趙洪寶劉紹強康欽容李岳蔣冬梅吳桐

1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院,北京 100083;2.武漢工程大學(xué)磷資源開發(fā)利用教育部工程研究中心,湖北武漢 430205;3.武漢工程大學(xué)資源與安全工程學(xué)院,湖北武漢 430073

隨著露天開采機械化程度的不斷提高,露天開采工藝的各個主要環(huán)節(jié)(包括采掘、運輸、排卸等)會產(chǎn)生大量的粉塵[1],加之煤炭本身易風(fēng)化的特點,導(dǎo)致露天礦開采過程中更容易產(chǎn)生粉末狀的煤炭。這些粉末狀的煤炭在礦區(qū)復(fù)雜的風(fēng)流作用下彌漫整個礦區(qū),不僅造成資源浪費,也對人體、設(shè)備造成損害[2]。

許多專家學(xué)者對露天礦粉塵運移及治理開展了大量的研究。通過現(xiàn)場監(jiān)測的手段,Ghose[3]確定了露天礦粉塵主要產(chǎn)塵區(qū)域及產(chǎn)塵環(huán)節(jié),并分析了粉塵產(chǎn)生的主要原因及其機理;Silvester 等[4]對英國露天礦進(jìn)行長期監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析,將粉塵粒徑進(jìn)行了等級劃分,確定了不同粒徑等級粉塵顆粒對人體及環(huán)境的影響,為后續(xù)粉塵的相關(guān)模擬研究提供了基礎(chǔ)條件;陳舉師、蔣仲安等[5～6]依據(jù)氣固兩相流及梯度輸送基本理論,建立了粉塵擴散方程,并利用數(shù)值模擬分析了邊坡鉆機粉塵質(zhì)量濃度的分布規(guī)律;董志文等[7]以祁連山老虎溝為工程背景,研究了粉塵顆粒對冰川融水理化性質(zhì)的影響;張明浩等[8]采用流動監(jiān)測的方法,分析了烏海地區(qū)不同粉塵粒徑濃度的時空分布規(guī)律及其影響因素;韓桂波等[9]通過風(fēng)洞試驗研究了煤炭顆粒起塵的主要因子,分析了水分對粉塵起動的影響機理,并建立了粉塵起動風(fēng)速模型。

近年來隨著高分子新型材料的發(fā)展,采用抑塵劑是露天礦治理粉塵的主要發(fā)展趨勢[10]。楊樹瑩等[11]通過結(jié)殼硬度衰減試驗研究了吐溫-20、曲拉通X-100、十二烷基硫酸鈉及十二烷基苯磺酸鈉4種表面活性劑對粉塵顆粒的浸潤性能;Xi 等[12]利用聚乙二醇及十二烷基硫酸鈉研發(fā)了一種混合化學(xué)抑塵劑,并對其進(jìn)行了熱特性、臨界膠束濃度、潤濕性及黏附性分析;Medeiros 等[13]利用酸性及堿性催化劑對甘油進(jìn)行催化,研發(fā)了一種新的化學(xué)抑塵劑來防止顆粒物質(zhì)的分散;羅瑞東等[14]從天然可再生、不會對環(huán)境造成二次污染的角度,利用大豆分離蛋白作為黏結(jié)劑,開發(fā)了一種新型的化學(xué)抑塵劑,并在現(xiàn)場煤堆表面驗證了該化學(xué)抑塵劑的適用性。

可見,通過現(xiàn)場監(jiān)測確定露天煤礦主要產(chǎn)塵區(qū)域,利用高分子材料制備低成本、無污染的化學(xué)抑塵劑是當(dāng)下研究的重點,也是促進(jìn)露天煤礦綠色開采的關(guān)鍵。本文以河曲露天礦為工程背景,通過現(xiàn)場監(jiān)測的手段進(jìn)一步確定露天煤礦產(chǎn)塵區(qū)域,同時引入分形維數(shù)基本理論,分析粉塵粒徑、風(fēng)速與分形維數(shù)的關(guān)系;通過高分子材料進(jìn)行化學(xué)抑塵劑的制備。

1 工程背景及現(xiàn)場監(jiān)測

1.1 工程背景

河曲露天礦地處黃土高原西北部,黃土厚度大,植被稀少,水土流失嚴(yán)重。根據(jù)河曲氣象站氣象資料,風(fēng)向多為西北,風(fēng)力一般3～5 級,最大可達(dá)7級。首采區(qū)位于井田北部,具備年產(chǎn)原煤300 Mt 的生產(chǎn)規(guī)模,礦區(qū)運輸系統(tǒng)已形成并暢通,滿足了采礦生產(chǎn)。隨著近年來露天礦的發(fā)展,采掘運輸設(shè)備逐漸大型化,河曲露天礦粉塵問題變得越來越嚴(yán)重。本文以此為工程背景,開展了露天礦粉塵濃度監(jiān)測,結(jié)合傳統(tǒng)與新型化學(xué)抑塵劑的優(yōu)缺點,研制了一種高效清潔的化學(xué)抑塵劑,旨在減少露天煤礦粉塵彌散對礦區(qū)環(huán)境及人員、設(shè)備的危害。

1.2 現(xiàn)場監(jiān)測點位置選取及監(jiān)測方案

結(jié)合河曲露天礦自身工藝環(huán)節(jié),對主要產(chǎn)塵工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析,主要包括穿孔作業(yè)、爆破作業(yè)、采裝作業(yè)、運輸作業(yè)及排卸作業(yè)等。為進(jìn)一步確定河曲露天礦粉塵分布特點,依據(jù)現(xiàn)場踏勘結(jié)果,選取3 個主要的監(jiān)測區(qū)域(圖1)。

圖1 監(jiān)測布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of monitoring layout

(1) 1 號監(jiān)測區(qū)域位于采掘場東北側(cè),采掘場作為煤炭開采的主要場所,機械、爆破等開采手段均會產(chǎn)生大量的粉塵,受坑內(nèi)氣流影響,粉塵擴散情況復(fù)雜。選取的監(jiān)測線主要位于采掘帶東端幫,該端幫邊坡右側(cè)是目前已經(jīng)完成復(fù)墾工作的外排土場區(qū)域。因此,監(jiān)測該區(qū)域的粉塵濃度對復(fù)墾效果的驗收具有重要的意義。

(2) 2 號監(jiān)測區(qū)域位于主要交通干道路口附近。該路口為進(jìn)出煤場、采掘場等地方的主要交叉路口,是起塵的關(guān)鍵點。

(3) 3 號監(jiān)測區(qū)域位于洗煤廠北側(cè)。煤場作為煤炭存儲、洗選、轉(zhuǎn)運的關(guān)鍵點,背靠內(nèi)排土場,工作環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的粉塵,往往會逸散至內(nèi)排土場附近。選取靠近內(nèi)排土場一側(cè)布置監(jiān)測線,能夠更有效地捕捉煤場粉塵分布情況。

在選取的3 個監(jiān)測區(qū)域內(nèi),分別布置1 條監(jiān)測線,每條監(jiān)測線5 個監(jiān)測點,主要監(jiān)測內(nèi)容為TSP、PM10、PM2.5 濃度,監(jiān)測周期為18 d,采用循環(huán)監(jiān)測,每3 d 為一個監(jiān)測周期。

1.3 監(jiān)測結(jié)果分析

圖2為各監(jiān)測區(qū)域TSP、PM10 及PM2.5 濃度變化曲線。分析圖2可知,由于露天開采工藝環(huán)節(jié)的不同,各監(jiān)測區(qū)域TSP、PM10 及PM2.5 濃度呈波動變化的趨勢,整體上TSP 濃度要高于PM10 及PM2.5 濃度,PM10 濃度要略高于PM2.5 濃度;采掘場各監(jiān)測內(nèi)容濃度要高于煤場及交通干道各監(jiān)測內(nèi)容濃度,原因在于露天礦坑幾何尺寸較大,坑底到坑口水平面的垂直高度相對較大,坑內(nèi)風(fēng)流情況復(fù)雜,采掘場粉塵運移情況也相對復(fù)雜,且相對其他監(jiān)測區(qū)域粉塵濃度大。

圖2 各監(jiān)測點監(jiān)測內(nèi)容濃度曲線Fig.2 Concentration curve of monitoring contents at each monitoring point

2 粉塵運移分布分形維數(shù)研究

自1919年Fhausdorf 首次提出分形維數(shù)的概念后,分形維數(shù)就不斷地被應(yīng)用于各個領(lǐng)域。分形維數(shù)的出現(xiàn)也為定量描述露天礦粉塵運移影響因素提供了可能。無論是單一的粉塵顆?；蚴悄酆蟮姆蹓m群體,盡管在顆粒尺寸、形狀上有所不同,但其仍然符合統(tǒng)計意義上的自相似條件,因此在經(jīng)過尺度的放大或縮小后,粉塵顆粒形態(tài)都可以用一個數(shù)值即分形維數(shù)來表征。

在露天礦粉塵研究中,粉塵的物理力學(xué)性質(zhì)主要是由粉塵顆粒粒度所決定的,其運移及分布則主要是取決于風(fēng)力等級,因此利用分形維數(shù)來描述粉塵顆粒在不同風(fēng)速條件下的分布情況,是具有可行性的。

2.1 分形維數(shù)模型的建立

本研究課題組基于Python3.8 語言,自主開發(fā)了分形維數(shù)計算軟件,開展粉塵運移分布分形維數(shù)的研究工作。所建立方盒的尺寸為2n(n為1,2,…,9 的自然數(shù))。根據(jù)兩相流模型基本理論,在所建立的集合模型中添加均勻空氣介質(zhì),設(shè)定流場內(nèi)左端為進(jìn)風(fēng)口,右端為出風(fēng)口,結(jié)合河曲露天礦現(xiàn)場實際初步確定風(fēng)速條件,設(shè)定由一級到七級的多組風(fēng)速,數(shù)值上風(fēng)速符合相應(yīng)的風(fēng)力區(qū)間均勻分布函數(shù)。考慮露天礦山鉆孔、爆破、采裝、運輸?shù)裙に嚟h(huán)節(jié)以及實際環(huán)境中顆粒物組成中含有大量的粗顆粒物以及細(xì)顆粒物。由于細(xì)顆粒物中包含氮、硫化合物,導(dǎo)致細(xì)顆粒物在空間中分布規(guī)律也不盡相同,因此在模型90～95 m 處設(shè)置為顆粒進(jìn)口。設(shè)定多組粒子束粒徑服從正態(tài)分布且平均值分別為50 μm、150 μm、250 μm、350 μm、450 μm、550 μm,添加流固耦合物理場,通過改變初始條件來研究不同粒徑顆粒在不同風(fēng)速條件下的運移和分布規(guī)律。粉塵粒徑分布服從Rosin-Rammler 分布函數(shù),考慮重力及空氣曵力,建立單向風(fēng)流場。粉塵粒徑與分形維數(shù)的關(guān)系將數(shù)值模擬計算結(jié)果選取剖面圖導(dǎo)入分形維數(shù)計算軟件中,根據(jù)計算結(jié)果繪制不同粒徑顆粒分布規(guī)律與分形維數(shù)變化的關(guān)系圖(圖3)。

由圖3可知,同等風(fēng)力等級條件下,分形維數(shù)隨著粉塵粒徑的增大而減小,二者之間服從一次函數(shù)分布,R2均在0.933 以上,說明二者具有顯著的線性關(guān)系,且隨風(fēng)力等級的增加,擬合曲線明顯呈上升趨勢,即相同粉塵粒徑其分形維數(shù)隨著風(fēng)力的增加而增加。分析認(rèn)為:在風(fēng)力作用下,粒徑大小不同的粉塵顆粒逐漸向流場邊界運移,其中小顆粒的粉塵不易沉降,能在較遠(yuǎn)處形成積聚,粉塵運動軌跡也較長,因此在距離進(jìn)風(fēng)口較遠(yuǎn)處小顆粒粉塵濃度較高,與之對應(yīng)的分形維數(shù)也較大;大顆粒粉塵沉降相對較為容易,會在距離進(jìn)風(fēng)口較近的位置形成大量積聚,粉塵運動的軌跡相對小顆粒粉塵較短,因此在距離進(jìn)風(fēng)口較近距離處大顆粒粉塵濃度較高,與之所對應(yīng)的分形維數(shù)較小。綜上所述,選定粒子束在不同風(fēng)力區(qū)間內(nèi)所表現(xiàn)出粒徑與分形維數(shù)的關(guān)系大體一致,分形維數(shù)與粉塵粒徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖3 粉塵粒徑與分形維數(shù)關(guān)系Fig.3 Relationship between dust particle size and fractal dimension

2.2 風(fēng)速與分形維數(shù)的關(guān)系

根據(jù)計算結(jié)果繪制顆粒受不同風(fēng)速影響下的分布規(guī)律與分形維數(shù)變化的關(guān)系圖(圖4)。

由圖4可知,同種粉塵粒徑粒子束的分形維數(shù)隨風(fēng)力區(qū)間的增大逐漸增加,分形維數(shù)與風(fēng)力等級擬合表現(xiàn)出明顯的二次函數(shù)關(guān)系,其擬合系數(shù)均在0.951 以上。其中,當(dāng)粉塵粒徑為50 μm 時,由于其所形成的粒子束質(zhì)量和體積都相對較小,在選定的模擬區(qū)內(nèi)難以沉降,因此粉塵顆粒運動軌跡也大致相似,分形維數(shù)隨著風(fēng)力等級區(qū)間的增加而逐漸增大,但差值相對較小在曲線中難以觀察到,故本文不考慮該組數(shù)據(jù),僅分析粉塵粒徑為150 μm、250 μm、350 μm、450 μm、550 μm 的相關(guān)數(shù)據(jù)。隨著風(fēng)力等級的增加,同種粒徑粉塵顆粒先是在近距離積聚,隨后逐漸向遠(yuǎn)處逸散,分布距離逐漸增大,分形維數(shù)與風(fēng)力區(qū)間呈正相關(guān)關(guān)系。

圖4 風(fēng)速與分形維數(shù)關(guān)系Fig.4 Relationship between wind speed and fractal dimension

綜上分析,粉塵分布的分形維數(shù)隨著粉塵粒徑和風(fēng)速的變化而變化,分形維數(shù)不僅能夠有效地描述粉塵顆粒的分布特征,同時能夠有效地描述不同粒徑粉塵在不同風(fēng)力區(qū)間下的分布情況。

3 露天礦粉塵治理化學(xué)抑塵劑研究

3.1 試驗方案

以成膜性良好的聚乙烯醇為主體材料,在與酸交聯(lián)共聚后形成網(wǎng)狀的膜結(jié)構(gòu),減小其黏度,用可溶性淀粉對膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行固化,其中主要成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:聚乙烯醇2%～6%,可溶性淀粉0.5%～0.9%,馬來酸3%～9%,表面活性劑1%～3%,硫酸鹽1%～3%,成膜助劑1%～2%,余量為水。

聚乙烯醇在足量催化劑作用下會與酸完全反應(yīng),所以選擇聚乙烯醇A、可溶性淀粉B、表面活性劑C、成膜助劑D 作為正交試驗的影響因素,每個因素根據(jù)單因素實驗制定3 個水平(表1)。

表1 正交試驗因素水平設(shè)計Table 1 Orthogonal experimental factor level design%

根據(jù)表1確定了4 因素3 水平的正交試驗,通過試驗分析聚乙烯醇、可溶性淀粉、表面活性劑及成膜助劑對化學(xué)抑塵劑性能的影響,主要考核指標(biāo)是失水率、抑塵率、表面張力、滲透性及黏度5 個指標(biāo)。本文選取了9 種具有代表性的組合(表2)。

表2 正交試驗設(shè)計Table 2 Orthogonal experimental design %

3.2 測定內(nèi)容與測試結(jié)果分析

3.2.1 測定內(nèi)容

根據(jù)表2中的9 種試驗方案進(jìn)行抑塵劑指標(biāo)考核。

(1) 失水率測定。取9 組50 g 煤粉分別放入編號為1-k(k=1、2、3、4、5、6、7、8、9)的培養(yǎng)皿中,分別噴灑9 種方案所配置的化學(xué)抑塵劑10 g,使用恒溫培養(yǎng)箱,排出外界因素干擾,設(shè)置溫度為25 ℃,使化學(xué)抑塵劑在恒溫培養(yǎng)箱中自然發(fā)揮,每隔30 s 取出樣品進(jìn)行稱重,計算其與上一時段的質(zhì)量差,差值除以初始總重即為對應(yīng)時間內(nèi)失水率,最終結(jié)果取180 min 時失水率。

(2) 抑塵率測定。取9 組50 g 煤粉分別放入培養(yǎng)皿并按2-k(k=1、2、3、4、5、6、7、8、9)編號,在相同風(fēng)速條件下分別進(jìn)行粉塵逸散模擬,使用空氣質(zhì)量變送器對粉塵濃度進(jìn)行實時監(jiān)測,隨后噴灑9 種方案所配置的化學(xué)抑塵劑,對6 s 內(nèi)粉塵濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄,并計算化學(xué)抑塵劑抑塵率。

(3) 表面張力測定。將9 組試驗方案化學(xué)抑塵劑分別裝入9 個燒杯中,編號為3-k(k=1、2、3、4、5、6、7、8、9)。由于化學(xué)抑塵劑對于玻璃是浸潤的,當(dāng)毛細(xì)管插入化學(xué)抑塵劑中會導(dǎo)致管內(nèi)液面壓力小于管外液面壓力,毛細(xì)管內(nèi)液面會逐漸升高直至與管外液面壓力平衡,保證每組試驗燒杯內(nèi)液面高度相同、毛細(xì)管插入深度相同,記錄每組試驗中液面最終上升高度,結(jié)合毛細(xì)管半徑和近似為0 的接觸角,可計算出表面張力。

(4) 滲透性測定。將底端帶出水口的塑料桶分為9 組,并標(biāo)號1～9,分別加入等量的飽和煤粉,隨后按編號4-k(k=1、2、3、4、5、6、7、8、9)對應(yīng)加入等量的化學(xué)抑塵劑;整個試驗中保證每組水頭不變,即水頭差相同,待化學(xué)抑塵劑全部沿出水口流出后,記錄時間,結(jié)合水頭差及流量通過達(dá)西定律計算出其滲透性。

(5) 黏度測定。使用毛細(xì)管黏度計進(jìn)行測量試驗,將化學(xué)抑塵劑沿毛細(xì)管黏度計粗管倒入至充滿儲液球,使用膠皮管沿細(xì)管抽氣直至液面沒過測量球上刻度線,停止抽氣,液面逐漸下降至上刻度線處開始計時,直至液面下降至下刻度線時停止計時。對空測量球和裝滿抑塵劑后測量球分別進(jìn)行稱重,得出質(zhì)量差計算質(zhì)量流量,代入泊肅葉公式得出動力黏度數(shù)值,按編號5-k(k=1、2、3、4、5、6、7、8、9)分別進(jìn)行試驗并將數(shù)據(jù)記錄。最終測定數(shù)據(jù)見表3。

表3 化學(xué)抑塵劑考核指標(biāo)測定結(jié)果Table 3 Test results of assessment indicators of chemical dust inhibitor

根據(jù)表3中所測出的化學(xué)抑塵劑失水率、抑塵率、表面張力、滲透性及黏度,分別計算4 種因素在3 種水平下對應(yīng)的極差Kn-m值及方差Rn值(表4)。各指標(biāo)的影響可以通過Kn-m的大小來反映,其中n=1,2,3,4,5;m=1,2,3。

表4 4 種因素在3 種水平下對應(yīng)的K 值及R 值Table 4 Corresponding K value and R value of 4 factors at the level of 3

3.2.2 測定結(jié)果分析

由表3的試驗測定結(jié)果及表4的K值、R值可知:

(1) 化學(xué)抑塵劑失水率在相同時間內(nèi)越低越好,說明該化學(xué)抑塵劑的保水性更好,抑塵時間更長。由表3可知,9 種化學(xué)抑塵劑在180 min 內(nèi)具有較好的保水性,在聚乙烯醇A、可溶性淀粉B 及表面活性劑C 三種因素中K1-3明顯最小,成膜助劑因素D 中K1-2最小,因此化學(xué)抑塵劑各因素最優(yōu)水平為依次為A3、B3、C3、D2,即在失水率試驗結(jié)果中最優(yōu)配比為A3B3C3D2;RA的值明顯要大于RB、RC、RD,表明聚乙烯醇A 對化學(xué)抑塵劑考核指標(biāo)失水率起著最主要的作用,其次是可溶性淀粉B,而表面活性劑C 與成膜助劑D 對失水率影響較小。

(2) 化學(xué)抑塵劑抑塵率相同時間內(nèi)越高越好,說明其具有更好的使用效果。在各因素中,聚乙烯醇A 及可溶性淀粉B 中K2-2值最大,表面活性劑C 和成膜助劑D 中K2-3最大,因此根據(jù)抑塵率測定結(jié)果來看,A2、B2、C3、D3分別為因素A、B、C、D的最優(yōu)水平,即在抑塵率試驗結(jié)果中最優(yōu)配比為A2B2C3D3,由于RA遠(yuǎn)高于其他值,且RB、RC、RD相近,說明聚乙烯醇A 對試驗指標(biāo)抑塵率起主要影響,可溶性淀粉B、表面活性劑C 和成膜助劑D 對其影響效果相近。

(3) 化學(xué)抑塵劑表面張力越低,其與粉塵顆粒的融合性越好,捕捉粉塵的能力更強。由表3可知,9 種方案的化學(xué)抑塵劑均具有較低的表面張力,能夠?qū)Ψ蹓m起到抑制作用;在各因素中,聚乙烯醇A、可溶性淀粉B 及成膜助劑D 中K3-1最小,表面活性劑C 中K3-2最小,因此在表面張力測定中,A1、B1、C2、D1分別為因素A、B、C、D 的最優(yōu)水平,即在表面張力試驗結(jié)果中最優(yōu)配比為A1B1C2D1;由于RA與RB近似,稍大于RC且遠(yuǎn)大于RD,所以聚乙烯醇A、可溶性淀粉B 和表面活性劑C 對表面張力指標(biāo)起主要影響,成膜助劑D 對其影響較小。

(4) 化學(xué)抑塵劑的滲透性越好,粉塵被浸潤的速度也越快,其降塵效果也越好。表3中9 種方案的化學(xué)抑塵劑均具有較高的滲透性;在各因素中,聚乙烯醇A、可溶性淀粉B 及成膜助劑D 中K4-1最大,表面活性劑C 中K4-3最大,因此化學(xué)抑塵劑的最優(yōu)配比為A1B1C3D1;由于RA近似于RB且遠(yuǎn)大于RC和RD,所以聚乙烯醇A 和可溶性淀粉B對滲透性指標(biāo)起主要影響,表面活性劑C 和成膜助劑D 對其影響較小。

(5) 化學(xué)抑塵劑的黏度越高,其對粉塵的黏結(jié)能力越強,降塵效果也越好,但高黏結(jié)度的化學(xué)抑塵劑在噴灑時會造成一定的困難,因此應(yīng)當(dāng)選取黏結(jié)度適中的化學(xué)抑塵劑。在各因素中,聚乙烯醇A、可溶性淀粉B 及表面活性劑C 中符合要求的為K5-2,成膜助劑D 中符合要求的為K5-3,因此在化學(xué)抑塵劑黏度測定試驗中,化學(xué)抑塵劑的最優(yōu)配比為A2B2C2D3;由于RA最高,RB次之,RC與RD相近,所以聚乙烯醇A 對黏度指標(biāo)起主要影響,可溶性淀粉B 次之,表面活性劑C 和成膜助劑D 對其影響最小。

3.3 化學(xué)抑塵劑方案對比分析

根據(jù)正交試驗結(jié)果對化學(xué)抑塵劑的失水率、抑塵率、表面張力、滲透性及黏度5 個指標(biāo)考核的結(jié)果,對應(yīng)的最優(yōu)配比方案見表5。

表5 化學(xué)抑塵劑各考核指標(biāo)最優(yōu)方案Table 5 Optimal scheme for each assessment index of chemical dust inhibitor

為進(jìn)一步從各考核指標(biāo)中選取最優(yōu)化學(xué)抑塵劑配比及方案,繪制圖5所示的曲線,對5 種化學(xué)抑塵劑進(jìn)行對比分析:

(1) 由圖5(a)可知,在0～180 min 內(nèi),化學(xué)抑塵劑的失水率均低于水的失水率,當(dāng)水分完全揮發(fā)后,化學(xué)抑塵劑還有余量,5 種化學(xué)抑塵劑均具有較好的保水性,其內(nèi)部水分更不易流失。其中,方案1 失水率相對較高,方案5 失水率最低。其原因在于,聚乙烯醇與可溶性淀粉含量的增加使得化學(xué)抑塵劑生成了更多的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能更好地鎖住水分,從而減少化學(xué)抑塵劑的失水率。

(2) 由圖5(b)可知,5 種方案化學(xué)抑塵劑均具有較好的抑塵效果,在記錄時間內(nèi)最高沉降率達(dá)到93%,最低沉降率在86%,而水的降塵率僅為63%。可見化學(xué)抑塵劑的沉降率遠(yuǎn)高于水的沉降率,為水的1.36～1.47 倍,其中方案3 沉降率最高,方案1 沉降率最低。

圖5 5 種化學(xué)抑塵劑考核指標(biāo)對比Fig.5 Comparison of assessment indexes of five chemical dust inhibitors

(3) 由5(c)可知,方案5 表面張力最高,方案2表面張力最低;方案2 滲透性最高,方案5 滲透性最低。同時,表面張力與滲透性之間存在相互影響的關(guān)系,隨著表面張力的逐漸升高滲透性逐漸減小,原因在于表面張力的升高導(dǎo)致分子間作用力增大、分子之間分散度更小更容易聚集,使?jié)B透性降低。

綜上所述,化學(xué)抑塵劑的選擇應(yīng)依據(jù)中等黏度、低表面張力、高滲透性、高沉降率、低失水率的原則,對比5 種化學(xué)抑塵劑,應(yīng)選擇第3 種方案,即A1B1C2D1為最優(yōu)方案。

3.4 最優(yōu)配比化學(xué)抑塵劑抑塵效果分析

通過失水率、抑塵率、表面張力、滲透性及黏度5 個考核指標(biāo),分析得到了最優(yōu)化學(xué)抑塵劑配比為A1B1C2D1。為進(jìn)一步檢測所研究化學(xué)抑塵劑的抑塵效果及成膜效果,對河曲露天礦進(jìn)行了現(xiàn)場取樣,分別收集了河曲露天礦煤樣及土樣,在實驗室內(nèi)破碎、烘干后,篩選粒徑小于0.25 mm、0.25～0.5 mm、0.5～1 mm、1～10 mm 4 種試樣粒徑,按照20.34% 、37.31% 、36.68% 及5.67% 的質(zhì)量比,稱取煤樣及土樣各1 000 g,并將其充分混合均勻后,放置于條形器皿中,分別均勻噴灑最優(yōu)配比化學(xué)抑塵劑100 mL 于表面,觀察噴淋前后的效果。

由于地表溫度、地表碾壓程度等因素對于化學(xué)抑塵劑的使用效果具有很大影響,因此室內(nèi)試驗開始時,控制室內(nèi)溫度為27 ℃,保證試驗溫度一致;試樣放置于條形器皿中,不對其碾壓,平鋪即可。噴淋前后及其成膜后效果如圖6所示。

由圖6可知,化學(xué)抑塵劑噴淋于沙土或煤粉表面時,能夠在沙土或煤粉的表面形成一層有效的抑塵膜,抑塵膜能夠有效防止二次起塵,具有較好的成膜固結(jié)效果及抑塵效果。

圖6 化學(xué)抑塵劑噴淋前后及固結(jié)成膜效果對比Fig.6 Comparison of effects of chemical dust inhibitor before and after spraying and consolidation film formation

4 結(jié) 論

為研究露天煤礦開采過程中各工作環(huán)節(jié)產(chǎn)生的粉塵污染問題,本文以河曲露天礦為工程背景,以現(xiàn)場各主要產(chǎn)塵環(huán)節(jié)為研究對象,開展了露天礦粉塵治理研究,主要得出以下結(jié)論:

(1) 結(jié)合河曲露天礦自身的生產(chǎn)工藝,對河曲露天礦進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測,獲取了3 個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)PM2.5、PM10 及TSP 的粉塵濃度變化數(shù)據(jù),分析了不同區(qū)域粉塵濃度的變化情況及規(guī)律。

(2) 將分形維數(shù)引入到粉塵運移和分布中,研究了粉塵顆粒的分形特征以及不同粒徑粉塵在不同風(fēng)力區(qū)間下的分布情況。

(3) 通過化學(xué)抑塵的配比試驗,得到了一種以高分子材料為主體、清潔高效的成膜型化學(xué)抑塵劑,并檢驗了該化學(xué)抑塵劑的效果。