肖 鹏，程玥颖，赵 波，刘潇潇
(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；
2.西安科技大学 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 710054)
煤炭是中国的主要能源，对中国经济发展具有重要作用[1]。煤炭开采过程中煤尘作为煤矿生产伴生物之一，长时间漂浮在矿井环境中，对矿井安全生产、工人职业健康、矿区环境3个方面产生负面影响[2-4]。因此，为保障矿井工人职业安全健康，实现煤炭高效安全生产，国内外针对矿井煤尘防治开展了大量研究，并取得了丰硕的成果。
由于煤矿井下生产条件的特殊性，目前矿井大多数采用的除尘技术仍为通风除尘及湿式除尘[5-7]。其中湿式除尘技术主要利用水介质捕捉煤尘，实现降尘效果，这种技术凭借系统简单、布置灵活、使用方便、成本低等优点成为矿井最常用的除尘技术。目前对该技术的研究主要集中在2个方面：一是改善雾化效果，提高捕尘效率；
二是通过改变水介质材料，改善水溶液对煤体的作用效果，提高水溶液对煤尘的润湿、粘结或凝并能力[8-10]。
近年来，许多学者对多功能抑尘剂进行了研究，能够有效改善单一性能抑尘剂的不足[11]。目前广泛使用抑尘剂主要为复配抑尘剂，通过将润湿剂、粘结剂及添加剂复配组成。其中表面活性剂作为润湿剂，能有效降低溶液表面张力、接触角、沉降时间等参数，改善煤体的润湿性能[12]。SHI等使用化学抑尘剂与阴离子非离子表面活性剂复合来捕获轴空气中的煤尘[13]；
XI等人混合聚环氧乙烷(g-PEO)和十二烷基硫酸钠(SDS)的混合物抑尘特性[14]；
CHANG等研究了不同初始浓度条件下的不同表面活性剂抑尘效果[15]；
赵璐等研究了8种不同表面活性剂对煤尘的润湿特性[16]；
CHEN等研究了表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)与十二烷基磺酸钠(SDS)对煤润湿作用[17]。高分子类试剂作为团聚剂依靠在水中的构象和本身粘度实现对颗粒的团聚，黄原胶(XTG)作为一种自然多糖生物高聚物，易溶于水，有较高稳定性，同时低浓度条件下具有高粘度，因此作为团聚剂得到了广泛的应用[18]。XTG与SDBS复配，作为固结剂、抑尘剂、流变性能改良剂等在多领域应用，并取得良好效果[19-20]。
在此之前，通过0.05wt%XTG与不同表面活性剂复配，对复合溶液的团聚和润湿性能参数进行了测定分析研究，结果表明0.05wt%XTG+0.05wt%SDBS复配溶液润湿团聚性能参数最好[21]，但未对其实际降尘效果进行研究，降尘效果除抑尘剂性能参数影响外，仍受喷雾介质，喷雾形态以及对煤尘作用状态影响，性能参数不能完全说明其抑尘效果。因此，为进一步研究此复配抑尘剂的抑尘作用效果，更好的体现复配抑尘剂抑尘效果，基于XTG与SDBS复配性能参数实验结果，采用静态降尘实验与动态抑尘实验，对0.05wt%XTG+0.05wt%SDBS复配烟煤抑尘剂降尘效果进行对比分析，研究结果将为烟煤煤矿井下喷雾降尘的应用提供理论参考。
1.1 煤样及试剂
1.1.1 煤样选择及制备
选择山阳煤矿掘进工作面烟煤样品，首先使用标准筛100目(0.15 mm)～200目(0.074 mm)对煤粉样品进行筛选，其次将筛选后煤粉样品放入真空干燥箱，恒温60 ℃干燥8 h，最后将样品收于密封样品袋中保存。采用长沙开元仪器股份有限公司生产的SE-MAG 6700全自动工业分析仪对煤尘样品进行了工业分析，测试结果见表1。
表1 煤样工业分析
煤粉自身润湿性受灰分、水分、固定碳相对含量影响。灰分及水分含量越低，固定碳含量越高，则煤粉润湿性越差。由表1可知，试验所用烟煤样品水分及灰分含量较低，水分为0.34%，灰分为11.71%。同时山阳煤矿烟煤坚固性系数仅为0.52，其性脆、疏松易碎；
粘结指数<20，胶质层厚度Y值多变化在0～14，属于弱粘结、不熔融粘结和不膨胀熔融粘结，即山阳煤矿烟煤样品存在易破碎，难润湿，容易引起二次扬尘等特点。
1.1.2 试剂制备
黄原胶(XTG)为阿拉丁有限公司生产，纯度为USP级；
十二烷基苯磺酸钠(SDBS)为西安博联特化工有限公司生产，纯度90%。根据前期研究成果配制试剂0.05wt%XTG+0.05wt%SDBS，同时配制0.05wt%XTG，0.05wt%SDBS溶液作为对比试剂进行实验。
1.2 静态降尘效果对比
1.2.1 渗透试验
渗透实验能够有效评价抑尘剂对煤粉润湿作用效果，主要以渗透时间表征[22]。称量10 g煤粉，将其装入玻璃试管中，震动夯实样品，利用滴定管吸取10 mL试剂溶液，将其滴入直径18 mm玻璃试管中，滴入后将样品表面溶液完全消失时间记为润湿时间。
1.2.2 喷洒试验
称量2 g煤粉，将其均匀铺开在直径60 mm培养皿中，采用定流量喷头在距样品高度20 cm位置对煤粉喷洒10次，并采用高清相机记录效果。喷洒完成后，将其放至防尘箱进行自然干燥，48 h后再次拍摄。对比分析水、复配试剂、0.05wt%SDBS，0.05wt%XTG 4种溶液之间喷洒效果。
1.2.3 浸泡试验
称量5 g煤粉，将其均匀铺开在直径60 mm培养皿中，随后将水、复配试剂、0.05wt%SDBS，0.05wt%XTG 4种溶液各50 mL倒入培养皿中，放置在防尘箱中浸泡12 h，12 h后放入真空干燥箱，在温度60 ℃条件下干燥12 h，干燥完成后对其表面状态进行拍摄记录。
1.3 物理模拟巷道抑尘试验台动态降尘效果对比
为研究抑尘剂动态抑尘性能，模拟掘进工作面的粉尘，利用物理模拟巷道试验系统装置进行喷雾降尘。根据MT 506—1996《矿用降尘剂性能测定方法》，物理模拟巷道试验系统设计主要由扩散风筒，模拟风巷，集风筒，煤尘产尘装置，喷雾和增压装置，粉尘浓度分布监测系统，风机及尾气处理系统组成，模拟系统如图1所示。
根据现场测定粉尘浓度分布，风巷主要模拟掘进巷道的掘进环境，结合粉尘运动及靠近尘源降尘效果，最终选择模拟真实巷道中部分区域降尘状态。由于试验台设计过程中受试验场地等条件限制，无法实现原型∶模型=1∶1，如果巷道截面面积过小，喷雾降尘过程中喷雾状态无法实现，综上，最终设计模拟巷道箱体主体部分尺寸为(3.5 m×1 m×1 m)，扩散风筒长0.3 m，集风筒长0.5 m，发尘段和集风段横截面积变为0.5 m×0.5 m。在侧方开有4个侧门，能够对试验系统内设备调整。在距进风口1 m处和距进风口3.1 m处各放置一台AKFC-92A矿用粉尘采样器。
1.3.1 风速影响试验
风速是影响粉尘在巷道运动状态的重要因素，根据巷道风速变化规律对试验风速进行测定选取十分必要。因此，试验采用数值模拟与实际风速测定2种方式同时对模拟巷道风流场风速分布规律进行研究，更具科学性。
1)选用FLUENT软件对模拟巷道风场的风速变化规律进行模拟，设定抽风筒进风口部分L进=0.3 m，巷道长度L巷=3.5 m，L出=0.5 m，L总=4.3 m；
进出口边长0.5 m，巷道边长1 m；
入口风速V入=5.8 m/s。
2)利用风速测量仪对巷道实际风速进行测量，根据实测位置，在模拟图中选取直线从而达到模拟计算各点位风速与实际测量结果对比的目的，形成对照验证。风速测定点位分布如图2所示。
3)对风速条件下巷道粉尘浓度分布特性进行测定，开启粉尘发生器一分钟后启动粉尘采样器，并以20 L/min的流量对含尘风流进行采集。
1.3.2 喷雾雾化特性
喷雾形态参数是喷雾动态抑尘效果实验中重要影响因素之一，喷雾形态参数包括喷嘴雾化角，流量，将直接影响雾滴与粉尘颗粒作用发生概率，决定喷雾降尘效果[23]。为实现高效降尘，选择3种不同喷雾形态参数喷嘴进行复合抑尘剂降尘效果对比研究。
实验喷嘴见表2，喷雾喷嘴孔径为 1.5 mm，喷雾压力为1 MPa。在调节支架上安装喷嘴，并调节测试点，以相同的粉尘喷射量和风速营造相同粉尘环境。待粉尘发生器开启1 min后开启降尘喷雾，喷雾开始30 s后，以20 L/min的流量进行全尘粉尘浓度采集，分别对3种喷嘴降尘效果进行实验测定。将粉尘采样器滤膜经过12 h干燥处理后进行称重测量。
表2 喷嘴参数
1.3.3 降尘性能对比
在风速、发尘量、喷嘴、压力及喷洒时间相同的条件下，对复配抑尘剂、0.05wt%SDBS,0.05wt%XTG以及水4种溶液动态降尘效果进行试验对比测试。待粉尘发生器开启1 min后开启降尘喷雾，喷雾开始30 s后，以20 L/min的流量进行粉尘浓度采集。
2.1 渗透结果分析
渗透时间反映了抑尘剂对扬尘颗粒的润湿能力。渗透时间越短，润湿性越好，抑尘剂溶液捕捉煤尘颗粒能力就越强。
实验结果见表3，复配试剂能改善溶液对煤粉的润湿作用，提高溶液渗透性能。水由于表面张力较大，滴入煤粉后，液滴表面形成油膜，无法渗透煤粉；
XTG溶液由于其润湿性能差也无法实现完全渗透，使得大量液体停留在煤粉表面；
SDBS具有高润湿性，能够较快的润湿渗透煤粉。复配溶液中由于XTG与SDBS的增效作用，溶液中羟基吸附比例增加，提高了溶液润湿性，因此复配试剂浸透实验效果明显。
表3 渗透试验结果
2.2 喷洒结果分析
通过喷洒实验对不同试剂静态抑尘效果分析，实验结果如图3所示。煤粉样品经4种不同溶液喷洒后表现出不同分布状态。水溶液喷洒处理的煤尘样品表面有大量细密液滴，煤粉以小颗粒形态存在；
SDBS溶液处理的煤粉样品，能够润湿煤粉，并形成片状浸润，部分溶液留在煤粉表面呈小液珠状；
XTG溶液处理的煤粉样品表面有明显大片网状黏连结构，以大颗粒液滴为主；
复配试剂处理的煤粉样品既有呈区域片状浸润，也有区域粘结团聚，煤粉表面液滴呈大颗粒状，液滴表面有油膜形成，在培养皿壁边表现明显润湿性。
采用Image J图片处理软件对作用面积抓取，根据比例尺及实际尺寸，对4个煤粉表面作用面积计算，进一步对比分析不同试剂抑尘作用效果，不同溶液喷洒面积结果如图4所示。
从图4可知，样品表面覆盖面积从大到小依次为XTG、复合试剂、SDBS、水。水处理的样品表面覆盖面积为11.8 cm2，SDBS样品表面覆盖面积为11.96 cm2，复配试剂样品表面覆盖面积为14.36 cm2，复配试剂与XTG覆盖面积18.35 cm2相比，相差3.99 cm2。XTG溶液、复配抑尘剂相较水处理的煤粉样品表面覆盖面积增加21.73%，55.56%。结果表明，黄原胶的加入，对煤体表面作用效果提高。XTG在煤粉样品表面通过“架桥”连接煤粉颗粒，形成网状黏结，使得煤尘更好地形成大的完整个体[24]。SDBS能够通过高润湿性在煤粉表面铺展开来，渗透润湿煤粉颗粒，复合抑尘剂喷洒在煤粉表面使得固结液渗透煤尘，扩大煤粉与抑尘剂的接触面积，提高抑尘效果。
2.3 浸泡结果分析
不同溶液煤尘浸泡结果如图5所示。SDBS溶液处理的煤粉样品，样品表面平整，无明显大颗粒；
XTG浸泡后，煤粉表面出现大片块状固结层，样品表面粗糙不平，形状多样且分布不均；
复配试剂处理的样品出现固结层样貌，样品表面相对平整，固结状态分布均匀。复配试剂浸泡实验表现出较好的抑尘效果，结合喷淋后烟煤粉尘的团聚结构，所形成的网状衍生物紧密包裹着每一个粉尘颗粒，具有除团聚作用外良好的润湿性，使得煤粉颗粒之间连接更加致密；
经过0.05wt%XTG处理后的煤粉样品，团聚体表现为球状，团聚结构紧密、致密，煤尘附着性强[17]。
黄原胶溶液在氢键作用下，黄原胶液滴对烟煤颗粒形成较大粘结力，由于黄原胶溶液润湿性差，无法渗透煤尘，在煤尘样品表面形成明显固结层。复合试剂中SDBS改变了XTG分子的聚集特性，改善复合溶液的流动性，提高雾滴对烟煤粉尘的铺展润湿能力，通过运动与相邻的液滴聚合，达到对煤粉渗透润湿团聚的效果[25]。
2.4 风速变化结果
Fluent数值模拟结果及Z=0.5 m的XY平面巷道风流场风速变化云图，如图6所示。从图6(b)可知，在水平方向上，风流以5.8 m/s经进风口速度进入，随着水平距离增加，风速逐渐减小。
风流从扩散风筒进入巷道，截面面积变化，在进入巷道内后风速迅速减小，在达到巷道尾部时风速明显下降。经过巷道尾部进入出风口位置时，由于出风口截面面积减小，使得风流聚集，在出风口处风速增大。在垂直方向上，风速由中间向两边变化逐步递减，在整个巷道风速变化规律中，贴壁风速始终无变化。
利用风速仪进行实际测量，模拟各点位风速与实际风速测量结果如图7所示。
从图7可知，实验测量风速变化规律与数值模拟同点位风速变化规律相同，水平位置从进风口至巷道尾部风速逐渐减小。1#点测量风速4 m/s，5#点测量风速2.1 m/s，风速变化52.5%；
模拟风速最大风速值4.13 m/s，最小风速值2.27 m/s，风速变化46.1%。巷道风速变化规律满足粉尘运动需求且与现场风速规律相吻合。
根据巷道风速模拟测量变化规律结果以及现场情况结合，最终选择距巷道尾部0.7 m处即4#点位处作为风速基准点，实验使用风速0.5 m/s。
根据风速0.5 m/s对巷道全尘粉尘浓度分布情况进行测定，前采样器测得浓度为47 mg/m3，后采样器测得浓度为40 mg/m3，巷道平均全尘粉尘浓度43.5 mg/m3。
2.5 喷雾雾化特性影响分析
3种喷嘴在1 MPa压力下雾化状态如图8所示，不同雾化状态对抑尘效果影响如图9所示。
从图9可知，使用复配试剂作为喷雾介质进行降尘对比，3种喷头降尘效率表现不同的效果。A1#喷嘴喷雾降尘前粉尘浓度35 mg/m3，喷雾降尘后粉尘浓度12.5 mg/m3，降尘效率为64.29%；
A2#喷嘴喷雾降尘前粉尘浓度35 mg/m3，喷雾降尘后粉尘浓度5 mg/m3，降尘效率为85.71%；
B1#喷嘴喷雾降尘前粉尘浓度35 mg/m3，喷雾降尘后粉尘浓度11.67 mg/m3，降尘效率为66.67%。结果表明，A2#喷嘴降尘效果表现最佳。
分析雾场影响全尘降尘效果因素，将A1#与 A2#喷嘴对比，A2#较A1#降尘效率高21.42%。2个型号喷嘴喷雾场均为实心圆锥型雾场，其中A1#喷射角度为65°，A2#为120°。降尘实验时在雾场角度影响下，广角喷嘴形成雾场面积更大，与粉尘颗粒碰撞并进行粉尘捕捉范围增加，雾场空白面积较小，因此降尘效率提高。对A2#喷嘴与B1#喷嘴对比，两者喷射角度均为120°，但降尘效率相差19.04%。其主要原因为B1#喷嘴为空心雾场，雾场喷雾颗粒数量较少，与煤尘颗粒碰撞几率下降，有效捕尘面积减少。因此，实心雾场A2#喷嘴全尘粉尘降尘效率更高。
通过对A1#与B1#喷嘴对比，两者降尘效率相差2.4%。由于B1#喷嘴流量为9.5 L/min，A1#喷嘴流量为8.7 L/min，喷雾流量相近，因此两者虽雾场状态相差较多但抑尘效率接近。
综合考虑各雾场参数抑尘实验结果，结合现场情况，选用A2#喷嘴作为实验雾场喷雾载体。
2.6 喷雾溶液降尘性能对比分析
喷雾溶液对降尘效果影响如图10所示，不同溶液作为喷雾介质降尘效果表现不同。水溶液降尘效率为42.86%，0.05wt%SDBS溶液降尘效率为61.54%，0.05wt%XTG溶液降尘效率为45.45%，复合试剂降尘效率为85.71%。
同时对采取降尘措施前后粉尘浓度对比，采取降尘措施前，前粉尘采样器测得全尘浓度为47 mg/m3，后采样器测得全尘浓度为40 mg/m3；
采用复配抑尘剂降尘措施后，前采样器全尘浓度35 mg/m3，后采样器全尘浓度5 mg/m3。通过对比，前采样器全尘粉尘浓度下降25.5%，后采样器全尘粉尘浓度下降81.25%，喷洒复配抑尘剂与未采取措施时相比，降尘效果明显，且对前后粉尘浓度均有改善作用。
从图10可知，在同一抑尘条件下，复配团聚试剂抑尘效率比水、0.05wt%XTG,0.05wt%SDBS分别增加了42.85%，40.26%，24.17%。表面活性剂SDBS溶液能够改变煤体的表面自由能增加对煤尘的润湿作用，提高液滴对煤尘的沉降捕捉效果，实现高效降尘。在复配试剂中，表面活性剂会促进液体桥的形成，使得烟煤粉尘在粘结力的作用下分布在液滴表面，从而促进煤尘的团聚和沉降。因此，复配试剂在改善润湿性的同时，还能有效改善团聚特性，实现烟煤粉尘的聚集沉降，减少二次扬尘的发生，控制工作环境中的烟煤粉尘浓度，有效增加了喷雾的降尘效率。
1)复配团聚抑尘剂静态抑尘效果明显。复配试剂能快速渗透煤尘，通过表面活性剂特性提高对煤粉的润湿作用，在SDBS与XTG的相互作用下，改善对煤粉的团聚作用效果，形成更致密团聚体，实现对煤尘的润湿团聚作用。
2)模拟巷道水平位置风速从进风口至巷道尾部风速逐渐减小，确定模拟工业实验台实验风速为距巷道尾部0.7 m处0.5 m/s。复配抑尘剂降尘效率受喷嘴雾化角度影响，广角实心喷嘴在流量相同的条件下降尘效率更高。
3)复配抑尘剂在动态降尘过程中，能够有效提高全尘粉尘降尘效率，复配试剂降尘效率相较水及SDBS，XTG单体分别增加了42.85%，40.26%，24.17%，复配抑尘剂全尘降尘效率可达85.71%，与未采取措施时巷道全尘粉尘浓度对比，前采样器全尘粉尘浓度下降25.5%，后采样器全尘粉尘浓度下降81.25%。根据结果可知，复配溶液间的增效作用会进一步促进煤尘颗粒间固体桥的形成，通过氢键作用提高捕尘效率，实现对煤尘的润湿团聚作用，改善对煤粉的团聚作用效果。因此，复配试剂能有效抑制煤尘的产生和扩散。
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