煤矿井下磁化水与表面活性剂高效协同降尘技术

秦波涛，周 群，李修磊，王 俊，王怀增，丁仰卫

(1.中国矿业大学 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏 徐州 221116; 2.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116; 3.山东鲁泰控股集团有限公司 鹿洼煤矿，山东 济宁 272000)

煤矿井下磁化水与表面活性剂高效协同降尘技术

秦波涛1,2，周 群1,2，李修磊3，王 俊1，王怀增3，丁仰卫3

(1.中国矿业大学 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏 徐州 221116; 2.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116; 3.山东鲁泰控股集团有限公司 鹿洼煤矿，山东 济宁 272000)

为更有效地防治井下易于飘散的小粒径粉尘，基于表面活性剂与磁化协同降尘理论，通过溶液表面张力、接触角性能测试实验，研究了磁化对溶液湿润降尘性能的影响，研发了一种能与磁化发生良好增效作用的活性添加剂，研究得出磁化与活性剂耦合作用能提高溶液湿润粉尘性能的最佳磁化参数,即磁场强度350 mT、水流速度4 m/s，并以此结合脉动切割磁化与螺旋扰流的高效磁化原理，发明了一套井下降尘用活性磁化水的高效磁化装置及系统，经现场应用表明:0.03%复配活性剂溶液经高效磁化装置在最佳磁化参数的脉动切割磁化作用下，其降尘能力提高9%以上;相对于现有水喷雾降尘技术，该新型降尘技术对井下全尘及呼尘的除去效率分别提高了31.79%，44.94%，改善了井下工作环境。

综采工作面;粉尘;活性磁化水;磁化装置;降尘效率

煤炭是我国的主要能源，随着采掘机械化水平的不断提高，煤矿井下粉尘产生量也日益增大，尤其在采掘工作面生产作业过程中，粉尘浓度常常达到1 000 mg/m3以上[1]，对井下职工的身心健康造成极大威胁，煤矿每年因尘肺病死亡的人数已超过其他所有煤矿事故死亡人数的总和[2-3]。此外，我国85%左右煤矿煤尘具有爆炸危险性，一旦发生粉尘爆炸事故，将造成重大人员伤亡及经济损失[4]。因此，煤矿井下粉尘防治是煤矿安全生产与职业健康迫切需要解决的重大问题。

目前，国内外学者对煤尘防治开展了大量的理论及技术研究[5-7]，特别是针对煤矿降尘应用最为广泛的水除尘技术方面;虽然取得了较好的降尘效果，但由于煤尘高疏水性的特点，煤矿井下粉尘仍未得到很好的抑制。为改善水对煤尘的湿润性能，表面活性剂得到了大力发展，虽然利用自身所具有的活性基团高效改善了水湿润煤尘的能力，但其降尘添加浓度较大[8-9]，致使使用成本过高，限制了此项技术在井下的推广应用。此外，水磁化处理技术近年来受到人们越来越多的关注，研究表明磁化能使水的理化性质发生变化，较大幅度提高水喷雾降尘效率[10-11]。虽然磁化水降尘是一种环保、低成本的技术，但仅仅依靠磁化水仍不能有效解决井下粉尘问题，因为单纯磁场磁化改善水湿润性能的能力是有限的[12]。

为了发挥现有表面活性剂与磁化在降尘方面的优势，本文提出了一种新型活性磁化水降尘技术，将提高水湿润性能的化学改变法(表面活性剂)与物理改变法(磁化)有机结合，增强溶液湿润降尘性能并降低使用成本，该技术所使用的新型复配活性添加剂仅为除尘用水量的0.03%;此外，针对传统磁化装置磁场强度不均衡、稳定性差的问题，基于脉动切割磁化及螺旋扰动的耦合磁化原理，发明了一种适用于煤矿井下狭小空间环境的活性磁化水产生系统及装置;通过现场应用表明，该新型降尘技术能有效降低井下粉尘浓度，改善工作环境。

1 实 验

1.1 实验材料及装置

在选用表面活性剂时，考虑到煤尘一般带有负电荷，如果采用阳离子活性剂，当其与煤尘接触时，带正电荷的亲水基与带负电荷的煤尘结合，疏水基排布在溶液表面，煤尘不易被溶液湿润，因此，煤矿井下降尘一般不采用阳离子及两性表面活性剂。同时考虑表面活性剂应具有不易燃、无刺激性气味、易溶于水、能高效改善溶液湿润性能等的特性，本文选取了7种常用活性剂(表1)来进行单体活性剂的优选及复配，材料均采购于山东临沂绿森化工有限公司;永磁铁生产于上海正国磁铁有限公司，尺寸为60 mm×40 mm×4 mm;压片所用煤样为1/3焦煤，取自鹿洼煤矿，压碎至325目以上。本文所使用的实验仪器主要包括JYW-200B型表面张力仪(河北承德试验仪器厂)、JGW-360B型接触角测定仪(承德市成惠试验机有限公司)、FY-24型压片机(天津市思创精实科技发展有限公司)、TM-701型高斯计(KANETEC，日本)、粉尘采样仪(北京中诺远东科技有限公司)。

表1初选单体表面活性剂
Table1Choosingsurfactantsusedtotheoptimalexperimentsofsurfactants

名称简称类别价格/(元·kg-1)十二烷基苯磺酸钠(工业级)SDBS阴离子2.0十二烷基硫酸钠SDS阴离子12.0脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠AES阴离子12.5拉开粉BX阴离子20.0脂肪酸甲酯乙氧基化物FMEE非离子15.0脂肪醇聚氧乙烯醚AEO非离子19.0壬基酚聚氧乙烯醚NP-10非离子25.0

1.2 实验设计

(1)传统表面活性剂虽然降尘效果较好，但存在使用量大、成本高的缺点，无法在井下大范围应用。为了达到高效降尘的目的，同时也为了克服传统活性剂的不足，对所选表面活性剂通过表面张力实验进行单体优选及复配实验研究，确定所需单体活性剂的种类，并结合接触角实验，最终确立制备活性磁化水所需活性剂的最优复配方法。

(2)活性磁化水是由含有一定浓度表面活性剂的溶液垂直穿过磁场获得的，其性能的好坏与磁场参数的设定有关，如穿过磁场的水流速度、磁场强度。因此，为了研究磁化与活性剂两者间的耦合作用，获得最优磁化参数来设计活性磁化水产生装置，对不同水流磁化速度、磁场强度作用条件下溶液所具有的表面张力、接触角进行实验研究。

2 实验结果与分析

2.1 单体活性剂的优选

对大部分表面活性剂溶液来说，其所具有的表面张力越小，接触角也就越小，煤尘的湿润性就越好。因此，为了获得湿润性较好的单体活性剂，对不同质量分数活性剂溶液的表面张力进行研究，实验结果如图1所示。

图1 活性剂溶液表面张力随质量分数的变化趋势Fig.1 Surface tension change of surfactant solution as a function of mass fraction

如图1所示，在一定活性剂质量分数范围内，所选择的7种活性剂溶液表面张力随质量分数的增加，其数值大幅度降低。所选大部分活性剂在质量分数达到一定数值(0.05%)后，溶液表面张力变化趋于平稳。此外，对比不同活性剂溶液表面张力可以得出，BX对溶液表面张力作用效果较弱;活性剂SDBS与SDS对溶液表面张力作用效果较为接近，但是结合表1所列出的成本，SDS的使用成本较SDBS有了明显的提高。同时对比非离子活性剂对溶液性能的影响，NP-10相对于其他2种非离子活性剂，作用效果较差且使用成本较高。因此，在实验研究的基础上，结合易获取、价格低廉、能高效改善溶液湿润性能的原则，从中剔除了一部分活性剂，如无法高效改善溶液湿润性能的BX，虽然对表面张力作用效果较好，但其降尘成本较高，不利于煤矿长期使用的SDS和NP-10。最终，优选出了4种活性剂进行两两间的复配实验，即阴离子活性剂SDBS，AES，非离子活性剂FMEE，AEO。

2.2 新型活性磁化水添加剂的研制

2.2.1活性剂复配实验研究

通过对不同质量分数活性剂溶液表面张力的测定，可以得出在活性剂质量浓度0.05%时溶液表面张力已趋于最小值，考虑到复配活性剂增效效应的存在，可能会使活性剂临界胶束浓度变得更小，因此为了便于比较活性剂复配效果，设定复配活性剂质量浓度为0.03%，采用2种单体活性剂质量比5∶1的形式分别配制12种复配活性剂溶液。

与单体活性剂溶液相比，大部分复配活性剂溶液表面张力都呈现下降的趋势，这说明复配得到的溶液具有更强浸润煤尘的能力;同时对比表2数据得出，SDBS:FMEE复配活性剂溶液表面张力较低，与湿润性更好的AES:FMEE，FMEE:AEO复配溶液的表面张力相差不大，但其使用成本要低很多;同时在复配实验中发现，高浓度液体AEO，AES活性剂在水溶液中溶解速度较慢，不利于复配实验，因此，最终选择SDBS与FMEE来开展系统的复配溶液性能测试实验。

表2复配活性剂表面张力测试值
Table2Surfacetensionofthecompoundingsolution

复配活性剂表面张力/(mN·m-1)复配活性剂表面张力/(mN·m-1)SDBS:AES34.63FMEE:SDBS30.88SDBS:FMEE30.24FMEE:AES32.11SDBS:AEO36.53FMEE:AEO29.78AES:SDBS33.58AEO:SDBS33.56AES:FMEE29.87AEO:AES32.78AES:AEO32.47AEO:FMEE32.01

2.2.2新型活性磁化水添加剂的确立

为获得一种高效、低成本降尘用表面活性剂，实验室优选了阴离子活性剂SDBS与非离子活性剂FMEE来进行不同质量比及质量分数条件下的复配溶液湿润性能研究，实验结果如图2，3所示。

图2 不同阴-非活性剂质量比对溶液表面张力的影响Fig.2 Surface tension change of solution against mass ratio

图3 不同配制条件下溶液湿润性能变化趋势示意Fig.3 Feature changes of solution under the various conditions

如图2所示，随着活性剂SDBS，FMEE间质量比的变化，其溶液表面张力发生了不同程度地改变，这是由于不同种类活性剂与水结合的形式不尽相同，当阴-非离子表面活性剂发生混合时，阴-非活性剂亲水基吸附方式间会发生协同增效作用，即阴离子活性剂亲水基由于库伦斥力的存在使得SDBS在溶液界面所形成的隔离层较为疏松，当与FMEE混合后，FMEE所具有的亲水基会插入SDBS活性剂在溶液表面所形成的亲水基团簇空隙中，使表面活性剂在气-水界面所形成的亲水基层变得更加致密，进一步减少空气与溶液的接触[13-14]，使得复配活性剂溶液具有更小的表面张力。从图2还可得出，当阴-非复配质量比低于5∶1后，表面张力趋于平稳并有小幅度地升高。因此，为使溶液具有最优湿润降尘性能，确定溶液阴-非活性剂最佳质量比为5∶1。

如图3(a)所示，在一定质量分数范围内，所选单体及复配活性剂溶液表面张力随活性剂质量分数的增加而大幅减小，且复配活性剂C在质量分数0.03%时，其表面张力趋于最小值，而单体活性剂SDBS，FMEE溶液最小表面张力值则出现在0.05%附近，相比较可以得出复配活性剂C在阴-非活性剂相互作用下，其临界胶束浓度比单体活性剂SDBS，FMEE降低了40%左右，极大降低了降尘用活性剂的使用量及成本;同时也验证了以上所提到的活性剂SDBS与FMEE间的复配增效性能。除此之外，为了进一步验证复配活性剂C对煤尘所具有的强湿润性能，选取0.03%的活性剂SDBS，FMEE,C溶液分别进行了接触角测试实验，并选取了10 s时刻接触角图像来进行对比(图3(b))，得出在单体活性剂SDBS与FMEE增效作用下，其复配得到的活性剂C对煤样具有极好的湿润性能，其接触角有了较大幅度地降低。综合上述，由单体活性剂SDBS，FMEE复配得到的活性剂C能高效湿润沉降煤尘且考虑到经济成本，其最佳降尘使用量确定为喷雾降尘用水量的0.03%。

2.3 活性磁化水协同作用及装置设计研究

2.3.1活性磁化水协同增效作用研究

表面活性剂对水性能的改变主要是通过其具有的活性基团在水表面形成隔离层来实现的，该方式可以说是化学方式改变法;而出于经济和长期使用的原则，通过查阅相关文献及结合大量实验发现，水在磁场作用条件下，其所具备的某些性能，如表面张力、湿润性也会发生不同程度地变化[15-16]，因此本文设想:磁场能增强溶液的湿润降尘性能。为了验证磁化与活性剂两者间的协同降尘效应，将对0.03%复配活性剂溶液C开展不同磁场强度、水流磁化速度条件下溶液湿润性能研究，其实验结果如图4所示。

图4 溶液性能随不同磁化作用的变化Fig.4 Effect of various magnetic conditions on solution characteristics

如图4所示，在一定的磁场强度及水流速度范围内，0.03%复配活性剂溶液所具有的性能(表面张力、接触角)在磁化作用下均呈现出了下降的趋势，这主要是因为活性剂与磁化间具有协同增效作用，即活性剂溶液通过自身携带的活性基团在溶液界面形成亲水基层来隔绝溶液与空气的接触，进而改善溶液湿润性能;而磁化可通过破坏分子间的氢键来降低溶液黏聚力，使活性剂溶液降尘能力增强。通过氢键连接，水溶液分子一般以分子团簇形式存在，使得溶液黏聚力较大而不利于溶液的铺展。然而这种氢键在溶液分子运动的作用下，总是处在不断破裂与形成这一可逆过程中;当活性剂溶液穿过磁场时，由于在外磁场的作用下，溶液分子运动加剧，溶液内部分子结构所含有的氢键更易于发生断裂，使得分子团簇结构变为小的分子集团，降低了溶液黏聚力，溶液在固体表面铺展能力增强，进而提高了溶液对粉尘的湿润性能[12,17-19];同时从上述实验测试结果还可得出，在磁场强度350 mT、水流磁化速度4 m/s时，活性剂溶液所具有的性能(表面张力、接触角)趋于最优化，即表面张力降至28.07 mN/m，较非磁化溶液降低了7.2%，接触角也减小到27.02°。然而，当超过上述最佳磁化参数后，所测活性剂溶液的表面张力及接触角反而呈现出增加的趋势，究其原因，在超过最佳磁化作用下，部分阴离子活性剂亲水基逃离水分子表面，造成阴-非离子活性剂分子与水分子之间的吸附排布方式发生改变，致使空气与活性剂溶液间的隔离层发生松动，使得阴-非活性剂的协同作用减弱，进而降低了溶液湿润粉尘的能力，如图5所示。因此，为使降尘用活性磁化水具有最佳的湿润性能，其最佳磁化参数应设置为磁场强度350 mT、水流速度4 m/s。

图5 过度磁化对表面活性剂在气-液界面吸附方式的影响Fig.5 Effect of excessive magnetization on the adsorption method of surfactant on the gas-liquid interface

2.3.2磁化装置结构设计

虽然磁场磁化能增强活性剂溶液湿润降尘性能，但现有大部分磁化器主要应用于水净化处理领域，并不是以改善溶液湿润性能作为技术评价指标，且存在磁场强度不均衡、稳定性差，磁化能力弱的问题，无法有效提高喷雾降尘用水的湿润性能。因此，为便于井下现场降尘用活性磁化水的制备，在上述所得新型活性剂及活性磁化水最佳磁化参数的基础上，发明了一种适用于制备煤矿井下降尘用磁化水的高效磁化装置，其结构如图6所示。

图6 高效磁化装置结构Fig.6 Structure of an efficient magnetic apparatus(a)磁化装置横截面;(b)磁化装置外部磁铁排布方式;(c)磁化装置水流内部螺旋结构

基于独特的磁铁排布形式及水流磁化通道设计，该新型磁化装置形成了一套高效的水磁化方法。如图6(a)，(b)所示，该磁化装置内外磁铁采用交错式排布，这种排布形式相对于现有磁化器所普遍采用的单一磁场布置，能形成具有强弱交替且较为稳定的300～350 mT强磁场环境，实现了对水流持续有效的脉动切割磁化，使流经的溶液获得良好的磁化效果。此外，该装置内部水流通道采用螺旋推进结构设计，如图6(c)所示，一方面该结构设计增加了水流磁化的路程，另一方面使水的湍流度增加;水流在螺旋推进磁化过程中，相对于一般直流式磁化通道来说，更益于水流的均匀磁化;为了能获得具有较好湿润粉尘性能的活性磁化水，根据所需处理的水流量以及上述实验研究所确定的最佳水流磁化速度确立了该磁化装置内部螺旋推进结构的螺距大小为50 mm。

基于以上磁化方法及原理，发明了一种高效的水溶液磁化装置，为了进一步验证该新型磁化装置在改善水湿润性能方面的优越性，与现有直通式磁化器进行了对比测试实验，结果表明:新型磁化器改善溶液湿润性能的能力相对于现有磁化器有了大幅的提高，如图7所示。

图7 不同磁化装置作用下水性能对比测试Fig.7 Comparative experiment of water features under the effect of various magnetic devices

2.4 活性磁化水产生系统及工艺

为适应煤矿井下狭窄的工作环境及高效制备活性磁化水，笔者所在团队研发了一套井下降尘用活性磁化水产生系统，该系统主要包括活性剂添加装置、混合装置、喷雾加压装置、磁化装置4部分(图8(a))。由于活性磁化水所需表面活性剂用量仅为降尘用水量的0.03%，因此为了实现小剂量活性剂的准确添加，在应用过程中需先配制5%的浓溶液，根据工作面除尘用水量，采用玻璃转子流量计与定量泵双向调节的方法来准确添加所需的表面活性剂浓溶液;浓溶液与降尘用水通过静态混合器内部风叶旋转结构的充分混合，得到降尘用0.03%活性剂水溶液，由于降尘水在水压3～4 MPa时才能形成较好的水雾环境，因此0.03%水溶液需先经喷雾泵加压获得喷雾所需的稳定水压;其高压水溶液通过磁化装置的高效磁化处理，形成具有强湿润性能的活性磁化水，最后经采煤机所布置的喷雾装置形成小粒径雾滴，实现活性磁化水的高效捕尘，现场应用如图8(b)，(c)所示。

图8 活性磁化水产生系统及工艺Fig.8 Schematic diagram of surfactant-magnetized water generation system and process

3 现场应用

山东鲁泰控股集团有限公司鹿洼煤矿随着煤矿井下采煤机械化水平的提高，该矿工作面粉尘量大幅度增加，现有降尘技术已无法满足要求，致使煤矿井下职工的身心健康及企业安全生产时刻受到粉尘的威胁，为了对煤矿井下粉尘进行有效地防治及进一步验证该新型降尘技术的作用效果，在23下012采煤工作面应用了活性磁化水高效降尘技术。

采煤机正常割煤的情况下，按照国家标准(GB5748—85，MT79—84)确定试验工作面的粉尘采样点为采煤机司机处、采煤机下风侧10，20，30，50 m及回风巷距回风隅角20 m六个测点，同时根据国标GBZ/T 192.1—2007《工作场所空气中粉尘测定》，使用AKFC-92A型矿用粉尘采样器对各个测点的全尘及呼尘浓度进行测量，每个测点测量3次，取平均值，其测点粉尘浓度见表3。

表3不同喷雾降尘技术条件下粉尘浓度
Table3Dustconcentrationbeforeandafterapplyingdifferentdustcontroltechnologiesmg/m3

测点未喷雾全尘呼尘水喷雾全尘呼尘磁化水全尘呼尘活性水全尘呼尘活性磁化水全尘呼尘采煤机206.4100.2094.9470.1578.4353.859.333.9041.9024.95煤机下10m262.9144.60128.8097.9392.0162.165.246.7243.4028.10煤机下20m224.9130.70115.7086.3087.1054.356.341.3330.7017.39煤机下30m237.7138.3099.8380.2287.9559.157.139.1026.3019.74煤机下50m203.7115.10100.7065.0872.1045.845.232.0529.2515.83回风巷90.370.4540.3035.3030.9028.320.319.5414.1010.85

式中，η为喷雾降尘效率，%;C为未采取喷雾降尘技术所搜集到的粉尘浓度，mg/m3;c为采取喷雾降尘技术后所采集到的粉尘浓度，mg/m3。

为了便于对比分析活性磁化水、水、活性剂溶液、磁化水间的降尘效果，进而验证活性磁化水所具有的优越降尘性能，通过公式(1)对以上6个测点在不同喷雾技术条件下的降尘效率进行计算，并对其取平均值得到各喷雾降尘技术在整个工作面的降尘效率，其数值如图9所示。

图9 不同喷雾降尘技术对全尘及呼尘的作用效果Fig.9 Average dust suppression efficiency of total or respirable dust under the conditions of different dust control technologies

从图9可以得出应用活性磁化水降尘技术后，23下012综采工作面粉尘浓度得到了显著抑制，特别是呼吸性粉尘浓度有了大幅度的下降。在相同水压及喷雾条件下，该新型降尘技术对整个综采工作面呼尘、全尘的平均降尘率分别达到了83.54%，84.75%，相对于水喷雾除尘技术其呼尘、全尘降尘效率分别提高了44.94%，31.79%。同时对比磁化水、活性剂溶液、活性磁化水降尘效果还可得出，活性剂的化学降尘与磁场磁化的物理降尘并不是简单的叠加作用，而是在表面活性剂大大促进水的湿润性能降低煤尘的同时，磁化能够进一步增强溶液的降尘性能，进而在活性剂与磁场磁化彼此协同作用下，使得雾滴具有更强湿润煤尘的能力，从而对综采工作面煤尘进行高效的防治，其现场应用效果如图10所示。

图10 应用不同降尘技术后采煤面工作环境Fig.10 Working environment of the coal mining face after applying various dust control technologies

4 结 论

(1)研发了一种用量少、能与磁场协同作用高效改善水湿润粉尘性能的新型活性添加剂，其使用量仅为0.03%，且溶液在确定的最佳磁场参数作用下，表面张力与原有未磁化相对比降低了7.2%左右，达到了28.07 mN/m，接触角降至27.02°。

(2)为适应煤矿井下狭小空间环境，提出了一种由定量添加装置、静态混合器、喷雾加压装置、磁化装置构成的活性磁化水产生系统;同时基于脉动切割磁化与螺旋扰流的高效磁化原理，发明了一套能形成较为稳定强磁场环境的水溶液磁化装置，实现了对水流持续有效的脉动式切割磁化，达到了良好的磁化效果。

(3)应用活性磁化水降尘技术后23下012采煤工作面粉尘浓度得到了大幅度地降低，相对于现有水喷雾降尘技术，该新型降尘技术对井下全尘及呼尘的除去效率分别提高了31.79%，44.94%，保障了煤矿井下职工的身心健康及企业的安全生产。

[1] 王德明.矿井通风与安全[M].徐州:中国矿业大学出版社，2007.

[2] 杨静,谭允祯，王振华,等.煤尘表面特性及润湿机理的研究[J].煤炭学报，2007,32(7):737-740.

YANG Jing,TAN Yunzhen,WANG Zhenhua,et al.Study on the coal dust surface characteristics and wetting mechanism[J].Journal of China Coal Society,2007,32(7):737-740.

[3] CHEN H,FENG Q,LONG R,et al.Focusing on coal miners’ occupational disease issues:A comparative analysis between China and the United States[J].Safety Science,2013,51(1):217-222.

[4] ZHENG Y P,FENG C G,JING G X,et al.A statistical analysis of coal mine accidents caused by coal dust explosions in China[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2009,22(4):528-532.

[5] 王维虎.煤层注水防尘技术的应用现状及展望[J].煤炭科学技术,2011,39(1):57-60.

WANG Weihu.Appliation present status and outlook of seam water injection dust control technology[J].Coal Science and Technology,2011,39(1):57-60.

[6] 许满贵,刘欣凯,文新强.煤矿综掘工作面高效喷雾降尘系统[J].湖南科技大学学报(自然科学版),2015(2):1-7.

XU Mangui,LIU Xinkai,WEN Xinqiang.Full-mechanized excavation face efficient sprinkler & dust fall system[J].Journal of Hunan University of Science & Technology(Natural Science Edition),2015(2):1-7.

[7] 聂文,程卫民,周刚,等.掘进机外喷雾负压二次降尘装置的研制与应用[J].煤炭学报,2014,39(12):2446-2452.

NIE Wen,CHENG Weimin,ZHOU Gang,et al.Research and application on external spray secondary dust falling device with negative pressure of roadheader[J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2446-2452.

[8] 刘奎,郭胜均,龚小兵,等.疏水性煤尘高风速综采工作面湿润剂喷雾降尘试验[J].矿业安全与环保,2013,40(3):10-12.

LIU Kui,GUO Shengjun,GONG Xiaobing,et al.Suppression test of water spray added with wetting agent against hydrophobic coal dust in fully mechanized face with high air velocity[J].Mining Safety and Environmental Protection,2013，40(3):10-12.

[9] 曾康生,胡乃联,程卫民,等.综放工作面湿润剂喷雾降尘机理及高效降尘湿润剂的试验[J].煤炭学报,2009,24(12):1675-1680.

ZENG Kangsheng,HU Nailian,CHENG Weimin,et al.Dedusting mechanism by water-could of wetting agents and the relevant tests for fully-mechanized and roof caving coal face[J].Journal of China Coal Society,2009,24(12):1675-1680.

[10] 陈梅岭,宋文超,蒋仲安,等.煤矿磁化水喷雾降尘机理及试验研究[J].煤炭科学技术,2014,42(7):65-68.

CHEN Meiling,SONG Wenchao,JIANG Zhongan,et al.Study on dust fall mechanism and experiment with magnetized water spraying in coal mine[J].Coal Science and Technology,2014,42(7):65-69.

[11] 夏伟.新型磁化雾降尘技术及煤尘润湿剂研究[D].徐州:中国矿业大学,2015.

XIA Wei.Study of new dustfall technology on magnetized fog and new coal wetting agent[D].Xuzhou:China University of Mining and Technology,2015.

[12] PANG X F,DENG B.The changes of macroscopic features and microscopic structures of water under influence of magnetic field[J].Physica B Condensed Matter,2008,403(19-20):3571-3577.

[13] LIU X,ZHAO Y,LI Q,et al.Adsorption behavior,spreading and thermal stability of anionic-nonionic surfactants with different ionic headgroup[J].Journal of Molecular Liquids,2016,219:1100-1106.

[14] ZHU P,ZHU Y,XU Z C,et al.Effect of polymer on dynamic interfacial tensions of anionic-nonionic surfactant solutions[J].Journal of Dispersion Science & Technology,2016,37(6):820-829.

[15] 聂百胜，丁翠，李祥春，等.磁场对矿井水表面张力影响规律的实验研究[J].中国矿业大学学报，2013,42(1):19-23.

NIE Baisheng,DING Cui,LI Xiangchun,et al.An experimental study of the influence of magnetic field on the surface tension of mine water[J].Journal of China University of Mining and Technology,2013,42(1):19-23.

[16] 曾宪桃,任振华,王兴国.磁化水降低喷射混凝土粉尘浓度与减少回弹的试验研究[J].煤炭学报,2014,39(4):705-712.

ZENG Xiantao,REN Zhenhua,WANG Xingguo.Experimental investigations on reducing the dust density and the rebound rate of shotcrete by using magnetized water[J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):705-712.

[17] 丁振瑞,赵亚军,陈凤玲,等.磁化水的磁化机理研究[J].物理学报,2011,60(6):432-439.

DING Zhenrui,ZHAO Yajun,CHEN Fengling,et al.Magnetization mechanism of magnetized water[J].Acta Physica Sinica,2011,60(6):432-439.

[18] 庞礼军.润湿现象中的附着力与内聚力[J].贵州师范大学学报(自然科学版),2000,(4):89-91.

PANG Lijun.Adhesion and cohesion in Wetting[J].Journal of Guizhou Normal University (Natural Science Edition),2000,(4):89-91.

[19] OSS C J V.Long-range and short-range mechanisms of hydrophobic attraction and hydrophilic repulsion in specific and aspecific interactions[J].Journal of Molecular Recognition Jmr,2003,16(4):177-190.

Synergistictechnologybetweensurfactantandmagnetizedwaterforefficientdustcontrolinundergroundcoalmines

QIN Botao1,2,ZHOU Qun1,2,LI Xiulei3,WANG Jun1,WANG Huaizeng3,DING Yangwei3

(1.KeyLaboratoryofCoalMethaneandFireControl,MinistryofEducation,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China; 2.SchoolofSafetyEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221116，China; 3.LuwaCoalMineofShandongLutaiHoldingGroupCo.,Ltd.,Jining272000,China)

In order to effectively control the floating coal dust in the underground mine,based on the synergistic theory between surfactants and magnetization,some experiments were carried out to measure the characteristics of solution under the various experimental conditions,such as surface tension,contact angle and dust suppression properties of solution,which validated that the magnetization can have the effective effect on the dust wettability of solution.And a compound surfactant was acquired,inducing excellent synergetic effects with magnetization.Additionally,the optimal magnetization parameters were confirmed by the above mentioned experiments,e.g.a magnetic intensity of 350 mT and water flow velocity of 4 m/s;while combining the efficiently magnetic methods of the interlaced arrangement of inside and outside magnets and a spiral propulsion magnetization of water flow,the magnetic device and system were proposed.Field application indicated that the 0.03% surfactant solution was effectively magnetized under the effect of alternating magnetization by the novel magnetic apparatus with the optimal magnetization parameters,of which dust control ability was improved by more than 9%;compared to that of water,the respirable dust and total dust suppression efficiency of surfactant-magnetized water is increased by 44.94% and 31.79%,respectively,significantly improving the work environment in the underground coal mine.

fully mechanized face;dust;surfactant-magnetized water;magnetic apparatus;dust suppression efficiency

秦波涛，周群，李修磊，等.煤矿井下磁化水与表面活性剂高效协同降尘技术[J].煤炭学报,2017,42(11):2900-2907.

10.13225/j.cnki.jccs.2017.0573

QIN Botao,ZHOU Qun,LI Xiulei,et al.Synergistic technology between surfactant and magnetized water for efficient dust control in underground coal mines[J].Journal of China Coal Society,2017,42(11):2900-2907.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.0573

TD714

A

0253-9993(2017)11-2900-08

2017-04-27

2017-08-21责任编辑常明然

国家重点研发计划资助项目(2017YFC0805201);国家自然科学基金面上资助项目(51774273);江苏省杰出青年基金资助项目(BK20140005)

秦波涛(1977—)，男，重庆忠县人，教授，博士生导师。Tel:0516-83885694，E-mail:qbt2003@163.com