郑源臻李庆钊代华明阮马良赵明哲王 可

(1.中国矿业大学安全工程学院,江苏省徐州市,221116; 2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,221116)

★煤矿安全★

沉积煤尘层表面渗透润湿模型的试验研究∗

郑源臻1,2李庆钊1,2代华明1,2阮马良1,2赵明哲1,2王 可1,2

(1.中国矿业大学安全工程学院,江苏省徐州市,221116; 2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,221116)

采用光学法液滴形态分析(DSA)系统,研究了不同表面活性剂液体对沉积煤尘层的润湿过程。在分析润湿机理的基础上,建立了沉积煤尘层表面的渗透润湿模型,并用接触角试验数据进行验证。结果表明,液体在沉积煤尘上发生明显渗透作用,表现为接触角迅速减小,直到减小到零。模型拟合的相关系数均大于0.92646,说明用该模型描述润湿剂在沉积煤尘层表面的渗透润湿过程具有较好的效果。

沉积煤尘 润湿模型 渗透作用 接触角

煤尘是煤炭开发利用过程中最重要的污染物。井下飞扬的煤尘不仅危害工人的身体健康,也可能引发严重的安全事故。为了解决煤尘问题,近些年,使用化学抑尘剂控制粉尘的固化技术越来越受到重视。固化抑尘技术是通过在沉积煤尘层表面喷洒化学抑尘剂,增加水对煤尘的润湿能力,迅速渗透沉积煤尘的表层并凝结固化,形成连续完整的软膜或者硬壳,把粉尘颗粒限制在固化层内,防止粉尘飞扬。

由于化学抑尘剂的广泛运用,很多学者已经开始研究表面活性剂对煤尘的润湿行为,也构建了相应的润湿动力学模型。但是现有模型并不能很好反映润湿剂对沉积煤尘层的润湿过程。在对沉积煤尘层润湿时,应该考虑到沉积煤尘层的颗粒结构并不致密,渗透作用应该占据整个润湿过程的主导作用,使得液滴迅速完全渗入粉尘层。为了更好反映现场实际效果,建立了专门针对沉积煤尘层的表面渗透润湿模型,并通过DSA型光学法液滴形态分析系统测定试验数据进行验证。

1 沉积煤尘的润湿渗透机理分析

本研究的目的是为了进一步强化固化抑尘技术。固化抑尘技术是一种综合利用物理法和化学法的抑尘方法,有如下3种作用机理:

(1)凝并成壳作用机理,利用抑尘剂中的增粘剂、凝并剂迅速增加降尘颗粒之间的粘结性能,同时增加强度,使沉积煤尘层的表面形成一层固化层;

(2)粘结成膜作用机理,利用成膜性良好的聚合物形成覆盖沉积煤尘表面的完整软膜;

(3)保水作用机理,通过抑尘剂内的吸湿剂、保水剂抵抗水分蒸发流失,保持沉积煤尘的湿度,阻止粉尘飞扬。

从液体对煤尘润湿的角度分析,当润湿剂或者水等液体喷洒在沉积煤尘层的表面时,会发生两个主要润湿过程:液体沿着粉尘层表面开始横向扩散作用,表现为接触角逐渐减小;液体垂直粉尘表面纵向渗透作用,表现为接触角急剧减小。

常见的对密实煤尘层润湿过程中,接触角随时间变化会越来越小,最后达到一个平衡接触角。但对象是沉积煤尘时现象则有所不同,由于沉积煤尘层的形成没有外力加压或者外部压力因素影响较小,粉尘不会形成如同煤体一样的致密结构,而是成为具有较大孔隙容易渗透的粉尘层。较大的孔隙结构出现在煤尘表面,使得液体容易通过孔隙直接渗入粉尘层,表现为液体滴在粉尘表面上时,纵向渗透作用将占据主导作用,横向扩散作用起次要作用,最终使得液滴迅速渗入粉尘层,液体与煤尘表面的接触角迅速降为零。

2 沉积煤尘层表面润湿渗透模型的建立

研究表明,当润湿剂溶液滴在沉积煤尘层表面时,液滴与沉积煤尘层表面形成的接触角会迅速降低,随着时间推移这个接触角下降幅度也会减少,最后由于液滴完全渗入煤尘,导致接触角降为零。

在此过程中,对于理想的沉积煤尘层表面,润湿剂与煤层的接触角变化的数学模型为:

式中:K(t)——接触角变化率,(°)/s;

t——润湿时间,s;

θ——接触角,(°)。

假设液滴与沉积煤尘层表面的初始接触角为θ0,完全渗透润湿时的时间为tg,此时K(t)＝Ke。

因此K(t)满足:当t＝0时,θ＝θ0,K(t)＝K;当t＝tg时,θ＝0,K(t)＝Ke。经过计算化简,K(t)可以表示为:

式中:K——开始渗透时接触角变化率,(°)/s;

Ke——完全渗透时接触角变化率,(°)/s。

将式(2)代入式(1),通过积分和整理,再代入上面的已知条件简化,沉积煤尘层表面润湿渗透过程方程可以表示为:

式中:θ0——初始接触角,(°);

tg——完全渗透时间,s。

3 润湿渗透模型的试验验证

3.1 接触角的测定方法

使用769YP－15A粉末压片机可以准确控制压片压力,选用适当粒径的煤尘压制成符合要求的粉尘层。本试验中采用新疆神华煤矿某采区的80～100目的煤尘,在6 MPa的小压力下制得压片,所得压片有较大的孔隙结构,也有比较光滑平整的粉尘表面,可以有效模拟真实的沉积煤尘层。试验装置和压片如图1所示。

图1 粉末压片机与压片

使用DSA型光学法液滴形态分析系统测试接触角。DSA分析系统可以利用悬滴法测试液滴的表面张力,也可以利用躺滴法动态跟踪液滴在试样表面的变化过程,包括接触角随时间的变化过程,操作简单,精度高,具备录像和截图功能,可以有效测定试验数据,接触角测量范围为0°～180°。

图2为连续拍摄的去离子水、0.16%烷基多糖苷表面活性剂溶液对沉积煤尘层渗透润湿的试验图像。由图2可以看出,去离子水几乎不发生润湿过程。而表面活性剂溶液滴落在煤尘层表面上时,会在煤尘层表面处形成初始接触角;由于制得的煤尘压片容易渗透,随着时间推移接触角会一直发生变化,最终接触角降为零。

图2 接触角随时间的变化

利用这个方法,分别测试0.05%、0.1%、0.2%十二烷基苯磺酸钠(简称SDBS)和0.04%、0.08%、0.16%烷基多糖苷(简称APG)两种表面活性剂溶液在特定沉积煤尘层表面上的接触角数据。

3.2 润湿渗透模型的验证

对实际得到的试验数据进行模型验证,将渗透润湿方程即式(3)定义为拟合曲线公式,根据试验测定的接触角数据确定初始接触角θ0和润湿时间tg,将参数值代入软件进行曲线拟合,最后可得到拟合曲线图、具体渗透润湿方程、拟合曲线K值和拟合曲线决定系数R2。结果如图3和表1所示。

图3 不同浓度表面活性剂在特定沉积煤尘层表面的润湿拟合曲线

表1 渗透润湿模型回归数据

其中拟合曲线决定系数R2可以衡量拟合曲线与实际数据的拟合程度,其值越接近1,说明拟合效果越好。

从图3和表1中可以看出:

(1)各条曲线的决定系数均大于0.9265,最高时可达0.9957,拟合效果较好,说明所建立的模型是有效的,可以较好模拟液滴在沉积煤尘层表面的润湿和彻底渗透过程。

(2)当使用去离子水滴在沉积煤尘表面,不发生润湿。当加入各类活性剂后,初始接触角迅速降低,液体开始发生明显的润湿渗透。且随着浓度的增加,初始接触角明显减小。

(3)液体对沉积煤尘的渗透润湿效果可以通过K值或者润湿时间直观反映。对于SDBS溶液,润湿效果随着浓度增加先增大后减小,当浓度为0.1%时润湿的效果最好,K值最大,为127.5;对于APG溶液,润湿效果随着浓度增加而增加,当浓度为0.16%时润湿效果最好,K值越大,为46.95。

(4)K越大,说明渗透作用的效果越好,润湿时间也就越小。但K反映的是润湿剂与特定沉积煤尘层共同作用的结果,不能单纯反映润湿剂的润湿效果。比如0.05%SDBS和0.04%APG对沉积煤尘层的初始接触角接近,但K值则有巨大差异。

(5)该模型也存在一定问题,比如拟合润湿时间总是低于实际润湿时间,末期拟合曲线明显误差较大。所以该模型还需要进一步改进。

4 结语

根据煤尘润湿机制和沉积煤尘层的特点,建立了液体对沉积煤尘层表面的渗透润湿模型。润湿渗透的效果可以用K或者润湿时间tg直观反映。试验记录了几种不同浓度表面活性剂溶液在特定沉积煤尘层表面的接触角变化情况,并用构建的模型进行拟合。该模型考虑到了沉积煤尘层颗粒结构并不致密,液体渗透作用将占据整个模型的主导作用。结果表明,该模型可以较好反映液体在沉积煤尘层表面的渗透润湿过程。该模型的建立为渗透固化抑尘技术提供了理论基础,为相关化学抑尘剂的开发提供了参考。

[1] 黄群,李文凯等.浅谈矿井煤尘的防治方法[J].中国城市经济,2011(17)

[2] 白向兵,刘建等.城市扬尘污染和抑尘剂研究现状及展望[J].陕西理工学院学报(自然科学版), 2005(4)

[3] 李增高,丘飞程.控制扬尘污染措施探讨[J].山东环境,2002(1)

[4] 刘生玉,苏立红等.散料表层渗透固化机理及技术应用研究[J].煤炭学报,2011(S1)

[5] 吴超.化学抑尘[M].长沙:中南大学出版社, 2003

[6] 刘生玉,李雪辉等.控制煤尘污染固化剂的研制[J].中国煤炭,2010(4)

[7] 杨静,刘丹丹等.化学抑尘剂的研究进展[J].化学通报,2013(4)

[8] 杨静,谭允祯等.煤尘润湿动力学模型的研究[J].煤炭学报,2009(8)

[9] 李庆钊,林柏泉等.矿井煤尘的分形特征及对其表面润湿性能的影响[J].煤炭学报,2012(S1)[10] Li Q.Z.,Lin B.Q.,Zhao S.et.al.Surface physical properties and its effects on the wetting behaviors of respirable coal mine dust[J].Powder Technology,2013(1)

[11] 陈汝栋,于延荣.数学模型与数学建模[M].北京:国防工业出版社,2006

[12] 韩国强.数值分析[M].广州:华南理工大学出版社,2005

Experimental study on wetting and permeating model of fallen coal dust surface

Zheng Yuanzhen1,2,Li Qingzhao1,2,Dai Huaming1,2, Ruan Maliang1,2,Zhao Mingzhe1,2,Wang Ke1,2
(1.School of Safety Engineering,China University of Mining&Technology, Xuzhou,Jiangsu 221116,China; 2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining&Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China)

Wetting process of the different surfactant liquid to the fallen coal dust was studied by adopting the droplet shape analysis(DSA)system of optical method.The wetting and permeating model of fallen coal dust surface was established and verified by means of contact angle data on a basis of wetting mechanism analysis.The result shows that the surfactant liquid has obviously permeation effect on the fallen coal dust,presenting that the contact angle rapidly reduced,until to zero.The correlation coefficient of fitting model is higher than 0.92646,which shows that the model can well describe the wetting process of the wetting agents to the fallen coal dust.

fallen coal dust,wetting model,permeation effect,contact angle

TD714

A

郑源臻(1990－),男,硕士研究生,主要从事粉尘防治技术方面的研究。

(责任编辑 张艳华)

国家自然科学基金资助项目(51204169),江苏省自然科学基金资助项目(BK20131115)