高效水炮泥的降尘机理及应用研究

D0I:10.13374/i.issnl00113.2007.11.006 第29卷第11期 北京科技大学学报 Vol.29 No.11 2007年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2007 高效水炮泥的降尘机理及应用研究 金龙哲刘结友于猛 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要针对普通水炮泥在井下爆破降尘和减少炮烟效果不理想的问题，从水炮泥降尘机理的分析出发，在实验室进行了不 同浓度溶液的表面张力和润湿能力的测定，研制出高效水炮泥，并在井下进行多次对比爆破实验·结果表明，使用高效水炮泥 能有效降低炮采过程中粉尘的浓度，改善井下工作环境 关键词水炮泥：降尘机理：表面张力：润湿能力：降尘效率 分类号TD714.42;X936 煤尘是煤矿生产的六大自然灾害之一「山，它不 了改进这种情况，实质上是针对普通水炮泥的表面 仅具有爆炸危险性，严重威胁着煤矿的安全生产，而 张力大和润湿能力小的缺点，添加一定量的粘尘剂 且还严重影响着矿工的身体健康，因此有效地控制 (名称暂定为NCZ-2粉，由吸水性很强的无机盐类 粉尘浓度[)，对改善劳动条件，确保安全生产和矿 以及表面活性剂配制而成)，以降低溶液的表面张 工的身体健康具有重大意义，我国现有的煤矿中， 力，增大润湿能力，从而提高水炮泥爆破后的雾化程 由于煤层的结构复杂，还不可能全部实现机械综合 度和捕捉粉尘的能力，其作用机理如下， 采掘，人工炮采作业仍然占了很大的部分，而粉尘在 (1)在爆破瞬间，空气中的粉尘与高效水炮泥 炮采面产生量是最大的，因此如何降低炮采过程中 溶液颗粒相撞，经过吸附、增重、沉降等过程之后，使 产生的粉尘就显得尤为重要，研制高效水炮泥正是 粉尘长期失去飞扬能力，从而起到迅速降低粉尘量 为了减少井下炮采过程中产生的粉尘，净化作业环 的作用 境，保障矿工的健康和生命安全 (2)由于加入了无机盐类，高效水炮泥水溶液 1高效水炮泥降尘机理分析 的密度较纯水大，爆炸时也更加具有进发力，已汽化 的溶液重新凝结成极细的雾滴与矿尘相撞时，其所 普通水炮泥降尘是目前煤矿炮采作业中应用较 形成的凝结核或被雾滴所润湿的矿尘密度均较大， 为广泛的一种降尘技术.其实质是用盛水的塑料袋 碰撞时相对速度更大，因此其降尘效果比纯水好 代替或部分代替炮泥充填于炮眼内，爆破时水袋破 得多 裂，在高温高压爆炸波的作用下，大部分水被汽化， (③)由于加入了阴离子表面活性剂溶液和 然后重新凝结成极细的雾滴并和同时产生的矿尘相 CaCl2、MgCl2等电解质，能改善煤尘的润湿能力· 接触，形成雾滴的凝结核或被雾滴所润湿从而起到 其主要原因有：表面活性剂与添加剂结合，使煤 降尘作用23]. 尘表面的疏水晶格吸附表面活性剂产生亲水作用； 普通水炮泥降尘方法虽然能够降低爆破后产生 高价负离子吸附在煤尘表面的亲水晶格上，使其保 的大量粉尘，也能降低炮烟中一些有毒有害气体的 持亲水性；在煤尘表面疏水晶格的表面活性剂的密 浓度.但是，由于煤、岩粉都有一定程度的疏水性， 实填充作用和半胶束形成，改善其亲水性可.阴离 而纯水的表面张力又较大，它阻止了水对粉尘微粒 子表面活性剂溶液添加CaCl2、MgCl2后能改善润湿 的润湿.另外，细小的粉尘微粒所带的静电荷与 作用，对难于润湿的煤尘更有效， 水雾颗粒所带的电荷性质相同，它们之间相互排斥， (4)高效水炮泥溶液在被粉碎成微粒时，能析 因此粉尘一般不易被水迅速、完全地润湿，也就不能 出大量的游离水，在高温高压下水呈蒸汽状态，遇到 达到允许的粉尘浓度]，高效水炮泥的研制就是为 空气中粉尘可使粉尘润湿、增重、沉降.水蒸气与炮 收稿日期：2006-07-14修回日期：2006-09-25 烟中有毒有害气体发生反应，特别是矿岩中含有 基金项目：北京市教有委员会共建项目(NaXK100080432) Fe203、Al203,SiO2、Mg0等催化剂的情况下反应加 作者简介：金龙哲(1963一)，男，教授，博士生导师 快，起到降毒作用

高效水炮泥的降尘机理及应用研究 金龙哲 刘结友 于 猛 北京科技大学土木与环境工程学院‚北京100083 摘 要 针对普通水炮泥在井下爆破降尘和减少炮烟效果不理想的问题‚从水炮泥降尘机理的分析出发‚在实验室进行了不 同浓度溶液的表面张力和润湿能力的测定‚研制出高效水炮泥‚并在井下进行多次对比爆破实验．结果表明‚使用高效水炮泥 能有效降低炮采过程中粉尘的浓度‚改善井下工作环境． 关键词 水炮泥；降尘机理；表面张力；润湿能力；降尘效率 分类号 TD714∙42；X936 收稿日期：2006-07-14 修回日期：2006-09-25 基金项目：北京市教育委员会共建项目（No．XK100080432） 作者简介：金龙哲（1963—）‚男‚教授‚博士生导师 煤尘是煤矿生产的六大自然灾害之一［1］‚它不 仅具有爆炸危险性‚严重威胁着煤矿的安全生产‚而 且还严重影响着矿工的身体健康．因此有效地控制 粉尘浓度［2］‚对改善劳动条件‚确保安全生产和矿 工的身体健康具有重大意义．我国现有的煤矿中‚ 由于煤层的结构复杂‚还不可能全部实现机械综合 采掘‚人工炮采作业仍然占了很大的部分‚而粉尘在 炮采面产生量是最大的‚因此如何降低炮采过程中 产生的粉尘就显得尤为重要．研制高效水炮泥正是 为了减少井下炮采过程中产生的粉尘‚净化作业环 境‚保障矿工的健康和生命安全． 1 高效水炮泥降尘机理分析 普通水炮泥降尘是目前煤矿炮采作业中应用较 为广泛的一种降尘技术．其实质是用盛水的塑料袋 代替或部分代替炮泥充填于炮眼内‚爆破时水袋破 裂‚在高温高压爆炸波的作用下‚大部分水被汽化‚ 然后重新凝结成极细的雾滴并和同时产生的矿尘相 接触‚形成雾滴的凝结核或被雾滴所润湿从而起到 降尘作用［2—3］． 普通水炮泥降尘方法虽然能够降低爆破后产生 的大量粉尘‚也能降低炮烟中一些有毒有害气体的 浓度．但是‚由于煤、岩粉都有一定程度的疏水性‚ 而纯水的表面张力又较大‚它阻止了水对粉尘微粒 的润湿［4］．另外‚细小的粉尘微粒所带的静电荷与 水雾颗粒所带的电荷性质相同‚它们之间相互排斥． 因此粉尘一般不易被水迅速、完全地润湿‚也就不能 达到允许的粉尘浓度［2］．高效水炮泥的研制就是为 了改进这种情况‚实质上是针对普通水炮泥的表面 张力大和润湿能力小的缺点‚添加一定量的粘尘剂 （名称暂定为 NCZ—2粉‚由吸水性很强的无机盐类 以及表面活性剂配制而成）‚以降低溶液的表面张 力‚增大润湿能力‚从而提高水炮泥爆破后的雾化程 度和捕捉粉尘的能力‚其作用机理如下． （1） 在爆破瞬间‚空气中的粉尘与高效水炮泥 溶液颗粒相撞‚经过吸附、增重、沉降等过程之后‚使 粉尘长期失去飞扬能力‚从而起到迅速降低粉尘量 的作用． （2） 由于加入了无机盐类‚高效水炮泥水溶液 的密度较纯水大‚爆炸时也更加具有迸发力‚已汽化 的溶液重新凝结成极细的雾滴与矿尘相撞时‚其所 形成的凝结核或被雾滴所润湿的矿尘密度均较大‚ 碰撞时相对速度更大‚因此其降尘效果比纯水好 得多． （3） 由于加入了阴离子表面活性剂溶液和 CaCl2、MgCl2 等电解质‚能改善煤尘的润湿能力． 其主要原因有：表面活性剂与添加剂结合‚使煤 尘表面的疏水晶格吸附表面活性剂产生亲水作用； 高价负离子吸附在煤尘表面的亲水晶格上‚使其保 持亲水性；在煤尘表面疏水晶格的表面活性剂的密 实填充作用和半胶束形成‚改善其亲水性［5］．阴离 子表面活性剂溶液添加 CaCl2、MgCl2 后能改善润湿 作用‚对难于润湿的煤尘更有效． （4） 高效水炮泥溶液在被粉碎成微粒时‚能析 出大量的游离水‚在高温高压下水呈蒸汽状态‚遇到 空气中粉尘可使粉尘润湿、增重、沉降．水蒸气与炮 烟中有毒有害气体发生反应‚特别是矿岩中含有 Fe2O3、Al2O3、SiO2、MgO 等催化剂的情况下反应加 快‚起到降毒作用． 第29卷 第11期 2007年 11月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．11 Nov．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．11．006

,1080 北京科技大学学报 第29卷 2 高效水炮泥溶液的表面张力及润湿 考虑到以上两种影响，实际的液体表面张力应 能力的测定 为测得的表面张力值P乘以一个校正因子)F, 即： 2.1表面张力的测定 G-PF (1) 高效水炮泥溶液的表面张力大小是改变煤尘润 该仪器中，计算校正因子的公式如下： 湿性的关键因素.选用精度较高的YW一200B型微 0:01452P+0.04534-1.679 控自动界面张力仪，采用DuNouy脱环法[6]测定张 F=0.7250+ Nc2(D-d) 力，在测定时要考虑以下情况： (2) (1)在测量过程中，圆环被向上拉起，使液体表 式中，P为刻度盘的读数，mNm-1;C为铂金环的 面变形，随着环向上移动的距离增加，液体的变形 周长，6cm;D为下相密度；d为上相密度，本实验中 量亦增加，所以由中心到破裂点的半径小于环的平 为空气密度，取d=1.2×10-3gcm3;r为铂金丝 衡半径，这种影响由环的半径和铂金丝的半径比 的半径，0.03cm;R为铂金环的半径，0.955cm 给出； 实验按照添加剂与水质量比不同而配制出不同 (2)少量的液体粘附在环的下部，这种影响可 浓度的水炮泥溶液，用JYW一200B型微控自动界面 以用一种函数形式表示 张力仪测定其不同浓度下的表面张力，见表1. 表1不同浓度水炮泥溶液的表面张力 Table 1 Surface tension of different concentrations of water-stemming 添加剂与 表面张力/(mNm-) 平均值/ 添加剂与 表面张力/(mNm一) 平均值/ 水质量比 1 2 3 (mN m-1 水质量比 2 3 (mN'm1) 0(纯水) 72.5 72.4 72.6 72.5 0.20 31.8 31.7 31.9 31.8 0.005 52.4 52.0 52.2 52.2 0.40 30.0 30.2 30.1 30.1 0.01 34.1 34.2 34.3 34.2 0.60 28.7 28.9 28.8 28.8 0.02 39.5 39.6 39.5 39.5 0.80 29.5 29.6 29.7 29.6 0.04 30.5 30.8 30.8 30.7 1.00 32.5 32.7 32.9 32.7 0.06 36.8 36.7 37.2 36.9 1.20 31.3 31.1 31.5 31.3 0.08 36.3 36.3 36.2 36.3 1.40 31.3 31.4 31.5 31.4 0.10 32.1 31.9 32.0 32.0 1.60 32.6 32.4 32.5 32.5 由表1中数据可知，加有添加剂的水炮泥溶液 表2不同浓度的水炮泥溶液润湿能力 的表面张力比纯水要低，即在水溶液加入添加剂能 Table 2 Humid capacity of different concentrations of water-stem 降低表面张力·另外，当浓度达到一定的值（添加剂 ming 与水的质量比为0.1)时，溶液表面张力不再会有明 编 添加剂与 润湿能力/ 编 添加剂与润湿能力/ 显的下降，处于较稳定的时期；并且，在浓度不断增 号 水质量比 (mg's-1) 号 水质量比 (mg's-1) 加时，表面张力还会有一定的增加，这符合表面活性 1 0.1 1.64 7 1.2 0.21 剂溶液的一个重要特点，即表面特性 2 0.2 1.01 8 1.4 0.14 2.2润湿能力的测定 3 0.4 1.16 9 16 0.11 Walker于1952年提出了目前世界上广泛用于 4 0.6 0.67 10 1.8 0.09 评价溶液对粉尘的润湿能力的实验方法，实验选用 5 0.8 0.64 11 2.0 0.07 Walker测定法来测定溶液的润湿能力， 1.0 0.28 12 0(纯水) 0 将一定量的粉尘轻轻地堆放于溶液表面，使其 自然沉入液体中，记录粉尘完全没入液面所需时间， 般情况下，各种粉尘的润湿性可以用它的润 以此时间长短或以单位时间沉入的粉尘量来评价溶 湿接触角0表示]，润湿接触角是反映液体与固体 液对粉尘的润湿能力].不同浓度高效水炮泥溶液 润湿关系的重要参数，=90°可以作为润湿与否的 的润湿能力见表2. 界限.<90°可以润湿，且0越小润湿能力越好，0 越大润湿能力越差，>90°时不能润湿

2 高效水炮泥溶液的表面张力及润湿 能力的测定 2∙1 表面张力的测定 高效水炮泥溶液的表面张力大小是改变煤尘润 湿性的关键因素．选用精度较高的 JYW—200B 型微 控自动界面张力仪‚采用 DuNouy 脱环法［6］测定张 力‚在测定时要考虑以下情况： （1） 在测量过程中‚圆环被向上拉起‚使液体表 面变形．随着环向上移动的距离增加‚液体的变形 量亦增加‚所以由中心到破裂点的半径小于环的平 衡半径‚这种影响由环的半径和铂金丝的半径比 给出； （2） 少量的液体粘附在环的下部‚这种影响可 以用一种函数形式表示． 考虑到以上两种影响‚实际的液体表面张力应 为测得的表面张力值 P 乘以一个校正因子［7］ F‚ 即： σ＝PF （1） 该仪器中‚计算校正因子的公式如下： F＝0∙7250＋ 0∙01452P C 2（ D— d） ＋0∙04534— 1∙679r R （2） 式中‚P 为刻度盘的读数‚mN·m —1 ；C 为铂金环的 周长‚6cm；D 为下相密度；d 为上相密度‚本实验中 为空气密度‚取 d＝1∙2×10—3 g·cm —3 ；r 为铂金丝 的半径‚0∙03cm；R 为铂金环的半径‚0∙955cm． 实验按照添加剂与水质量比不同而配制出不同 浓度的水炮泥溶液‚用 JYW—200B 型微控自动界面 张力仪测定其不同浓度下的表面张力‚见表1． 表1 不同浓度水炮泥溶液的表面张力 Table1 Surface tension of different concentrations of water-stemming 添加剂与 水质量比 表面张力／（mN·m —1） 1 2 3 平均值／ （mN·m —1） 0（纯水） 72∙5 72∙4 72∙6 72∙5 0∙005 52∙4 52∙0 52∙2 52∙2 0∙01 34∙1 34∙2 34∙3 34∙2 0∙02 39∙5 39∙6 39∙5 39∙5 0∙04 30∙5 30∙8 30∙8 30∙7 0∙06 36∙8 36∙7 37∙2 36∙9 0∙08 36∙3 36∙3 36∙2 36∙3 0∙10 32∙1 31∙9 32∙0 32∙0 添加剂与 水质量比 表面张力／（mN·m —1） 1 2 3 平均值／ （mN·m —1） 0∙20 31∙8 31∙7 31∙9 31∙8 0∙40 30∙0 30∙2 30∙1 30∙1 0∙60 28∙7 28∙9 28∙8 28∙8 0∙80 29∙5 29∙6 29∙7 29∙6 1∙00 32∙5 32∙7 32∙9 32∙7 1∙20 31∙3 31∙1 31∙5 31∙3 1∙40 31∙3 31∙4 31∙5 31∙4 1∙60 32∙6 32∙4 32∙5 32∙5 由表1中数据可知‚加有添加剂的水炮泥溶液 的表面张力比纯水要低‚即在水溶液加入添加剂能 降低表面张力．另外‚当浓度达到一定的值（添加剂 与水的质量比为0∙1）时‚溶液表面张力不再会有明 显的下降‚处于较稳定的时期；并且‚在浓度不断增 加时‚表面张力还会有一定的增加‚这符合表面活性 剂溶液的一个重要特点‚即表面特性． 2∙2 润湿能力的测定 Walker 于1952年提出了目前世界上广泛用于 评价溶液对粉尘的润湿能力的实验方法．实验选用 Walker 测定法来测定溶液的润湿能力． 将一定量的粉尘轻轻地堆放于溶液表面‚使其 自然沉入液体中‚记录粉尘完全没入液面所需时间‚ 以此时间长短或以单位时间沉入的粉尘量来评价溶 液对粉尘的润湿能力［8］．不同浓度高效水炮泥溶液 的润湿能力见表2． 表2 不同浓度的水炮泥溶液润湿能力 Table2 Humid capacity of different concentrations of water-stem￾ming 编 号 添加剂与 水质量比 润湿能力／ （mg·s —1） 1 0∙1 1∙64 2 0∙2 1∙01 3 0∙4 1∙16 4 0∙6 0∙67 5 0∙8 0∙64 6 1∙0 0∙28 编 号 添加剂与 水质量比 润湿能力／ （mg·s —1） 7 1∙2 0∙21 8 1∙4 0∙14 9 1∙6 0∙11 10 1∙8 0∙09 11 2∙0 0∙07 12 0（纯水） 0 一般情况下‚各种粉尘的润湿性可以用它的润 湿接触角θ表示［9］‚润湿接触角是反映液体与固体 润湿关系的重要参数‚θ＝90°可以作为润湿与否的 界限．θ＜90°可以润湿‚且 θ越小润湿能力越好‚θ 越大润湿能力越差‚θ＞90°时不能润湿． ·1080· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷

第11期 金龙哲等：高效水炮泥的降尘机理及应用研究 ,1081 实验中，润湿能力大，说明煤（岩）与溶液的接触 Ⅳ2胶带斜井轨道下山掘进头进行，环境风量 角小，反之则接触角大，分析表2数据可以看出，高 80m3mim-1,采样时间3min,流量20Lmin-1,炮 效水炮泥溶液的润湿能力比纯水的要大，即在普通 眼数43个，使用的是水胶炸药，炸药量32.5kg 水炮泥中添加粘尘剂能提高溶液的润湿能力，但是 表3下，胶带斜井轨道下山掘进头实验数据 当粘尘剂的浓度大到一定值时溶液的润湿能力开始 Table 3 Experimental data of N:belt inclined shaft track down exca- 降低，说明粘尘剂的添加量不是越多越好的，而是有 vate rock 一个最佳的浓度，因此，在确定添加浓度时，要综合 添加剂 粉尘体积质量/ 呼尘相对全尘相对 考虑表面张力和润湿能力，选择一个最佳的浓度，使 采样头 与水质 (mg'm-) 降尘率，降尘率， 位置 溶液的表面张力小，且润湿能力大.从表1和表2 量比 呼尘 全尘 /% 2/% 的数据变化可以看出，添加剂与水质量比为0.1的 巷旁 25.00 46.67 一 高效水炮泥溶液基本符合这一条件， 普通水炮泥 巷中 38.33 63.33 总之，由表面张力和润湿能力的测定中可以看 巷旁 8.33 21.67 66.67 53.57 出，高效水炮泥溶液的表面张力比纯水低而且其润 0.05 巷中 10.00 31.67 73.91 50.00 湿粉尘的能力又比纯水高许多，因此在爆破时的高 巷旁 6.67 13.33 73.33 71.43 0.08 温高压作用下，高效水炮泥溶液雾化的程度远比纯 巷中 8.33 15.00 78.26 76.32 水溶液高，润湿与粘结粉尘的能力也得到了加强， 巷旁 3.33 5.00 86.67 89.29 0.10 3高效水炮泥的井下降尘实验 巷中 3.33 11.67 91.30 81.58 巷旁 11.67 15.00 53.33 67.86 3.1实验过程 0.12 巷中 10.00 25.00 73.91 60.53 为了证明高效水炮泥的降尘效果，在淮北矿业 巷旁 15.00 30.00 40.00 35.71 集团杨庄煤矿进行了普通水炮泥和不同浓度高效水 0.15 巷中 11.67 31.67 69.57 50.00 炮泥（添加剂与水的质量比分别为0.05,0.08,0.1， 0.12,0.15)的降尘效果比较实验，对不同浓度水炮 在煤巷测得的具体数据如表4所示，采样在 泥爆破时的呼吸性粉尘]（以下简称呼尘）和全尘 Ⅲ531采煤掘进头进行，环境风量103m3min,采 体积质量以及C0体积质量进行了测量， 样时间3min,流量20Lmin-1,炮眼数l5个，使用 具体实验如下：爆破前，在采样地点准备好C0 的是水胶炸药，炸药量15kg 测试仪和两台矿用测尘仪；爆破后，依据C0测试仪 表4Ⅲ531采煤掘进头的实验数据 的读数（炮烟中C0体积质量超过24mgm3时会 Table 4 Experimental data of 531 excavate coal (coal tunnel) 报警)，听到报警声后，操作两台测尘仪同时进行采 添加剂 粉尘体积质量/ 呼尘相对全尘相对 样，测尘点距离迎头100m的巷道中央（以下简称巷 采样头 与水质 (mg'm-3) 降尘率，降尘率， 位置 中)和巷道旁边（以下简称巷旁），采样高度均为 量比 呼尘 全尘 /% 2/% 1.5m左右，采样时间为3min,测尘仪流量调至为 巷旁 5.00 8.33 20Lmin-1.爆破时每个炮眼均装填1~2个水炮 普通水炮泥 巷中 6.67 10.00 泥（视炮眼的大小而定）·工作面选用矿用毫秒延期 巷旁 3.83 6.17 23.33 26.00 雷管和矿用水胶炸药，岩巷掘进面炮眼数为43个， 0.05 巷中 4.17 5.83 37.50 41.67 煤巷掘进面的炮眼数为15个.为保证实验数据具 巷旁 2.50 5.83 50.00 30.00 0.08 有可比性，对每次的炮眼数、炸药量及炮眼布置以及 巷中3.33 5.00 50.00 50.00 矿用测尘仪的采样时间、流量等都严格要求一致，采 巷旁 1.67 3.33 66.67 60.00 样距离、风量以及其他环境因素也都尽可能地保证 0.1 巷中 1.67 3.33 75.00 66.67 相同， 巷旁 2.50 4.17 50.00 50.00 测粉尘浓度所使用的仪器是AKFC92A矿用 0.12 巷中 3.17 6.50 52.50 35.00 测尘仪和精度为0.01mg的分析天平，测定C0体 巷旁 3.33 6.67 33.33 20.00 积质量的仪器是ToxiRAE自动CO测量仪 0.15 巷中3.33 8.33 50.00 16.67 3.2实验测定数据 在岩巷测得的具体数据如表3所示.采样在 为了更好地将高效水炮泥和普通水炮泥的降尘

实验中‚润湿能力大‚说明煤（岩）与溶液的接触 角小‚反之则接触角大．分析表2数据可以看出‚高 效水炮泥溶液的润湿能力比纯水的要大‚即在普通 水炮泥中添加粘尘剂能提高溶液的润湿能力‚但是 当粘尘剂的浓度大到一定值时溶液的润湿能力开始 降低‚说明粘尘剂的添加量不是越多越好的‚而是有 一个最佳的浓度．因此‚在确定添加浓度时‚要综合 考虑表面张力和润湿能力‚选择一个最佳的浓度‚使 溶液的表面张力小‚且润湿能力大．从表1和表2 的数据变化可以看出‚添加剂与水质量比为0∙1的 高效水炮泥溶液基本符合这一条件． 总之‚由表面张力和润湿能力的测定中可以看 出‚高效水炮泥溶液的表面张力比纯水低而且其润 湿粉尘的能力又比纯水高许多‚因此在爆破时的高 温高压作用下‚高效水炮泥溶液雾化的程度远比纯 水溶液高‚润湿与粘结粉尘的能力也得到了加强． 3 高效水炮泥的井下降尘实验 3∙1 实验过程 为了证明高效水炮泥的降尘效果‚在淮北矿业 集团杨庄煤矿进行了普通水炮泥和不同浓度高效水 炮泥（添加剂与水的质量比分别为0∙05‚0∙08‚0∙1‚ 0∙12‚0∙15）的降尘效果比较实验‚对不同浓度水炮 泥爆破时的呼吸性粉尘［2］ （以下简称呼尘）和全尘 体积质量以及 CO 体积质量进行了测量． 具体实验如下：爆破前‚在采样地点准备好 CO 测试仪和两台矿用测尘仪；爆破后‚依据 CO 测试仪 的读数（炮烟中 CO 体积质量超过24mg·m —3时会 报警）‚听到报警声后‚操作两台测尘仪同时进行采 样‚测尘点距离迎头100m 的巷道中央（以下简称巷 中）和巷道旁边（以下简称巷旁）‚采样高度均为 1∙5m左右‚采样时间为3min‚测尘仪流量调至为 20L·min —1．爆破时每个炮眼均装填1～2个水炮 泥（视炮眼的大小而定）．工作面选用矿用毫秒延期 雷管和矿用水胶炸药．岩巷掘进面炮眼数为43个‚ 煤巷掘进面的炮眼数为15个．为保证实验数据具 有可比性‚对每次的炮眼数、炸药量及炮眼布置以及 矿用测尘仪的采样时间、流量等都严格要求一致‚采 样距离、风量以及其他环境因素也都尽可能地保证 相同． 测粉尘浓度所使用的仪器是 AKFC—92A 矿用 测尘仪和精度为0∙01mg 的分析天平‚测定 CO 体 积质量的仪器是 ToxiRAE 自动 CO 测量仪． 3∙2 实验测定数据 在岩巷测得的具体数据如表3所示．采样在 Ⅳ2 胶 带 斜 井 轨 道 下 山 掘 进 头 进 行‚环 境 风 量 80m 3·min —1‚采样时间3min‚流量20L·min —1‚炮 眼数43个‚使用的是水胶炸药‚炸药量32∙5kg． 表3 Ⅳ2 胶带斜井轨道下山掘进头实验数据 Table3 Experimental data of Ⅳ2belt inclined shaft track down exca￾vate rock 添加剂 与水质 量比 采样头 位置 粉尘体积质量／ （mg·m —3） 呼尘 全尘 呼尘相对 降尘率‚ η1／％ 全尘相对 降尘率‚ η2／％ 普通水炮泥 巷旁 25∙00 46∙67 — — 巷中 38∙33 63∙33 — — 0∙05 巷旁 8∙33 21∙67 66∙67 53∙57 巷中 10∙00 31∙67 73∙91 50∙00 0∙08 巷旁 6∙67 13∙33 73∙33 71∙43 巷中 8∙33 15∙00 78∙26 76∙32 0∙10 巷旁 3∙33 5∙00 86∙67 89∙29 巷中 3∙33 11∙67 91∙30 81∙58 0∙12 巷旁 11∙67 15∙00 53∙33 67∙86 巷中 10∙00 25∙00 73∙91 60∙53 0∙15 巷旁 15∙00 30∙00 40∙00 35∙71 巷中 11∙67 31∙67 69∙57 50∙00 在煤巷测得的具体数据如表4所示‚采样在 Ⅲ531采煤掘进头进行‚环境风量103m 3·min —1‚采 样时间3min‚流量20L·min —1‚炮眼数15个‚使用 的是水胶炸药‚炸药量15kg． 表4 Ⅲ531采煤掘进头的实验数据 Table4 Experimental data of Ⅲ531excavate coal （coal tunnel） 添加剂 与水质 量比 采样头 位置 粉尘体积质量／ （mg·m —3） 呼尘 全尘 呼尘相对 降尘率‚ η1／％ 全尘相对 降尘率‚ η2／％ 普通水炮泥 巷旁 5∙00 8∙33 — — 巷中 6∙67 10∙00 — — 0∙05 巷旁 3∙83 6∙17 23∙33 26∙00 巷中 4∙17 5∙83 37∙50 41∙67 0∙08 巷旁 2∙50 5∙83 50∙00 30∙00 巷中 3∙33 5∙00 50∙00 50∙00 0∙1 巷旁 1∙67 3∙33 66∙67 60∙00 巷中 1∙67 3∙33 75∙00 66∙67 0∙12 巷旁 2∙50 4∙17 50∙00 50∙00 巷中 3∙17 6∙50 52∙50 35∙00 0∙15 巷旁 3∙33 6∙67 33∙33 20∙00 巷中 3∙33 8∙33 50∙00 16∙67 为了更好地将高效水炮泥和普通水炮泥的降尘 第11期 金龙哲等： 高效水炮泥的降尘机理及应用研究 ·1081·

.1082 北京科技大学学报 第29卷 效果进行对比分析，参照行业标准MT/T712一 度溶液的降尘效果不如添加剂与水质量比为0.1的 1997,煤矿防尘措施的分级除尘效率测定方法[10定 溶液， 义了以下两个计算公式 呼尘相对降尘率： 4结论 h=业×10% (1)通过机理分析，综合比较不同添加浓度水 (3) 炮泥溶液的表面张力和润湿能力，得出了添加剂与 式中，H1为普通水炮泥时的呼吸性粉尘体积质量， 水质量比为0.1的最佳浓度（此时的溶液具有最小 mgm3;H2为高效水炮泥时的呼吸性粉尘体积质 的表面张力和最大的润湿能力) 量，mgm-3. (②)现场测定呼尘相对降尘效率最高达到了 全尘相对降尘率： 91.30%,全尘相对降尘效率最高达89.29%.且高 2%=01Q2×100% 效水炮泥溶液添加剂与水质量比为0.1时的降尘效 (4) Q1 果最佳，与前期机理研究实验的结果基本吻合， 式中，Q为普通水炮泥时的全尘体积质量，mg· (③)分别在岩巷和煤巷进行多次现场对比实 m3;Q2为高型水炮泥时的全尘体积质量，mg· 验，高效水炮泥对岩尘和煤尘都有较好的降尘效果， m-3 因此可以推广应用到有类似炮采作业的矿井. 3.3实验结果分析 参考文献 对比表3和表4的数据可以看出：当高效水炮 泥的添加浓度不断增大时降尘效率也会随之提高， [1]金龙哲，矿井粉尘防治，北京：煤炭工业出版社，1993 [2]国家技术监督局.国家标准GB/T15663.8-1995煤矿科技术 当高效水炮泥的添加剂与水的质量比超过0.1时降 语一煤矿安全，北京：中国标准出版社，1995 尘效率又会下降，添加剂与水质量比在0.1时的综 [3]许兴胜，李功强，程方霖.水充式炮泥在华丰煤矿的应用 合降尘效果最好，原因分析如下： 煤，2002,3(11)：16 (1)从前面的机理分析可知，高添加浓度溶液 [4]李益海.降尘剂的使用浅探.煤矿安全，2004,35(1)：28 的润湿能力相对较弱，因此高添加浓度溶液的降尘 [5]吴超.化学抑尘剂的基础研究及在矿山中的应用.矿业快报 2001,12(6).5 效果不如添加剂与水质量比为0.1的溶液，同时由 [6]于军胜，唐季安.表（界）面张力测定方法的进展.化学通报 于高浓度溶液的密度较大，重新凝结成极细的雾滴 1997,11,11 还没有来得及与矿尘充分接触，大部分就已经沉降 [7]国家经贸委，技术标准B/个9388一2002界面张力仪技术条 了，因此降尘效果也不是很好 件.北京：中国标准出版社，2002 (2)当溶液添加浓度过低，同样导致润湿效果、 [8]金龙哲，傅国庭，宋国东·水炮泥中添加粘尘剂降尘方法的研 究.煤炭工程师，1997,6：7 表面张力及接触角都达不到最理想的状态，同时密 [9]孔令超，潘家祯.相对润湿度概念及其在挤出一滚圆法造粒 度偏小，在空气中悬浮时间过长，沉降速度慢，这样 中的应用.机械工程师，2003,3：26 即使捕获较多的粉尘也很难在短时间内沉降，巷道 [10]煤炭工业部.行业标准MT/T712一1997煤矿防尘措施的分 气流中的粉尘浓度依然会很高，因此导致低添加浓 级除尘效率测定方法，北京：中国标准出版社，1997 Dust-reduction mechanism and application research of efficient water stemming JIN Longzhe,LIU Jieyou,YU Meng Civil and Environmental Engineering School.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACI Dust and smoke were not efficiently reduced under mines by common water-stemming.Based on the analysis of the dust-reduction mechanism of water-stemming,the surface tension and humid capacity of dif- ferent concentrations of solutions water stemming were measured in the laboratory,and efficient water-stem- ming were developed.The results of explosive comparative tests under mines show that the dust density was ef- ficiently reduced by the efficient water-stemming.It is worthy of being used widely,particularly for blasting mines. KEY WORDS water-stemming:dust-reduction mechanism;surface tension;humid capacity;dust reduction efficiency

效果进行对比分析‚参照行业标准 MT／T 712— 1997‚煤矿防尘措施的分级除尘效率测定方法［10］定 义了以下两个计算公式． 呼尘相对降尘率： η1＝ H1— H2 H1 ×100％ （3） 式中‚H1 为普通水炮泥时的呼吸性粉尘体积质量‚ mg·m —3 ；H2 为高效水炮泥时的呼吸性粉尘体积质 量‚mg·m —3． 全尘相对降尘率： η2＝ Q1— Q2 Q1 ×100％ （4） 式中‚Q1 为普通水炮泥时的全尘体积质量‚mg· m —3 ；Q2 为高型水炮泥时的全尘体积质量‚mg· m —3． 3∙3 实验结果分析 对比表3和表4的数据可以看出：当高效水炮 泥的添加浓度不断增大时降尘效率也会随之提高‚ 当高效水炮泥的添加剂与水的质量比超过0∙1时降 尘效率又会下降‚添加剂与水质量比在0∙1时的综 合降尘效果最好．原因分析如下： （1） 从前面的机理分析可知‚高添加浓度溶液 的润湿能力相对较弱‚因此高添加浓度溶液的降尘 效果不如添加剂与水质量比为0∙1的溶液．同时由 于高浓度溶液的密度较大‚重新凝结成极细的雾滴 还没有来得及与矿尘充分接触‚大部分就已经沉降 了‚因此降尘效果也不是很好． （2） 当溶液添加浓度过低‚同样导致润湿效果、 表面张力及接触角都达不到最理想的状态‚同时密 度偏小‚在空气中悬浮时间过长‚沉降速度慢．这样 即使捕获较多的粉尘也很难在短时间内沉降‚巷道 气流中的粉尘浓度依然会很高．因此导致低添加浓 度溶液的降尘效果不如添加剂与水质量比为0∙1的 溶液． 4 结论 （1） 通过机理分析‚综合比较不同添加浓度水 炮泥溶液的表面张力和润湿能力‚得出了添加剂与 水质量比为0∙1的最佳浓度（此时的溶液具有最小 的表面张力和最大的润湿能力）． （2） 现场测定呼尘相对降尘效率最高达到了 91∙30％‚全尘相对降尘效率最高达89∙29％．且高 效水炮泥溶液添加剂与水质量比为0∙1时的降尘效 果最佳‚与前期机理研究实验的结果基本吻合． （3） 分别在岩巷和煤巷进行多次现场对比实 验‚高效水炮泥对岩尘和煤尘都有较好的降尘效果‚ 因此可以推广应用到有类似炮采作业的矿井． 参 考 文 献 ［1］ 金龙哲．矿井粉尘防治．北京：煤炭工业出版社‚1993 ［2］ 国家技术监督局．国家标准 GB／T 15663．8—1995煤矿科技术 语———煤矿安全．北京：中国标准出版社‚1995 ［3］ 许兴胜‚李功强‚程方霖．水充式炮泥在华丰煤矿的应用． 煤‚2002‚3（11）：16 ［4］ 李益海．降尘剂的使用浅探．煤矿安全‚2004‚35（1）：28 ［5］ 吴超．化学抑尘剂的基础研究及在矿山中的应用．矿业快报‚ 2001‚12（6）：5 ［6］ 于军胜‚唐季安．表（界）面张力测定方法的进展．化学通报‚ 1997‚11：11 ［7］ 国家经贸委．技术标准 JB／T 9388—2002界面张力仪技术条 件．北京：中国标准出版社‚2002 ［8］ 金龙哲‚傅国庭‚宋国东．水炮泥中添加粘尘剂降尘方法的研 究．煤炭工程师‚1997‚6：7 ［9］ 孔令超‚潘家祯．相对润湿度概念及其在挤出———滚圆法造粒 中的应用．机械工程师‚2003‚3：26 ［10］ 煤炭工业部．行业标准 MT／T 712—1997煤矿防尘措施的分 级除尘效率测定方法．北京：中国标准出版社‚1997 Dust-reduction mechanism and application research of efficient water-stemming JIN Longz he‚LIU Jieyou‚Y U Meng Civil and Environmental Engineering School‚University of Science and Technology Beijing‚Beijing100083‚China ABSTRACT Dust and smoke were not efficiently reduced under mines by common water-stemming．Based on the analysis of the dust-reduction mechanism of water-stemming‚the surface tension and humid capacity of dif￾ferent concentrations of solutions water-stemming were measured in the laboratory‚and efficient water-stem￾ming were developed．The results of explosive comparative tests under mines show that the dust density was ef￾ficiently reduced by the efficient water-stemming．It is worthy of being used widely‚particularly for blasting mines． KEY WORDS water-stemming；dust-reduction mechanism；surface tension；humid capacity；dust-reduction efficiency ·1082· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷