煤层注水润湿效果的研究

韩玮 德新林 韩适朔 付威

中国地质大学 （北京）

在煤矿，煤层注水普遍地用于防止煤与瓦斯突出、冲击地压和降尘，但由于煤的表面自由能较低，煤层的透水性能差等原因，煤层注水的效果一直有待提高。润湿煤层是治理煤矿井下灾害的综合性指标，为了有效防治瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等事故的发生，通过表面活性剂溶液在煤体内的渗透及扩散，以达到均匀润湿煤层来实现。表面活性剂应用极为广泛，它已涉及到各工业部门以及人们生活的方方面面，如生活中常见的洗涤剂、润湿剂、渗透剂、乳化剂、破乳剂、消泡剂、分散剂等。而近年来为了提高煤层注水的效果，国内外都在研究水中加入表面活性剂以求改善煤与水的界面状态，增强水对煤的亲合能力，提高煤层注水的效果。

为了探究不同类型表面活性剂对固体表面润湿的效果，本文将通过对其表面张力的测定，分析表面活性剂浓度与表面张力的关系规律，将安全、经济、高效的表面活性剂推广到实际生产中。

1 表面活性剂的选择

在实际应用中，表面活性剂溶液进入孔隙中所产生的毛细管力，在一定程度上阻碍了瓦斯的流动，起到暂时封堵瓦斯的作用，对于采掘工作面，降低瓦斯浓度具有非常重大的意义。在本文中主要探究表面活性剂在低浓度下对表面张力的影响。

根据煤层润湿中不能选用阳离子和含有有机胺的表面活性剂[2]，所以使用了渗透性和扩散性好的表面活性剂作为实验试剂，以降低溶液的表面张力，增大溶液与固体界面的活性，提高和促进溶液向孔隙的渗透与扩散。

根据上述分析，最终选定了6种基本的表面活性剂[1]作为本次实验的主要药剂。由于药剂成分名称复杂，根据以往文献的经验，用“Ri”（i=1、2、3、4、5、6）代表各表面活性剂，见表1。

通过资料查阅了6种表面活性剂的基本性能，见表2。

表1 实验使用表面活性剂的种类

表2 表面活性剂的基本性能

通过在水中加入表面活性剂，形成不同的溶液。其界面张力也是不同的，其润湿效果也会不一样。本文将从表面活性剂的类型及表面活性剂溶液浓度这两个因素出发，探究其与表面张力的函数关系，进而确定固体表面润湿效果的影响。

2 表面张力的直接测定

2.1 实验仪器

实验仪器为FTA科研型悬滴法表界面张力仪及接触角仪。分析软件具备自动图像分析功能，但也提供半自动及手动模式用于较复杂图形的分析。

大多数情况下，表面张力测量的标准偏差小于0.5mN/m，但实际测量结果会因样本制备、图像聚焦、台面震动和空气流动而有轻微影响，分辨率为0.1个单位。

2.2 实验方法

本次试验采用的是悬滴法，具有操作简单、测量精度高、受外界影响小、可以动态测量等优点。

2.2.1 实验准备

将不同的表面活性剂按照一定的浓度梯度配制成200ml的溶液，浓度的选择参考了同类实验的经验。

表面活性剂：液体采用体积比，固体或粉末采用质量比。

本次试验中各溶液表面张力值的测定均采用相同的方法和仪器，测定的时间间隔也是相同的。

2.2.2 收集数据

实验利用由一摄像机或相机抓拍一悬滴的图像，并将整个图像数字化。数字化后的图像由计算机进行图像处理，测定其整个悬滴轮廓的坐标，再拟合到描述悬滴轮廓的Bashforth-Adams（1892）方程式，就可得到毛细管常数。在知道了界面两相的密度差和重力加速度的情况下，就可由毛细管常数计算出界面的表/界面张力值。

2.3 实验数据分析

2.3.1 数据记录

R1、R2为固体，采用的质量百分比，与其对应的浓度对数值和表面张力，见表3。

表3 R1、R2实验数据

R3、R4为液体，采用的体积百分比，与其对应的浓度对数值和表面张力，见表4。

表4 R3、R4实验数据

R5、R6为液体，采用的体积百分比，与其对应的浓度对数值和表面张力，见表5。

表5 R5、R6实验数据

2.3.2 结果分析

从图1可见：R1、R2二个固体表面活性剂在所测的浓度区间，根据其变化趋势，其表面张力值的变化可分为三个类型：

（1）快速下降类型，区间浓度小于0.20%，图像为下滑曲线，斜率较大。

（2）缓慢下降类型，区间浓度大致从0.20%到0.50%，图像为下降直线，斜率变小。

（3）基本平稳类型，区间浓度大于0.50%，基本可认为是各自趋于某定值的直线。

三个表面活性剂在各区间的趋势大致一样。从整个浓度范围来讲，其张力值变化幅度最大的是R1，其次是R2，即R1>R2，说明R1在适合浓度下对固体润湿效果比R2好。

图2中，R3、R4、R5三种活性剂的表面张力值在整个浓度区间内同样也可分为3个区：

（1）急速下降区（体积浓度小于0.015%）

（2）下降缓慢区（体积浓度0.015%至0.040%）

（3）稳定区（体积浓度为大于0.040%）。

在急速下降区，R3的下降幅值明显大于其余两种活性剂溶液，而R4和R5在浓度小于0.005%之间是非常的接近，在0.005%到0.015%之间，R4的张力降低值略小于R5。在下降缓慢区，张力降低幅度存在这样一个关系：R3>R4>R5。在稳定区，基本维持了缓慢区的变化关系。最后，在此比较中得出的结论是：R3>R4>R5。

由于R6浓度选取的梯度与其他溶液不一样，所以作为单独分析。从图中可以直观看到溶液的表面张力随着浓度的增加变化不是很明显，相比较于R3、R4、R5，说明R6的敏感性较差。又因为R6的成本较高，所以不建议使用此种表面活性剂。

由图3可知，表面张力的下降幅度表示其润湿效果的效率。综上6种药剂的比较分析，不论是固体还是液体药剂，虽然采用的浓度百分比方式不同，但在各自到达一定浓度后，其张力值都比较接近（考虑到本实验得出的最终药剂要用于固体表面的润湿，并且溶液的粘度在一定范围内越小越利于在固体空隙内的流动，使润湿效果更佳，所以选用R1、R3药剂最为安全、经济、高效。

2.3.3 表面张力值函数分析

为得出各药剂在一系列浓度下，张力值的变化曲线存在何种规律，将6种表面活性剂的浓度与表面张力值坐标图分别与线性函数、对数函数、多项式、幂函数、指数函数进行拟合，从中选择得到R2值最大，拟合效果最好的函数，结果如下：

根据R2值，发现所实验的液体表面活性剂表面张力值随浓度变化的曲线近似遵循幂函数变化规律[3]，固体表面活性剂表面张力随浓度的变化的曲线近似遵循对数和多项式函数。

通过对各溶液表面张力的测定，从溶液性质参数上讲，溶液表面张力比原水张力值在不同程度上都有所降低，其降低幅度不等。从溶液流动性质上讲，添加了表面活性剂的溶液，其运动粘度比原水有所降低。各药剂在一系列浓度下，张力值的变化曲线近似幂函数曲线的变化规律。

2.3.4 表面张力与表面活性剂浓度对数值的关系分析

根据表面活性剂溶液的表面张力与浓度关系的拟合公式及其计算机处理，我们也探究表面张力与表面活性剂浓度对数值的关系。

3 结论

通过实验，可以看到表面活性剂对固体表面润湿效果起到了积极的作用。在煤矿生产过程中，如采掘作业、钻眼作业、顶板管理等会产生大量矿尘的各个环节，可采用向煤层中注入添加一定的表面活性剂的水溶液，从而减小水溶液的表面张力和润湿角，提高煤体润湿范围和吸水量，同时降低注入水分的蒸发，减少煤尘，有效防止煤与瓦斯突出[5]。

在探究表面张力与表面活性剂浓度的关系时，缓慢下降区的末端浓度可以作为添加表面活性剂的参考，综合考虑经济、作用效率等因素，选用最为恰当的表面活性剂以及最佳浓度，可以为煤矿安全提供一定的借鉴和参考，防止或者减少煤矿事故的发生。

[1]张晓宇.表面活性剂润湿煤体的实验研究[EB/OL].China Academic Journal Electronic Publishing House

[2]张超英.表面活性剂润湿煤层效果的研究[J].劳动保护科学技术,1994,14(1):47-53

[3]张兰辉,赵国玺,朱珍瑶.表面张力与溶液浓度函数关系的拟合[J].化学通报,1991,(12):35-37

[4]曲秀华,李耀.表面活性剂溶液的表面张力与浓度关系的新经验公式及其计算机处理[J].淮北煤师院学报,1998,19(4):54-57

[5]姜伟,管保山,杨致远,等.不同类型表面活性剂对煤岩润湿[EB/OL].China Academic Journal Electronic Publishing House