煤矿生产过程中通常伴随着火灾、粉尘爆炸、煤与瓦斯突出等众多灾害的威胁，给煤矿安全生产带来严重的安全挑战^[1-2]。为了有效预防此类灾害的发生，众多科研学者针对煤层注水和煤的润湿性开展了大量的科学研究。其中：程卫民等^[3-5]基于通风控尘技术，研发除尘降尘装备，并通过煤层注水有效降低了掘进工作面、回采工作面等井下区域粉尘的浓度；赵尤信等^[6]通过数值模拟技术对井下辅运巷道粉尘运移规律进行细致分析；王国旗等^[7]探究了煤层注水技术对井下粉尘治理的重要作用；王海^[8]研究了煤层注水起裂压力与层理结构之间的关联性，并分析了注水段长度对浸润扩散距离的影响规律；曹垚林^[9]针对复合水力化防治煤与瓦斯突出开展系列研究，提出了智能化水力卸压增透技术。

通过上述研究成果可以看出，井下煤层注水技术能够对井下众多灾害进行有效治理，因此众多科研人员又针对煤层注水技术及效果进行了研究。其中：唐建平等^[10]探究了用水力冲孔技术对低透气性煤层增透效果的影响；刘震等^[11]研究了煤层注水渗透率模型并通过模拟研究了水力耦合影响因素；姜爱伟等^[12]研究了煤层分区高压增透混合式注水技术在兴隆庄煤矿的应用效果和作用。而在实际作业过程中，由于开采深度的增加以及煤层内部孔裂隙发育程度较低，常规条件下很难将水注入煤体中，使煤层注水效果达不到预期效果。因此，借鉴石油领域使用的表面活性剂增加煤体润湿效果特性，在煤层注水过程中加入了表面活性剂，提高了煤层润湿效果^[13]。为了优选表面活性剂种类，合理设定表面活性剂浓度等参数，众多科研人员又对表面活性剂对煤层注水的影响效果及作用机理进行了一系列的研究。如：张京兆等^[14]研究了不同浓度的复配型表面活性剂对不同粒径煤尘的润湿效果；WANG等^[15-16]研究了不同种类表面活性剂对长焰煤煤层注水的影响规律以及阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠对煤层注水渗流阶段的影响规律和作用机理。

目前，多数研究侧重于煤层注水作用机理和润湿效果评价，针对表面活性剂对煤层注水渗流阶段的影响规律的研究较少，且研究过程中使用的表面活性剂都是单一表面活性剂。因此，为了进一步提高煤层注水的润湿效果，弥补煤层注水研究领域的研究空缺，研究复合型表面活性剂对煤层注水渗流阶段的影响规律是非常重要的。

1.   实验准备

1.1   煤样制备及基本参数

煤层注水一般可分为3个阶段：渗流阶段、渗流-润湿协同作用阶段和润湿阶段。其中，渗流阶段是指高压液体在煤体孔裂隙中克服摩擦向前渗流的阶段，为了采用实验手段模拟分析渗流阶段的煤层注水渗透特性，利用煤心钻割机在实验煤样上钻取50 mm×100 mm的圆柱体煤样，并沿轴向将煤样压裂分离为尺寸大致相同表面粗糙的2个部分，再将这2个部分的煤样紧密贴合，在贴合的边缘处利用防水胶进行黏结密封。通过检测技术对煤样进行工业性分析，煤体工业性分析见表1。

表  1  煤体工业性分析

Table  1.  Coal industry analysis

煤样	镜质组含量/%	惰质组含量/%	壳质组含量/%	矿物质含量/%
烟煤	63.6	30.3	2.5	3.6

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1.2   复合表面活性剂材料

表面活性剂通常按结构类型可以划分为阳离子、阴离子和非离子表面活性剂。由于单一离子型表面活性剂在煤层注水使用过程中存在各种弊端，例如表面活性剂分子与煤分子的相互吸附性，表面活性剂不完全溶解于水等问题，研究复合表面活性剂能够消除此类弊端并有效增强煤层润湿的效果^[17-18]。基于上述原因，以常用的表面活性剂十二烷基硫酸钠、1,3-二氯-2-丙醇和氯磺酸为原料配置新型双子表面活性剂。借助核磁共振氢谱技术对新型双子表面活性剂结构进行了参数表征，并通过接触角测试、润湿性测试、表面张力测试等测试手段对配置的新型双子表面活性剂进行了基础参数测定。复合表面活性剂基础参数测定见表2。

表  2  复合表面活性剂基础参数测定

Table  2.  Determination of basic parameters of composite surfactants

类型	质量 分数 /%	临界胶 束浓度/ （mmol·L−1）	表面 张力/ （mN·m−1）	表面过 量值/ （μmol·m−2）	最小 粒径/ nm	接触 角/ （°）	表面 张力/ （mol·L−1）
复合表面 活性剂	1	1.19	34.79	0.56	2.67	68	1.11×10−3

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1.3   实验仪器

为了在实验室模拟分析煤层注水渗流阶段变化特征，为了能够满足外部液体加压、三轴渗流等实验条件，选用三轴渗流装置进行实验测试装置，三轴渗流装置示意图如图1所示。

图  1  三轴渗流装置示意图

Figure  1.  Diagram of triaxial seepage device

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实验过程中，CO₂气瓶释放出的气体进入输气管路，进入气压泵中，推动气压泵内活塞，通过活塞的挤压作用将前方的液体进行加压进入注水管路，最终从煤样顶端流入裂隙煤体中，实现模拟煤层注水的渗流过程。在整个实验过程中，通过控制气瓶的出气速度来调节气压泵的运行速度，进而控制三轴渗流装置顶部的注水压力。

2.   实验方案

2.1   实验参数设置

由于影响煤层注水的关键参数很多，如注水压力、表面活性剂种类、表面活性剂浓度、裂隙开度、煤体工业化参数以及人造裂隙表面粗糙度等，其中注水压力为水体与煤样接触时的孔隙水压力，煤体的润湿效果受注水压力影响较大，同时表面活性剂也在一定程度上影响着煤层注水的效率。因此，主要研究不同表面活性剂对煤层注水渗流阶段的影响规律，通过查阅相关文献，结合现场煤层注水实际作业参数，对表面活性剂浓度、注水压力、裂隙开度等可控因素进行了单一数值设定，对煤体工业化参数等不可人为控制的煤体自身参数进行了工业性分析，而人造裂隙表面粗糙度在煤样制作过程中尽量保证切割时切割面光滑平整。实验参数设定见表3。

表  3  实验参数设定

Table  3.  Experimental parameters setting

表面活性剂种类	表面活性剂 质量分数/%	轴压/ MPa	围压/ MPa	注水压力/ MPa
水	—	5	5	4
十二烷基硫酸钠	1	5	5	4
复合型表面活性剂	1	5	5	4

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2.2   实验记录及分析方法

实验过程中，为确保实验数据的准确性，应每隔1 min记录1次量筒内的液体体积，液体流出量趋于稳定后开始记录。为了减少实验误差，液体流量稳定后采集10次数据进行后续分析。

由于渗流系数是描述液体在多孔介质中流动的能力，而达西定律是公认的表征多孔介质导流能力采用最广泛的理论^[19-20]。根据达西定律原理，计算煤体的渗流系数，来表示液体在煤样中流通的难易程度，进而分析表面活性剂对渗流阶段的影响。

式中：K为渗流系数；Q为单位时间内通过试样的液体量，m³；L为试样长度，m；ρ为液体的密度，kg/m³；p为试样两端的压力差，kPa；A为式样的截面积，m²。

3.   实验结果

3.1   表面活性剂渗流特性

表面活性剂具有降低渗流溶液表面张力的效果，溶液表面张力越弱，其渗流润湿协同效应越明显^[21-22]。实验测定了3种不同渗流液体（水、十二烷基硫酸钠和复合型表面活性剂）条件下煤体的渗流系数变化情况，不同渗流液体的煤体渗透系数变化情况如图2所示。

图  2  不同渗流液体的煤体渗流系数变化情况

Figure  2.  Changes in seepage cofficient of coal with different seepage liquids

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由图2（a）可以看出，对含裂隙煤样进行了10次间隔测量，测量结果显示整个渗流过程中渗流系数呈先减小后增加再减小的变化趋势；其中，最大渗流系数为3.9×10⁻⁴，最小渗流系数为3.6×10⁻⁴，平均渗流系数为3.73×10⁻⁴。整体渗流系数基本呈现在3.73×10⁻⁴上下波动的变化规律，这种波动变化主要是实验过程中气体释放速度等实验误差引起的，渗流液体为水的条件下，作为研究煤体渗流润湿协同效应的对照组获得煤层注水渗流阶段的渗流系数约为3.73×10⁻⁴。

由图2（b）可以看出，在表面活性剂十二烷基硫酸钠的作用下，裂隙煤样的渗流系数整体呈先快速下降后趋于稳定波动的变化规律。初始阶段最大渗流系数达到了5.0×10⁻⁴，最小渗流系数为3.1×10⁻⁴，渗流系数降低了38%，经计算渗流系数趋于稳定后的平均值为3.6×10⁻⁴。十二烷基硫酸钠作为阴离子表面活性剂具有较好的乳化性和水溶性，通过界面化学理论进行分析可以得到，煤体裂隙表面由于润湿界面的存在，十二烷基硫酸钠与煤体基团进行相互作用，阴离子表面活性剂受分子结构影响，使得亲水亲油平衡值更加均衡。十二烷基硫酸钠相较于纯水来说，吸附密度较大，渗流溶液表面的疏水基与煤体间的结合效率也越高，煤体裂隙内的渗流润湿协同效果较为明显。通过以上分析可知这种变化规律的主要原因是由于十二烷基硫酸钠与煤体之间具有较强的吸附性，在渗流过程中液体中的十二烷基硫酸钠能够大量吸附在煤层壁面上，进而造成裂隙粗糙度发生变化，阻碍了渗流过程，降低了煤体裂隙的渗流系数。

由图2（c）可以看出，配置的复合型表面活性剂作为渗流液体时，最大渗流系数为5.8×10⁻⁴，最小渗流系数为5.4×10⁻⁴，渗流系数降低了6.9 %，平均渗流系数为5.64×10⁻⁴。复合型表面活性剂作为非离子-阴离子表面活性剂具备了明显的协同润湿作用，同时能够有效促进渗流系数的提升，原因在于非离子表面活性剂在氢键的作用下，疏水基会定向分布于渗流溶液表面，排列较为致密，而阴离子表面活性剂的疏水基受静电排斥影响排列较为稀疏。因此，在复合型表面活性剂中受离子变化影响使得阴离子与非离子之间产生了静电引力作用，进而导致了2种离子表面活性剂之间通过更致密的方式进行交错排列，使得煤体裂隙表面更加光滑，渗流协同润湿效应更加明显，渗流溶液表面张力随之降低，渗透系数较高。

通过分析2种表面活性剂对渗流阶段的影响特性可以看出，2种不同类型的表面活性剂均能够在一定程度上降低溶液表面张力，溶液表面张力影响着渗流过程中裂隙的表面粗糙度，液体表面张力越小，其渗流系数越高。配置的复合型表面活性剂相较于水时，渗流系数由3.73×10⁻⁴提高到了5.64×10⁻⁴，增长率约为66.1%；与十二烷基硫酸钠相比，渗流系数由3.6×10⁻⁴提高到了5.64×10⁻⁴，增长率约为63.8%，因此，复合型表面活性剂对三轴作用下的含裂隙煤体的渗流效果具有明显的促进作用。

3.2   不同表面活性剂之间的对比

为了方便分析不同表面活性剂对渗流阶段的影响规律，分别将3种表面活性剂渗流过程中10次测量数据的最大值、最小值以及平均值进行对比，不同种类表面活性剂对煤层注水渗流系数的影响如图3所示。

图  3  不同种类表面活性剂对煤层注水渗流系数的影响

Figure  3.  Influence of different kinds of surfactants on seepage coefficient of coal seam

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由图3可以看出，在模拟含裂隙煤体注水渗流的初始阶段，即十二烷基硫酸钠的渗流系数为最大值时，不同表面活性剂的渗流系数由大到小排序为复合型表面活性剂>十二烷基硫酸钠>水，说明表面活性剂确实能够降低液体的表面张力，有效增强煤层注水时的渗流特性，而配置的复合型表面活性剂增强渗流的效果更好。在注水模拟渗流特性的最终稳定阶段，不同表面活性剂的渗流系数由大到小排序为复合表面活性剂>水>十二烷基硫酸钠，说明十二烷基硫酸钠随着煤样注水的进程，吸附在煤体裂隙表面上的阴离子活性剂增加，使得裂隙粗糙度增大，阻碍了煤层注水渗流过程，而配置的非离子-阴离子复合型表面活性剂改善了十二烷基硫酸钠吸附性的弊端，因此渗流系数基本不受影响，对煤层注水渗流润湿协同保持较高的促进效果。通过平均渗流系数对比可以看出，在实际煤层注水过程中，单纯使用十二烷基硫酸钠一定程度上降低了含裂隙煤体注水过程中的渗流特性，而配置的复合型表面活性剂则是起到了促进作用。

4.   结　语

1）十二烷基硫酸钠与煤体之间具有的较强的吸附性，增强了煤体裂隙的粗糙度，抵消了活性剂的促进效果，最终导致单一使用十二烷基硫酸钠是阻碍煤层注水的。

2）通过在十二烷基硫酸钠中加入1,3-二氯-2-丙醇和氯磺酸可以改变十二烷基硫酸钠与煤之间的吸附性，并进一步降低液体表面张力，能够有效促进煤层注水渗流特性，相较于单一表面活性剂水和十二烷基硫酸钠，渗流系数增长率分别为66.1%和63.8%。

3）针对煤层注水渗流阶段而言，十二烷基硫酸钠自身特性能够降低液体表面张力，促进煤层注水渗流过程，但本文没有研究十二烷基硫酸钠对润湿阶段的影响规律，后续可以针对十二烷基硫酸钠对润湿特性的影响并综合分析渗流和润湿特性，得出十二烷基硫酸钠对煤层注水的综合影响。