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湖南磨田煤矿煤尘润湿性能影响因素研究(曾钢)
2024年6月2日发(作者：始翰翮)
湖南磨田煤矿煤尘润湿性能影响因素研究
曾 钢
（湖南省煤业集团白山坪矿业有限公司磨田煤矿,湖南 衡阳 421800）
摘要：喷雾降尘是煤矿粉尘防治主要技术手段之一，喷雾降尘效率与煤尘润湿性能密切相关。影响煤尘润湿性能
的因素众多，其中表面活性剂和煤尘粒径是主要影响因素。为了掌握粒径和表面活性剂对煤尘润湿性能影响，选
取了四种表明活性剂，以湖南磨田煤矿原煤的六种粒径煤尘样品为实验对象，开展了煤尘微观特性、润湿性能实
验。煤尘微观特性实验表明，随着粒径的减小，煤尘比表面积逐渐增大，其内部平均孔径则不断减小。通过粒径
对煤尘润湿性能的影响测试可发现，对于同一种煤质的煤尘，其润湿能力随着粒径的减小而降低。表面活性剂润
湿煤尘实验表明，不同表面活性剂对煤的润湿能力不同，OP-10对煤的润湿能力最强，SDBS和SDS次之，Tween-80
最差，并随着浓度的提高，煤尘越容易透过溶液。但随着浓度过大润湿性能的提升不明显，即实际应用中使用OP-10
和SDBS这种临界胶束浓度值较低的表面活性剂可以节约成本
关键词：；煤尘，润湿性能，微观特性，粒径，表面活性剂
Influence Factors of Wettability of Coal Dust in Motian Coal Mine, Hunan
Abstract：Spraying is a main technique means for coal dust prevention and control in coal mines. Spraying
dust suppression efficiency is tightly connected with coal dust wettability. In order to clarify the effects of
particle size and surfactant on coal dust wettability, Coal Sample in Motian, Hunan were collected and
prepared into 6 different particle size ranges, and a series of experiments were performed for examining coal
dust’s micro-properties and wettability . According to the measurement results of coal dust micro-properties,
coal dust with smaller particle size exhibited greater specific surface area and smaller mean pore diameter.
The experimental results of coal dust wettability revealed that wettability dropped with the decrease of particle
size for the coal dust from a same property of coal. The experiment of surfactant wetting coal dust shows that
different surfactants have different wetting abilities for coal. Op-10 has the strongest wetting ability for coal,
followed by SDBS and SDS, and Tween-80 is the worst. With the increase of concentration, the coal dust is
easier to pass through the solution. However, as the concentration is too high, the wettability is not
significantly improved, that is, the use of OP-10 and SDBS surfactants with lower critical micelle
concentration value in practical application can save costs.
Keywords：Coal dust; Wettability; Micro-properties; Particle size; surfactant
中国煤炭储量丰富，为中国经济的快速增长提供了坚实的支撑。2018年，煤炭占中国能源消费总能耗
的60%以上。但在开采煤炭的过程中产生大量的粉尘，高浓度的粉尘环境对矿工健康造成了巨大的威胁。
根据中国国家卫健委发布的全国职业病报告，2019年全国共报告各类职业病新病例19428例，职业性尘肺
病15898例，占报告总数的81.83%
[1]
。因此，采取高效的粉尘防治措施，降低煤炭生产场所的粉尘浓度迫
在眉睫。喷雾降尘具有经济、简便和实用等优点，在煤矿井下已得到广泛应用。据煤矿井下工程应用现场
实测，喷雾降尘不能完全解决井下粉尘问题，全尘降尘效率一般低于50%，对呼吸性粉尘的降尘效率甚至
低于30%
[2]
。
由于喷雾降尘成本低、维护方便，是煤矿井下最常用的降尘方法之一。然而大多数煤尘为疏水性粉尘，
导致喷雾降尘实施效果并不理想。通常情况下，润湿性能越好的煤尘，喷雾降尘效率越高。因此，大量学
者对煤尘的湿润特性影响因素开展了大量研究
[3-4]
。赵振保等通过研究煤质参数和煤尘表面官能团对煤尘润
湿性能的影响，并建立一种煤尘润湿性能快速测定和表征方法
[5]
。杨静、温禄淳等通过TIR光谱、XPS能
谱的手段，研究了粒度对煤尘表面特性，并通过润湿性能实验将表面特性与润湿性联系起来
[6-7]
。研究表明：
通过改变煤尘粒度，可以引起煤尘的表面孔结构、化学结构及元素组成发生改变，当粒度的减小会导致煤
尘亲水性变弱，疏水性变强
[8-11]
。关于表面活性剂对煤尘润湿性能的影响也有很多学者进行了相关研究，
研究结果表明：煤尘表面湿润性能会受到表面活性剂的影响，其影响程度主要是与表面活性剂种类和质量
浓度相关
[11-15]
。
基于此，本实验以湖南磨田煤样为研究对象，并将煤样分为6个不同粒径等级。采用BET测试、扫描
电镜等方法分析了煤尘微观结构，并结合接触角和反渗透实验，分析了煤尘粒径对其润湿性能影响的微观
机理。此外通过接触角和沉降实验，分析四种表面活性剂对煤尘润湿性能影响效果。本研究成果将为煤矿
井下喷雾降尘方案设计的理论预测提供依据和指导。
1 实验样品及方案
1.1实验样品
根据煤的变质程度，本实验使用的湖南磨田煤样为无烟煤。将煤样分别通过粉碎机破碎1min后，采
用不同规格标准工业筛分筛出6种不同粒径等级的煤尘样品。将煤尘按变质程度由高至低和粒径等级由大
至小依次编号，然后放入真空干燥箱内干燥，设定温度80 ℃，干燥时间480 min，干燥完后放入密封袋内
备用。使用LS13320激光粒度仪对煤尘样品进行粒度分析。煤尘样品编号和特征粒径如表1所示。
表1 煤尘样品编号与特征粒径
编号
D
10
(μm)
D
50
(μm)
D
90
(μm)
1
177.8
259.4
352.3
2
141.8
204.6
275.1
3
92.36
142.3
195.6
4
23.23
69.33
106.0
5
19.95
29.83
64.54
6
1.422
5.389
19.92
D
50
和
D
90
为煤尘的特征粒径，
50%
和
90%
。
注：表
1
中
D
10
、分别代表小于此颗粒的颗粒体积占全部颗粒总体积的
10%
、
1.2煤尘微观特性测定
研究表明煤尘表面官能团、比表面积、粗糙度及内部平均孔径是影响其湿润特性的主要内在微观因素。
采用日立SU3500新一代超高分辨扫描电镜分析煤样表面粗糙度，测试前测试煤样需要入干燥箱内干燥。
采用Micromeritics ASAP2010比表面积分析仪测定煤尘比表面积和平均孔径。微观特性测量所用主要仪器
如图1所示。
图1 煤尘微观特性测量仪器
1.3表面活性剂表面张力测定
采用表面张力实验考察表面活性剂单体降低溶液表面张力的能力。根据无毒和环保的原则，选取表面
活性剂SDS、SDBS、Tween-80以及OP-10作用研究对象，具体化学参数如表2所示。
表2 四种表面活性剂参数
序号
1
2
3
4
名称
SDS
SDBS
Tween-80
OP-10
化学式
C
12
H
25
SO
4
Na
C₁₈H₂₉NaSO₃
C
24
H
44
O
6
(C
2
H
4
O)n
C
10
H
21
O(CH
2
CH
2
-O )
10
H
类型
阴离子
阴离子
非离子
非离子
分子量
288.38
348.48
1310.00
646.00
外观
白色或淡黄色粉状
固体，白色或淡黄色粉末
浅黄色粘稠液体
白色及乳白色糊状物
纯度
分析纯
分析纯
分析纯
分析纯
1.4煤尘润湿性能测定
采用接触角、反渗透吸湿量、煤粉沉降时间来评价煤尘润湿性能。通过粉末压片机对煤粉压片，然后
利用CA100B接触角测量仪测定试片与蒸馏水之间接触角。反渗透装置测量煤尘样品的吸湿性能，操作步
2024年6月2日发(作者：始翰翮)
湖南磨田煤矿煤尘润湿性能影响因素研究
曾 钢
（湖南省煤业集团白山坪矿业有限公司磨田煤矿,湖南 衡阳 421800）
摘要：喷雾降尘是煤矿粉尘防治主要技术手段之一，喷雾降尘效率与煤尘润湿性能密切相关。影响煤尘润湿性能
的因素众多，其中表面活性剂和煤尘粒径是主要影响因素。为了掌握粒径和表面活性剂对煤尘润湿性能影响，选
取了四种表明活性剂，以湖南磨田煤矿原煤的六种粒径煤尘样品为实验对象，开展了煤尘微观特性、润湿性能实
验。煤尘微观特性实验表明，随着粒径的减小，煤尘比表面积逐渐增大，其内部平均孔径则不断减小。通过粒径
对煤尘润湿性能的影响测试可发现，对于同一种煤质的煤尘，其润湿能力随着粒径的减小而降低。表面活性剂润
湿煤尘实验表明，不同表面活性剂对煤的润湿能力不同，OP-10对煤的润湿能力最强，SDBS和SDS次之，Tween-80
最差，并随着浓度的提高，煤尘越容易透过溶液。但随着浓度过大润湿性能的提升不明显，即实际应用中使用OP-10
和SDBS这种临界胶束浓度值较低的表面活性剂可以节约成本
关键词：；煤尘，润湿性能，微观特性，粒径，表面活性剂
Influence Factors of Wettability of Coal Dust in Motian Coal Mine, Hunan
Abstract：Spraying is a main technique means for coal dust prevention and control in coal mines. Spraying
dust suppression efficiency is tightly connected with coal dust wettability. In order to clarify the effects of
particle size and surfactant on coal dust wettability, Coal Sample in Motian, Hunan were collected and
prepared into 6 different particle size ranges, and a series of experiments were performed for examining coal
dust’s micro-properties and wettability . According to the measurement results of coal dust micro-properties,
coal dust with smaller particle size exhibited greater specific surface area and smaller mean pore diameter.
The experimental results of coal dust wettability revealed that wettability dropped with the decrease of particle
size for the coal dust from a same property of coal. The experiment of surfactant wetting coal dust shows that
different surfactants have different wetting abilities for coal. Op-10 has the strongest wetting ability for coal,
followed by SDBS and SDS, and Tween-80 is the worst. With the increase of concentration, the coal dust is
easier to pass through the solution. However, as the concentration is too high, the wettability is not
significantly improved, that is, the use of OP-10 and SDBS surfactants with lower critical micelle
concentration value in practical application can save costs.
Keywords：Coal dust; Wettability; Micro-properties; Particle size; surfactant
中国煤炭储量丰富，为中国经济的快速增长提供了坚实的支撑。2018年，煤炭占中国能源消费总能耗
的60%以上。但在开采煤炭的过程中产生大量的粉尘，高浓度的粉尘环境对矿工健康造成了巨大的威胁。
根据中国国家卫健委发布的全国职业病报告，2019年全国共报告各类职业病新病例19428例，职业性尘肺
病15898例，占报告总数的81.83%
[1]
。因此，采取高效的粉尘防治措施，降低煤炭生产场所的粉尘浓度迫
在眉睫。喷雾降尘具有经济、简便和实用等优点，在煤矿井下已得到广泛应用。据煤矿井下工程应用现场
实测，喷雾降尘不能完全解决井下粉尘问题，全尘降尘效率一般低于50%，对呼吸性粉尘的降尘效率甚至
低于30%
[2]
。
由于喷雾降尘成本低、维护方便，是煤矿井下最常用的降尘方法之一。然而大多数煤尘为疏水性粉尘，
导致喷雾降尘实施效果并不理想。通常情况下，润湿性能越好的煤尘，喷雾降尘效率越高。因此，大量学
者对煤尘的湿润特性影响因素开展了大量研究
[3-4]
。赵振保等通过研究煤质参数和煤尘表面官能团对煤尘润
湿性能的影响，并建立一种煤尘润湿性能快速测定和表征方法
[5]
。杨静、温禄淳等通过TIR光谱、XPS能
谱的手段，研究了粒度对煤尘表面特性，并通过润湿性能实验将表面特性与润湿性联系起来
[6-7]
。研究表明：
通过改变煤尘粒度，可以引起煤尘的表面孔结构、化学结构及元素组成发生改变，当粒度的减小会导致煤
尘亲水性变弱，疏水性变强
[8-11]
。关于表面活性剂对煤尘润湿性能的影响也有很多学者进行了相关研究，
研究结果表明：煤尘表面湿润性能会受到表面活性剂的影响，其影响程度主要是与表面活性剂种类和质量
浓度相关
[11-15]
。
基于此，本实验以湖南磨田煤样为研究对象，并将煤样分为6个不同粒径等级。采用BET测试、扫描
电镜等方法分析了煤尘微观结构，并结合接触角和反渗透实验，分析了煤尘粒径对其润湿性能影响的微观
机理。此外通过接触角和沉降实验，分析四种表面活性剂对煤尘润湿性能影响效果。本研究成果将为煤矿
井下喷雾降尘方案设计的理论预测提供依据和指导。
1 实验样品及方案
1.1实验样品
根据煤的变质程度，本实验使用的湖南磨田煤样为无烟煤。将煤样分别通过粉碎机破碎1min后，采
用不同规格标准工业筛分筛出6种不同粒径等级的煤尘样品。将煤尘按变质程度由高至低和粒径等级由大
至小依次编号，然后放入真空干燥箱内干燥，设定温度80 ℃，干燥时间480 min，干燥完后放入密封袋内
备用。使用LS13320激光粒度仪对煤尘样品进行粒度分析。煤尘样品编号和特征粒径如表1所示。
表1 煤尘样品编号与特征粒径
编号
D
10
(μm)
D
50
(μm)
D
90
(μm)
1
177.8
259.4
352.3
2
141.8
204.6
275.1
3
92.36
142.3
195.6
4
23.23
69.33
106.0
5
19.95
29.83
64.54
6
1.422
5.389
19.92
D
50
和
D
90
为煤尘的特征粒径，
50%
和
90%
。
注：表
1
中
D
10
、分别代表小于此颗粒的颗粒体积占全部颗粒总体积的
10%
、
1.2煤尘微观特性测定
研究表明煤尘表面官能团、比表面积、粗糙度及内部平均孔径是影响其湿润特性的主要内在微观因素。
采用日立SU3500新一代超高分辨扫描电镜分析煤样表面粗糙度，测试前测试煤样需要入干燥箱内干燥。
采用Micromeritics ASAP2010比表面积分析仪测定煤尘比表面积和平均孔径。微观特性测量所用主要仪器
如图1所示。
图1 煤尘微观特性测量仪器
1.3表面活性剂表面张力测定
采用表面张力实验考察表面活性剂单体降低溶液表面张力的能力。根据无毒和环保的原则，选取表面
活性剂SDS、SDBS、Tween-80以及OP-10作用研究对象，具体化学参数如表2所示。
表2 四种表面活性剂参数
序号
1
2
3
4
名称
SDS
SDBS
Tween-80
OP-10
化学式
C
12
H
25
SO
4
Na
C₁₈H₂₉NaSO₃
C
24
H
44
O
6
(C
2
H
4
O)n
C
10
H
21
O(CH
2
CH
2
-O )
10
H
类型
阴离子
阴离子
非离子
非离子
分子量
288.38
348.48
1310.00
646.00
外观
白色或淡黄色粉状
固体，白色或淡黄色粉末
浅黄色粘稠液体
白色及乳白色糊状物
纯度
分析纯
分析纯
分析纯
分析纯
1.4煤尘润湿性能测定
采用接触角、反渗透吸湿量、煤粉沉降时间来评价煤尘润湿性能。通过粉末压片机对煤粉压片，然后
利用CA100B接触角测量仪测定试片与蒸馏水之间接触角。反渗透装置测量煤尘样品的吸湿性能，操作步