山东科技大学矿业与安全工程学院 山东青岛 266590
摘要：本文针对煤矿井下矿尘量大，矿尘浓度高的特殊作业环境，在总结传统试验方法的基础上，选用2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和二甲基二烯丙基氯化铵为基料，以过硫酸铵和N，N'-亚甲基双丙烯酰胺作为引发剂和交联剂，甲基葡萄糖苷十二烷基酯为表面活性剂，研制了适用于煤矿井下工作面的新型树脂型抑尘剂。该产物具有耐高温、成膜时间较短，渗透速率快，抑尘效果好的优点，能够有效降低井下工作面的产尘量以及二次扬尘，减小了煤矿粉尘对井下工作人员的身体危害以及工作面爆炸的危险指数。
关键词：2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸；树脂型抑尘剂；产尘量；二次扬尘
New type of dust suppressant for resin type downhole working face
Lu Wang，Wenjin Niu
（School of Mining and Safety Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong 266590，China）
Abstract：Based on the special working environment for high dust and high dust concentration in coal mines，on the basis of summarizing the traditional test method，the selection of 2 - acrylamide - 2 - methyl propane sulfonic acid and dimethyl diene propyl chloride as the product，with ammonium persulfate and N，N '- methylene double acrylamide as an initiator and crosslinking agent，methyl glucoside lauryl ester as surface active agent，developed a new type of resin used in the coal mine working face type dust suppression agent. The product can effectively reduce the dust yield and secondary dust，and greatly reduce the health hazard to the underground workers and the risk index of explosion on the working face.
Key words：2-acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid，resin dust suppressant，dust generation，secondary dust
随着我国煤炭开采技术的不断提高，煤矿生产不断向规模化、现代化方向发展，但是煤矿井下尤其是工作面的产尘量不断增加，较小的煤尘颗粒会随着井下工人的呼吸进入呼吸系统，严重危害矿工的健康。粉尘不仅会对人体器官造成永久性损伤，而且会磨损井下仪器，甚至会引起煤尘爆炸，造成不可挽回的损失[1-2]。
1 粉尘治理方法
1.1 粉尘治理方法及分类
现有的煤尘治理技术根据粉尘治理的时间不同，主要分为煤炭开采前和开采过程中两个阶段。开采前粉尘治理的主要技术手段有煤层注水、注浆、润湿煤壁、湿式凿岩等，方法虽多但工作量大且收效甚微；在工作面进行采掘作业时，采煤机割煤，爆破，移架等工序使得采掘工作面附近煤岩体成为开放性粉尘源，在此过程中，主要通过喷水、喷洒化学抑尘剂、泡沫凝胶以及覆盖等方式降低粉尘浓度。其中，化学抑尘在现代煤矿治理工艺中应用效果较好，目前在世界范围内得到普遍认可[3]。
1.2 化学抑尘剂分类及研究现状
传统的化学抑尘剂按抑尘机理可以分为四大类：润湿型化学抑尘剂、粘结型化学抑尘剂、凝聚型化学抑尘剂、复合型化学抑尘剂。杜翠凤等[4]开发了一种煤矿防火抑尘剂，主要成分有氯化钙、氯化镁和少许成膜助剂，可以在煤体及矿尘表面形成液膜，阻断了与氧气的接触反应，达到防火的效果。程淑艳等[5]利用C9脂肪醇聚氧乙烯醚、十二烷基苯磺酸钠研制出一种用于抑制煤尘的润湿抑尘剂。潘海霞等[6]利用卤化物与表面活性剂（脂肪醇聚氧乙烯醚类）制成的抑尘剂，该抑尘剂可以快速渗透到尘粒间隙，在粉尘表面形成具有一定强度的防护壳并粘结成片，取得了良好的防尘效果。
2.抑尘剂制备
2.1试验原料
本文树脂型抑尘剂的原料有：2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS），二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC），过硫酸铵，N，N'-亚甲基双丙烯酰，十二烷基苯磺酸钠，氯化钠，蒸馏水。
2.2试验过程
称取一定质量的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸放在恒温磁力搅拌锅内进行加热搅拌，然后依次添加引发剂过硫酸铵，二甲基二烯丙基氯化铵，交联剂N，N'-亚甲基双丙烯酰，卤化物氯化钠以及表面活性剂十二烷基苯磺酸钠，将反应装置通入氮气进行保护，设置反应温度。反应一段时间后将制成的溶液倒入烧杯中并进行杯口加膜覆盖，放入微波炉中进行加热，得到最终粘性溶液。
2.3最佳配比
为使树脂型抑尘剂各成分充分反应并保持树脂抑尘剂的抑尘效果，各成分应保持一定量的比例。通过不断试验确定各成分之间的最佳配比为：2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸与二甲基二烯丙基氯化铵3：1进行配比，过硫酸铵与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸比4.0%，N，N'-亚甲基双丙烯酰与二甲基二烯丙基氯化铵的质量比为5.0％，氯化钠与过硫酸铵比为10：1，十二烷基苯磺酸钠与氯化钠比为2：1。抑尘剂反应温度为50℃，微波照射时间为4min时抑尘剂的抑尘效果最佳。抑尘剂试验产物如图1所示。
图2 热重曲线
由图2可知，该曲线主要分为3个阶段，分别为：脱水阶段、破坏阶段与氧化阶段。脱水阶段（< 180℃），主要是由于膜片中水分蒸发导致质量下降；破坏阶段（180℃~400℃），这个阶段主要由于产物中磺酸基以及C = C双键被破坏导致质量损失；氧化阶段（400℃~500℃），这是由于产物持续被加热炭化导致质量明显下降。该热重曲线表明在180℃以下产物结构良好能够满足煤矿井下高温的特殊环境，能够起到良好的抑尘效果。
3.2 成膜时间测试
在现场应用中，如果抑尘剂可以在较短时间内形成薄膜，并在一定时间内保持表面的湿润，表明抑尘剂具有良好的抑尘效果。在培养皿中加入一定量的煤粉，喷洒抑尘剂，使煤粉充分湿润，将其置于自然环境中，记录成膜时间并且用邵氏硬度计测量成膜硬度。成膜时间曲线如图3所示。
图3 成膜时间曲线图
由图3可知，该抑尘剂成膜时间在1h左右，说明该抑尘剂能够满足在一定时间内的湿润性，同时又满足在较短时间内能够成膜，能够满足煤矿井下工作环境的要求。
3.3渗透性测试
采用三支相同的玻璃管，在每根管中装入相同质量的煤尘，进行振动夯实记录玻璃管上的刻度，在每根管中加入相同质量的抑尘剂，在同一时间记录抑尘剂的渗透刻度，计算抑尘剂的渗透速度。三根管中的平均渗透速率为5cm/min，渗透速率较快，在对工作面以及巷道表面喷洒后能够在短时间渗透到内部，并且较快的板结成块，达到了抑尘以及控制扬尘的作用。
3.4抑尘率试验
称取一定质量的煤样放于测量装置中，煤样和装置的总质量为W1，用一定速度的风流对煤样进行吹蚀，经过时间t后称取剩余煤样以及装置的总质量为W2。再称取同样质量的煤样置于装置中，煤样和装置总质量为W1，在煤样表面均匀喷洒配置好的抑尘剂，待表面固结成膜后再用同样速度的风流进行吹蚀，持续时间仍为t，然后称取煤样和装置的总质量为W3，可通过下列公式计算抑尘率[7]：
其中：—抑尘率
W1—风吹前煤样和装置总质量
W2—风吹后煤样和装置总质量
W3—成膜后风吹煤样和装置总质量
经过试验测量，测得W1为642.23g，W2为606.59g，W3为640.49g，通过公式1计算得为95.12%。试验证明，喷洒抑尘剂之后煤样会板结成块，对风流具有一定的抵抗能力，抑尘效果较好达到95.12%，能够满足煤矿井下工作面需要。
4.结论
通过耐高温试验，温度在180℃以下时，该树脂剂产物保持良好结构，能够满足煤矿井下高温作业环境。渗透性测试表明，该抑尘剂的成膜时间在1h左右，渗透速率为5cm/min，具有成膜时间较短渗透速率快的优点。风流称重试验测试结果表明，该抑尘剂对风流有较强的抵抗作用，抑尘效果较好达到95.12%。因此，该抑尘剂基本满足了煤矿工作面的抑尘需求，保证了井下作业人员的身体健康，设备的正常运行。
参考文献：
[1] 王德明. 矿尘学[M]. 北京：科学出版社，2015.
[2] 周福宝，李建龙，李世航，王飞. 综掘工作面干式过滤除尘技术实验研究及实践[J]. 煤炭学报，2017，42（03）：639-645.
[3] 张莉. 防冻型抑尘剂的合成及性能研究[D]. 兰州交通大学，2017.
[4] 杜翠凤，蒋仲安，许彦，等. 粘结性抑尘剂抑制露天煤场扬尘的工业试验[J]. 金属矿山，2005，（3）：55-57.
[5] 程淑艳，程芳琴，常婷. 润湿性煤尘抑制剂在火电厂中的应用研究[J]. 电力学报，2012，27（6）.
[6] 潘海霞. 化学抑尘剂在金属矿山的试验研究[J].中国钼业，2010，34（6）：81-83.
[7] 陈高林. 微波照射合成树脂类井下工作面用新型抑尘剂的研究[D]. 太原理工大学，2015.
作者简介：
王璐（1997-）女，山东青岛人，在读本科生，研究方向为矿山安全。
论文作者:王璐,牛文进
论文发表刊物:《防护工程》2018年第34期
论文发表时间:2019/3/26
标签：工作面论文; 丙烯酰胺论文; 井下论文; 甲基论文; 质量论文; 粉尘论文; 煤矿论文; 《防护工程》2018年第34期论文;