2024-04-24
（1）运用气溶胶力学与HertzMindlin碰撞理论，构建了湿喷混凝土冲击产尘的动力学模型。（2）研究了湿喷过程外加剂的降尘机制，配置适用于湿喷工艺的高性能复合降尘外加剂。作者：蒋仲安1, 2 ， 司明理1, 2, 4 ， 张国梁1, 2, 3 ， 曾发镔1, 2 ， 李 聪1, 2单位：1. 北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室; 2. 国家卫生健康委粉尘危害工程防护重点实验室; 3. 中国安全生产科学研究院; 4. 新疆自治区安全生产应急救援指挥中心矿产资源是国民经济和社会发展的重要基石，随着“西部大开发”和“一带一路”战略的不断推进，我国对中西部地区矿产资源的需求与日俱增。喷射混凝土作为矿山巷道支护的重要工艺，会产生大量的水泥粉尘，对作业人员的职业健康和生命安全将造成严重危害。喷射混凝土工艺产生的细微粉尘常诱发不可治愈的矽肺病，水泥粉尘的致敏性、刺激性亦可引起较煤尘或岩尘更为严重的疾病，如皮肤炎症、结/角膜炎、限制性肺病和肺癌等。因此，为使喷射混凝土过程产生的粉尘降低到合理水平，改进物料喷射工艺，研制降尘外加剂已成为迫切需求与有效途径。目前，研究多采用理论分析、数值模拟、现场试验等手段对矿井喷射混凝土的粉尘污染问题进行分析。宋海洲分析了湿喷工艺的产尘机理和优化参数，研制了新型泡沫混凝土湿喷机组；WANG等通过减少管网弯头的数量，设计了喷浆机自动除尘系统；YUNO等利用球型细颗粒粉煤灰替代喷射混凝土物料中的细骨料，有效降低了喷射过程的产尘量和回弹率；曾宪涛等将喷射混凝土与磁化水进行搅拌后，发现磁化水的加入可提高混凝土的体系强度，并减少喷射产尘量。同时，目前对抑尘机理的研究也有了一定进展。XUE等制备了一种新型的无碱喷射混凝土用液体促进剂，探讨了无碱液体促进剂的促进机理以及喷射剂与促进剂的水化过程。周刚教授团队研究的新型无碱速凝剂，在降低混凝土凝结时间的同时，可有效提高物料的黏聚力，降低回弹量和粉尘产生量。混凝土拌合过程添加增黏剂和抑尘剂也可有效降低混凝土喷射过程的粉尘，减少由回弹损失的混凝土，如德国生产的Silipon SPR6型增黏剂、日本竹中土木、三共化成公司联合研制的高效低粉尘喷射混凝土增黏剂。国内也有一些效果较好的产品，如冶金建筑研究总院研究的8604型增黏剂。从目前国内外的研究成果综合来看，关于矿井湿喷产尘的研究主要集中在湿喷工艺优化、喷射设备设计以及湿喷粉尘运移扩散等领域。对于我国矿山粉尘防治和职业健康防护工作来说，接尘工人数和罹患尘肺病人数仍处于世界高位，湿喷作业现场依旧是最差的作业场所之一，通过研制新型降尘外加剂与改进喷射工艺是降低湿喷过程粉尘质量浓度的有效措施。因此，笔者对湿喷产尘特性进行理论分析和实验研究，并配置高效复合降尘外加剂，为构建安全环保、清洁健康的矿井环境提供技术参考。矿井湿喷过程的粉尘污染是制约湿喷支护工程高效、清洁和安全生产的重要因素。为降低湿喷过程粉尘对作业人员的危害，提高矿山企业粉尘防治和职业健康保障的能力，运用气溶胶力学与HertzMindlin碰撞理论，构建了湿喷混凝土冲击产尘的动力学模型；并针对湿喷工艺特点，建立了湿喷混凝土相似实验装置，对不同工艺条件下的产尘特性进行分析；结合湿喷过程外加剂的降尘机制，对外加剂的减弹降尘性能进行研究，配置适用于湿喷工艺的高性能复合降尘外加剂。结果表明，湿喷过程中弥散在空气中的气溶胶颗粒粒径大部分在2 μm以下，2 μm以下(不含2 μm)颗粒数占比在90%以上。湿喷产尘主要受喷射距离、喷射压力和水灰比影响。喷射距离不宜太大或太小；随着喷射距离的增加，颗粒浓度呈先降低后增加的趋势。同样，喷射压力为0.4 MPa时，较为合适。当压力太大时，会导致回弹率和粉尘质量浓度增加；当压力太小时，物料到达受喷面时的动能较小，不能很好地黏附在受喷面。同时，在保证物料流动性的同时，可通过减小水灰比来降低回弹率和产尘量。研制的复合降尘外加剂主要由速凝剂、络合剂、早强剂、黏结剂以及表面活性剂复配形成。通过正交实验以及优化实验，最终确定的湿喷复合降尘外加剂配方及其质量分数为：A−55%、B−3%、C−4.5%、D−0.5%、E−0.15%、水−36.85%。掺入该复合降尘外加剂后，湿喷过程粉尘质量浓度下降了约57%，有效降低湿喷过程的粉尘产生量，降尘效果明显。
图 1 干喷、潮喷及湿喷工艺流程
图 2 湿喷过程粉尘颗粒产生的 2 个阶段
图 3 湿喷粉尘颗粒碰撞受力分析
图 4 湿喷粉尘颗粒间的液桥作用
图 5 湿喷产尘特性的相似实验平台
图 6 不同喷射距离、喷射压力、水灰比的粉尘颗粒数及质量浓度
图 7 复合外加剂制备工艺流程
图 8 不同组别的外加剂溶液和水泥净浆形态
图 9 不同组别复合外加剂的正交实验结果
图 10 复合降尘外加剂与 SDBS 复配后的性能测定
图 11 复合降尘外加剂应用效果实验
图 12 不同组别的粉尘颗粒数及质量浓度
蒋仲安，男，1963年10月10日生，浙江诸暨人，现任北京科技大学土木与资源工程学院教授，博士生导师，北京市首届安全生产领域学科带头人，第五届国家安全生产专家委员会煤矿（粉尘防治）组专家，兼任全国非煤矿山标准化委员会委员和中国安全生产协会专家委员会成员。长期从事矿井粉尘控制、矿井通风与安全、职业危害与控制，尤其在矿井采掘工作面粉尘控制理论和技术、除尘设备的研制、喷雾降尘装置、煤体湿润机理和物理化学抑尘技术等方面处于领先地位。作为申请者和负责人获5项国家自然科学基金和2项教育部博士点基金的资助，以及企业合作项目60余项，并承担国家“十三五”重大专项子课题1项。获省部级科技进步奖9项，出版著作8部，发表论文200余篇，其中SCI和EI论文130余篇。作为高级访问学者曾到美国、澳大利亚和台湾等多地进行学术交流。
研究方向
矿井粉尘和职业危害控制，矿井通风与安全；隧道通风与尘毒控制；油气管道风险分析与安全信息管理
主要成果
致力于矿井高效除尘技术的研究并取得多项创新性研究成果，形成了粉尘控制成套理论技术体系。在矿井采掘工作面粉尘控制理论和技术、除尘设备的研制、喷雾降尘装置、煤体湿润机理和物理化学抑尘技术等方面处于领先地位，并获得多项专利，为解决井下粉尘及有害物污染提出了有效控尘措施及通风设计，为矿山粉尘治理及职业危害控制提供了有力的理论和技术保障。
来源：
蒋仲安，司明理，张国梁，等. 矿井湿喷过程的产尘特性和复合降尘外加剂的制备[J]. 煤炭学报，2024，49(2):865−875.
责任编辑：宫在芹
