我国煤矿粉尘防治理论与技术20年研究进展及展望.pdf

第 48 卷第 2 期煤 炭 科 学 技 术Vol. 48 No. 2 2020 年2 月Coal Science and Technology Feb.2020 特约综述 程卫民1966-,男,山东曹县人,二级教授,博士生导师,博士后,博士毕业于 中国矿业大学北京研究生部安全技术及工程专业。 现为山东科技大学安全与环境工 程学院院长,山东省泰山学者特聘教授、山东省有突出贡献的中青年专家、国家安全生 产专家、山东省教学名师,教育部高等学校安全科学与工程学科教学指导委员会委员、 中国职业安全健康协会第五届理事会理事、山东省安全生产管理协会副理事长、山东 省煤炭学会副理事长、山东省安全生产标准化技术委员会副主任委员、煤炭科学技 术编委,享受国务院政府特殊津贴。 程卫民及其团队长期从事矿山粉尘环境防治研究工作,建立了煤尘微观润湿理 论,提出了细观喷雾降尘机制,研制了绿色高效抑尘材料,研发了矿山粉尘环境系列化防治技术与装备,研究成 果已在全国 100 多个矿山企业成功推广应用,取得了良好的经济和社会效益。 主持国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划课题、山东省重大基础研究项目和重大科技创新项目等 5 项国家级、省部级项目。 2018 年获得山东省技术发明一等奖,2015 年获得国家安全生产监督管理总局科技成果 一等奖,2017、2013、2012 年分别获得中国煤炭工业协会科学技术一等奖、中国职业安全健康协会科学技术一等 奖、中国黄金协会科学技术一等奖。 2009、2018 年均获得国家级教学成果二等奖。 在国内外刊物及会议发表学术 论文 238 篇SCI、Ei 收录 131 篇,出版学术著作 6 部,获国内外授权发明专利 29 项。 移动扫码阅读 程卫民,周 刚,陈连军,等.我国煤矿粉尘防治理论与技术 20 年研究进展及展望[J].煤炭科学技术,2020,48 21-20. doi10. 13199/ j. cnki. cst. 2020. 02. 001 CHENG Weimin,ZHOU Gang,CHEN Lianjun,et al.Research progress and prospect of dust control theory and tech- nology in China’s coal mines in the past 20 years[J].Coal Science and Technology,2020,4821-20. doi 10. 13199/ j. cnki. cst. 2020. 02. 001 我国煤矿粉尘防治理论与技术 20 年研究进展及展望 程卫民1,2,周 刚1,2,陈连军1,2,王 刚1,2,聂 文1,2,张清涛1,2 1. 山东科技大学 安全与环境工程学院,山东 青岛 266590； 2. 山东科技大学 矿山灾害预防控制-省部共建国家重点实验室培育基地,山东 青岛 266590 摘 要近年来,随着矿井开采机械化、自动化、智能化水平日益提高,作业环境粉尘污染日益严重。 为了进一步提高矿井清洁化生产水平,推动煤矿安全保障能力和职业健康水平,分析了我国煤矿粉尘 防治的研究现状,总结了 20 年来粉尘防治理论及技术取得的成果,并提出了未来发展方向。 全面阐 述了现有的防尘基础理论,主要包括粉尘弥散污染规律、粉尘微观润湿理论、尘雾凝并湿式除尘理 论、湿式喷射混凝土除尘理论。 基于上述理论,国内高校、科研院所研发了综采工作面局部雾化封闭 与空气幕隔离、综掘工作面风雾双幕协同增效、煤层注水强渗-增润、矿山湿潮喷作业系统、高效环 保抑尘剂等不同尘源控除尘技术工艺。 同时针对现有研究的不足,在智能化防尘、煤层注水减尘、采 掘作业环境降尘、抑尘材料等 4 个方面给出了下步研究展望。 研究与实践表明,我国煤矿已经初步形 成了粉尘防治的理论和技术体系,未来要以智能化防尘为抓手,实现粉尘高精度传感-传输-评估与 预警,开发集雾化除尘、干式、干湿混合式、小型化、吸风量大等于一体的组合式除尘器,实现综掘工作 面、综采工作面等广域复杂空间微细粉尘高效通风控除尘技术与装备体系；同时,在低渗煤层水力强 收稿日期2019-10-25;责任编辑王晓珍 基金项目国家自然科学基金重点资助项目51934004；国家自然科学基金面上资助项目51774198；山东省高等学校“青创科技计划”资助项目 2019KJH005 作者简介程卫民1966-,男,山东曹县人,教授,博士生导师。 E-mailchengmw＠ 通讯作者周 刚1979-,男,安徽阜南人,教授,博士生导师。 E-mailzhougang＠ 1 万方数据 2020 年第 2 期煤 炭 科 学 技 术第 48 卷 渗-增润技术、智能化防尘机器人、化学抑尘等技术与装备方面实现突破。 以此来实现矿山粉尘的分 源高效治理,提升矿井的清洁化生产水平。 关键词煤矿粉尘防治；除尘技术；湿式除尘；智能化防尘；注水防尘 中图分类号TD714 文献标志码A 文章编号0253-2336202002-0001-20 Research progress and prospect of dust control theory and technology in China’s coal mines in the past 20 years CHENG Weimin1,2,ZHOU Gang1,2,CHEN Lianjun1,2,WANG Gang1,2,NIE Wen1,2,ZHZNG Qingtao1,2 1.College of Safety and Environmental Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China； 2.State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China AbstractIn recent years, with the increasing level of mechanization, automation and intelligence in mining, dust pollution in the working environment is becoming more and more serious. In order to further improve the clean production level of coal mines, promote the safety guarantee ability and occupational health level of coal mines, this paper analyzes the research status of dust control in China, summarizes the achievements of dust control theory and technology in the past 20 years, and puts forward the future development direction. In this pa- per, the existing basic theories of dust control are expounded, including dust dispersion pollution law, dust micro wetting theory, dust condensation and wet dedusting theory, wet shotcrete dedusting theory. Based on the above theory, domestic universities and scientific re- search institutes have developed dust control and dedusting technology of different dust sources, such as local atomization closure and air curtain isolation of comprehensive mining face, wind fog double curtain synergistic effect of comprehensive mining face, coal seam water injection strong infiltration and moistening, mine wet tide spray operation system, high-efficiency environmental protection dust sup- pressor, etc. At the same time, in view of the shortcomings of the existing research, the next research prospects are given in four aspects intelligent dust prevention, coal seam water injection dust reduction, mining environment dust reduction, dust suppression materials. Re- search and practice show that China’s coal mines have initially ed a theoretical and technical system of dust prevention and control. In the future, it is necessary to take intelligent dust prevention as a starting point, realize high-precision dust sensing transmission uation and early warning, and develop a combined dust remover integrating atomization, dry-type, dry wet mixed type, miniaturization and large air suction, At the same time, the technology and equipment system of high-efficiency ventilation and dust control of fine dust in wide are- a complex space such as comprehensive mining face and comprehensive mining face are realized. At the same time, the technology and e- quipment system of hydraulic strong permeability and moistening technology in low permeability coal seam of mine, intelligent shotcrete dust-proof robot and dust suppression material are also achieved. In this way, the mine dust can be effectively controlled by different sources, and the cleaner production level of the mine can be improved. Key words coal mine dust control； dust removal technology； wet de-dusting； intelligent dust prevention； water injection dust reduction 0 引 言 我国煤炭资源丰富、品种齐全,且分布广泛,而 石油、天然气资源相对匮乏,能源结构一直以煤为 主。 根据国家统计局给出的详细数据显示,我国在 2012 年至 2018 年间的能源消费总量呈现逐年增长 的趋势,虽然由于国家政策的调整以及对新能源的 投入,导致我国的煤炭消费总量近几年有小幅度的 波动情况,但是煤炭消费总量仍然占能源消费总量 的 60％左右,而且在接下来很长的一段时间内,煤 炭将继续作为我国的主体能源为我国的经济发展提 供重要作用[1-2]。 近 10 年以来,随着矿井智能化、机械化、自动化 水平的日益提高,增加了瓦斯、煤尘、火灾等灾害发 生的潜在隐患,尤其是矿井的粉尘污染,已经严重影 响了企业的安全生产,威胁工人的职业卫生健 康[3]。 而矿井粉尘主要来源于井下采煤、掘进、运 输、提升等生产环节,但其产生量又受地质构造、开 采方法、通风条件等因素的影响。 据统计,各生产环节所产生的浮游粉尘量占全 部矿井的大致比例如下采煤工作面 50％,掘进工 作面 35％, 喷浆作业点 10％, 装、 运、 卸 煤 环 节 5％[4]。 其中,采煤、掘进以及锚喷作业区的产尘量 占矿井总产尘量的 95％以上。 根据现场实测,在综 采工作面没有任何防尘措施的情况下,当采煤机截 割和移架等工序共同作业时,人员主要作业区域的 时间加权总尘质量浓度可达 500～850 mg/ m3,呼尘 可达300～500 mg/ m3；即使采取了防尘措施,也仍然 不能改变工作面作业环境的恶劣状况[5]。 再如,文 献[6]中锚喷作业近年来主要采用干喷和湿喷工 艺,虽然操作简单,但作业现场粉尘的游离二氧化硅 含量高达 80％以上,且时间加权呼尘质量浓度超过 2 万方数据 程卫民等我国煤矿粉尘防治理论与技术 20 年研究进展及展望2020 年第 2 期 200 mg/ m3。 上述粉尘浓度已大幅超出国家规定的 上限值[7-8],矿工患尘肺病的风险极高。 煤矿粉尘的危害主要包括 2 个方面①煤尘的 自燃性和爆炸性。 煤尘爆炸是煤矿中致灾性最严 重的灾害,与瓦斯爆炸相比,煤尘爆炸的强度和致 灾范围更大、破坏性更强,造成的灾难更严重[9]。 我国的煤尘爆炸灾害十分严重,据统计,2000 年初 至 2019 年初,全国发生煤尘事故 16 起,致使 500 多人死亡[10]。 ②煤尘导致尘肺病。 煤矿生产过程 中产生的粉尘一部分通过喷雾降尘或通风排尘等 措施进行消除,一部分粒度较小的尘粒飞扬悬浮 在生产空间内,作业人员由于长期接触呼吸性粉 尘,吸入的粉尘会慢慢沉积在人体肺部,例如细小 支气管或是肺泡内,长时间接触呼尘会在生理、病 理上产生一系列的变化,导致肺组织纤维化疾 病[11],称为煤工尘肺病。 在煤炭类行业,尘肺病是 一种多发的职业病,具有“隐性”矿难和“隐形杀 手”的说法,比起瓦斯爆炸等“显性”矿难,它所具 有的杀伤力更强,并且会损害更多、更广的群体, 潜在危害性更重。 据统计,每年因尘肺病死亡人 数是矿难和其他工伤事故死亡矿工数量 6 倍之 多[12]。 据国家卫健委公布,2010 年以来,我国年 均报告职业病新病例 2.8 万例,截至 2018 年底,累计 报告职业病97.5 万例,其中,职业性尘肺病 87.3 万例, 约占报告职业病病例总数的 90％；2008-2018 年,全国 尘肺病新增病例总数247 611 人,其中煤矿尘肺病新增 125 418 人,约占50.65％[13-14]。 目前,大多学者只针对煤矿单一的防尘技术 展开研究,对综合类煤矿粉尘防治理论技术体系 的研究还较少。 因此,为了体现最新的研究成果, 推进我国煤矿粉尘防治技术的发展,提高矿井安 全保障能力和职业健康水平,笔者分析了我国煤 矿粉尘防治的研究现状,总结了粉尘防治理论及 技术取得的成果,并提出了未来发展方向。 1 我国煤矿粉尘防治理论研究现状 1.1 粉尘弥散污染规律 1.1.1 综采工作面粉尘污染 综采工作面粉尘污染一直是矿井粉尘防治的重 点,对于综采工作面粉尘污染研究方法主要分为试 验与数值模拟。 蒋仲安等[15]以气溶胶力学和流体 动力学理论为基础,结合综采工作面实际环境和呼 吸性粉尘二次飞扬特点,建立了与综采工作面移架 产尘点与割煤产尘点耦合下的呼吸性粉尘扩散模 型,并通过相似试验对模型进行了验证；刘毅等[16] 基于气固两相流理论建立了粉尘运动的数学模型, 根据综采工作面的具体性质和实测数据,明确综采 工作面产生的粉尘运动规律；RENAUD 等[17]通过构 建两阶段的数学模型,对矿井空间中的粉尘分布进 行了相关模拟,研究了采煤工作面粉尘的扩散规律。 相关学者亦采用 CFD计算流体力学数值计算方 法对综采工作面粉尘运移规律进行了研究。 PA- TANKAR 等[18]利用 LES 大涡法对气体运动过程进 行了仿真模拟,同时利用 Eulerian-Lagrangin 法对粉 尘颗粒的空间分布进行了数值模拟。 REN 等[19]采 用计算流体力学CFD的方法,计算模拟了矿井内 的风流和粉尘流动特性,并根据结果提出 2 种可能 的粉尘控制方案图 1；SUN 等[20]利用数值模拟的 方法研究了风流扰流对粉尘污染的影响,同时提出 了局部喷雾封闭控除尘技术,提高了除尘率图 2。 MAGESH 等[21]将工作面中运移的风流视作连续相, 而将煤尘分别视作连续相与离散相进行了数值模 拟,并对比分析了由不同模拟方法得到的煤尘分布 规律。 谭聪等[22]将现场实测的粉尘质量浓度分布 情况与模拟的综采工作面割煤粉尘运动规律进行对 比,得出几个重要的对综采工作面粉尘质量浓度有 影响的因素,主要是工作面风速、采煤机滚筒转速、 刮板输送链条速度以及煤壁面条件；姚锡文等[23]针 对不同通风条件下的综采工作面风流运动和煤尘分 布规律进行了数值模拟,得到了上行通风与下行通 风的降尘机理以及大倾角综采工作面的最优排尘 风速。 图 1 呼吸带高度处的风流速度分布[19] Fig.1 Distribution of air flow velocity at the height of breathing zone [19] 综上所述,国内外学者通过试验与数值模拟等 手段对综采工作面粉尘污染规律进行了研究。 根据 综采工作面不同尘源产尘特点,建立了适用于综采 工作面的风流-粉尘颗粒 DPM 耦合流动数学模型, 并采用欧拉-拉格朗日法来描述气载粉尘的湍流扩 3 万方数据 2020 年第 2 期煤 炭 科 学 技 术第 48 卷 图 2 粉尘浓度迹线[20] Fig.2 Trace of dust concentration[20] 散,对综采工作面采煤机截割产尘,移架产尘以及通 风携尘等多尘源粉尘的弥散过程进行了 CFD 数值 模拟,所得成果为综采工作面粉尘防治奠定了科学 的理论基础。 但是随着综采机械化的不断推广,综 采工作面粉尘污染也日益严重,过去的理论与技术 不足以保障现有生产需要。 因此,在综采工作面粉 尘弥散污染规律方面,目前较为前沿的理论是通过 现场测定与试验测试相结合,同时,进行综采工作面 风流-粉尘耦合运移的 CFD 数值模拟,以确定综采 工作面风流-粉尘运移、逸散规律。 1.1.2 综掘工作面粉尘污染 综合机械化掘进工作面粉尘弥散影响因素较 多,例如产尘位置多变、技术工序繁杂等,对此,研究 学者进行了深入细致的研究。 NAKAYAMA 等[24]采 用试验和数值模拟结合的方法,对风流和粉尘在综 掘工作面的运移情况进行了研究,结果表明风流流 线与粉尘迹线存在着对应关系,且试验和模拟结果 与现场实测一致性较高。 在巷道粉尘弥散的试验研 究中,NIE 等[25]得出了试验条件下粉尘浓度沿风向 变化的曲线和流场与粉尘浓度场之间的关系,提出 了实现风、尘分流的技术途径。 王德明等[26]分析了 综掘工作面产尘机理,借助于 Fluent 软件对工作面 粉尘分布与运移规律进行数值模拟研究,获取整体 横向和纵向上的粉尘运移分布规律。 YU 等[27-29]建立了掘进巷道的高仿真度三维 模型,采用稳态解算方法分别对压入式、压抽混 合式及添加附壁风筒等通风条件下粉尘分布规 律进行了仿真模拟,对比了压抽风量比例、压抽 风筒位置和风幕等对粉尘浓度分布范围及粒径 沉积规律的影响,分析出合理风量压抽比例和风 筒位置最佳布置方式,依据分析结果与实测数据 对比,对除尘方法提出了指导建议,并对其降除 尘效果进行了分析,明确了最优化的除尘技术 图 3、图 4、图 5。 图 3 单压通风时 2.5 μm 粉尘迹线[27] Fig.3 Movement trajectories of 2.5 μm dust particles when fored rentilation[27] 针对掘进工作面存在的粉尘扩散模型误差大、 粉尘时空演化规律不明确等难题,国内外学者基于 CFD计算流体力学-DEM离散单元法计算框架 完善了粉尘细观运动受力,采用颗粒放大法建立了 综掘工作面离散粉尘颗粒动态追踪模型,并结合现 场实测对模型进行了校正,提出了以粉尘动态追踪 模型为核心、宏观粉尘团与细观颗粒流联结的预测 分析法,明确了综掘工作面单压、长压短抽及长压短 抽结合传统附壁风筒通风方式下不同粒级粉尘颗粒 运动迹线、风流诱导偏离流线、沉降行为以及累积质 量分布等粉尘时空演化规律单压的情况下,巷道内 的风速随着距掘进工作面距离的增大逐渐衰减,掘 进工作面附近的高浓度粉尘团随风流扩散至整个巷 道,对整个工作面有严重的污染；在长压短抽的情况 下,随着距掘进工作面距离的增大,巷道内的风速逐 渐减小,一部分粉尘团随抽风而消除,一部分粉尘仍 然聚集在掘进工作面附近,随风流逸散至整个巷道 断面；长压短抽结合传统附壁风筒通风的情况下,靠 近掘进工作面和附壁风筒径向出风口处的风速相对 较大,中间区域风速相对较小,总体上沿巷道长度方 4 万方数据 程卫民等我国煤矿粉尘防治理论与技术 20 年研究进展及展望2020 年第 2 期 图 4 长压短抽通风时风流-尘粒耦合场运移数值模拟[28] Fig.4 Air-dust coupled field migration law in long pressure and short exhausted ventilation of attached wall duct [28] 图 5 附壁风筒长压短抽通风时风流-粉尘逸散规律[29] Fig.5 Wind-dust coupled field migration law in long pressure and short ventilation of attached wall windmill[29] 向风速分布更为均匀,且旋流风幕会在附壁风筒处 形成,对于封闭综掘机司机前方的高浓度粉尘团具 有显著的效果,并由抽风筒抽出,避免了粉尘逸散, 大幅降低粉尘浓度。 为了解决综掘工作面粉尘质量浓度超标的技术 难题,国内学者蒋仲安等[30]运用计算流体力学的离 散相问题DPM对岩巷综掘工作面通风除尘系统 进行数值模拟图 6。 确定了风量压轴比为 2 ∶ 3 的“以轴为抽,前压后抽”混合式通风除尘较优,并 对现场进行了应用,验证了研究结论的正确性。 图 6 压入式通风时流场分布[30] Fig.6 Distribution of flow field in forced ventilation [30] 1.2 煤尘润湿理论 煤层注水和喷雾降尘是采掘工作面粉尘防治的 主要措施,通过钻孔压向待开采煤层注水或高压雾 化产生的雾场,使煤体尘湿润,从而减少采掘过 程中浮煤的产生。 因此,煤粉润湿性是影响降尘效 果的重要因素。 1.2.1 煤尘润湿特性 为此,要想更好地了解煤尘的润湿性,首先需要 对煤尘与水之间的固-液关系进行分析研究。 对 此,董平等[31]在对超细煤粉表面润湿性进行详细分 析后发现,随着变质程度的不同,超细煤粉粉碎后的 煤粉表面疏水性将不断增加。 聂百胜等[32]根据煤 大分子和表面的结构特点分析了煤表面自由能的特 征和煤吸附水的微观机理,得出煤吸附水分子是多 层吸附的结论。 第 1 层吸水主要是由于煤与水分子 的氢键作用,而其他水分子层的吸附则是由分子间 的长程作用力所致。 金龙哲等[33]分析了煤层注水 时水在煤体内的运动过程,应用界面化学理论分析 了水在煤表面的润湿过程,总结出煤体能够自行润 湿的条件,并初步阐述了水在煤表面的润湿机理。 KOLLIPARA 等[34]针对不同粉尘样品,研究了它们 的物理、矿物学和润湿特性。 采用固定时间润湿率 试图模拟采矿环境周围的润湿性和绝对时间润 湿性评估内在润湿率来评估粉尘润湿率,得出煤 尘的固定润湿率在 57％ ～99％,大多数矿井的润湿 率在 90％以上,煤层中部的润湿性最差；粉尘颗粒 与水滴的接触时间是提高煤尘润湿性的重要因素, 结果表明,颗粒较大的粉尘完全润湿需要更多的时 间。 ARKHIPOV 等[35]提出了一种估算细煤颗粒在 水滴上润湿性的新方法,提高了颗粒润湿性估算的 准确性。 湿式除尘和化学抑尘相结合,尤其是阴离子表 面活性剂对煤润湿性的影响最为显著。 王德明 等[36]分别研究了十二烷基硫酸钠SDS、十二烷基 磺酸钠SDDS和十二烷基苯磺酸钠SDBS对煤尘 的润湿能力,测试了煤尘接触角、表面张力、润湿时 间等参数图 7,试验结果表明对于相同的阴离子 表面活性剂,随着浓度的增加,使得吸附密度和煤尘 表面亲水位点也相应增加,提高了润湿效率。 林柏 泉等[37]系统地分析了煤尘的物理性质及其润湿行 为图 8。 研究了不同表面活性剂对煤尘润湿性的 影响,并与去离子水进行了比较。 研究结果表明,煤 的粒度越细,煤的微观结构越复杂,煤的润湿性越 差。 在 3 种不同的煤尘样品中,挥发分含量较高的 煤的润湿性能较差,因为挥发分更容易释放,颗粒周 围更容易形成气膜。 1.2.2 煤尘微观润湿机理 文献[38-39]从分子层面对我国14 类煤种煤尘理 化结构与其润湿性之间关系进行了试验研究,首次发 5 万方数据 2020 年第 2 期煤 炭 科 学 技 术第 48 卷 图 7 煤尘从气-水界面进入溶液的动态润湿过程[36] Fig.7 Dynamic wetting process of coal dust entering solution from gas-water interface[36] 图 8 表面活性剂在不同浓度煤粉表面的吸附状态[37] Fig.8 Surfactant adsorption state on the surface of coal dust at different concentrations[37] 现了煤尘微观理化特性与其润湿性关联机制。 1傅立叶红外光谱FTIR。 通过对煤尘表面 官能团进行分析图 9,低煤化程度的煤含有较多 的非芳香结构和含氧基团,芳香核心较小；中等煤化 程度的烟煤的含氧基团和烷基侧链减少,结构单元 间的平行定向度有所提高,附在芳香结构上的环烷 基较多,有较强供氢能力。 此类煤的许多性质在煤化过程中均作为转折点 看待；更高煤化程度的煤向高度缩和的石墨化结构 发展,化学上具有明显的惰性,在润湿性上也会表现 疏水性。 在煤尘润湿性定量分析中,煤尘在 3 050 cm -1 处的透过率与煤尘接触角角度线性相关,而在 1 020～1 100 cm -1 处煤尘接触角随其透过率增加而 增加,当煤尘碳元素含量超过 82％时,煤尘润湿性 表现较差。 图 9 煤尘的 FTIR 谱图[38] Fig.9 FTIR spectrogram of coal dust[38] 2X 射线衍射XRD。 为了还原煤尘润湿过 程,分析其润湿能力,利用 X Pert PROMPD 型 X 射线 衍射仪对 10 种不同变质程度的煤样1-10 号进行 测试,得到如图 10 所示的图谱,认为变质程度不同煤 样的 X 射线衍射曲线的形态特征具有很明显的规律 性。 随着变质程度的升高,2 处特征衍射峰相对强度 有所增加,峰形由宽且钝转为窄且锐,趋向类石墨峰 发展,说明组成这些煤的有机质的 C 原子排列趋于定 向、规则,随着煤变质程度的提高,煤中脂族结构会逐 步减少,但芳核在横向上和纵向上均进行芳环的缩聚 反应,芳香结构增多。 因此,变质程度高的煤种晶态 成分较多,芳香层片在空间的排列较为规整,相互定 向程度较高,芳香微晶结构单元增大,芳香环缩合度 增高；而中低变质程度的煤种非晶态成分较多,往往 是一些亲水性的烷基小分子侧链、含氧官能团等。 同 时,煤尘无机矿物相种类数量在一定程度上影响煤的 润湿性,原生矿物种类数量越多,润湿性则越好；但次 生矿物对煤尘润湿性的影响则较小。 图 10 煤尘的 XRD-Fourier 谱图[38] Fig.10 XRD-Fourier spectrum of coal dust[38] 3核磁共振NMR。 基于不同煤种之间润湿 性的差异,通过对不同变质程度的煤种进行13 C- NMR 试验,解析了不同变质程度煤尘的芳碳结构参 数,并根据样品中各种官能团的化学位移及其相对 面积,计算得到 6 种煤尘的碳结构参数,以气煤为 例,如图 11 所示。 6 万方数据 程卫民等我国煤矿粉尘防治理论与技术 20 年研究进展及展望2020 年第 2 期 图 11 气煤13C-NMR 分峰谱图[38] Fig.11 13C-NMR peak separation spectrum[38] 通过不同变质程度煤样试验分析,可以看出煤 级不同,谱图也有所不同,随变质程度加深,芳碳比 例不断增加,但谱图不断变窄,质子化碳含量增加, 芳香环杂原子碳含量减少；脂碳在煤结构中比例不 断减少,谱图分布相对较分散,各脂碳结构都有一定 分布,并且随变质程度加深都在减少。 总体而言,各 结构参数基本符合煤变质作用增碳、脱氧的规律。 此外煤尘分子结构差异对润湿性影响有一定的规律 性,即随着芳环碳、质子化碳、桥接芳碳不断增加,酚 羟基或醚氧碳、季碳、亚甲基或次甲基碳、氧接脂碳 不断减少,引起憎水性的有机组分增加与亲水性含 氧官能团减少,从而导致煤尘润湿性由易到难。 此 外,通过13C-NMR 试验,可以获取煤体碳结构参数, 根据碳结构参数结合红外光谱试验,反推煤体分子 式及结构组成,以此从微观角度进行微观分子动力 学的模拟和分析,为抑尘剂的开发提供了一条新的 思路和方法。 4X 射线光电子能谱XPS。 为了摸清不同变 质程度煤尘表面氧元素基团的差异及其对煤尘 润湿性能的影响,通过对不同煤样进行 X 射线光电 子能谱分析,以无烟煤为例,如图 12 所示。 结果表 明,含氧官能团在煤表面分布较为广泛,煤的表面 O/ C比值较其元素分析结果总体呈增加的趋势, 且随着变质程度加深,煤表面O/ C比值逐渐减少, 亲水性基团逐步脱落。 在煤表面含氧官能团中,对 煤尘润湿性贡献较大的羧基和羟基随变质程度增加 逐步减少,从而导致极性氧基团在各个煤种表面分 布不均,随着变质程度增加极性氧基团含量从 13.24％逐步降至4.74％,但羰基分布则相对较稳定。 综上所述,文献[38-39]通过 FTIR、XRD、NMR 和 XPS 等分子层面测试分析方法,首次全面揭示了 煤岩尘微观理化特性与其润湿性之间的关联机制, 实现了粉尘润湿研究方法从宏观组分到微观结构的 突破。 提出了不同变质程度煤尘堆垛结构、分子结 构对其润湿性的影响规律①微晶结构中面网间距 C 1s碳原子中 1s 轨道电子被激发所测光电子能量； O 1s氧原子中 1s 轨道电子被激发所测光电子能量； N 1s氮原子中 1s 轨道电子被激发所测光电子能量 图 12 无烟煤 XPS 全谱扫描图[39] Fig.12 Full spectrum scanning graph of anthracite XPS[39] 越小、堆砌度及延展度越大,润湿性越差；②石英 Si-O-Si反对称伸缩处的透过率越高,润湿性越 差；③针对芳碳,芳环碳、桥接芳碳、质子化芳碳含量 越多,酚羟基或醚氧碳含量越少,润湿性越差；针对 脂碳,季碳、亚甲基或次甲基碳与氧接脂碳含量越 少,润湿性越差；④针对表面官能团,极性氧基团含 量越少,润湿性越差。 研究结论为煤尘采用经济、有 效的湿式除尘技术提供了科学依据,为不同变质程 度煤尘分类润湿方法提供了理论基础。 1.3 尘雾凝并湿式除尘理论 由于煤矿井下生产条件的特殊性,除煤层注水 预湿润煤体技术外,尘雾-凝并湿式降尘技术是当 前国内采煤工作面普遍采取的一种有效措施。 通过 雾滴-尘粒的重力沉降、惯性碰撞、截留、布朗扩散 与静电效应,对扩散的粉尘可进行有效消除。 国内学者[40-43]对喷雾降尘理论进行了深入研 究,大部分学者认为喷雾降尘的原理是惯性碰撞、截 留、重力作用、静电力和扩散等多种情况相互作用的 结果。 周建平等[40]认为影响雾滴捕获尘粒最明显 的因素是雾滴直径。 雾滴直径小的,更容易捕获尘 粒。 但是在实际降尘操作过程中,若形成的雾滴直 径过小,则会造成雾滴由于过快的蒸发而存留时间 过短,反而影响整体捕尘效率[40]。 林鸿亮等[41]采 用试验方法研究了单相喷嘴、两相喷嘴的气液比、轴 向距离和径向距离的变化规律；李高峰等[42]采用试 验及理论分析相结合的方法对降尘系统喷雾参数进 行研究,得出压力和其他参数之间的关系；句海 洋[43]利用基础理论分析、数值试验、试验测试和工 程应用试验相结合的方法,系统研究了综采工作面 喷雾降尘理论及应用情况。 国外学者 SWANSONA 等[44]为了正确评价水 滴、灰尘和流动气流之间的相互作用,建立了一个风 7 万方数据 2020 年第 2 期煤 炭 科 学 技 术第 48 卷 图 13 煤尘气溶胶与粒子电荷水平的关系[45] Fig.13 Relationship between coal dust aerosol and particle charge level [45] 洞来模拟不同环境条件下的地下作业,对每个尘源 的控制条件和要求进行评估,并研发了最优化的尘 源控除尘系统。 TESSUM 等[45]利用气动粒度仪测 量了电荷分离粒子的粒度和浓度,研究了不同表面 活性剂类型对不同煤尘粒径和电荷的集尘性能图 13。 MANKELEVICH 等[46]研究了低压等离子体中 尘埃粒子凝聚机理的快速生长与饱和阶段；DUL- LEMOND 等[47]研究了不断变化的磁盘中粉尘的凝 并与处理,建立了凝并模型,并将这些模型与观察结 果联系起来,明确了粉尘润湿凝聚的基本原理,提出 了降低粉尘浓度的措施。 以上国内外的研究都推动尘雾-凝并湿式降尘 技术的发展,然而在当下的综采工作面喷雾降尘措 施上仍存在喷嘴选择和布置普遍缺乏科学性,喷雾 降尘效果较差等问题。 为