露天矿潜孔钻泡沫抑尘剂配方及试验研究

蒋仲安,姜 兰,陈举师

(北京科技大学教育部金属矿山高效开采与安全重点实验室,北京 100083)

露天矿潜孔钻泡沫抑尘剂配方及试验研究

蒋仲安,姜 兰,陈举师

(北京科技大学教育部金属矿山高效开采与安全重点实验室,北京 100083)

为有效降低露天矿潜孔打钻作业产生的大量粉尘,并解决湿式抑尘用水量大的问题,基于泡沫抑尘原理,从发泡性能及湿润性能两个方面来设计复配实验。以泡沫综合指数、表面张力、接触角及反向渗透吸重为指标,优选出最佳泡沫抑尘剂配方为α-烯烃磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基二甲基甜菜碱和椰子油单乙醇酰胺,各成分质量分数分别为0.15%,0.20%, 0.05%和0.50%。经现场试验,验证该配方的泡沫抑尘效果良好,在下风向5 m工作区域内全尘除尘率平均值为87.8%,呼吸性粉尘除尘率平均值为80.7%,明显优于喷雾降尘及干式除尘效果。

潜孔钻;粉尘;泡沫;抑尘剂;表面活性剂;露天矿

目前,我国的露天矿山打钻多采用潜孔钻机和牙轮钻机,据现场观测,潜孔钻机的产尘严重,现场粉尘污染明显,而且粒径分布范围广,既有小于5 μm的超细粉尘,是作业工人患尘肺病的病源隐患,又有几毫米直径的不规则大颗粒,对钻机及抑尘设备等磨损较大,不利于设备保养。目前采用的干式抑尘措施效果并不理想,尤其是对呼吸性粉尘效果甚微,而且有二次扬尘的问题。喷雾抑尘效果相对较好,但是用水量过大,且作业区域粉尘浓度依然无法达到作业标准[1-3]。于是,笔者研制一种适合潜孔钻机使用的泡沫抑尘剂,将有利于泡沫抑尘技术在潜孔钻作业时的推广,解决潜孔打钻粉尘浓度严重超标的问题,为作业人员提供良好的作业环境,具有重要的现实意义。

1 泡沫抑尘原理

泡沫抑尘就是将一定浓度和配比的泡沫抑尘剂,通过泡沫发生器产生大量泡沫,通过管道及喷嘴喷洒到尘源处,连续产生的泡沫体将尘源覆盖住,同时还能湿润粉尘并形成泥浆排出。另外,当泡沫遇到空气中悬浮的粉尘时,大量的泡沫粒子群与粉尘接触碰撞或黏附,将粉尘捕集下来[4]。

泡沫中气泡为分散相,液体为连续相,泡沫捕尘主要是靠截留、惯性碰撞、扩散、黏附、重力沉降等多种机理综合作用的结果。对于大直径粉尘,主要降尘机理为截留和重力;对于呼吸性粉尘,主要降尘机理为扩散、黏附等[5-9]。由于泡沫的总体积和总表面积较水滴大很多,所以捕尘效率也比喷雾除尘高[10-11]。

2 泡沫抑尘剂的配方优选

2.1 泡沫抑尘剂的发泡实验

通过表面张力实验在9种表面活性剂(十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、辛基苯酚聚氧乙烯醚、α-烯烃磺酸钠、十六烷基三甲基溴化胺、十二烷基二甲基甜菜碱、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和十二烷基二甲基氧化胺)中选出对表面张力较小的5种表面活性剂进行搅拌法发泡实验[12-15]。首先配备相应浓度的表面活性剂溶液 100 mL,在1 000 r/min转速下搅拌60 s,停止转动后立即读取所产生的泡沫体积(V0)来表示发泡能力[5]。然后记录泡沫体积消失一半所经历的时间(T1/2)为泡沫的半衰期,并作为稳定性的衡量指标。为方便实验标记,将十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、α-烯烃磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基二甲基甜菜碱顺序编号为A～E。

2.1.1 发泡剂正交复配实验

通过对比各单一发泡剂的FCI值,优选出该单一发泡剂的最佳发泡浓度进行复配。考虑到各发泡剂之间的交互作用,设计L16(215)有交互作用的正交实验表,表头设计见表2。另外考虑到这5种因素之间的交互作用,分别置于其他10列。

表1 各发泡剂的FCI值Table 1 FCI values of each foaming agent

表2 正交实验表头设计(质量分数,%)Table 2 The header of orthogonal design table

根据正交实验表所示的实验组合进行实验,其中1和2代表各自发泡剂的浓度水平1和水平2,结果见表3。

表3 发泡正交实验数据Table 3 Orthogonal experimental data of foaming test

由显著性检验可以得出,所有含A,B及AB的因子都是不显著的,也就是说所有不含A,B的因子都是显著因子,即C,D,E均为显著因子。通过均值比较,选出最优组合,见表4。

表4 显著因子的各水平均值Table 4 Average value of each levels of significant factors

通过表4中计算的各水平平均值,可以选出最优组合为C1D1E1,由于A,B为不显著因子,考虑到成本因素及程序最简化原则,选择B2A2组合,即发泡剂复配正交实验的最佳组合为A2B2C1D1E1。

2.1.2 添加稳泡剂实验

初步确定以最佳组合配方1(下文中简称配方1)及发泡体积最大的配方2(下文中简称配方2)作为发泡剂配方,添加稳泡剂(椰子油单乙醇酰胺、羧甲基纤维素钠和阴离子聚丙烯酰胺,编号分别为F,G和H)进行发泡实验,实验结果见表5。

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表5 添加稳泡剂实验数据Table 5 Experimental data after adding foam stabilizer

对比添加稳泡剂后的发泡实验结果发现:

(1)对于配方1,添加稳泡剂F之后的半衰期是未添加时的5.89倍,但是发泡体积减半;添加稳泡剂G后,半衰期延长165 min,发泡体积也减半;而添加稳泡剂H后,不仅半衰期减小至90 min,且发泡体积也减少了近3/4,发泡效果不佳。

(2)对于配方2,添加稳泡剂F大大延长了泡沫的半衰期,是未添加时的16倍,但是发泡体积也减少了2/5;添加稳泡剂G后,半衰期是未添加时的16.6倍,同时发泡体积几乎减半;而添加稳泡剂H后,半衰期增加了21 min,且发泡体积也减少了400 mL,发泡效果最差。

(3)综合考虑得出结论:配方2的综合发泡性能最佳,稳泡剂中的最佳效果为稳泡剂F,泡沫综合指数(FCI)几乎是未添加时的10倍。

2.2 泡沫抑尘剂的湿润性实验

2.2.1 表面张力实验

使用BZY界面张力仪,采用铂金板法分别对单一发泡剂及配方1、配方2、添加稳泡剂F的配方1 (下文中简称配方3)及添加稳泡剂F的配方2(下文中简称配方4)进行表面张力测定,每个结果测定3次取平均值,实验结果见表6。

表6 表面张力测定数据Table 6 Experimental data of surface tension

2.2.2 接触角实验

首先,将从现场取回的岩块依次使用颚式破碎机、辊式破碎筛分机和统一试验小磨进行破碎,使用200目标准筛筛分岩粉,得到粒径为75 μm以下的试样。然后,每次称量1 g试样岩粉在加压成型模具中,在YES-300的数显液压压力试验机上压成直径为16 mm的圆形试片。最后在JY-82接触角测定仪上测定接触角,并对全过程录像,截图在Image J软件中分析得出该浓度溶液的岩样接触角。

分别对单一发泡剂及各配方进行接触角测定,实验结果发现岩粉样片上的溶液液滴基本都在15 s内铺展,且接触角均小于10°,说明表面活性剂溶液对于岩粉的湿润性优良。

2.2.3 反向渗透实验

毛细管反向渗透是将装有粉尘的毛细管的一端附加渗透膜,粉尘通过渗透膜与液体接触,液体反向渗入粉尘,在计算液体上升速度的同时,通过称量粉尘柱的吸湿质量来表示粉尘的润湿性能。毛细管反向渗透湿润试验装置如图1所示。

图1 毛细管反向渗透实验装置示意Fig.1 Schematic diagram of reverse permeation experiment in capillary

首先,将岩尘分别筛取200目,每份10 g。然后,给每个玻璃管划刻度,并将其下端用胶布将透水滤纸封住玻璃管开口端;将10 g粉尘装入内径为5.5 mm的玻璃管中,为提高精度,将每个玻璃管内的粉尘都振实至相同的高度。计时开始的同时,将装好粉尘的玻璃管插在试剂溶液中,每间隔1 min称量一次试管的质量。配好相应浓度比例的配方及配方中的单一表面活性剂溶液,每组做3次实验,取平均值。实验数据如图2所示。

图2 岩样吸重曲线Fig.2 Diagram of liquid-injection weight of rock sample

由上述发泡实验及湿润性实验可以看出:复配后的泡沫抑尘剂发泡性能及湿润性能均优于各单一表面活性剂,且配方2优于配方1,故最佳泡沫抑尘剂配方为配方4(A∶D∶E∶F=0.15∶0.20∶0.05∶0.50)。

3 现场应用

试验地点为某露天矿KQ-200潜孔钻机,矿石普式硬度F=8～12,岩石普式硬度F=8～10,矿石密度3.24 t/m3,岩石密度2.7 t/m3,属较易磨选矿石。泡沫抑尘装置现场装配如图3所示。

图3 泡沫抑尘装置现场装配Fig.3 On-site schematic diagram of foaming dust removal system

通过调节气压和水压,在气压0.7 MPa左右、气水比为50左右条件下,产生的泡沫细腻均匀,且稳定性好。对比泡沫抑尘、水雾抑尘及干式抑尘的降尘效果,全尘除尘率及呼吸性粉尘除尘率如图4所示。

图4 不同除尘措施下的粉尘全尘和呼吸性粉尘除尘率对比Fig.4 Comparison of total dust and respirable dust removal efficiency between different dust remove measures

由试验结果可以得出:

(1)干式除尘措施条件下,全尘除尘率平均值为46.4%,在下风向5 m工作区域内除尘率平均值为48.7%;呼吸性粉尘除尘率平均值为48.6%,在下风向5 m工作区域除尘率平均值为52%,效果不佳。

(2)喷雾除尘措施条件下,全尘除尘率平均值为69%,在下风向5 m工作区域内除尘率平均值为78%,效果较干式除尘好;呼吸性粉尘除尘率平均值为62.3%,在下风向5 m工作区域除尘率平均值为69.4%,效果一般,有待提高。

(3)泡沫除尘措施条件下,全尘除尘率平均值为77.5%,在下风向5 m工作区域内除尘率平均值为87.8%;呼吸性粉尘除尘率平均值为70.8%,在下风向5 m工作区域除尘率平均值为80.7%,降尘效果良好。

(4)泡沫抑尘效果优于喷雾抑尘,干式抑尘效果最差。而且由于泡沫稳定性较好,二次扬尘现象也得到了有效抑制。

4 结 论

(1)采用搅拌发泡法,以结合发泡量与半衰期的泡沫综合指数(FCI)为衡量标准,得出了两个相对最优的泡沫抑尘剂配方。

(2)通过一系列湿润性实验,测定泡沫抑尘剂的表面张力、接触角及反向渗透吸重,得出最优泡沫抑尘剂配方为添加稳泡剂F的配方2(A∶D∶E∶F= 0.15∶0.2∶0.05∶0.5)。

(3)经现场实验验证,该配方的泡沫抑尘效果良好,在下风向5 m工作区域内全尘除尘率平均值为87.8%,呼吸性粉尘除尘率平均值为80.7%;明显优于喷雾降尘及干式除尘效果,有推广应用价值。

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Experimental study on foam dust suppression during downthe-hole drilling in open-pit mine

JIANG Zhong-an,JIANG Lan,CHEN Ju-shi

(The Key Laboratory of Ministry of Education for High Efficiency Exploitation and Safety of Metal Mine,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

In order to efficiently reduce the dust concentration during down-the-hole drilling in the open-pit mine,and to solve the problem of the great use of water with moist dust removing method,based on the foam dust suppression mechanism,the experimental methods for the complex of dust depressor were designed from two parts of foaming and wetting.Taking the comprehensive foaming index,surface tension,contact angle and the weight of reverse permeation as measurement indexes,the best formula was obtained and the mass fraction of Sodium alpha-olefin sulfonate,Sodium Alcohol Ether Sulphate,Dodecyl dimethyl betaine and Coconut Monoethanol Amide were respectively 0.15%, 0.20%,0.05%and 0.50%.At last,according to field tests,the average suppression rates of total dust and respirable dust were 87.8%and 80.7%in 5 m working area,which were much more effective compared to those of dry and water dedusting.

down-the-hole drilling;dust;foam;dust depressor;surfactant;open-pit mine

TD714

A

0253-9993(2014)05-0903-05

蒋仲安,姜 兰,陈举师.露天矿潜孔钻泡沫抑尘剂配方及试验研究[J].煤炭学报,2014,39(5):903-907.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1344

Jiang Zhongan,Jiang Lan,Chen Jushi.Experimental study on foam dust suppression during down-the-hole drilling in open-pit mine[J].Journal of China Coal Society,2014,39(5):903-907.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1344

2013-09-16 责任编辑:毕永华

浙江省科技计划资助项目(2011C23063);国家自然科学基金资助项目(51274024)

蒋仲安(1963—),男,浙江诸暨人,教授,博士生导师。E-mail:jza1963@263.net。通讯作者:陈举师(1987—),男,贵州毕节人,博士研究生。E-mail:chenjushi@163.com