多組份水炮泥配方優(yōu)選及降塵試驗(yàn)研究

郭敬中 金龍哲 李 剛 王天暘

（1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京100083；2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京 東燕郊101601；3.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽馬鞍山243000；4.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山243000）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，一方面，滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的職業(yè)健康需求已成為社會(huì)共識(shí)；另一方面，金屬礦山大型設(shè)備的大量使用及開(kāi)采強(qiáng)度的持續(xù)增加，使得礦山粉塵量大幅增加，粉塵粒徑越來(lái)越小，嚴(yán)重污染作業(yè)環(huán)境和危害職工身心健康。因而，開(kāi)展金屬礦山粉塵防治顯得尤為重要。金屬礦山開(kāi)采中，鑿巖、爆破、裝卸礦石、破碎等工序均會(huì)產(chǎn)生大量微細(xì)粉塵。在濕式鑿巖作業(yè)時(shí)，各工序粉塵產(chǎn)生的比例約為鑿巖工序41.3%，爆破工序45.6%，裝運(yùn)礦（巖）石13.1%［1］。由此可見(jiàn)，爆破作業(yè)作為金屬礦山開(kāi)采粉塵的主要來(lái)源，應(yīng)當(dāng)采取有效措施進(jìn)行消減。

近年來(lái)，行業(yè)內(nèi)專家學(xué)者采用了各種技術(shù)手段來(lái)降低礦塵產(chǎn)生量、控制與捕集作業(yè)環(huán)境內(nèi)粉塵，從而緩解礦塵對(duì)井下作業(yè)人員、運(yùn)行設(shè)備的危害。通過(guò)改善水質(zhì)可增強(qiáng)溶液與粉塵顆粒之間的接觸與沉降能力，其中降低水溶液的表面張力是目前研究的熱點(diǎn)。金龍哲等［2-4］基于表面活性能理論和界面能理論，通過(guò)比較不同類型表面活性劑溶液的表面張力和潤(rùn)濕能力進(jìn)行配方篩選與復(fù)配，獲得了高效水炮泥、新型水炮泥、潤(rùn)濕型化學(xué)抑塵劑的配方，在降塵消煙方面取得了很好的效果。蔣仲安等［5-6］以潤(rùn)濕高度和表面張力為試驗(yàn)指標(biāo)，運(yùn)用對(duì)比試驗(yàn)方法獲得了降低爆破煙塵的降塵劑，其中氯化鈉為最佳基料、十二烷基苯磺酸鈉為最佳表面活性劑，硫酸銅和氯化銨為添加劑，制成的水炮泥可有效降低爆破時(shí)的煙塵濃度。薛里等［7］在分析爆炸水霧降塵機(jī)理的基礎(chǔ)上，采用高速攝相機(jī)和圖像處理軟件，對(duì)爆炸水霧、粉塵和水霧捕塵的特性進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)裝藥量和水量的比值（相當(dāng)于水炮泥質(zhì)量濃度）為0.24 kg/m3時(shí)，霧化效果最好；當(dāng)爆炸水霧置于塵源正側(cè)方，近距離同時(shí)起爆時(shí)，降塵率可達(dá)80%以上。陳沅江等［8］綜合闡述了表面活性劑用于礦山塵毒治理的主要途徑，如采掘面噴灑表面活性劑溶液、煤層注水預(yù)濕、轉(zhuǎn)載點(diǎn)泡沫除塵、爆破和路面抑塵等。楊海濤等［9］從爆破塵毒機(jī)理分析出發(fā)，利用自制密閉容器對(duì)裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，由試驗(yàn)得出，與孔底布置和徑向布置相比，采用孔口布置水間隔裝藥結(jié)構(gòu)的除塵效果更好，且可行性和可靠性強(qiáng)。鄒常富等［10］在分析水炮泥降塵機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)比分析普通水炮泥（添加純水）和高效水炮泥（添加高效降塵劑）的降塵消煙能力，認(rèn)為高效水炮泥較普通水炮泥的降塵效率提高20%以上，炮煙平均濃度降低50%以上。此外，近年來(lái)，學(xué)術(shù)界在煤塵控制方面也取得了很多研究成果［11-15］，為金屬礦山防塵研究提供了有益參考。

相關(guān)研究表明，向水中添加潤(rùn)濕劑可以有效改善溶液性質(zhì)［16-18］，明顯減小水的表面張力以及潤(rùn)濕邊角，增大顆粒與霧滴碰撞時(shí)融合的概率，尤其對(duì)于呼吸塵為代表的微細(xì)粉塵的控制效果顯著，為金屬礦塵消減提供了方向。本研究通過(guò)設(shè)計(jì)基料與輔料的對(duì)比優(yōu)選試驗(yàn)，以表面張力和接觸角為優(yōu)選指標(biāo)，獲得最佳多組份潤(rùn)濕劑配方，并據(jù)此自制多組份水炮泥應(yīng)用于梅山鐵礦爆破落礦作業(yè)。

1 多組份潤(rùn)濕劑及其作用機(jī)理

1.1 多組份潤(rùn)濕劑

多組份潤(rùn)濕劑是一種由基料和輔料按照一定比例配制而成的混合劑，其中基料為吸濕性無(wú)機(jī)鹽，輔料為一種或幾種表面活性劑。

表面活性劑作為多組份潤(rùn)濕劑的重要組成部分，具有潤(rùn)濕、增溶、保水等作用［19-20］。水中加入表面活性劑，可使溶液的表面張力和濕潤(rùn)邊角減小，從而增大溶液對(duì)礦塵的潤(rùn)濕能力。表面活性劑是親水基和憎水基兩個(gè)不同性質(zhì)的基團(tuán)組成的化合物，通過(guò)改變水的表面張力和粉塵的物理化學(xué)性質(zhì)，來(lái)增強(qiáng)溶液對(duì)固體顆粒（尤其是微細(xì)顆粒）的潤(rùn)濕能力。將其配入水中后，親水基急速插入水中，憎水基受排斥而伸向空氣，從而在氣液表面形成界面吸附層，改變了氣液界面的接觸狀態(tài)，降低了液體表面張力。此外，伸向空氣的憎水基與固體顆粒相互吸引。因而，當(dāng)水分子與固體分子接觸時(shí)，憎水基與固體顆粒、親水基與溶液形成對(duì)粉塵顆粒的包裹，使礦塵顆粒更易潤(rùn)濕。

吸濕性無(wú)機(jī)鹽的加入，使得多組份潤(rùn)濕劑密度較純水大，爆破時(shí)具有更大的迸發(fā)力。爆破時(shí)已氣化的溶液霧滴與礦塵碰撞凝結(jié)，因其密度較大而更易沉降。此外，吸濕性無(wú)機(jī)鹽使得粉塵潤(rùn)濕后能繼續(xù)吸收空氣中的水分，一方面加速其沉降，另一方面保持潤(rùn)濕粉塵顆粒的含水率，從根本上消解二次揚(yáng)塵。

1.2 潤(rùn)濕機(jī)理

采場(chǎng)引爆瞬間，因爆炸力而形成的粉塵與氣化的多組份潤(rùn)濕劑霧滴相互碰撞，經(jīng)過(guò)吸附、潤(rùn)濕、增重、沉降等一系列過(guò)程，使得粉塵顆粒長(zhǎng)期喪失飛揚(yáng)能力［3］，從而起到潤(rùn)濕降塵的效果。

粉塵顆粒的潤(rùn)濕效果受固相—液相—?dú)庀嗳嘟缑媪Φ闹萍s，其中接觸角θ 表示固—液界面張力γSL作用方向經(jīng)液相轉(zhuǎn)至液—?dú)饨缑鎻埩Ζ肔G作用方向所經(jīng)過(guò)的角度，如圖1 所示。當(dāng)接觸角θ ＜90°時(shí)，為可潤(rùn)濕，且接觸角越小，其潤(rùn)濕能力越強(qiáng)；當(dāng)接觸角θ ≥90°時(shí)，粉塵顆粒難以潤(rùn)濕，且隨著接觸角增大，其潤(rùn)濕性能越差。

固相—液相、液相—?dú)庀嗪蜌庀唷滔嘀g作用力的關(guān)系可用潤(rùn)濕方程進(jìn)行表示：

式中，γSG為固—?dú)饨缑鎻埩Γ沪肧L為固—液界面張力；γLG為液—?dú)饨缑鎻埩Α?/p>

由式（1）可知，若要提高溶液的潤(rùn)濕能力，只有兩種途徑，要么增大氣—固界面張力，要么降低液—?dú)饨缑鎻埩Ζ肔G或固—液界面張力γSL。多組份潤(rùn)濕劑具備了降低液—?dú)饨缑鎻埩Ζ肔G和減小固—液界面張力γSL的功能，因而可取得減小接觸角、增強(qiáng)礦塵潤(rùn)濕能力的效果。

2 多組份潤(rùn)濕劑優(yōu)選試驗(yàn)

2.1 礦塵樣本預(yù)處理

礦塵樣品選取梅山鐵礦-318 m 水平的N16 巷道型采場(chǎng)爆破迎頭粉塵。首先對(duì)原始粉塵樣品進(jìn)行水分離試驗(yàn)。粉塵樣品經(jīng)200 目（對(duì)應(yīng)網(wǎng)孔直徑為74μm）標(biāo)準(zhǔn)篩篩分（圖2），并在60℃恒溫箱中烘干8.0 h。在25 ℃室溫下冷卻后，進(jìn)行分離處理，向盛水的燒杯表面緩慢傾倒塵樣，穩(wěn)定2.0 min后，原始粉塵樣品即被分為兩部分（圖3）。浮于水面的粉塵即為原始粉塵樣品中難被潤(rùn)濕的部分，可認(rèn)定為疏水性粉塵（Hydrophobic Dust，HCD），沉聚水底的粉塵即易被潤(rùn)濕的部分，可以認(rèn)定為親水性粉塵（Hydrophilic Dust，HD）。本研究以分離所得的HCD為試驗(yàn)樣品進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)分析。

本研究利用FW-4A 型粉末壓片機(jī)以30 MPa 壓力對(duì)粉塵進(jìn)行壓片處理，用無(wú)水酒精將壓片模具擦洗干凈，向模具孔中加入一定量（約200 mg）的粉塵樣品，利用液壓機(jī)在50.0 MPa 壓力下形成直徑15.0 mm、厚約3.0 mm 具有壓光平面的圓柱體試片，保壓5.0 min，制成粉塵塊狀樣品（圖4）。

2.2 基料優(yōu)選試驗(yàn)

通過(guò)文獻(xiàn)研究［2-4］，初選出吸水性好的吸濕性無(wú)機(jī)鹽材料8種，并配制成一定濃度的溶液。首先稱量等量的HCD 粉塵樣品8 份，分別放置于編號(hào)為1#～8#的容器中；然后將等量等濃度的吸濕性無(wú)機(jī)鹽溶液分別加入容器中，并稱量總重，記錄數(shù)據(jù)。每天上午9點(diǎn)（記作A）、下午5點(diǎn)（記作P）分別稱量一次總重并記錄數(shù)據(jù)。按照含水率計(jì)算公式（式（2））計(jì)算各種吸濕性材料的含水率，

式中，φ 為粉塵含水率，%；wF、wO分別為粉塵樣品的濕重和初始質(zhì)量，g。

根據(jù)式（2）計(jì)算，繪制出的含水率變化曲線如圖5所示。

由圖5可知：相同條件下，氯化鈣、氯化鎂的吸濕性能明顯優(yōu)于其他吸濕性材料，粉塵含水率達(dá)到了6%以上。經(jīng)過(guò)調(diào)查，氯化鈣和氯化鎂不僅都具有良好的吸濕性能，而且能夠滿足化工產(chǎn)品在井下應(yīng)用的條件，即：無(wú)毒無(wú)臭，對(duì)環(huán)境不造成污染；能溶于任何礦井水中，且溶解度較大；無(wú)燃燒、爆炸性；無(wú)明顯的腐蝕性。該類材料來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，是十分理想的吸濕性材料。

2.3 表面張力測(cè)定試驗(yàn)

表面張力是液體表面任意相鄰部分垂直于其單位長(zhǎng)度分界線相互作用的拉力。溶液的表面張力大小直接反映了溶液潤(rùn)濕粉塵顆粒的能力大小。

2.3.1 表面活性劑初選

通過(guò)查詢相關(guān)文獻(xiàn)［2-4，13-16］，篩選出12 種表面活性劑（表1），分別為陰離子表面活性劑、陽(yáng)離子表面活性劑以及非離子表面活性劑。在室溫條件下，采用QBZY 系列全自動(dòng)表面張力儀（圖6）對(duì)12 種表面活性劑溶液的表面張力進(jìn)行測(cè)定，其在濃度為0.005%、0.01%、0.05%、0.1%和0.2%時(shí)的表面張力值見(jiàn)圖7。

?

由圖7可知：不管是陰離子、非離子表面活性劑，還是陽(yáng)離子表面活性劑，其表面張力均隨濃度的增加而降低。但不同類型的表面活性劑的表面張力有較大不同，陽(yáng)離子表面活性劑的表面張力大于其他兩種類型表面活性劑的表面張力。根據(jù)表面張力大小，本研究初選出3 種表面張力較小的表面活性劑SDBS、SDS、PMEE，并復(fù)配出兩種復(fù)合型表面活性劑N1、N2。

2.3.2 多組份潤(rùn)濕劑初配

利用優(yōu)選的無(wú)機(jī)鹽，按照一定的比例分別與5種表面活性劑SDBS、SDS、PMEE、N1、N2配制不同濃度的溶液，分別記作X+（其中X表示表面活性劑類型），測(cè)定了其表面張力，結(jié)果見(jiàn)圖8。

由圖8可知：5種表面活性劑無(wú)論是在純水中，還是在添加無(wú)機(jī)鹽的溶液中，均表現(xiàn)出隨著溶液濃度的增加，其表面張力值呈逐漸降低的趨勢(shì)，說(shuō)明其對(duì)粉塵的潤(rùn)濕能力逐漸增強(qiáng)，且表現(xiàn)出較好的一致性。表面活性劑SDBS、SDS、PMEE、N1在加入無(wú)機(jī)鹽的溶液中其表面應(yīng)力值相對(duì)于在純水中都有一定程度增大，但表面活性劑N2在加入無(wú)機(jī)鹽的溶液中的表面應(yīng)力值相對(duì)于在純水中有所減小。與其他表面活性劑相比，N2在加入無(wú)機(jī)鹽溶液中的表面張力值最小，說(shuō)明由N2和基料配制而成的多組份潤(rùn)濕劑溶液表面張力小，潤(rùn)濕粉塵能力強(qiáng)。在多組份潤(rùn)濕劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.05%之后，隨著濃度繼續(xù)增大，表面張力值變化趨于平緩，并逐步穩(wěn)定在28.0 mN/m 左右，說(shuō)明添加多組份潤(rùn)濕劑只能在一定程度上降低水的表面張力，超過(guò)這一臨界濃度，濃度繼續(xù)變大不會(huì)使水的表面張力發(fā)生明顯變化，即其潤(rùn)濕能力也逐漸靠近最大值。

2.4 接觸角測(cè)定

本研究采用Theta Lite（TL101）接觸角測(cè)定儀（圖9）測(cè)定了10 種溶液對(duì)梅山鐵礦粉塵樣品的接觸角，分析不同溶液在不同濃度下的粉塵潤(rùn)濕效果，為多組份潤(rùn)濕劑優(yōu)選提供參考數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖10。

通過(guò)分析潤(rùn)濕接觸角隨濃度的變化曲線（圖10）可知，優(yōu)選的表面活性劑無(wú)論是在純水中還是在加入基料的溶液中，隨著溶液濃度的增大，其接觸角不斷減小。與其他溶液相比，多組份潤(rùn)濕劑N2+溶液對(duì)粉塵樣品的接觸角較小，其潤(rùn)濕能力隨著濃度的不斷變大而變大，當(dāng)溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.05%之后，接近達(dá)到最佳潤(rùn)濕效果，這與其表面張力呈現(xiàn)出的規(guī)律具有一致性。

2.5 溶液鋪展系數(shù)

溶液的鋪展系數(shù)與其濃度之間的關(guān)系曲線見(jiàn)圖11。

分析圖11 可知：10 種溶液的鋪展系數(shù)隨著溶液濃度的增加而增大，并趨于平緩。多組份潤(rùn)濕劑N2+溶液相較于其他溶液具有較大的鋪展系數(shù)，說(shuō)明多組份潤(rùn)濕劑N2+在粉塵表面更容易鋪展?jié)櫇瘛?/p>

3 多組份潤(rùn)濕劑降塵效果試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)概況

將最佳配比的多組份潤(rùn)濕劑裝入自制的水炮泥袋中，制成多組份水炮泥，用于梅山鐵礦采場(chǎng)爆破工作面，驗(yàn)證多組份水炮泥的減塵效果。試驗(yàn)地點(diǎn)選取梅山鐵礦-318W-N16 巷道型采場(chǎng)，爆破作業(yè)面巷道斷面尺寸為6 m×4 m。針對(duì)采場(chǎng)爆破鉆孔深度達(dá)21 m，直徑為90 mm，鉆孔內(nèi)壁粗糙，且局部區(qū)域出現(xiàn)孔徑變小的現(xiàn)象，自制了直徑75 mm、長(zhǎng)度320 mm、自封口、外包裹尼龍袋的多組份水炮泥成品，有效滿足了注水壓力、孔內(nèi)輸送等要求。

在距爆破迎頭約30.0 m 處，安放了兩臺(tái)CCZ20改進(jìn)型粉塵濃度采樣器，分別進(jìn)行總粉塵和呼吸性粉塵采樣。采樣器取樣高度設(shè)為1.5 m（呼吸帶位置），全塵、呼塵采樣時(shí)間分別為5 min、10 min，采樣流量均為20 L/min。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在炮眼數(shù)量、裝藥量、水炮泥裝入數(shù)量等外界條件等同的情況下，分別對(duì)未裝水炮泥（裸爆）、添加普通水炮泥（清水）、填裝多組份水炮泥時(shí)的全塵和呼塵數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)圖12。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《煤礦防塵措施的分級(jí)除塵效率》（MT/T 712—1997），相對(duì)降塵效率可進(jìn)行如下計(jì)算

式中，D1為采場(chǎng)未裝水炮泥時(shí)的粉塵濃度，mg/m3；D2為工作面裝有普通水炮泥或多組份水炮泥時(shí)的粉塵濃度，mg/m3。

根據(jù)圖12中的粉塵濃度數(shù)據(jù)，利用式（3）計(jì)算相對(duì)降塵效率可知，采用普通水炮泥爆破作業(yè)時(shí)，全塵降塵效率為28.57%，呼塵降塵效率為27.67%，而采用多組份水炮泥爆破作業(yè)時(shí)，全塵降塵效率提高至63.61%，呼塵降塵效率提高至61.63%。與普通水炮泥爆破作業(yè)相比，應(yīng)用多組份水炮泥爆破作業(yè)的降塵效率提高了35%左右，說(shuō)明多組份水炮泥可有效降低水的表面張力與減小礦塵和溶液之間的界面張力，具有較強(qiáng)的潤(rùn)濕礦塵能力，從而降低了爆破作業(yè)時(shí)的粉塵濃度，這與多組份潤(rùn)劑的試驗(yàn)結(jié)果相一致。

為進(jìn)一步探索多組份水炮泥的功效，分別對(duì)未裝水炮泥、添加普通水炮泥、填裝多組份水炮泥時(shí)礦塵的沉降時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖13。

由爆破作業(yè)粉塵沉降時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)（圖13）可知，未采用任何技術(shù)措施時(shí)，距爆破作業(yè)面30 m 處的礦塵約需32 min 以上才能沉降至50 mg/m3以下并趨于穩(wěn)定，采用普通水炮泥進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，時(shí)間降至20 min 左右，但應(yīng)用多組份水炮泥進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，在12 min內(nèi)礦塵質(zhì)量濃度降至50 mg/m3以內(nèi)，沉降時(shí)間大大縮短。說(shuō)明爆破作業(yè)時(shí)添加多組份水炮泥可加速礦塵沉降，從而減少爆破工序耗時(shí)，提高作業(yè)效率。

4 結(jié) 論

（1）多組份潤(rùn)濕劑是一種由基料和輔料按照一定比例配制而成的混合劑，其中基料為吸濕性無(wú)機(jī)鹽，輔料為一種或幾種表面活性劑。多組份潤(rùn)濕劑潤(rùn)濕礦塵機(jī)理可以概括為：通過(guò)改變?nèi)芤旱谋砻鎻埩头蹓m的物理化學(xué)性質(zhì)，增強(qiáng)對(duì)固體顆粒（尤其是微細(xì)顆粒）的潤(rùn)濕能力；溶液密度增大，溶液霧滴與礦塵碰撞凝結(jié)的概率倍增，沉降速度加快；延長(zhǎng)被潤(rùn)濕粉塵顆粒的保濕時(shí)間，從源頭上消減二次揚(yáng)塵。

（2）以表面張力和接觸角為優(yōu)選指標(biāo)，運(yùn)用對(duì)比試驗(yàn)方法確定了最佳基料和輔料，獲得的最佳多組份潤(rùn)濕劑配方具有較強(qiáng)的鋪展能力、潤(rùn)濕及保濕能力。

（3）通過(guò)添加普通水炮泥與多組份水炮泥進(jìn)行爆破作業(yè)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，多組份水炮泥全塵降塵效率為63.61%，呼塵降塵效率達(dá)61.63%，較普通水炮泥降塵效率提高了35%左右，說(shuō)明多組份水炮泥可有效降低溶液的表面張力與減小礦塵和溶液之間的界面張力，具有較強(qiáng)的潤(rùn)濕礦塵能力。

（4）通過(guò)測(cè)試爆破作業(yè)粉塵沉降時(shí)間數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，爆破作業(yè)時(shí)添加多組份水炮泥可加速礦塵沉降，從而減少爆破工序作業(yè)時(shí)間，提高作業(yè)效率。