动力学模拟等手段，系统采用基础物性特征分析、润湿特性多因素影响探讨、分子层面润湿机理探 索、抑尘剂改性讨论的研究思路，开展了基于煤尘微细观结构特征的除尘机理探索及新型抑尘剂研 发初探。研究表明平顶山矿区丁戊己庚4 组煤层典型煤尘的润湿性大小顺序为戊 丁 庚 己，煤 中有机质质量分数、水分质量分数、灰分质量分数、无机矿物成分质量分数、比表面积、含氧官能团 等指标的显著差异将对煤尘润湿性能产生显著影响，比表面积、石英质量分数、羟基和醚键数量越 多，润湿性越好，固定碳质量分数越高，润湿性越差。联合煤的红外光谱分析和分子动力学模拟，根 据平顶山矿区煤尘亲水官能团特征，研究了水分子在不同数量羟基和醚键修饰的煤表面吸附过程， 进一步揭示了煤尘润湿性能的强关联因素，表面羟基数量正相关于吸附水分子能力，而煤尘醚键数 量对于吸附水分子能力存在极大值。基于煤尘微细观特征对其润湿性的影响机制，考察了3 种非 离子表面活性剂对4 组煤尘的润湿除尘特性，基于表面活性剂分子结构对煤尘润湿的作用机理，针 对平煤矿区煤尘提出了引入芳香环结构实现新型抑尘剂改性的解决思路。 关键词除尘技术；润湿性；表面活性剂；接触角；抑尘剂；平顶山矿区；微细观 中图分类号T D 7 1 4文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 3 0 8 1 2 1 4 M i c r o w e t t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fc o a ld u s ta n dp r e l i m i n a r ys t u d yo nt h e d e v e l o p m e n to fd u s ts u p p r e s s a n ti nP i n g d i n g s h a nm i n i n ga r e a Z H A N GJ i a n g u 0 1 ，L IH o n g m e i 2 ”，L I UY i t i n 9 2 ，L IX i y u a n l ，X I EJ i n 9 2 ，D A IZ h i x u l ，Y ES i q i 2 ， L IL u m i n 9 3 ，Z H O UW e i q i 4 ，Z H A OY u n 4 ，H A OH a i c h u n 5 1 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fC o k i n gC o a lE x p l o i t a t i o na n dC o m p r e h e n s i v eU t i l i z a t i o n ，P i n g d i n g s h a n4 6 7 0 0 2 ，C h i n a ；2 ．C o l l e g eo fW a t e rR e s o u r c ea n dH y d r o - p o w e r ，S i e h u a nU n i v e r s i t y ，C h e n g d u6 1 0 0 6 5 ，C h i n a ；3 ．C o l l e g e o f F o o da n d B i o e n g i n e e r i n g ，C h e n g d uU n i v e r s i t y ，C h e n g d u6 1 0 1 0 6 ，C h i n a ；4 ．S c h o o l o f M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ，C h e n g d uU n i v e r s i t y ，C h e n g d u 6 1 0 1 0 6 ，C h i n a ；5 ．I n s t i t u t eo f D e e pE a r t hS c i e n c e sa n dG r e e nE n e r g y ，S h e n z h e nU n i v e r s i t y ，S h e n z h e n 5 1 8 0 6 0 ，C h i n a 收稿日期2 0 2 卜0 卜1 8修回日期2 0 2 1 0 3 1 l责任编辑常明然 O O I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．Y T 2 1 ．0 1 4 0 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 2 0 0 4 1 6 7 ；四川省国际科技创新合作项目／港澳台科技创新合作资助项目 2 0 1 8 H H 0 1 5 9 ；广东省引进创新创业团队资助项目 2 0 1 9 Z T 0 8 G 3 1 5 作者简介张建国 1 9 6 5 一 ，男，河南滑县人，教授级高级工程师，博士。E m a i l z h a n g j g _ z 1 2 6 ．c o r n 通讯作者李红梅 1 9 8 0 一 ，女，山西临县人，副教授，博士。E - m a i l l i h o n g m e i h a p p y 1 2 6 ．c o n 引用格式张建国，李红梅，刘依婷，等．煤尘微细观润湿特性及抑尘剂研发初探以平顶山矿区为例[ J ] ．煤炭学 报，2 0 2 1 ，4 6 3 8 1 2 - 8 2 5 ． Z H A N GJ i a n g u o ，L IH o n g m e i ，L I UY i t i n g ，e ta 1 ．M i c r o w e t t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fc o a ld u s ta n dp r e l i m i n a r ys t u d yo n t h ed e v e l o p m e n to fd u s ts u p p r e s s a n ti nP i n g d i n g s h a nm i n i n ga F e a [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 1 ，4 6 3 引2 8 2 5 ． 移动阅读 万方数据 第3 期张建国等煤尘微细观润湿特性及抑尘剂研发初探以平顶山矿区为例 8 1 3 A b s t r a c t C o a lm i n i n gi sg r a d u a l l ye x t e n d i n gt ot h ed e e p ，c o a ld u s td i s a s t e r so c c u rf r e q u e n t l yu n d e rt h ec o n d i t i o no f d e e pm i n i n g ，a n dt h ed u s tp r e v e n t i o na n dc o n t r o li sd i f f i c u l t ．C o a ld u s tr e m o v a lm e c h a n i s ma n dt e c h n o l o g yi ss t i l lo n e o ft h ed i f f i e u l t i e sa n de m p h a s e si nt h eb a s i cr e s e a r c ho fs c i e n t i f i ca n de f f i c i e n tc o a ld u s tr e m o v a lt e c h n o l o g yi nd e e p m i n i n g ．T h em e c h a n i s mo fc o a ld u s tr e m o v a lb a s e do nt h em i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fc o a ld u s ta sw e l la st h ed e v e l o p m e n to fn e wc o a ld u s ts u p p r e s s a n tw a se x p l o r e d ，u t i l i z i n gt h er a wc o a lc o l l e c t e df r o mt h ec o a ls e a mD i n g ，W u ，J i a n dG e n go fP i n g d i n g s h a nM i n i n gA r e a ．B a s i cp h y s i c a lp r o p e r t i e sa n a l y s i s i n d u s t r i a la n a l y s i s ，X R D ，B E T ，S E Ma n d 订一I R ，m u l t if a c t o ri n f l u e n c eo nw e t t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，w e t t i n gm e c h a n i s me x p l o r a t i o na tt h em o l e c u l a rl e v e la n d c o a ld u s tw e t t i n ga g e n tm o d i f i c a t i o nd i s c u s s i o nw e r ec o n d u c t e ds y s t e m i c a l l yb ym e a n so fv a r i o u sp h y s i c o c h e m i c a lp r o p - e r t i e st e s t i n ga n dm o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ew e t t a b i l i t yo ft h ef o u rt y p i c a lc o a ls a m p l e s i n c r e a s e si nt h eo r d e ro ft h ec o a ls e a mJ i ，G e n g ，D i n ga n dW u ．T h es i g n i f i c a n td i f f e r e n c e so fo r g a n i cm a t t e rc o n t e n t ， m o i s t u r ec o n t e n t ，a s hc o n t e n t ，i n o r g a n i cm i n e r a lc o n t e n t ，s p e c i f i cs u r f a c ea r e aa n do x y g e n c o n t a i n i n gf u n c t i o n a lg r o u p s i nc o a ld u s ts h o ws o m es i g n i f i c a n ti m p a c to nt h ew e t t a b i l i t yo fc o a ld u s t ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eg r e a t e rt h es p e c i f i c s u r f a c ea r e a ，q u a r t zc o n t e n t ，h y d r o x y la n de t h e rb o n dc o n t e n ta r e ，t h eb e t t e rt h ew e t t a b i l i t y ，a n dt h eh i g h e rt h ef i x e d c a r b o nc o n t e n t ，a n dt h ew o r s et h ew e t t a b i l i t y ．U s i n gt h er e s u l t so fi n f r a r e ds p e c t r o s c o p ya n dm o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u - l a t i o no fc o a l ，a n dc o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh y d r o p h i l i cf u n c t i o n a lg r o u p so fc o a ld u s ti nP i n g d i n g s h a nm i n i n g a r e a ，t h ea d s o r p t i o np r o c e s so fw a t e rm o l e c u l e so nc o a ls u r f a c em o d i f i e db yd i f f e r e n tn u m b e r so fh y d r o x y la n de t h e r b o n d sw a ss t u d i e d ，a n dt h es t r o n gc o r r e l a t i o nf a c t o r so fw e t t a b i l i t yo fc o a ld u s tw e r ef u r t h e rr e v e a l e d ．T h en u m b e ro f s u r f a c eh y d r o x y li sp o s i t i v e l yr e l a t e dt ot h ea b i l i t yo fa d s o r b i n gw a t e rm o l e c u l e s ，w h i l et h en u m b e ro fe t h e rb o n d si n c o a ld u s th a sam a x i m u mv a l u ef o rt h ea b i l i t yo fa d s o r b i n gw a t e rm o l e c u l e s ．B a s e do nt h ei n f l u e n c em e c h a n i s mo fm i c r oc h a r a c t e r i s t i c so fc o a ld u s to ni t sw e t t a b i l i t y ，t h ew e t t i n ga n dd u s tr e m o v a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h r e ek i n d so fn o n - i o n i c s u r f a c t a n t so nf o u rg r o u p so fc o a ld u s tw e r ei n v e s t i g a t e d A c c o r d i n gt ot h ew e t t i n gm e c h a n i s mo fs u r f a c t a n tm o l e c u l a r s t r u c t u r eo nc o a ld u s t ，t h es o l u t i o no fi n t r o d u c i n ga r o m a t i cr i n gs t r u c t u r et or e a l i z et h em o d i f i c a t i o no fn e wd u s ts u p - p r e s s o rw a sp r o p o s e df o rt h ec o a ld u s ti nP i n g d i n g s h a nM i n i n gA r e a K e yw o r d s d u s tr e m o v a lt e c h n o l o g y ；w e t t a b i l i t y ；s u r f a c t a n t ；c o n t a c ta n g l e ；d u s ts u p p r e s s a n t ；P i n g d i n g s h a nm i n i n g a r e a ；m i c r o s t r u c t u r e 当前我国能源消费结构中，煤炭资源仍然是我国 消费占比最大的一次能源，长时间内仍将占据主导地 位。2J 。随着地球浅部资源的消耗殆尽，资源开采活 动逐渐向深部延伸旧J ，深部开采已经成为2 1 世纪的 主旋律，以平顶山矿区为例，以平煤十二矿为代表的 矿井已经正式进入超千米开采MJ 。煤矿在深部开采 条件下，通常通风难度加大，高产、高效机械化的井下 作业常导致综掘面粉尘质量浓度高∞J 、工作面能见 度低、粉尘爆炸危险性大，导致深部资源的开发时效 性差，灾害频发∞J ，尤其是矿工长期吸人大量呼吸性 粉尘将会引起尘肺病一J 。在深部开采作业中，粉尘 见叫等系列政策法规，标志着国家保卫劳动人民健 康的决心。袁亮u 从煤矿粉尘研究现状、政策标准 等方面总结了煤矿粉尘防控与职业安全健康面临挑 战，并建议政府主管部门和煤炭行业高度重视职业安 全健康科技创新，力争2 0 3 5 年煤矿粉尘职业危害防 控与安全健康领域取得突破。程卫民等2 】总结了 2 0a 来粉尘防治理论及技术取得的成果，提出了未来 矿井粉尘防治主攻方向智能化防尘、煤层注水减尘、 通风除尘、抑尘材料研发。李德文等列分析了我国 的防尘现状，提出我国应加强主动防尘，通过添加湿 润剂提高注水煤层的湿润性来提高煤层的注水效果。 质量浓度过高常常还会伴随着灾害事故‘8 | ，给矿工金龙哲m 1 通过对3 0 余个重点行业和地区粉尘危害 带来极大的生命安全威胁。除尘机理与技术研究仍 然是深部开采科学高效除尘基础研究的难点与重点。 在除尘规划与政策方面，湿法除尘早已引起国家 和行业的重视。2 0 1 9 年7 月，国家卫生健康委网站 发布由国家卫生健康委、国家发展改革委等1 0 部委 联合制订的尘肺病防治攻坚行动方案‘9 | 、“健康 中国2 0 3 0 ”规划、关于实施健康中国行动的意 现状调研分析，展现了我国粉尘职业危害专项治理和 防尘技术方面在“十三五”期间取得的成效，指出了 防尘支撑体系不健全、职责不明确、防治科研投入少、 工程防护不到位等问题，并强调“十四五”期间要重 点围绕高效综合防尘技术 减尘、降尘、除尘等 开展 研发。可见，目前我国对除尘政策、规划和现状有了 一定程度的认识。 万方数据 8 1 4 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 然而，目前煤矿现场粉尘防治措施常用湿式作 业 喷雾洒水 、通风除尘等，但这些技术从经济成本 和除尘效率都达不到理想的效果5 | 。为了更有效地 进行井下煤尘防控，采用煤层注水、采煤机尘源智能 跟踪喷雾降尘等多种湿式除尘法相结合的防尘技术， 从试验效果看，对煤尘防控有一定效果6 | ，但由于大 多数煤尘亲水性差而难以润湿，降尘效率不高，需要 添加表面活性剂提高煤的润湿性来提高降尘效率。 因此，必须从除尘机理层面出发，关注粉尘基础物性 特征影响机制、润湿性能评估与改善，从而实现科学 高效的综合除尘。 在除尘机理研究方面，张薇等Ⅲ1 考察了煤的矿 物质组成对润湿性的影响规律；高童桐副证明可溶 有机质通过改变煤尘微观表面结构特征提高了煤尘 微观表面的润湿特性；程卫民等引认为无机矿物中 以石英为代表的原生矿物是提高煤尘亲水能力的最 主要因素；文金浩等悼叫从定性与定量角度分析了煤 样灰分中无机矿物特征，建立了煤尘润湿性与无机矿 物间的关系；张锐心刈分析了煤的微观孔隙特征对煤 润湿性的影响；Z H O U 等旧纠利用粒径分布的分形维 数评价煤尘的润湿性和表面特性；L I 等旧纠研究了煤 微观结构的复杂程度对煤润湿性影响。可见，当前除 尘机理研究主要关注矿物成分等单因素对煤尘润湿 性能的影响，系统性考量煤尘物性多因素对其润湿性 能影响机制的研究相对较少。此外，针对当前深部开 采的湿法除尘，从多因素分析、润湿性能表征、分子层 面的润湿机理、抑尘剂研发等层面仍缺乏系统性的研 究。 以平煤矿区丁、戊、己、庚4 组煤样为研究对 象，采用“煤尘微细观结构分析一润湿影响机制探 讨一分子影响机理探索一抑尘剂改性思路提出” 的研究思路，系统开展基于煤尘微细观结构特征 的除尘机理研究及新型煤尘抑尘剂研发初探，从 而为我国深部开采科学高效防尘控尘提供技术指 导与研究思路借鉴。 1 试验区煤尘润湿性影响因素 为系统研究影响煤样润湿性的主要因素，对试验 区煤尘进行了微细观结构分析，重点关注煤样的工业 分析、无机矿物组成、表面特征以及主要官能团对煤 样润湿性的影响及其影响机理。试验煤样取自河南 省平顶山矿区丁、戊、己、庚4 组煤层，分别采样于工 作面5 - 2 2 1 9 0 ，8 - 3 1 2 2 0 ，1 5 - 3 1 0 2 0 ，2 0 - 7 1 1 6 0 。 1 ．1 煤尘接触角测试 接触角 0 是指液滴接触固体表面，在气、液、固 三相交界处，气一液界面和固一液界面之间的夹角。 当0 9 0 。时为不可润湿，0 越小 润湿性越好。采用成都大学J C 2 0 0 0 D 1 上海中晨 接触角测量仪测定丁、戊、己、庚4 组煤样与纯水之间 的接触角，见表1 。 表1 各组煤样接触角测试结果 T a b l e1C o n t a c ta n g l et e s tr e s u l t so fe a c hc o a ls a m p l e 分析以上数据可知，4 组煤样中戊组接触角最 小 6 6 ．4 。 ，润湿性能最好，丁组与庚组煤样接触角 较大，分别为8 3 ．5 。，8 8 ．2 。，表明丁组煤样润湿性强 于庚组煤样，己组接触角最大，为9 3 ．3 。，润湿性能最 差。4 组煤样在纯水中的润湿性大小顺序为戊 丁 庚 己。 1 ．2 煤尘工业分析及对润湿性的影响 工业分析是确定煤组成成分的最基本方法。利 用平煤国家重点实验室X K G F 一8 0 0 0 自动工业分析 仪，按照国家标准 G B l 3 2 1 2 - - 7 7 ，G B 4 7 6 - - 7 9 ，丁、 戊、己、庚4 种不同煤层煤样工业分析结果见表2 。 表2 中，肘。。为煤样中的水分含量，挥发分 K d 和固 定碳 F C 。。 含量反映了各组煤样中有机质的组成特 点，其中，挥发分主要由孔隙中的挥发性物质和煤尘 表面的极性或非极性官能团热解产物构成，固定碳则 为煤中除去水分、灰分、挥发分后剩下来的残渣，其产 率随煤化程度增高而增加，灰分 A 。。 是煤中矿物质 的近似含量。 表2 各组煤样工业分析测试结果 T a b l e2I n d u s t r i a la n a l y s i sa n dt e s tr e s u l t s o fe a c h c o a ls a m p l e％ 表2 中4 组煤样中挥发分、固定碳、水分以及灰 分差异较大，固定碳含量己 庚 丁 戊，挥发分含量、 灰分含量戊 丁 庚 己，结合接触角数据发现，煤润 湿性能与挥发分含量、灰分含量呈正相关，与固定碳 含量呈负相关。究其原因，煤在煤化作用过程中，煤 万方数据 第3 期张建国等煤尘微细观润湿特性及抑尘剂研发初探以平顶山矿区为例8 1 5 分子中具有稳定性能的缩合芳香环数增大、活动性较 强的侧链和桥链减少，使得煤中游离纤维素消失，煤 中挥发分产率降低，固定碳含量增大，从而导致煤的 润湿性变差。24 I 。煤尘的润湿性与灰分中的矿物质含 量呈正相关，矿物质的润湿性大于煤分子‘2 5o ，矿物质 含量越高，煤润湿性越好。煤尘润湿性与水分含量也 有一定的正相关，但与其固定碳、灰分等相比，相关性 较弱。 1 ．3 煤尘无机矿物分析及对润湿性的影响 煤尘中无机矿物质种类与含量也影响煤的润湿 性能，无机矿物质的含量在一定程度上可以定量评价 预测煤的润湿性能【2 6J 。采用四川大学分测中心E M ． P Y R E A N 型号的x 射线衍射仪 X R D ，C u 靶辐射， 最大管压为6 0k V ，最大管流为6 0m A ，扫描范围 5 。～7 0 0 。 图1 为4 组煤样的X R D 对比图谱，根据X R D 试 验得到的各组煤样衍射图谱，对煤样的无机矿物进行 物相分析，并利用谢乐公式心7 1 式 1 计算样品的 晶粒尺寸 表3 。 ￡』Lf 1 1 3 c o s0 式中，￡为晶粒直径；K 为谢乐常数；A 为x 射线波 长；口为实测样品衍射峰半高宽度；0 为衍射角。 图1X R D 对比图谱 F i g ．1X r a yd i f f r a c t i o nc o m p a r i s o np a t t e r n 表3各组煤样主要无机矿物种类的相对含量及晶粒直径 T a b l e3R e l a t i v ec o n t e n to ft h em a i ni n o r g a n i cm i n e r a l sa n dg r a i nd i a m e t e ro fe a c hc o a ls a m p l e 分析图1 可知，丁、戊2 组煤样中含有大量石英 石 S i O ，己、庚2 组煤样中石英石含量几乎为0 ，4 组煤样均含有较高比例的高岭石 A 1 ， S i ，O ， O H 。 。此外，己组煤样中还有大量白云石 C a C O ， ，占比5 1 ％，庚组煤样含有铵云母 N H 。A I S i 、A 1 O ，。 O H ， ，占比2 7 ％。 煤样中无机矿物石英石和铵云母具有较好的亲 水性，但是高岭石和碳酸钙的亲水性均较弱。26 I 。结 合无机矿物质含量和接触角数据发现，S i O ，含量越 多，接触角越小，润湿性能越好。丁、戊2 组煤样 中S i O ，含量较多，接触角较小，润湿性能好，且戊组 煤样中S i O 含量最大，接触角最小。己、庚2 组煤样 中S i O ，含量几乎为0 ，润湿性能较差。但庚组煤样中 含有铵云母，比己组煤样中的碳酸钙亲水性能强，因 此庚组煤样的润湿性能略优于己组。此结论与接触 角试验所得的润湿性规律高度吻合。 表3 为各组煤样主要无机矿物种类的相对含量 及晶粒尺寸。从表3 还可以看出，润湿性能较好的 丁、戊2 组煤样中，石英石晶粒直径较大，分别为 6 7 ．71 3 I n 和6 2 ．5r i m 。庚组煤样中高岭石含量远远大 于戊组，但润湿性能较差，说明晶粒度较小的高岭石 对煤尘润湿性能的影响很弱。己组煤样中的白云石 和庚组煤样中的铵云母晶粒度也都较小，晶粒度的 大小是否也是影响润湿性的因素之一还有待深入研 究。 1 ．4煤尘表面特征分析及对润湿性的影响 天然孔隙率是煤尘主要物性特征之一，直接决定 了煤尘的吸附容积、储存性能、自身渗透性的强弱，与 其润湿特性密切相关。 将原煤破碎经过2 0 0 目的标准筛，再放人干燥箱 里真空干燥2h ，冷却至室温，称量1g 样品。采用低 温氮吸附实验 B E T 对丁、戊、己、庚4 组煤样进行测 定。所用测试仪器为A S A P2 4 6 0 全自动比表面积与 孔隙度分析仪 美国麦克公司 ，3 7 3K 下加热6h ，在 液氮条件，高纯氮气 N 为吸附气体，7 7K 饱和温度 下，相对压力在0 ．0 0 8 ～0 ．9 5 2 ，对样品进行吸附一脱 附等温线测试。丁、戊、己、庚组煤尘比表面积分别为 3 ．5 ，6 ．3 ，0 ．2 。0 ．2H 1 2 ／g 。其中，戊组比表面积最 万方数据 8 1 6 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 大 6 ．3m 2 ／g ，丁组次之 3 ．5n 1 2 ／g ，己、庚组的比 表面积极小，4 组煤样的比表面积大小顺序为戊 丁 庚 己。结合X R D 测试发现，煤样中石英石 S i O ， 含量越多，比表面积越大，说明晶粒度较大的无机矿 物质S i O ，晶体可能是煤质孔隙增多的主要原因。 己、庚2 组煤样中几乎没有S i O ，比表面积仅为 0 ．2m 2 ／g ，表明大量的碳酸钙、铵云母、高岭石矿物质 在己、庚2 组煤的形成过程中几乎没有造孔作用。 结合接触角数据发现，比表面积越大，接触角越 小，润湿性越好，比表面积与润湿性能呈正相关。因 为比表面积越大，水在煤体孔隙、裂隙内的毛细运动 和分子扩散越快，润湿性能越好。 扫描电镜测试采用平煤国家重点实验室的飞纳 台式扫描电镜P h e n o mP u r e 测试表面形貌，选 取1 00 0 0 倍扫描观察记录。分辨率优于2 5r i m ， C e B 。灯丝，抽真空时问小于1 5S ，背散射电子探测 器。取丁、戊、己、庚4 组煤样用导电胶固定于样品 台，利用S B C - 1 2 型离子溅射仪溅射喷金处理，放人 样品杯后进行测试。4 组煤层煤样放大1 00 0 0 倍的 表面形貌如图2 所示。 a 丁组 b 戊组 C 已组 d 庚组 图2 1 00 0 0 倍F 各组煤样表面形貌 F i g ．2S u r f a c e , n o r p h o l o g yo fe a c he o a ] s a m p l ei n1 00 0 0t i m e s 由图2 可知，煤基质存在很多微裂隙结构，且煤 基质表面有典型的贝壳状断口，在灰黑色的煤基质上 分布着呈现亮色的无机矿物颗粒。丁、戊2 组煤样的 煤基质较为粗糙疏松，表面孔隙发育，己、庚2 组煤样 的煤基质较为平滑致密，孔隙发育程度远远低于丁、 戊2 组煤样，说明比表面积越小，煤基质越平滑致密， 这与文献[ 2 8 ] 报道相一致。 综上分析，无机矿物质S i O ，对煤孑L 隙结构、表面 形貌起关键作用，晶粒度较大的S i O 含量越多，比表 面积越大，煤表面越粗糙疏松，润湿性能越好。晶粒 度较小的碳酸钙、铵云母、高岭石矿物质，对煤尘表面 特征未发现有明显影响。 1 ．5 煤尘主要官能团分析及对润湿性的影响 煤具有非常复杂的分子结构，煤分子以芳香聚合 结构为主体，含氧官能团、脂肪烃、芳香烃、含氮官能 团、含硫官能团等构成其侧支链，煤体表面官能团种 类和数量对煤体物理化学性质影响显著。’卜3 1l ，从而 也会间接影响煤尘的润湿特性。通过F T - I R 表征实 验可以测定煤尘表面官能团种类及含量，采用四川I 大 学分测中心N i c o l e t6 7 0 0 傅里叶红外光谱仪进行测试 分析。将4 种煤尘和K B r 分别在1 0 0 ℃的真空干燥 1 0h ，煤尘与K B r 以1 2 0 0 的比例混合，在玛瑙研钵 中均匀研磨，烘干2h 后制成薄片。扫描范围 为40 0 0 ～4 0 0c m ～，分辨率为0 ．0 9c m ～。 因煤中多种官能团吸收峰会出现多峰叠合的情 况，需要对红外光谱进行分峰解叠拟合。对红外光谱 进行基线修正后，选用G a u s s i a n 峰形函数进行分峰拟 合，得到各官能团吸收峰的峰位、峰高及峰面积。本 文仅考虑煤分子表面的羟基、醚键及芳香烃3 种典型 官能团，选取红外光谱中的37 0 0 ～31 0 0c m 一波段 和l8 0 0 ～l0 0 0C 1 1 ] “波段进行定量分析，37 0 0 ～ 31 0 0c m 。1 波段的官能团主要为羟基，18 0 0 ～ 10 0 0c m 。1 波段则为煤中芳香烃及大部分主要含氧 官能团的伸缩振动区。丁、戊、己、庚4 组煤样的分峰 拟合结果如图3 所示。 图3 中各组煤样特征峰位置基本一致，表明平顶 山矿区4 组煤样所含官能团种类相似度高。4 组煤 在波段大于36 0 0a m ‘1 时，均出现了3 个较为明显的 吸收峰，属于煤结构中游离羟基的伸缩振 动。34 0 0c m ‘1 附近出现的吸收峰属于煤中缔合型 羟基的伸缩振动，包括酚、醇、羧酸、过氧化物、水中羟 基的伸缩振动。16 0 0C l l l ’1 附近的显著吸收峰为芳 香烃中一c c 一的伸缩振动，该峰的峰面积反映了 煤中芳香环的含量，16 0 0 ～17 0 0c m 。1 波段也是烯烃 中一c c 一的振动区，但含量相对较低。 在l4 0 0 ～10 0 0C I l l 。波段，由于C 一0 醚键的类似 性，出现了较宽的叠合峰，在11 5 0 ～l0 6 0c n l ’1 波数 内的吸收峰属于脂肪醚键，12 7 0 ～12 3 0a m 一波数内 的吸收峰属于芳香醚键。 表4 为4 组煤尘中羟基、芳香烃C C 键、烯烃 C C 键、醚键对应吸收峰的峰面积计算结果。戊组 的羟基波峰峰面积最大，较其他3 组，戊组煤分子结 万方数据 第3 期 张建国等煤尘微细观润湿特性及抑尘剂研发初探以平顶山矿区为例 8 1 7 O ．0 1 2 0 ．0 0 9 型 s j 善0 ．0 0 6 0 ．0 0 3 0 0 ．0 l2 划 _ ’、 擎 型 芸 擎 0 37 0 0 35 0 033 0 03l O O 波数／c m I 37 0 0 型 安 督 0 ．0 0 5 00 0 4 拙N 0 ．0 0 3 3 j 釜0 ．0 0 2 O ．0 0 波数／c m 35 0 033 0 031 0 0 37 0 0 波数／c m I a 137 0 0 ～31 0 0C l “ n 波数／c m 迂N 芸 擎 划 呆 督 35 0 033 0 03l O O 波数／c m I 8 0 0 l6 0 0l4 0 0 12 0 0 l0 0 0 波数／c m I b I8 0