第1章绪论
煤尘是煤矿的五大灾害之一，危害性极大，不仅污染井下作业环境，影响煤矿工人的身体健康，而且具有爆炸性，极易造成重大伤亡事故和财产损失，因此，矿井煤尘防治已成为当前煤矿安全生产亟待解决的重大科学技术难题。本章简述了煤尘的产生及其危害，系统总结了煤尘结构特性、煤尘润湿特性及煤尘反应性的*新研究进展，为深入探索煤尘结构与其反应性的耦合关系奠定了基础。
1.1煤尘的产生及其危害
近年来矿井智能化、机械化、自动化水平的日益提高，增加了瓦斯、煤尘、火灾等灾害发生的潜在隐患，尤其是矿井的煤尘污染，已经严重影响了煤矿安全生产，长期暴露于煤尘环境中会引发严重的职业病。煤矿井下生产过程中煤岩的破碎作业主要包括采掘作业、支护作业、爆破作业、装载作业和运输作业等，均有煤尘的产生，煤尘伴生于煤炭生产、加工、运输的整个过程。随着开采强度和生产集中度大幅增加，产尘量和煤尘浓度急剧上升。
煤矿煤尘的危害主要体现在以下几个方面。
1)煤尘的自燃性和爆炸性
煤尘爆炸是煤矿中致灾性*严重的灾害，与瓦斯爆炸相比，煤尘爆炸的强度和致灾范围更大、破坏性更强、造成的灾难更严重。煤尘具有的潜在爆炸危险长期以来一直严重威胁着煤矿井下的安全生产，近年来，我国煤尘爆炸以及由煤尘参与而导致的爆炸事故时有发生，为中国煤炭的安全生产敲响了警钟。2005年11月27日，龙煤矿业控股集团有限责任公司七台河分公司东风煤矿发生一起特别重大的煤尘爆炸事故，造成171人死亡，48人受伤；2005年12月7日，河北省唐山恒源实业有限公司(原刘官屯煤矿)发生一起特别重大的瓦斯煤尘爆炸事故，造成108人死亡，29人受伤；2006年2月23日，枣庄联创实业有限责任公司16108采煤工作面发生一起特大煤尘爆炸事故，造成18人死亡，9人受伤；2007年12月5日，山西省临汾市洪洞县左木乡红光村瑞之源煤业有限公司原新窑煤矿发生瓦斯煤尘爆炸事故，105人遇难；2008年5月21日，盂县南娄镇万隆煤业有限公司井底车场发生一起煤尘爆炸事故，致5人死亡，1人受伤；2010年5月18日下午山西省盂县辰通煤业有限公司发生瓦斯爆炸事故，造成11人遇难；2012年4月23日，内蒙古乌拉特前旗兴亚煤炭有限责任公司煤矿发生一起瓦斯爆炸事故，造成9人死亡，16人受伤；2013年12月13日，新疆昌吉回族自治州呼图壁县白杨沟煤炭有限责任公司煤矿发生重大瓦斯煤尘爆炸事故，造成22人死亡，1人受伤；2014年11月26日，辽宁省阜新矿业集团恒大煤业有限责任公司发生重大煤尘爆燃事故，造成24名矿工死亡，52人受伤；2015年10月9日，江西省上饶市枫岭头镇永吉煤矿发生重大瓦斯爆炸事故，造成10人死亡。
尽管生产技术及安全管理水平不断提高，煤尘爆炸或有煤尘参加的爆炸事故不断减少，但由于煤尘爆炸的强破坏性，煤尘爆炸风险依然不可小视。据统计，我国87.37%的国有重点煤矿的煤尘具有爆炸危险性，具有煤尘爆炸危险的井工矿普遍存在[1]。因此，开展煤尘爆炸致灾机理及其防治工作，特别是针对煤尘的爆炸特性、爆炸及火焰传播机理及抑爆技术进行全面、深入的研究，将具有重要的实际意义。
2)煤尘导致尘肺病
对于产尘作业，一般以产尘强度作为煤尘生成量多少的评价指标。产尘强度又称绝对产尘强度，是指生产过程中单位时间内的煤尘产生量，单位为毫克/秒。与其相对应的是相对产尘强度，是指每采掘1t或1m3煤岩所产生的煤尘质量，单位为毫克/吨或毫克/米3。井巷掘进工作面的相对产尘量和生产强度紧密相关，可用于比较不同生产情况下的产尘量。在全机械化采煤工作面，全尘浓度可达1500mg/m3以上，综掘工作面的呼吸性粉尘(空气动力学直径＜7.07μm，属PM10范畴)浓度常在300mg/m3。据统计，各生产环节所产生的浮游粉尘量占全部矿井的大致比例如下：采煤工作面50%，掘进工作面35%，喷浆作业点10%，装、运、卸煤环节5%，其中采煤、掘进以及锚喷作业区的产尘量占矿井总产尘量的95%以上[2]。煤矿生产过程中产生的粉尘一部分通过喷雾降尘或通风排尘等措施进行消除，一部分粒度较小的尘粒飞扬悬浮在生产空间内，作业人员由于长期接触呼吸性粉尘，吸入的粉尘会慢慢沉积在人体肺部，会在生理、病理上产生一系列的变化，导致尘肺病。
3)影响作业安全
煤尘产生后能够长时间悬浮在空气中，大大降低作业地点的可见度，影响生产效率，加快机械磨损，缩短设备寿命，影响作业安全运行。
1.2煤尘结构与反应性研究进展
1.2.1煤尘结构特性
煤是由有机大分子和矿物质组成的复杂结构的物质，其不同组分在煤尘细化过程中表现出不同的性质。长期以来，人类对煤性质的研究与认识从未间断过，经过不断研究与积累，目前对煤性质已经有了比较全面的了解和认识。然而，相对于块煤而言，煤尘有着更小的分散度，随颗粒粒径的减小，其既保持了块煤的性质，又具有更多粉体所特有的性质，如煤尘颗粒的表面微观结构、表面电性、润湿特性、吸附特性等，目前人们对这些细微颗粒的该类特性的研究明显不足。由于机械截割的影响以及不同煤的硬度、截割参数的差异，煤体将产生不同粒径分布(particle size distribution，PSD)的煤尘，煤尘在粉碎过程中将会发生机械化学反应，致使其微观结构、表面化学特性及矿物晶格结构发生显著差异[3]。研究发现，随着煤尘粒径的不断减小，煤尘比表面积急剧增大，尤其是微孔数量急剧增加[4，5]。超细粉体的表面结构也呈现出典型的分形(fractal)特征，表面分形维数随着粒径的增加而增加，而结构分形维数随着平均孔径的减小而增大[6]。
在颗粒破碎过程中煤颗粒表面形态的变化将由脆性开裂向塑性开裂转变，细颗粒煤的微观断裂形态呈撕裂状[7]，且煤的表面电位显著下降[8]。随着煤尘的细化，其孔隙结构、化学结构及元素组成均发生变化，煤尘疏水性逐渐增强。经过超细粉碎后的煤颗粒形状和表面粗糙度具有分形特征，Zeta电位随粒度的变化与煤的变质程度密切相关[9，10]。Zhao等[11]借助FTIR从分子层面上探索了破碎过程中煤化学结构的选择性富集情况，采用红外结构参数方法半定量地描述了不同粒径煤尘的官能团变化情况，发现随着煤尘粒径的减小，煤尘中灰分不断降低，氢含量和脂肪烃/芳香烃先稳定后减小，*后趋于稳定，脂肪族侧链或桥键逐渐变长，含氧官能团—C—O—和高度取代的芳环主要集中在80～106μm的颗粒中，C=O富集在*小的颗粒中。Hower[12]从粒径对显微组分分布的影响方面展开了研究，结果表明镜质体倾向集中在小颗粒中，而硅酸盐和惰性物质主要存在于大颗粒中。Lin等[13]研究发现，在煤的超细粉碎过程中，机械破碎等外力作用将使煤中的化学键发生断裂，产生大量的自由基，使得煤中芳碳率及芳氢率增大，氧接脂碳含量降低，氧接芳碳含量升高。
传统上对煤尘粒度和表面微观结构特性的描述大多是定性分析，因为定量分析是基于经典的几何学概念进行测量，而煤尘颗粒边界复杂、表面粗糙、微观结构起伏多变、极不规则、具有相当精细的结构，这些特性并不严格属于经典几何学的光滑的线、面、体的范畴。如果用传统欧氏测量来描述煤尘颗粒的几何特性，实际上则会忽略许多重要细节，从而也就抹掉了许多重要信息。为此，美国学者曾提出了分形理论(fractaltheory)，为研究用传统的数学方法不能描述的煤尘粒度分布(PSD)提供了全新的数学手段和理论基础[14，15]。
对于粉体颗粒粒度的分形研究，国内外文献中已有许多报道，但其大多集中在对土壤、矿物颗粒粒度的分形描述，对煤尘的分形研究相对较少[16]。煤尘颗粒外形的不规则性和自相似性，以及颗粒群分布的自相似性使之成为分形理论所描述的对象，因此分形理论为研究像煤尘这样的复杂系统提供了有利的工具。利用分形理论研究煤尘粒度分布有可能实现煤尘粒度参数的定量表征。
1.2.2煤尘润湿特性
煤尘润湿性是影响降尘的重要特性之一，煤尘润湿是指其他流体介质(如液体)在毛细管力作用下附着在煤颗粒表面或渗透至煤颗粒内部，从而取代颗粒表面原有吸附介质的过程，其对于煤尘的沉降具有至关重要的意义。理想的润湿是由*初的两相(固-气和液-气)平衡状态经过三相接触状态(固-液-气)，*后达到两相平衡(气-液和固-液)。
在这方面，研究人员做了很多的工作，如李庆钊等[17]研究了超细煤粉表面的润湿性，得到煤经超细化粉碎后，表面润湿性发生了很大的变化，不同变质程度的超细煤粉表面都变成了强疏水表面。为了研究煤的浮选问题，村田逞诠[18]用化学法定量分析了煤的含氧官能团，得到了羧基含量是影响煤表面润湿性*主要的因素，羟基对润湿性的影响仅次于羧基，羰基、醚基对润湿性的影响甚微。Gosiewska等[19]研究了煤尘的矿物质和润湿接触角的关系，得出矿物质决定煤尘本身的润湿性。聂百胜等[20]根据煤大分子和表面结构特点，应用分子热力学和表面物理化学理论分析了煤表面自由能的特征和煤吸附水的微观机理，得到煤对水分子的吸附是多层吸附，吸附第一层水主要是煤对水分子的氢键作用占主要地位的结果，对其余水分子层的吸附主要是分子间力引起的长程力作用的结果，为认识煤的润湿性奠定了理论基础。本研究也探索了煤尘微观理化特性与其润湿性关联机制，通过系统分析煤尘的物理性质及其润湿行为，研究了不同表面活性剂对煤尘润湿性的影响，并与去离子水进行了比较。结果发现，煤的粒度越细、煤的微观结构越复杂，煤的润湿性越差。在3种不同的煤尘样品中，挥发分含量较高的煤的润湿性能较差，因为挥发分更容易释放，颗粒周围更容易形成气膜[21]。因此，研究认为细颗粒表面复杂的微结构可能导致其具有强疏水性，同时煤颗粒所含挥发物质的高低也影响着煤尘润湿性。此外，随着表面分形维数的增大，润湿接触角逐渐增大，煤尘疏水性增强。Kollipara等[22]发现液滴与煤颗粒间的接触时间是改善煤尘润湿性的重要因素，接触时间从10s增加到25s，煤尘润湿性提高3%～27%，且较粗糙的煤颗粒需要更多的时间来完全润湿。
总体而言，煤尘性质、润湿流体的种类和特性、煤尘与液体间的相互作用是影响润湿性能的重要因素[23]。对于不同变质程度的煤，随着变质程度的增加，煤所含化学组分发生变化。低级煤具有较高氧含量和丰富的含氧官能团，如羟基、羧基、羰基等，而高级煤的含氧官能团较少，导致煤的疏水性随变质程度的增大而增强[24]。程卫民等[25]提出芳香族C—H含量与煤尘表面润湿性显著相关，C—H含量的增加将导致液滴与煤尘之间的润湿接触角更小。Xu等[26]使用Walker法分析了煤尘化学成分与其润湿性之间的关系，认为煤尘表面羟基是决定其润湿性的主要原因，高羟基含量的煤尘比羟基含量较低的煤尘具有更快的润湿速率。此外，煤尘中无机矿物质含量已被证明对煤尘颗粒的润湿性有着显著的影响[27]。
研究表明，添加表面活性剂可以显著改善煤尘颗粒的润湿特性，但所添加的表面活性剂对润湿能力的改善则主要取决于其表面张力和化学结构[28，29]。表面活性剂由于具有特殊的结构，能有效地降低液体表面张力，许多科学工作者对水溶液中添加表面活性剂后如何提高煤尘润湿性做了大量的实验和理论研究工作，发现煤尘的润湿速率主要受温度、煤尘的尺寸组成以及特殊表面活性剂的浓度和分子结构的影响。在10～40℃的温度范围内，润湿速率随温度的升高而增加，大致呈线性关系，在特定温度下润湿速率随煤尘平均粒度的增加而线性增加。钱瑾华和涂代惠[30]通过研究表面活性剂润湿煤尘的能力，讨论了无机电解质及温度对表面活性剂润湿能力的影响，阴离子型表面活性剂中添加适量无机盐可大大提高溶液对煤尘的润湿性，而非离子型表面活性剂对煤尘的润湿性影响较小。Pahlman[31]发现在阴离子型表面活性剂溶液中添加钠盐和钾盐可以改善润湿性，煤中的矿物质与煤的润湿性有直接的关系。徐英峰和冯海明[32]认为不同的表面活性剂对煤尘的润湿性能
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