煤炭作為我國的主要能源，在未來(lái)一段時(shí)間內，仍將處于能源消費的主導地位。煤炭在開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生大量粉塵，對人體產(chǎn)生嚴重的危害。井下工人長(cháng)期處于高濃度粉塵環(huán)境中，會(huì )吸入較多的粉塵，容易患上支氣管炎、塵肺病甚至肺癌等疾病。煤塵不僅會(huì )污染作業(yè)環(huán)境、縮短設備使用壽命，并且當空氣中所含煤塵的濃度達到一定量，滿(mǎn)足相應條件時(shí)，便會(huì )發(fā)生煤塵爆炸，引發(fā)重大傷亡事故。目前，煤礦主要采用濕式抑塵、通風(fēng)排塵、物理化學(xué)抑塵等降塵措施，最常用的為高壓噴霧降塵。其將高壓噴霧與抑塵劑配合使用取得了良好的降塵效果。

在煤塵潤濕性研究方面，國內外學(xué)者開(kāi)展了大量的工作，取得了一定的成果。例如，采用軸對稱(chēng)落體分析技術(shù)，通過(guò)將巖相學(xué)與圖像分析、接觸角測量技術(shù)相結合，綜合分析了煤中各組分的疏水性與煤潤濕性之間的關(guān)系；運用Walker試驗法詳細分析了煤中化學(xué)成分與其潤濕性的關(guān)系，認為煤塵的潤濕時(shí)間與水分含量呈負相關(guān)關(guān)系，同時(shí)，研究發(fā)現煤表面的羥基官能團是決定煤塵潤濕的主要因素；通過(guò)研究煤潤濕性與煤質(zhì)組成、結構參數之間的關(guān)系，得出影響煤塵潤濕的內在因素是煤的化學(xué)組成，并采用多元逐步回歸方法，確定了氧含量與固定碳對煤塵潤濕影響最為顯著(zhù)；通過(guò)對不同變質(zhì)程度的煤樣進(jìn)行XRD測試，并結合接觸角測定結果，對煤塵堆垛結構進(jìn)行分析，得出對煤塵潤濕性較好的XRD的相關(guān)參數；通過(guò)煤質(zhì)分析與接觸角測定，并利用紅外光譜對煤塵表面官能團進(jìn)行分析，得出含氧官能團及芳環(huán)、C—H與接觸角具有很強的線(xiàn)性關(guān)系，對煤塵的潤濕影響較大；通過(guò)模擬軟件，構建了6種不同質(zhì)量分數的十二烷基苯磺酸鈉與水、煤共存的系統，確定十二烷基苯磺酸鈉是影響煤塵潤濕性能的主要因素；通過(guò)對13種煤樣進(jìn)行工業(yè)與元素分析，并通過(guò)毛細管上向滲透法，確立了煤質(zhì)組分與吸水量之間的關(guān)系，確定了對煤潤濕性影響最大的煤質(zhì)因素；以接觸角、表面張力、沉降速度及沉降時(shí)間作為抑塵劑的考察指標，通過(guò)正交試驗篩選出最優(yōu)的抑塵劑配方;通過(guò)測試溶液表面張力、接觸角，分析了復配試劑的潤濕性能。

在礦用降塵劑方面，研究表明，目前應用最多的降塵劑主要為表面活性劑及吸水鹽類(lèi)降塵劑，而表面活性劑依據在水中能否發(fā)生電離可分為陰離子型、陽(yáng)離子型、非離子型及兩性離子型表面活性劑，因表面活性劑可在水面定向排列，使水的表面張力降低，從而提高降塵效率而被廣泛使用。以海藻酸鈉為基體，通過(guò)化學(xué)改性后，制備出流動(dòng)性好、潤濕性強的團聚型抑塵劑；優(yōu)選4種表面活性劑，通過(guò)對單體和復配溶液的表面張力、接觸角的測試及反滲透實(shí)驗，得到煤塵潤濕性較好的復配溶液；通過(guò)正交試驗優(yōu)選出針對煤礦粉塵的3種抑塵劑，通過(guò)試驗驗證了優(yōu)選出的抑塵溶液具有良好的降塵效果，煤塵總降塵率達到93%；通過(guò)對大豆磷脂進(jìn)行研究，發(fā)現其是一種天然的表面活性劑，且具有無(wú)毒可降解的特性。

綜上所述，國內外科研工作者對煤塵潤濕性及降塵劑進(jìn)行了大量研究，但仍存在以下兩方面問(wèn)題：①煤礦現有的清水噴霧降塵難以達到理想的降塵效果，煤塵很難被吸附于水霧上，從而難以沉降；②普通降塵劑在煤體上易出現分散不均勻的現象，而且降塵劑大多是化學(xué)試劑，具有一定的污染性、腐蝕性，容易腐蝕井下設備，影響井下工人的身體健康。

筆者選用的綠色高效生物降塵劑(EMI)，是以蘆薈為原材料，經(jīng)多種微生物發(fā)酵后，物理提取獲得的生物大分子化合物。EMI主要成分為親水基團與疏水基團，其親水部分是由兩分子葡萄糖通過(guò)β-1,2糖苷鍵結合形成，疏水性部分為飽和或不飽和的長(cháng)鏈ω(或ω-1)羥基脂肪酸，這兩部分以β-糖苷鍵相連，分子式為C34H56O14。EMI具有較高的表面活性，其優(yōu)點(diǎn)在于滲透性較強，有良好的擴散性和分散性，且溶液環(huán)保無(wú)毒，對人體皮膚無(wú)刺激，使用后會(huì )發(fā)生生物分解，轉化為有機肥料，對環(huán)境不會(huì )造成二次污染。通過(guò)測試EMI溶液對煤塵潤濕性的影響，以改善噴霧降塵效果，解決普通降塵劑具有污染性及腐蝕性的問(wèn)題，降低工作面的粉塵濃度，優(yōu)化井下工作面的工作環(huán)境，使礦工的人身健康和安全得到充分保障，從而實(shí)現煤礦綠色高效降塵，確保礦井生產(chǎn)工作可以安全順利進(jìn)行，具有重要的現實(shí)意義。

1.實(shí)驗部分

1.1實(shí)驗樣品制備

將EMI原液稀釋至質(zhì)量分數分別為0.1%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、2.0%、4.0%、6.0%、8.0%的混合溶液。實(shí)驗煤樣選取黃陵一號煤礦弱黏煤樣，煤樣工業(yè)分析結果見(jiàn)表1。在制備煤塵樣品時(shí)，根據有關(guān)文獻對黃陵一號煤礦綜采工作面煤塵粒徑分布進(jìn)行檢測，并結合國際標準化組織對粉塵粒徑的定義，以及實(shí)驗室制備條件，去除煤塊外表皮，使用破碎機對煤心破碎60 s，用160、200、300、400目標準工業(yè)篩對煤粉進(jìn)行篩分，共篩分出0.075~0.096、0.048~＜0.075、0.038~＜0.048、＜0.038 mm共4個(gè)粒度范圍的樣品進(jìn)行實(shí)驗，其中煤塵粒徑與煤樣編號見(jiàn)表2。煤樣制備完成后，將其放入80℃的真空干燥箱，真空干燥8 h后密封保存以備實(shí)驗使用。

表1煤樣的工業(yè)分析

1.2實(shí)驗方法及裝置

1.2.1表面張力測試

表面張力測試采用拉脫法原理，將測試用的鉑金板底端浸入不同質(zhì)量分數的EMI溶液中，利用表面張力測試儀測量鉑金板脫離液體表面的拉力，每種質(zhì)量分數的EMI溶液測3次，取平均值作為最終結果。表面張力計算公式如下：

α=F/D(1)

式中：α為溶液表面張力，mN/m；F為拉脫力，mN；D為鉑金板周長(cháng)，m。

1.2.2 EMI溶液與煤塵接觸角測試

通過(guò)壓片機配套的壓片模具將200 mg不同粒徑的測試煤樣在50 MPa的成型壓力下對煤樣施壓2 min，每個(gè)煤樣制作3個(gè)厚為2 mm的測試煤片。利用移液器將不同質(zhì)量分數EMI溶液滴在測試煤片表面，將儀器調焦拍照，對每組煤片進(jìn)行3次重復實(shí)驗，取3次實(shí)驗結果的平均值。

1.2.3煤塵在EMI溶液中的沉降測試

實(shí)驗采用自然沉降法。在燒杯中準備200 mL的不同質(zhì)量分數的EMI溶液，將1 g的測試煤樣均勻平鋪在快速定性濾紙的表面，將攜帶煤塵的快速定性濾紙放入液體表面，并開(kāi)始計時(shí)，分別記錄4種不同粒徑測試煤樣完全穿過(guò)不同質(zhì)量分數的EMI溶液所需的時(shí)間，從開(kāi)始計時(shí)到所有煤塵樣品穿透降塵溶液沉降至杯底的時(shí)間記為煤塵的沉降時(shí)間。

1.2.4 EMI影響煤塵吸濕性測試

毛細管滲透吸濕實(shí)驗主要測量煤塵的吸濕能力。實(shí)驗采用自行設計的小型實(shí)驗裝置，其由直徑為10 mm的玻璃管、樣品支架及儲水盒三部分組成。首先利用定性濾紙包裹密封玻璃管一端，稱(chēng)取5 g待測煤樣裝入玻璃管；將玻璃管固定在實(shí)驗裝置上，在儲水盒中添加不同質(zhì)量分數EMI溶液，當水面剛好淹沒(méi)濾紙表面時(shí)停止注入溶液同時(shí)開(kāi)始計時(shí)；樣品吸濕1 h后，用分析天平稱(chēng)量吸濕前后的樣品與玻璃管質(zhì)量，每個(gè)測試煤樣進(jìn)行3次重復實(shí)驗，取3次實(shí)驗結果的平均值。

1.2.5 EMI保水效果及煤樣板結硬度測試

保水性通常以溶液抗蒸發(fā)率來(lái)進(jìn)行表征。分別加入30 mL不同質(zhì)量分數的EMI溶液后與30 g干燥測試煤樣均勻混合，每隔8 h對測試煤樣的質(zhì)量進(jìn)行稱(chēng)量。煤樣的保水率計算公式如下：

η=(m1-m2)/m1*100%(2)

式中：η為保水率，%；m1為干燥煤樣與測量杯質(zhì)量，g；m2為浸水煤樣與測量杯質(zhì)量，g。

利用邵氏硬度計，對失水后的煤樣進(jìn)行硬度測試。將硬度計垂直壓入試樣表面，當壓足表面與試樣表面完全貼合時(shí)，指針發(fā)生一定偏移，使得儀表盤(pán)中的指針偏離指向某一數值，該數值即為煤樣失水后的板結硬度。

實(shí)驗用到的測試裝置如圖1所示。

圖1實(shí)驗裝置

不同質(zhì)量分數的EMI溶液的表面張力測定【實(shí)驗上】

不同質(zhì)量分數的EMI溶液的表面張力測定【實(shí)驗下】