复合抑尘剂强化润湿作用机理及应用效果研究 学术报告

本研究由太原理工大学安全与应急管理工程学院的研究团队完成，主要作者包括王晓斌、胡胜勇、孙修伟、原振淇、胡泊和贾国彪。研究成果以论文形式发表于《煤矿安全》（Safety in Coal Mines）期刊2026年第57卷第3期，论文标题为《复合抑尘剂强化润湿作用机理及应用效果研究》（Study on the Enhancing Wetting Mechanism and Application Effect of Compound Dust Suppressants）。

一、 研究背景与目标

本研究属于煤矿安全与职业健康领域，具体聚焦于粉尘防治技术。随着我国煤炭开采的机械化与集约化程度不断提高，回采工作面粉尘浓度超标问题日益严峻，不仅影响生产安全与效率，更严重威胁矿工健康，可导致尘肺病等职业病。煤层注水技术被认为是源头控制粉尘最有效、最实用的方法之一。然而，我国许多煤层具有微孔隙、低渗透性、难润湿的特性，导致传统清水注水效果不佳，粉尘浓度难以有效降低。

针对这一技术瓶颈，学术界以往的研究主要集中在利用单一或复配的表面活性剂来改善煤体的润湿性能，或探究化学试剂对煤体内部官能团的影响。这些研究为化学抑尘提供了理论基础，但在实际应用中，对于低渗、难润湿煤层，单纯的表面活性剂润湿效果仍有限，且缺乏从“材料协同”到“工艺协同”的系统性解决方案。因此，本研究旨在突破单一化学润湿的思路，从“酸蚀增透-化学润湿-物理协同”的多角度出发，研发一种新型的复合抑尘剂，并构建与之配套的“物化协同”注液润湿抑尘体系，以期显著提升低渗煤层的注水润湿效果和源头抑尘效率。具体研究目标包括：1）通过实验优选并复配出高效的“表面活性剂+无机盐助剂+酸蚀剂”复合抑尘剂配方；2）从宏观润湿性能和微观作用机理两个层面，深入分析该复合抑尘剂对煤体的作用机制；3）开发一套结合脉动注水（物理方法）与复合抑尘剂（化学方法）的协同工艺与装备，并进行现场工业性试验，验证其实际应用效果。

二、 详细研究流程与方法

本研究遵循“材料优选-机理分析-工艺构建-现场验证”的系统性研究流程，包含多个相互关联的实验与测试环节。

第一步：复合抑尘剂的优选与复配。 研究首先从材料筛选开始。研究团队选取了山西焦煤西山煤电杜儿坪煤矿北七2#煤盘的煤样作为研究对象，该煤样含水率低（1.21%）、亲水性差，具有典型的低渗难润湿特征。煤样被破碎筛分出74-150 μm的煤粉并压制成煤片，用于后续测试。研究人员初步测试了8种不同类型的表面活性剂（4种阴离子、3种非离子、1种两性离子）在饱和浓度下的润湿能力，通过煤粉沉降试验和接触角测试，评估其降低煤水界面张力、促进润湿的效果。基于初步测试结果，确定了以阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）和非离子表面活性剂椰油酸二乙醇胺（CDEA）作为复合抑尘剂的主剂。随后，通过设计多组不同质量分数配比的SDS与CDEA混合溶液，系统进行沉降时间和接触角测试，以沉降时间最短、接触角最小为优化目标，确定了二者最佳复配比例为0.8% SDS + 0.2% CDEA（编号4-1组），此时煤粉沉降时间为84秒，接触角为30.7°，较纯水（接触角58.244°）有显著改善。

在确定了主表面活性剂配方后，研究进入增效阶段。为了进一步提升润湿效果，研究者在优选出的表面活性剂溶液中添加了无机盐助剂氯化钠（NaCl）。通过添加不同质量分数（0.2%至1.0%）的NaCl并重复沉降与接触角测试，发现NaCl能有效压缩煤粒表面双电层，降低静电斥力，促进颗粒聚集沉降，同时增强表面活性剂的润湿性能。当NaCl质量分数为0.8%时，溶液润湿性能达到较佳状态，沉降时间缩短至47秒，接触角降至29.412°，且继续增加NaCl浓度效果不再显著，因此确定0.8% NaCl为最佳助剂添加量。

最后，为了从物理结构上改善煤体的渗透性，研究引入了酸蚀剂盐酸（HCl）。将不同质量分数（1%至6%）的HCl添加到已复配好的“SDS+CDEA+NaCl”溶液中，对煤粉进行恒温搅拌溶蚀实验，通过计算溶蚀率（公式：η = (m1 - m2)/m1 × 100%）来评价酸液对煤体中矿物质的溶解能力。结果表明，随着HCl浓度增加，酸蚀率先升高后趋于稳定，在质量分数为4%时达到峰值3.26%，同时接触角也降低至28.769°。考虑到酸蚀效果、成本及设备耐受性，最终确定复合抑尘剂的完整配方为：0.8% SDS + 0.2% CDEA + 0.8% NaCl + 4.0% HCl。该配方下的溶液能使煤粉在45秒内沉降，接触角较清水降低50%以上。

第二步：复合抑尘剂的作用机理宏微观表征。 在确定了最优配方后，研究深入探究了该复合抑尘剂的作用机理。研究采用了两种主要的表征方法：傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析和煤体冲击产尘试验。首先，利用红外光谱仪对比分析了经清水和复合抑尘剂溶液浸泡前后煤样表面官能团的变化。通过对原始光谱图进行分峰拟合处理，精确量化了不同官能团（如芳香烃、含氧官能团、脂肪烃、烃基等）的峰面积占比变化。结果显示，经复合抑尘剂处理后，煤样红外光谱整体吸光度上升，表明抑尘剂分子与煤体发生了显著的相互作用。具体而言，复合抑尘剂中的长链烷基通过范德华力改变了芳香烃结构的微环境；酰胺基与含氧官能团形成氢键，HCl中的H+与碱性含氧官能团发生质子化反应，共同导致含氧官能团结构变化并可能生成更多亲水基团；长链成分插入脂肪烃分子间，使煤体结构变得松散；同时，溶液离子强度的改变调整了煤体表面电荷分布，增强了对水分子的吸附。分峰拟合的定量分析进一步证实，经复合抑尘剂作用后，煤样中的亲水基团（如羟基、羧基等）占比从15.0%增加至22.3%，增幅达48.7%，而疏水基团占比相应下降，这从化学本质上解释了润湿性增强的原因。

其次，为了从宏观破碎行为上验证抑尘效果，研究设计了煤体冲击产尘试验。将煤块分别用清水和复合抑尘剂溶液浸泡24小时后，置于专用破碎容器中进行标准化的落锤冲击试验（落锤高度0.5米，冲击500次）。收集并筛分破碎后的煤尘，称量各粒径区间的质量。结果表明，经复合抑尘剂处理的煤样，其破碎后产生的粉尘粒径分布发生了有利变化：大于178 μm的大颗粒占比增加，而小于74 μm的可吸入性粉尘（Respirable Dust）质量分数从清水组的13.8%大幅降至6.3%，降幅超过54%。这说明复合抑尘剂分子渗入煤体微孔隙后，改变了煤体表面的物理化学性质，增强了颗粒间的内聚力，使得煤体在受外力破碎时，细小颗粒不易扩散飞扬，而是更容易团聚成大颗粒脱落，从而在源头上减少了危害最大的呼吸性粉尘的生成量。

第三步：物化协同注液抑尘技术的构建与现场应用测试。 基于实验室研究的优异成果，研究团队将化学抑尘剂与物理注水工艺相结合，构建了“动静压交替注水+复合抑尘剂”的物化协同注液润湿抑尘体系，并研制了配套的工艺装备。该技术的核心原理是：利用脉动注水产生的水击效应，物理性地压裂、扩展煤层内部的原有裂隙网络，为复合抑尘剂溶液创造良好的渗流通道；随后转为静压注水，使溶液在毛细管力和扩散作用下充分渗透、润湿煤体。两种注水模式循环进行，同时复合抑尘剂中的化学组分（表面活性剂改善润湿性，酸蚀剂溶蚀矿物质创造弱面）协同作用，实现物理增透与化学润湿的深度融合。

为了验证该技术的现场应用效果，研究选择在杜儿坪矿62707工作面进行工业性试验。试验设计了对比方案：在设备巷施工8个注水钻孔，其中1-4号孔采用新型的物化协同注液技术（添加复合抑尘剂，并采用动静压交替注水），5-8号孔采用传统的静压注水（仅注清水）。注水完成后，通过钻孔取样测量煤层含水率增量以确定湿润半径，并在回采过程中，在采煤机司机处、下风侧5米和10米处设置测点，监测总粉尘和呼吸性粉尘浓度。应用效果的分析主要依赖于对注水量数据、含水率增量分布图和粉尘浓度监测图的解读。

三、 主要研究结果

研究在各个阶段均获得了明确且相互印证的结果。在材料优选阶段，确定了最优复合抑尘剂配方，其宏观润湿性能指标（沉降时间45秒，接触角28.769°，酸蚀率3.26%）显著优于清水，为后续机理和应用研究奠定了基础。

在机理研究阶段，红外光谱分析结果从分子层面揭示了复合抑尘剂的作用机制：它通过改变煤体多种官能团的结构和比例，显著增加了亲水基团的含量，使煤体从疏水性向亲水性转变，结构变得疏松，从而从根本上提升了其被水润湿的能力。冲击产尘试验则从行为学层面提供了直接证据：经该抑尘剂处理后的煤体，其破碎产尘特性发生根本改变，危害最大的细颗粒物（<74 μm）生成量减少超过一半，这强有力地证明了该抑尘剂具有优异的源头抑尘潜力。机理研究的结果为复合抑尘剂的有效性提供了深层次的科学解释，并指明了其通过增强煤体内聚力来抑制粉尘产生的物理途径。

在现场应用测试阶段，物化协同注液技术展现出卓越的性能。注水量方面：物化协同注水单孔平均注水量达到90.5立方米，是传统静压注水（38.2立方米）的2.37倍，即提升了1.37倍，说明该技术极大地提高了水流进入煤体的能力。湿润效果方面：物化协同注水区域煤层含水率平均增量为2.94%，是静压注水区域（1.22%）的2.4倍，即提升了1.4倍；其有效湿润半径达到3米，比静压注水的2米扩大了50%。这表明该技术不仅能注入更多水，还能使水分在煤层中分布更广、更均匀。降尘效果方面：这是最终也是最重要的应用指标。监测数据显示，采用物化协同注液技术后，回采工作面各测点的粉尘浓度大幅下降。以采煤机司机处为例，总粉尘平均质量浓度从未注水时的1039.1 mg/m³、静压注水后的670.4 mg/m³，降至268.2 mg/m³；呼吸性粉尘从460.2 mg/m³、306.4 mg/m³降至178.3 mg/m³。计算平均降尘率可知，物化协同注液对总粉尘和呼吸性粉尘的除尘效率分别达到73.0%和60.6%，较静压注水（34.8%和32.6%）提升约一倍，现场作业环境得到显著改善。这些现场数据完整地验证了从实验室配方到宏观工艺的整体有效性，形成了一个从“材料性能优化”到“微观机理阐明”再到“现场效果验证”的完整证据链。

四、 研究结论与价值

本研究成功研发并验证了一套针对低渗难润湿煤层的高效抑尘解决方案。主要结论包括：1）优选出一种由0.8% SDS、0.2% CDEA、0.8% NaCl和4.0% HCl组成的复合抑尘剂，其能显著降低煤水接触角（>50%）、缩短煤粉沉降时间（45秒），并具有一定的煤体溶蚀能力（3.26%）。2）从微观层面阐明了该复合抑尘剂通过改变煤体官能团结构、增加亲水基团比例、疏松煤体结构、调整表面电荷等多重机制，全面提升煤体润湿性；从宏观层面证实其能促使煤尘在破碎时团聚为大颗粒，显著减少可吸入粉尘的生成。3）创新性地构建了“动静压交替注水+复合抑尘剂”的物化协同注液润湿抑尘体系，该体系通过物理方法与化学方法的协同，实现了对低渗煤层的有效增渗、润湿和抑尘。现场应用表明，该技术能大幅提高注水量、含水率增量和湿润半径，最终使回采工作面粉尘浓度下降50%以上，除尘效率较传统静压注水提升约一倍。

本研究的价值体现在科学与应用两个层面。在科学层面，它超越了单一的表面活性剂润湿研究，提出了“酸蚀-润湿-抑尘”的协同材料设计理念，并通过系统的宏微观表征，深入揭示了复合化学试剂对煤体理化性质及破碎行为的复杂影响机制，为煤矿粉尘防治的化学机理研究提供了新的视角和丰富数据。在应用层面，研究不仅提供了一种高效的抑尘剂配方，更重要的是集成创新了一套完整的“材料-工艺-装备”应用体系，为解决低渗煤层注水抑尘这一行业难题提供了切实可行、效果显著的技术方案，对改善煤矿作业环境、保障矿工健康、促进煤炭行业安全绿色开采具有重要的实践意义和推广价值。

五、 研究亮点

本研究的亮点突出体现在以下几个方面：1）研究思路的系统性与创新性：研究并非孤立地优化抑尘剂配方，而是将材料研发（复合抑尘剂）、机理探究（宏微观表征）和工艺创新（物化协同注水）三者紧密结合，形成了一个从基础到应用、从实验室到现场的完整创新链。2）复合抑尘剂配方的科学设计：配方创新性地集成了表面活性剂（SDS和CDEA复配，发挥协同润湿作用）、无机盐助剂（NaCl，强化润湿与聚集）和酸蚀剂（HCl，增透溶蚀）三类成分，通过多组分协同实现了“增透”与“润湿”的双重目标，针对性极强。3）机理研究的深度与广度：研究综合运用了沉降试验、接触角测试、红外光谱分析和冲击产尘试验等多种手段，从润湿动力学、表面化学、官能团变化到破碎产尘特性，多维度、多层次地揭示了复合抑尘剂的作用机理，论证充分。4）显著的现场应用效果：工业性试验数据扎实，对比清晰，所有关键指标（注水量、含水率增量、湿润半径、粉尘浓度）均取得突破性改善，以确凿的证据证明了该技术的优越性和实用性，完成了科研成果向现实生产力的有效转化。