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一 1 O 一 露天采煤技术 1 9 9 6年 第 2期 一 J 露天矿土路化学 固土防尘方法及机理 要 南 方 冶 金 学 院 塑 乒 介绍露天矿土路化学固土 防尘的方法 ， 分析化学 固土 中的几 种化学反应， 并 讨论 五种具体方法的机理， 为 实践应用提供了参考 。 关 键 词 丝 机 理 国内外大 中型露天 矿的运输多采用 自 卸汽 车运输 方式， 采 掘工作 面 和排土 线的 道路 一般 是不 修筑 路面和 只经适 当整平 、 压实的土路， 且运输 量大 。由于土体的 固、 液 、 气三相具有 多变性 ， 土颗 粒间的连结微 弱 ． 抗行驶 汽车车轮 的荷 载作 用、 滚动 车轮 的搓柔作用 以及较强空 吸作用等外力 和抗 水性 能较低， 在重型 自卸 汽车 的作用下 易 遭受破坏， 产生大量粉尘。因此， 每当车辆 运行 时尘土弥 漫， 空 气 中粉尘浓 度可高 达 几十到几 百 mg n _ ‘ ， 导 致 露天 矿大气严 重 污 染 J 。 固土 防尘方 法是 利用 物理、 物理 化学 或化学的方法 将土颗 粒粘 结成 团， 并 使 之 具有一定强度 ， 能抵 抗 车轮 的荷 载等 外力 的作用， 确保路 面路 基质 量 良好 。此方法 种类很 多， 有机械法 、 加湿法 、 肢结法 、 化学 法以及各种固土方法综合作用的综合固土 法 口 。在实践 生产 中， 机械 法和 加湿 法固 土 防尘是露天矿 最 常用的 路面 固土方 法， 本文不 予讨 论 ， 胶 结法 另文讨 论 。下 面主 要 分析和讨论 化学法 中一些有救的 固土防 尘方法及其机 理， 以便 为矿 山路面 化学固 土方法的选择和设计提供参考。 l 化学同土 防尘 方法 从工程的 角度 看来 ， 增 加土体 的吉水 量会带来许多不 良结果 粘聚力减小， 土发 德 多 生膨胀 ， 干缩和湿 胀 的交 替作 用破 坏着 土 的结构 。化学 固土则是通过表 面反应这 样 一 种方法 ， 来改善水和土之 间的相互作用 ， 使 土的性质 在水 的影 响下 仍能 最有利地 达 到既定的要 求， 固土稳定路面。 1 ． 1化学 固土方法的类型 根据所使用的化 学剂 和土颗 粒之 间相 互作用的特性， 化学圈土方法可分为如下 三种类型 1 化学荆 的作用是 通过 它与土 或 者 土颗粒之问相互作用产生的 。 2 化学剂 的物理性 质和 它与土 的相 互 作用产生联合作用 3 所用外 掺荆 的物理性 质起决 定 性 作用， 而土 的物理性 质影响很 小。 1 ． 2化学 固土 防尘方法 最适 用的化学 固土方 法有如 下几 种 1 采用土颗粒 表面 的结合 力 比水更 强的化 合物 来处 治 土， 以消 除 水 的 影 响。 这种添加剂把 水分子 “ 捧挤 ” 出土粒 表 面， 并使 水不致重新侵 入土颗 粒 ． 因而使土“ 不 受潮” 。 2 采用非水 化正离子 处治土 ， 以吸引 一 般带 负电荷 的颗粒 表面 ， 并取代 其它 的 离子 通过这 种化学 变 化， 土对 水 的敏感 性减弱， 土一经干燥则不再 受潮 。 3 利用大分子类的离子化合物处治 盘 维普资讯 露天采煤技术 1 9 9 6 年 第 2 期 一一 土， 这些 大分 子链把 带静 电的 土颗 粒和极 性力联 系起来 ． 由此形成颗粒聚集， 这时土 变成多孔性 的， 但保 持不透 水性 和结 构上 稳 定 。 具体 的 化学 固土方 法 有 氯 化物 、 磷 酸 、 树脂 、 丙烯 酸钙 、 糠醛苯胺 、 亚硫酸盐废 液 以及 合成化学剂固土方法 等。 2 化学固土 中的几种化学反应 2 ． 1 离子交换 土颗粒的许多性质均 由吸附于其表面 的 阳离子的种类 决定 ． 由多价 阳离子 凝聚 而成的徽 团粒一 般 具有 一 定程 度 的水 稳 性 。在化学 固土 中， 化 学剂 中凝 聚力强的 多价阳离子与土颗粒的吸附综合体中的低 价 阳离子进行离子交换 ． 使结合水胰减薄， 结果导致土的分散性、 湿坍性 、 粘附性和膨 胀性降低 ． 土颗粒表现 出良好的水稳性 。 2 ． 2淀 析 化学制以溶液形式与土相接触时． 许 多 化合物在一 定条 件下 生成 了新的． 不溶 于水的物质． 并从初始溶藏 中分离或淀析 出来． 部分成为有固土作用的、 连续的稳定 剂。 2． 3聚合 在某些简单化合物的反应过程中， 能 生成一 些分 子量和 粒径 都较大 的分子 ， 它 们以离子力和极性力与土颗粒联系， 增强 了土粒阉的粘 结力。 2 ． 4氧化 在某些嗣 土作用 中， 稳 定剂 是氧 化生 成的。 3化学 固土防尘 的机理 化学 固土 防尘是通过两种机理起有利 作用 的。① 化 学 稳定 产 生 了一 种 连续 基 质， 土颗粒完全被 夹置在化学添加荆或者 由化学过程 而生 成的 材料 之 中． 形 成稳 定 土 ②化学稳定荆并没有形成连续基质． 此 时周 土作用以三 种不 同方 式取 得． 一 是使 用纯碎改善 土颗 粒 表面性 质 的化 学制 ， 改 善水一土的相互作用 二是采用某种惰性 材料填 充颗 粒间 的孔 隙 三 是土 颗 粒在 某 些接触点靠土颗粒和稳定物的原始粘聚力 以及两 者 之 间的 粘 附力 象 点 焊 一 样 粘 结。以下分 析和讨论几种具体方法 的防尘 机 理 。 3 ． 1 氯化物 固土 采用氯化物 如 C a C h、 Mg C h等 固土 稳定道路的作用机理 主要 有如下几方面 。 1 由机械 法 固土 稳 定土路 的实 际情 况得知 ． 应 用氯化物 固土时 ． 氯 化物在大 自 然 中有很高 的吸湿性 ， 因 此在 施工 期 间 可 明显地减少 由于 蒸发 造成 的水分 损 失， 使 土的含水量稳 定下 来． 这 对于 任 何粒 状 土 的压 实都是极为有利的。 2 在土体 中褥加氯化物后 ， 裉短时 间 内， 土颗粒就发 生凝聚现象 ， 粘聚起来的 土 聩粒尉处在松救的绒毛状结构之 中。这 种 松散 的、 不规则的 结构将 处 治 土的遗 水性 提高 l 一1 9倍 】 ， 于是 ． 就能降低 稳定 土的 冰点， 减少冻融变 化对 路面的破 坏。 3 添加在 土体 中的氯 化 物溶 解在 土 的孔隙水中后， 能与 已经存在于土中的离 子进行 交换 ， 如下式 。 X C a ” C a “ x 或x C a OH 2 c a “ 2 XO H 式 中x 一 土粒表 面原 来所 吸 附的 一 价 金属离子． 如 H 、 N a 、 K 等。 由于0Ca “ 的结 舍 水 膜厚 度 比土 吸 附一价碱金属离子 K 、 N a 要薄， 并且 ②c a ” 结 合水 膜受外 界水 分影 响的 变 化 不大． 因此园 c a ” 具有许 多优 良的物理 力 学性能 特别 是表现出 良好水 稳性。此外 ， 由于离子交换作 用为土体 提供 了连接 土颗 粒的离子 如 在两 粘土 层 中填 K ． 因 此 ， 在干僳 时． 这些 离子 就可以牢固地 将粘 土层连接起来。 维普资讯 一 1 2 一 露 天采煤技术 1 9 9 6年 第 2期 4 土颗粒 与水相互 作用． 在土粒周 围 力增强 ． 这 样有利于 土粒 的凝集 成团。 产生一个电场 。 这 样 由于土 粒表 面负 电荷 3 ． 2 磷酸 固土 静电引力 以及 布 朗运动 的 扩散 力 作用． 水 在土体 中拌和磷酸 H P O 4 或其 它 的 中阳离子在 土粒周 围形 成 一扩散 层． 它 与 磷酸 化合物 ， 不仅能提高 土体 的强 度， 而 且 土颗粒表面 的 负 电荷 合起 来成 为双 电层。 会 提高抗水性 。因为 ， 把磷 酸加进 土体 舍 当在土体 中褥加氯化物． 离子浓度增加， 离 有 F H o 3 、 Ab q 等 中． 能反应生成 干交换 的结果 使土颗粒双 电层的扩散层厚 和 F e的化合物． 其 中最重要 的产物 是偏 礴 度变薄， 土颗粒之间的静电斥力减弱， 吸引 酸铝。反应式如下 AI Y M Po4 十 十 AP 2 OH 一H ， P o；XH2 o A l 2 oH H， P O ‘ XH 2 0 当部分磷酸 反应 生成 偏磷酸 铝时， 偏磷 酸 相应减小， 于是 树脂层 被 压缩 成 为颗 粒 接 盐仍继续溶解 在剩 余的 P O 4中 随着混 触面之间的扁平面 ， 而 反 作用 的阻 力就 降 合物 中酸值逐渐 降低 ． 偏 磷酸 铝过 剩而成 低表面张力． 再次导致 毛细 水增 加， 土体 吸 凝胶 析 出。这 样得到的偏磷酸铝强度 高且 水程度 大大减 小。因 此． 经树 脂处 冶压 实 不溶 于水 ． 能起胶结作用。由于蒸发作用， 的土能表现 出良好 的水 稳 性 和强度 ． 路 面 凝胶含 水 量 减少 ， 胶 结 作 用就 大大 增 强。 稳定性好 。 因此， 在开始拌和 阶段 溶解期 ， 磷酸 将作 为分散剂作 用于 土 中， 在形 成 凝胶 的过 程 中才作 为一 种凝 结荆 ． 将 小颗 粒土腔 结成 团 ． 使土体更 为坚 固。 另外 ． 通过分散阶段 降低了毛细 作用， 能减轻 稳定 土的冰 冻危 害 ， 防止路面 的破 坏． 从而达到 固土防尘 的 要求。 3． 3 树 脂周土 树脂 如英国生产的。 云索 尔” 树脂 主 要用来 为细颗粒 土提 供防水能力。在土体 中． 由于土颗粒搜一层水膜包围 ． 这 些水膜 有 的部分 在颗 粒接 触 点附 近汇台 ． 而在 土 粒 的侧 面 留有一个 明显的“ 水一 空气 ” 接触 面。当把树脂 掺进 土 里． 树脂 中存在 的亲 水性羧基和酚 组成受 到水 的吸 引， 从 而使 临空的一面是 憎水性 较大 的碳酸 氢盐 ， 形 成憎水表面， 在 土体 孔隙水表 面形成单 分 子膜 ． 覆 盖“ 水一空气 ” 表面 ， 包住 土颗 粒， 使土粒的 吸水性 显 著降低。如 图 1所 示， 当发生 毛细吸水 时， 土 中“ 水一空气 ” 的接 触面 积逐渐 减小 从 而致使 树脂层 的面 积 田1 树 膳 圊 土 的 结 构 示 纛 田 l 一土囊控 2 一孔t水和 承囊 卜 孔t 中的空气 4 一簟舟 子并■囊 5 一■■ 囊控 3 ． 4 丙烯酸钙 固土 丙烯酸钙是 一种有 机盐 ． 分子 式 H H 0 0 H H 1 I l 1 l1 1 1 H C CCO C aO C CC H 把 它和氧化还原 催 化剂 一起 加到 土里 ， 能 发 生聚合作用， 生成强度 高 、 有塑 性链 的大 分子物质． 将土颗粒包围起来． 并使之受其 键 合。丙烯酸钙处治土 中聚合 物系统的结 构 如图 2所 示。 维普资讯 露天采煤技术 1 9 9 6 年 荜 2期 一1 3 一 丙烯 酸钙 固土 防尘机理 可用如下过 程 说 明 1 离子交换 丙烯 酸溶于水的时候， 产生大量的有机阳离子， 置换土膜粒表面 的可交 换离子 ． 提供了连结土粒的离子 o 2 丙烯 酸钙单 体 聚台 成完全 不藩 于 水的长链， 这些长链组成粘结土颗粒的农 有机 陌 离 子 。然 后 ， 这 些 分 子 链 由游 离 c 离子交 联起来 ， 与土颗粒 形成一 个强 大的三维空间暇、 1如图2示 。 结果使土体 获得某些抗拉强度和抗弯强度。 圈 2丙 措 馥 孵 砸 土 聚 合 精 珲缱 的 槽 图 一 丙烯藏钙在土体 中发 生聚食作甩后． 一 方面土的强废大大增长 另一方面丙烯 酸钙聚合物拴住了水柏{哽粒， 制止了水的 渗出． 埠{曲渗透性l且乎辟到了零； 同时还 能消除冰冻危 害 可见． 用丙燎般鲁 毫 固 可以收 到较好 的效果 。 3 ． 5 摩鞋苯胺固 由于在存在某些藏 舢革蒙 币 珥 麓I 5 秘 化剂韵场合． 苯胺和糠醛会发生肇套怍用。 因此． 将篝艘和糖硅的永蒜状液喷藉嚣丽， 可超到 固土稳定赂面的作用， 其作用舰捧 有 ①两种水乳状液在土体 中接奠卮可 起反应生成 一种树脂或礴食构。 这些化台 物舷降低土体 的遗水性， 产生较强的怖 结 力， 使土韵强度大大增加a⑦两种水乳状 液在土体中只有一部分苯胺与糠蘸反应． 剩余的苯胺则回土颗粒吸收的培合钧中的 金属离子 Na 、 C a 2 等 技生 离子交 换 ． 形 成_r大 的水溶性 的有 机 阳离 子， 使 土颗 粒 免受水 的影响． 造 成土 的 吸水 能力和 膨 胀 性较宋娃抬土小得多． 因此 ， 用苯胺 糠醛喷 j 西矗瓣， 如同在 土颗粒 表 面涤上 一 层涤 覆 膜． 添加的阳离子越大， 数 量越多． 这种膜 就越厚 ． 作用越强 烈 ． 土的抗 水性 越 好， 越 穗 ， 4 培皤 随着开采棒度的 新增蟾． I天矿路 面行车扬尘的污染危害 日趋严重， 是导致 探 凹露天矿大气 污 染的 主要根 漂之 一， 因 此， 采取有效 措施 防浩路 面扬 生的 任 务十 分艰巨。圈土防尘方法作为一种l比较好的 防尘 方法 。 它能从根本 土舒瀹路蔼扬尘 ， 但 这种方法 与 自然条 件以及具体 矿山路面 固 土防尘方法设计时． 必须大量收亲基础赍 料． 选择最优方案进行工业试验． 以求稃更 适舍茸区精面的 固土鼹，尘方案。此l外， 这 种方法还可以用作水土保持豆 矿石堆 堆辱敬体防止细囊 粒飞扬的有教 精麓， 有 着广贬的应用颁域。 参考文献 1 王■宁． 士学位论文 ． 中I I | 工生太学。 1 9 9 4 2 毒童， 萱辑让 ． ●天r替矗一土瞄生方鸯 青色r 缸． i 9 ‘ ． 1 o L ● ， 育囊纛主 ． 群酉工藿 ． 置豪 人矗变■出簟鞋 簟 二麓 ． 1 9 帅 ． 纽 鬟毫主■ ． 土曩掌 每力掌 ． 托豪 岛空曩 出 脯赫 簟二麓 l 9 9 。 ． 1 作誊一舟 王■宁。 男 ． ， 1 ． *■ 【 收藕 胃确 1 ’ 9 6羊 1月 维普资讯