螯合剂IDS对煤层矿物质Ca元素的溶解作用影响研究

2021-05-18

科教导刊·电子版 2021年9期

（辽宁大学环境学院辽宁·沈阳 110036）

0 引言

煤层注水是现阶段开采煤矿的提前准备工作，其作用之一是增加煤层中水的含量以降低冲击倾向性，从而降低发生冲击地压的几率与危害程度。由此可见，煤层注水的效果直接影响煤矿的安全开采。为了增加煤层的含水率，在传统的煤层注水的技术条件下，采取高压注水、钻孔注水、添加湿润剂等方式，但是随着开采工作面的越来越深，注水效果达不到预期，所以在深部开采的背景下如何保证煤层含水率问题迫在眉睫。

煤中除了其主要成分碳以外，还有氢、氧和少量的氮、硫，以及微量的矿物质元素。煤的硬度除了煤质种类本身因素以外，矿物质含量也是硬性其硬度的重要因素之一，Ca元素的含量是衡量煤层硬度的重要指标之一。并且由于矿物质结晶的存在，封闭了部分煤孔隙，也影响了煤层注水效果。螯合剂亚氨基二琥珀酸四纳（IDS）能对煤矿中绝大多数矿物质元素进行溶解，其特有的螯合配体是溶液和矿物晶体之间的一个桥梁，它扰动矿物质晶面吸附的水层，破坏了矿物质表面的水合环境，降低了蚀坑的产生能垒，使矿物表面产生蚀坑变得容易。IDS浸泡使用的浓度以及浸泡的时间等因素都会对煤层中矿物质元素的溶解作用效果产生影响，因此本文对煤层注水中添加螯合剂的一种合适的使用浓度与浸泡时间展开了研究。

1 实验设计

实验煤样取自平顶山矿区24030工作面，并加工成标准试样50mm*50mm*100mm，分别加入超纯水、表面活性剂十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、螯合剂IDS进行浸泡处理，SDBS与IDS使用浓度设立条件为 0.05wt%、0.10wt%、0.15wt%、0.20wt%、0.25wt%，浸泡时间设立条件为2d、4d、8d、12d、16d，分析浸泡液中矿物质元素Ca的离子含量。

2 实验结果分析

将各组浸泡液离心过滤之后采用电感耦合等离子发射光谱仪（ICP）检测浸泡液中的金属离子溶解含量，如图1、图2所示。

图1：Ca2+离子在SDBS溶解作用下的含量变化

图2：Ca2+离子在IDS溶解作用下的含量变化

Ca离子在超纯水中的溶解较少，在2天时间内溶解浓度只有 1.2mg/L，从 4-16天离子浓度不再明显增加，维持在10mg/L左右，即4天的时候基本处于饱和状态，随后随着浸泡时间的增加不再明显变化。

在添加SDBS进行煤样浸泡的实验中，Ca离子浓度有了明显变化，并且随着浸泡时间的增加Ca离子浓度也随之出现上升趋势。在使用浓度为0.05wt%条件下，Ca离子浓度随时间的增加而增加，浸泡2天时Ca离子浓度为26.5mg/L，是同时期超纯水浸泡的22.1倍，浸泡时间到16天时离子浓度达到39.8mg/L，是同时期超纯水浸泡的4.02倍，离子浓度增长幅度为50.2%；在使用浓度为0.15wt%条件下，浸泡2天时Ca离子浓度为44.0mg/L，是同时期超纯水浸泡的36.7倍，而到浸泡时间为16天时，离子浓度为76.7mg/L，是同时期超纯水浸泡的7.75倍，离子浓度增长幅度为74.3%；在使用浓度为0.25wt%时，浸泡时间为2天时，离子浓度为33.2mg/L，是同时期超纯水浸泡的27.7倍，浸泡16天时离子浓度为77.7mg/L，是同时期超纯水浸泡的 7.85倍，离子浓度增长幅度为134.0%。

同样，溶液中Ca离子浓度与SDBS的使用浓度也有一定的联系，即使用浓度的增加会导致溶液中Ca离子浓度的增加。在浸泡2天条件下，使用浓度为0.05wt%时，Ca离子浓度为26.5mg/L，使用浓度为0.15wt%时，Ca离子浓度为44.0mg/L，使用浓度为0.25mg/L时，Ca离子浓度为33.2mg/L，增长幅度相比于0.05wt%分别为66.0%和25.3%；在浸泡16天条件下，使用浓度为0.05wt%时，Ca离子浓度为39.8mg/L，使用浓度为0.15wt%时，Ca离子浓度为76.7mg/L，使用浓度为0.25mg/L时，Ca离子浓度为77.7mg/L，增长幅度相比于0.05wt%分别为92.7%和95.2%。

在添加IDS进行煤样浸泡的实验中，Ca离子浓度变化较为明显，在高浓度（0.20wt%和0.25wt%）条件下Ca离子浓度也相对较高，并且随着浸泡时间的增加Ca离子浓度也随之出现上升趋势。在使用浓度为0.05wt%条件下，Ca离子浓度随时间的增加而增加，浸泡2天时Ca离子浓度为12.1mg/L，是同时期超纯水浸泡的10.8倍，同时期SDBS浸泡的4.48倍；浸泡时间到16天时离子浓度达到22.6mg/L，是同时期超纯水浸泡的2.28倍，是同时期SDBS浸泡的6.11倍，离子浓度增长幅度为86.8%；在使用浓度为0.15wt%条件下，浸泡2天时Ca离子浓度为31.4mg/L，是同时期超纯水浸泡的26.2倍，同时期SDBS的8.05倍；而到浸泡时间为16天时，离子浓度为48.6mg/L，是同时期超纯水浸泡的4.91倍，同时期SDBS的7.71倍，离子浓度增长幅度为54.8%；在使用浓度为0.25wt%时，浸泡时间为2天时，离子浓度为54.3mg/L，是同时期超纯水浸泡的45.3倍，同时期SDBS的11.1倍，浸泡16天时离子浓度为73.5mg/L，是同时期超纯水浸泡的7.42倍，同时期SDBS的9.55倍，离子浓度增长幅度为35.4%。

并且溶液中Ca离子浓度与IDS的使用浓度也有一定的联系，即使用浓度的增加会导致溶液中Ca离子浓度的增加。在浸泡2天条件下，使用浓度为0.05wt%时，Ca离子浓度为12.1mg/L，使用浓度为0.15wt%时，Ca离子浓度为31.4mg/L，使用浓度为0.25mg/L时，Ca离子浓度为54.3mg/L，增长幅度相比于0.05wt%分别为159.5%和348.8%；在浸泡16天条件下，使用浓度为0.05wt%时，Ca离子浓度为22.6mg/L，使用浓度为 0.15wt%时，Ca离子浓度为 48.6mg/L，使用浓度为0.25mg/L时，Ca离子浓度为 73.5mg/L，增长幅度相比于0.05wt%分别为115.0%和225.2%。

从图中也可看出，在高浓度0.20wt%和0.25wt%条件下，溶液中Ca离子浓度走向基本一致，并且含量也相差不多，导致此结果的原因有两个；一是说明0.20wt%浓度条件下，对煤矿中Ca元素作用能力已经接近于最大化，再添加IDS增加使用浓度已经对煤矿中的Ca元素作用不大；二是说明煤矿中的Ca元素已经全部被IDS螯合溶解。