【摘 要】
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矿井开采时会在采面、掘进面等作业位置产生大量煤尘,它不仅会影响矿工身心健康,例如患上尘肺病,同时过高浓度煤尘伴随瓦斯极易发生爆炸事故,造成不可挽回的人身伤亡和重大经济损失,具有很大的安全隐患,因此,对煤尘的防控治理显得尤为重要。由于煤层自身疏水性较强,传统煤层注水措施很难满足煤尘防控治理的要求,因此提高注水溶液对煤的润湿能力至关重要,而对注水润湿剂的改性研究是井下煤尘防控研究难点之一。本文以平顶山
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矿井开采时会在采面、掘进面等作业位置产生大量煤尘,它不仅会影响矿工身心健康,例如患上尘肺病,同时过高浓度煤尘伴随瓦斯极易发生爆炸事故,造成不可挽回的人身伤亡和重大经济损失,具有很大的安全隐患,因此,对煤尘的防控治理显得尤为重要。由于煤层自身疏水性较强,传统煤层注水措施很难满足煤尘防控治理的要求,因此提高注水溶液对煤的润湿能力至关重要,而对注水润湿剂的改性研究是井下煤尘防控研究难点之一。本文以平顶山煤矿采集的原煤为研究对象,以煤样自身物化性质为出发点,结合工业分析、元素分析、表面官能团分析等多种物性特征研究手段,探究了煤样润湿性差的内在因素;通过测定接触角、沉降速率以及Zeta电位对七种表面活性剂进行复配润湿剂的单组分优选,并通过构建润湿动力学模型研究了不同表面活性剂润湿过程,从动态润湿方面考察了单体表面活性剂的润湿性能强弱。本文通过测定平煤煤样在不同类型复配溶液中沉降速率和Zeta电位,分析煤与不同复配溶液接触角变化,研究了表面活性剂复配对煤尘润湿性的影响;通过分子动力学模拟,从分子水平探究了阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂对煤尘润湿性的微观润湿调控机制,建立了阴离子和非离子表面活性剂的吸附构型;从煤尘表面自由能方面研究单一表面活性剂和复配表面活性剂对煤尘表面的吸附润湿特性,并得到最佳复配润湿剂方案,并应用于煤层注水实验。通过以上实验,可以得到以下结论:（1）煤样分析显示,该煤样固定碳含量高,表面致密,所含无机矿物质对润湿性影响较小,煤样比表面积与孔容非常小,煤基质较为平滑致密,煤分子以芳香环和脂肪结构的疏水官能团为主,煤样自身疏水性较强。（2）在综合考虑沉降速率、静态接触角以及接触角变化率常数等情况下,单体表面活性剂中非离子表面活性剂X-100、JFC以及阴离子表面活性剂SDBS、SDS对煤尘综合润湿效果较佳。运用分子动力学模拟研究发现单体表面活性剂增强了煤表面与水的相互作用,但由于自身稳定性局限了其对煤尘润湿改性效果。（3）阴离子和非离子表面活性剂复配溶液对煤尘的润湿效果可以实现协同润湿作用,1.5%X-100、2%JFC、2%SDBS按1:2:2比例复配后协同增效作用最好,沉降时间可达4s,这与吸附润湿剂后煤样表面可以同时保持Lewis酸碱作用与非极性Lifshitz-vander Waals作用大小有很大联系。表面活性剂作为中间载体,通过表面极性作用（Fs-w）和非极性作用（Fs-c）提高固体表面总能量,实现有效吸附和快速平衡。（4）该复配润湿剂无毒、无刺激性,可应用在井下除尘领域。将润湿剂注入煤层后,其对全尘和呼尘最高除尘率可达到86.92%和89.82%,降尘效果明显,为井下化学除尘技术提供了理论依据和技术支持。
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