Study on the influence of surfactant on wettability and gas desorption properties of coal
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摘要:
为研究表面活性剂对煤的润湿性及瓦斯解吸性能的影响规律，分析了6种表面活性剂溶液对6种不同变质程度煤样的润湿特性；利用煤的瓦斯吸附/解吸后置注水试验装置，探究了表面活性剂对煤中瓦斯解吸的抑制作用。结果表明：随着挥发分的增加，不同质量分数溶液在煤表面的接触角均呈现倒“U”形变化趋势，同时相同条件下的顺丁烯二酸二仲辛酯磺酸钠 (快T)、脂肪醇聚氧乙烯醚 (AEO-9)、椰子油脂肪酸二乙醇酰胺 (6501)溶液在煤样表面的接触角更小，说明三者对不同煤样的润湿性能更好； 随着表面活性剂溶液质量分数的增加，铺展系数呈正相关变化而黏附张力呈负相关变化，这与添加表面活性剂改变水分子在煤表面的润湿铺展效果和黏附作用有关； 煤中瓦斯气体初始解吸量、极限解吸量均与溶液质量分数具有良好的负指数关系，反映出表面活性剂溶液对煤中瓦斯解吸能力的显著弱化效应，分析认为这主要与溶液对煤的润湿增强作用、溶液对煤微孔裂隙的毛细阻力作用以及煤吸附水引起膨胀变形对孔隙的压缩作用有关。
Abstract:In order to study the influence law of surfactants on the wettability and gas desorption performance of coal, the wetting characteristics of six surfactant solutions on six different coal samples with different metamorphic degrees were analyzed; the inhibition effect of surfactants on gas desorption in coal was studied by using water injection test equipment after gas adsorption/desorption. The results showed that: with the increase of volatiles, the contact angles of the solutions with different mass fractions on the coal surface all show an inverse U-shaped trend, and the contact angles of sodium diethylhexyl solfosuccinate (rapid penetrant T), primary alcobol ethoxylate (AEPO-9) and coconutt diethanol amide (6501) solutions on the coal surface under the same conditions are smaller, indicating that the three solutions have better wettability for different coal samples. With the increase of the mass fraction of surfactant solution, the spreading coefficient is positively correlated and the adhesion tension is negatively correlated, which is related to the wetting spreading effect and adhesion effect of water molecules on the coal surface changed by the addition of surfactant. The initial and ultimate desorption amount of gas in coal has a good negative exponential relationship with the mass fraction of the solution, which reflects the significant weakening effect of surfactant solution on the desorption ability of gas in coal. It is analyzed that this is mainly related to the wetting enhancement effect of the solution on the coal, the capillary resistance effect of the solution on the coal microporous fissures, and the expansion and compression effect of the coal adsorption of water on the pores.
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Keywords:
- surfactant /
- coal seam water injection /
- gas disaster /
- wettability /
- surface tension /
- contact angle /
- gas desorption
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随着矿井开采深度的增加，煤与瓦斯赋存的“三高”特征更加显著[1]，煤层瓦斯压力与含量升高、瓦斯涌出量也呈增大趋势，使得煤与瓦斯突出、瓦斯浓度超限等灾害事故风险的防范压力增大。实践证明，煤层注水是减缓采动煤岩体瓦斯涌出的有效手段，而添加表面活性剂能够改善水在煤岩表面的润湿性，有利于提高水对瓦斯解吸的抑制作用，被认为是当前瓦斯灾害治理工作的可行方法[2-3]。
众多学者探究了表面活性剂对煤表面润湿特性的影响。WANG等[4]研究发现，随着煤变质程度的增加，煤的润湿性逐渐降低；陈跃等[5]研究发现，煤尘的润湿效果与煤的灰分和挥发分有关；XU等[6]通过亲水亲油平衡值评价了不同阴离子表面活性剂对无烟煤的润湿能力；LIU等[7]研究了阴离子表面活性剂—脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸钠（AEC）对煤表面润湿性的影响；王凯等[8]研究发现，在复配溶液中加入无机盐可恢复高岭土的吸附能力并增加煤表面的亲水性位点，从而提高溶液的润湿性能；罗振敏等[9]研究发现二元表面活性剂复配后的润湿团聚效果不存在种类决定性优劣，溶液表面张力的降低不会促进煤尘沉降速度的提升；甘建等[10]利用扫描电镜、红外光谱等方法测试了3种表面活性剂溶液对煤尘的润湿性能及其在煤尘表面的吸附能力；李树刚等[11]利用红外光谱技术探究了糖脂类表面活性剂处理后煤样表面的羟基吸收峰变化规律，发现鼠李糖脂活性剂在煤表面润湿吸附性大于槐糖脂活性剂；张馨新等[12]研究发现，经表面活性素溶液润湿后，煤的−OH、C−O等亲水性含氧官能团大幅增多，颗粒之间黏附团聚作用明显。同时，学者们围绕表面活性剂溶液对煤中瓦斯解吸与运移特性的影响开展了研究。LU等[13]研究发现，添加表面活性剂可以提高煤样渗透率，从而改善瓦斯气体在煤中的运移，提高瓦斯抽采效果；LEE等[14]认为表面活性剂的加入可以有效提高瓦斯抽采效率，同时煤层卸压后还能起到封堵作用，削弱瓦斯气体解吸能力；YOU等[15]通过开展瓦斯解吸试验研究发现，阴离子表面活性剂在很大程度上会抑制煤样的瓦斯解吸，并且润湿性越好抑制能力越强；陈绍杰等[16]、ZHU等[17]研究发现，可利用注入表面活性剂溶液引发的煤体水锁效应，达到延缓开采时瓦斯气体释放，降低工作面瞬间瓦斯积聚量以达到预防瓦斯浓度超限的目的；刘宝莉等[18]研究发现，随表面活性剂溶液质量分数的增加，煤的瓦斯气体放散量、瓦斯扩散系数均出现减小趋势。
综上，研究了不同表面活性剂对不同变质程度煤样的润湿特性，探究了溶液表面张力变化规律以及溶液在煤表面接触角与煤变质程度的关系，分析表面活性剂溶液质量分数对铺展系数、黏附张力的影响；并结合基于后置注水法的瓦斯解吸试验，分析表面活性剂溶液作用下煤的瓦斯气体解吸特性，为煤层瓦斯灾害注水防治技术提供理论指导。
1. 试验内容与方法
1.1 煤样与试剂
从辽宁大兴煤矿(CYM2)、山西保德煤矿(QM)、河南平煤八矿(JM5、JFM4)、山西灵石煤矿(SM10)和山西晋圣松峪煤矿(WYM15)，分别采集了长焰煤到无烟煤的6种不同变质程度煤样。自工作面采集的新鲜煤样被送至实验室，后将煤样破碎筛分成不同粒径的试样。采用全自动工业分析仪测定粒径小于0.2 mm煤样的水分、灰分、挥发分指标参数；同时，将原煤样破碎成合适尺寸，随后依次使用0.044～0.05 mm、0.025～0.038 mm、0.018～0.025 mm、
0.0035 ～0.005 mm和0.0023 ～0.0035 mm的不同粗细度砂纸对煤样进行打磨平整；后用蒸馏水冲洗掉样品表面的煤粉和杂质，再对样品进行干燥处理后使用密封袋进行保存。试验煤样的工业分析见表1。试验煤样的打磨平整处理流程图如图1所示。表 1 试验煤样的工业分析Table 1. Industrial analysis of coal samples煤样编号 煤样来源 水分/% 灰分/% 挥发分/% CYM2 辽宁大兴煤矿 6.33 26.59 40.52 QM 山西保德煤矿 4.65 3.63 32.68 JM5 河南平煤八矿 1.17 27.28 32.63 JFM4 河南平煤八矿 1.06 25.71 31.37 SM10 山西灵石煤矿 0.67 9.13 16.79 WYM15 山西晋圣松峪矿 0.91 13.28 10.63 表面活性剂的种类丰富、产品复杂，主要包括离子型和非离子型2类，其中的离子型还分为阳离子、阴离子、两性3类表面活性剂[19]。基于表面活性剂的应用安全性、稳定性、温和性等考虑，选取6种试剂进行试验研究，分别为椰油酰胺基丙基甜菜碱 (CAB-35)、十二烷基苯磺酸钠 (SDBS)、顺丁烯二酸二仲辛酯磺酸钠 (快T)、椰子油脂肪酸二乙醇酰胺 (6501)、脂肪醇聚氧乙烯醚 (AEO-9)、烷基糖苷 (APG0810)。其中，CAB-35、SDBS、快T均为阴离子表面活性剂；6501、AEO-9、APG0810均为非离子表面活性剂。试验前，将6种表面活性剂配置成质量分数分别为0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.1%的溶液。
1.2 试验内容
1.2.1 润湿性试验
基于悬滴法测试原理，利用上海方瑞精密仪器有限公司生产的JCY-4接触角测定仪，在室温下开展质量分数分别为0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%溶液的表面张力试验。取3次测试平均值作为最终测定结果，误差不超过0.3 mN/m。同时，测量不同溶液在试验煤样表面的接触角，当液滴在试样表面稳定时，接触角测定仪下液2 μL至试验煤样表面，在室温下测定不同质量分数与煤样表面的接触角，取3次测试结果的平均值作为最终值。接触角是气−液−固三相交点处气−液界面与固−液界面的切线夹角。当固态相与液态相接触并达到平衡状态时，所形成的接触角与三相界面张力之间满足杨氏方程，即：
$$ {\gamma }_{\mathrm{s}\mathrm{v}}-{\gamma }_{\mathrm{s}\mathrm{l}}={\gamma }_{\mathrm{l}\mathrm{v}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\;\theta $$ (1) 式中：$ {\gamma }_{\mathrm{s}\mathrm{v}} $为固−气界面张力，mN/m；$ {\gamma }_{\mathrm{s}\mathrm{l}} $为固−液界面张力，mN/m；$ {\gamma }_{\mathrm{l}\mathrm{v}} $为液−气界面张力，mN/m；$ \theta $为接触角，(°)。
采用铺展系数、黏附张力2个指标，评价表面活性剂溶液对试样的润湿效果。铺展系数S衡量的是溶液在固体表面的铺展程度。当S＞0时，液体在固体表面获得最佳的润湿铺展，表达式为：
$$ S=\gamma_{\mathrm{sv}}-\gamma_{\mathrm{sl}}-\gamma\mathrm{_{lv}} $$ (2) 式中：$ S $为铺展系数，mN/m。
由于固体表面复杂，固−气界面张力和固−液界面张力难以测定。为此，引入YOUNG[20]提出的接触角与固−液−气界面张力间的理论关系，将式(1)代入式(2)，可得：
$$ S=\gamma_{\mathrm{lv}}(\mathrm{cos}\;\theta-1) $$ (3) 黏附张力F为固−气界面张力与固−液界面张力之间的差值，反映液体与固体表面之间的黏附性能，即液体依附在固体表面上的力[20]，表达式为：
$$ {F=\gamma }_{\mathrm{s}\mathrm{v}}-{\gamma }_{\mathrm{s}\mathrm{l}} $$ (4) 式中：F为黏附张力，mN/m。
将式(1)代入式(4)，可得：
$$ F={\gamma }_{\mathrm{l}\mathrm{v}}\;\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\;\theta $$ (5) 1.2.2 煤的瓦斯吸附−解吸后置注水试验
利用沈阳研究院自主研制的TZX-6000A型含瓦斯煤等压后置注水吸附−置换−解吸试验装置进行试验，TZX-6000A型含瓦斯煤等压后置注水吸附−置换−解吸试验装置如图2所示。
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图 2 TZX-6000A型含瓦斯煤等压后置注水吸附−置换−解吸试验装置Figure 2. TZX-6000A isobaric post-water injection adsorption-displacement-desorption test device for gas-bearing coal首先，使煤样罐中50 g的煤样在温度20 ℃、气体压力1.5 MPa条件下达到预先吸附平衡；随后打开注水阀将质量分数为10%的表面活性剂溶液注入储水罐；其次，通过打开煤样罐、储水罐之间的连通孔，将液体灌入煤样罐，并通过反复旋转煤样罐使得煤样与液体充分混合；最后，打开煤样罐进行预先吸附瓦斯平衡条件下干煤样、注纯水煤样、注表面活性剂溶液煤样的瓦斯解吸试验。其中，注入的表面活性剂溶液为AEO-9溶液，质量分数分别为0.02%、0.04%、0.06%、0.1%。
Airey式参数的物理意义明确，常被用于研究煤的瓦斯气体解吸特性。Airey认为可以将煤看做是分离的带有裂隙的块体所组成，其表达式为：
$$ {Q}_{t}=A\left[1-\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left\{-{\left(\frac{t}{{t}_{0}}\right)}^{n}\right\}\right] $$ (6) 式中：Qt为卸压后至时间t为止的累计解吸量，mL/g；A为极限解吸量，cm3/g；t为时间，min；t0为时间常数；n为与煤种裂隙发育程度有关的常数。
2. 结果与讨论
2.1 煤的润湿特性
2.1.1 溶液表面张力的变化规律
表面张力是液体表面垂直于单位分界线相互作用的一种力，是由于分子间吸引力的存在，溶液内部的表面活性剂分子给气−液界面的表面活性剂分子提供一个朝向溶液内部的力[21]。表面活性剂可降低溶液表面张力，溶液表面张力越小，其润湿性越强[22]。不同质量分数表面活性剂溶液的表面张力见表2。
表 2 不同表面活性剂溶液的表面张力Table 2. Surface tension of different surfactant solutions表面活性剂溶液 表面张力/ (mN·m−1) 0% 0.02% 0.04% 0.06% 0.08% 0.10% 快T 78.65 35.70 30.35 27.80 27.26 26.40 6501 78.65 39.20 32.50 29.88 29.68 29.40 AEO-9 78.65 37.33 33.30 33.53 33.45 29.25 SDBS 78.65 48.55 37.26 32.23 32.20 29.00 CAB-35 78.65 50.43 46.07 35.20 30.53 28.80 APG0810 78.65 57.17 48.93 45.87 42.63 41.97 由表2可知，6种表面活性剂溶液的表面张力均随着溶液质量分数增大出现先快速降低后趋于平缓的变化趋势。当溶液质量分数小于0.04%时，溶液表面张力随质量分数的增加而迅速降低，6种表面活性剂溶液的表面张力降低幅度为36.64%~61.41%，快T的表面张力降低幅度最大，而APG0810溶液的最小。当溶液质量分数为0.04%~0.06%时，SDBS溶液的表面张力的降幅最大，为13.50%，而AEO-9溶液的变化幅度最小，其它溶液的表面张力降低幅度也明显减缓。当溶液质量分数大于0.06%时，不同表面活性剂溶液的表面张力基本无明显变化。整体来看，当溶液质量分数达到0.10%时，快T的表面张力降低幅度最大，为66.43%，而APG0810的表面张力降低幅度最小，仅为46.64%。在低质量分数条件下，随着水中表面活性剂分子的增加，活性剂分子头端的亲水基团附着溶液的水面上，分子尾端的憎水基团朝向空气，气−液界面的表面活性剂吸附尚未达到饱和，更多的活性剂分子在气−液界面趋于形成饱和定向的单分子吸附层，使得溶液的表面张力迅速降低；而随着溶液质量分数的继续增加，气−液界面处的表面活性剂分子吸附接近饱和状态，溶液内剩余的表面活性剂分子“抱团”形成胶束，从而使得表面张力不再随表面活性剂含量的增加而出现明显变化。
2.1.2 接触角的变化规律
接触角可用于表征表面活性剂溶液对煤表面亲疏水性的影响，接触角越大，说明煤表面润湿性的效果越好[23-24]。不同溶液质量分数下煤样接触角与挥发分的关系如图3所示。
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图 3 不同溶液质量分数下煤样接触角与挥发分的关系Figure 3. Relationship between contact angle and volatiles of coal samples under different solution mass fractions由图3可知，随着煤的挥发分增大，不同质量分数溶液在煤表面的接触角均先缓慢升高后逐渐降低，呈现倒“U”形变化规律，说明表面活性剂溶液在煤表面的接触角与煤的变质程度有关。整体而言，无论溶液质量分数的高低，中等变质程度(挥发分为31.37%~32.63%)煤样的接触角要高于低变质程度和高变质程度煤样的，然而挥发分为32.68%的QM煤样低于挥发分为31.37%~32.63%的煤样。煤的润湿性与煤样的物质组成有关，挥发分与煤的接触角呈正相关，而水分与煤的接触角呈负相关[25-26]。相比于JM5、JFM4煤样，QM煤样的挥发分含量十分接近，三者对煤润湿性的影响程度相当，而QM煤样的水分含量更高可能是其接触角更小的重要影响因素。
此外，在相同质量分数条件下，快T、AEO-9和6501溶液在不同煤样表面的接触角较接近，明显小于APG0810、SDBS和CAB-35溶液的接触角。这表明，快T、AEO-9和6501对煤岩的润湿性优于SDBS、CAB-35和APG0810。
2.2 润湿特征参数与溶液质量分数的关系
2.2.1 铺展系数与溶液质量分数的关系
铺展系数越大，则润湿性越好。铺展系数S=0时，则意味着溶液在煤表面能完全铺展[27]。不同变质程度煤样的铺展系数随溶液质量分数的变化如图4所示。
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图 4 铺展系数随溶液质量分数的变化Figure 4. Variation of spreading coefficient with mass fraction of solution由图4可知，不同质量分数条件下，APG0810溶液在相同煤样表面的铺展系数均最小，其次是CAB-35和SDBS溶液的；而除了CYM2煤样外，快T、AEO-9和6501溶液在其他煤样的铺展系数较接近且最大，说明这3类溶液的润湿效果最好。同时，不同表面活性剂溶液在不同变质程度煤样的铺展系数均与溶液质量分数呈正相关关系，当溶液质量分数小于0.02%时，煤样的铺展系数随着质量分数增加而迅速增大，当质量分数介于0.02%～0.06%，铺展系数的增加幅度明显减缓，而当质量分数超过0.06%时，快T、AEO-9和6501溶液的铺展系数基本无变化，而APG0810、CAB-35和SDBS溶液的铺展系数仍随溶液质量分数增加出现微弱的增大趋势，但其数值明显小于前3类溶液的。随着溶液质量分数的增加，煤表面被溶液的润湿程度增大，在煤样表面的润湿铺展效果增强；而随着质量分数的继续增大，多余的表面活性剂分子在溶液内部聚集形成胶束，溶液对煤体的润湿效果逐渐减弱。
2.2.2 黏附张力与溶液质量分数的关系
不同煤样的黏附张力随表面活性剂溶液质量分数的变化如图5所示。
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图 5 黏附张力随溶液质量分数的变化Figure 5. Change of adhesion tension with mass fraction of solution由图5可知，不同变质程度煤样的黏附张力与溶液质量分数呈负相关关系，即黏附张力随溶液质量分数的增加先快速降低后趋于平缓。相同质量分数条件下，快T溶液在不同煤样中的黏附张力明显小于其他5种溶液。当质量分数小于0.06%时，快T溶液的黏附张力降低，幅度最大为51.59 mN/m；APG0810黏附张力最大且下降幅度最小；AEO-9、6501、SDBS、CAB-35 这4种溶液的黏附张力下降幅度为41.92~47.10 mN/m；当质量分数大于0.06%，这4种溶液的黏附张力值趋于相同。分析认为，固−液界面张力随着表面活性剂溶液质量分数的增加而增大，由于表面活性剂分子具有亲水性，导致更多水分子在煤体表面聚集，固−液界面张力降低，黏附张力也降低；随着溶液质量分数进一步增大，表面活性剂溶液在煤表面的吸附力也增强，分子之间的相互作用更强，黏性增加，固−液界面形成的单分子层吸附位固定后，煤样表面吸附达到饱和状态，黏附张力随之基本不变。
2.3 溶液对瓦斯解吸能力的影响
经综合比对分析6类活性剂溶液表面张力、接触角的变化规律，铺展系数、黏附张力与溶液质量分数的关系，优选出AEO-9表面活性剂溶液在干燥、纯水、0.02%溶液、0.04%溶液、0.06%溶液、0.10%溶液共6种条件下开展实验测试，分析煤样瓦斯解吸特征参数与溶液质量分数的关系。
2.3.1 煤样的瓦斯解吸特性
预先吸附平衡压力为1.5 MPa时，不同煤样的瓦斯解吸累计解吸量随时间的变化以及Airey式的拟合曲线如图6所示，Airey式拟合结果见表3。
表 3 不同煤样的Airey式拟合结果Table 3. Airey fitting results of coal samples处理条件 A/(cm3·g−1) t0/min n R2 干燥 2.140 2.798 0.287 0.9895 纯水 1.099 2.241 0.344 0.9892 0.02%溶液 0.743 0.427 0.411 0.9866 0.04%溶液 0.596 0.246 0.399 0.9659 0.06%溶液 0.535 0.244 0.396 0.9712 0.10%溶液 0.480 0.216 0.388 0.9753 由图6可知，不同煤样的瓦斯累计解吸量随解吸时间增加均呈现抛物线式的单调上升趋势，且在相同解吸时间条件下，干燥煤样的累计解吸量最大，0.1%溶液处理煤样的累计解吸量最小。
由表3可知，Airey式的拟合相关系数R2为0.971 2～0.989 5，说明公式能够很好地表征不同煤样的瓦斯解吸效果，其中，A为煤的瓦斯极限解吸量，随着溶液质量分数的增加而不断降低；t0为煤的瓦斯解吸时间参数，也与溶液质量分数具有负相关。
2.3.2 瓦斯解吸特征参数与溶液质量分数的关系
Q1为煤样在第1 min的瓦斯解吸量，是评价煤层的煤与瓦斯突出危险性的重要指标[28]。瓦斯解吸参数与溶液质量分数的关系如图7所示，解吸特征参数与溶液质量分数的拟合结果见表4。
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图 7 瓦斯解吸参数与溶液质量分数的关系Figure 7. Relationship between gas desorption parameters and mass fraction of solution由图7可知， Q1和A均表现出良好的负指数形式降低趋势。随着溶液质量分数的增加， Q1由0.57 cm3/g降至0.38 cm3/g，降幅为34.0%；A的降低幅度为56.3%。Q1和A与溶液质量分数均符合y=a−bcx（a、b、c均为拟合参数；x为溶液质量分数）函数关系式，拟合相关系数R2分别为0.999 1和0.930 6，说明瓦斯解吸特征参数与溶液质量分数具有良好的负指数关系。因此，注入表面活性剂溶液对煤的瓦斯解吸能力具有明显的抑制效应，且极限瓦斯解吸能力受到的影响程度更大。
表 4 解吸特征参数与溶液质量分数的拟合结果Table 4. Fitting results of desorption characteristic parameters and mass fraction of solution解吸参数 y=a−bcx R2 a b c Q1/(cm3·g−1) 0.29 −0.29 2.17×10−6 0.999 1 A/(cm3·g−1) 0.48 −0.62 1.07×10−18 0.930 6 表面活性剂溶液会提升煤体表面的润湿性铺展性能，产生显著的水锁效应[29]。这主要是由于，外来溶液在渗透作用下进入煤体内部的微小裂隙和孔隙，产生的煤孔隙毛细管力成为阻力，会阻碍瓦斯气体的扩散和涌出；同时，被吸附的水分子会以“团簇”或毛细凝聚形式填充微孔隙，并且煤吸附水引起的基质膨胀变形会压缩煤的有效孔径从而削弱孔隙连通性，导致瓦斯气体排出的孔隙阻力增大，因此瓦斯气体运移能力减弱，表现为卸压状态下瓦斯气体解吸量和解吸速率的显著减小。
3. 结 语
1）在相同的表面活性剂溶液质量分数范围内，快T的表面张力降低幅度最大，随着挥发分的增加，不同质量分数溶液在煤表面的接触角均呈现倒“U”形变化趋势，同时相同条件下的快T、AEO-9和6501溶液在煤样表面的接触角更小，表明快T、AEO-9和6501对不同变质程度煤的润湿性能更好。
2）随着表面活性剂溶液质量分数的增加，铺展系数呈现先快速增加而趋于稳定的变化趋势；而黏附张力则先降低后趋于不变，分析认为这是由于当溶液质量分数较低时，表面活性剂使得水在煤表面的润湿铺展效果增强且更多水分子能够在煤表面聚集，而当溶液质量分数大于0.06%时，溶液对水分子在煤表面润湿效果和黏附作用的影响程度明显减弱。
3）随着AEO-9表面活性剂溶液质量分数的增加，煤的初始瓦斯解吸量降幅为34.0%，而极限瓦斯解吸量的降低幅度为56.3%，表明注入表面活性剂溶液显著削弱了煤的瓦斯气体解吸能力，这主要是由于表面活性剂的加入使煤样的润湿性能增强，溶液进入煤体内部的微小裂隙和孔隙后产生了毛细阻力，同时被吸附的水分子会以毛细凝聚形式填充微孔隙，并且煤吸附水引起的基质膨胀变形也会压缩有效孔径，削弱孔隙连通性从而阻碍了瓦斯气体的解吸和运移。
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图 2 TZX-6000A型含瓦斯煤等压后置注水吸附−置换−解吸试验装置
Figure 2. TZX-6000A isobaric post-water injection adsorption-displacement-desorption test device for gas-bearing coal
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图 3 不同溶液质量分数下煤样接触角与挥发分的关系
Figure 3. Relationship between contact angle and volatiles of coal samples under different solution mass fractions
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图 4 铺展系数随溶液质量分数的变化
Figure 4. Variation of spreading coefficient with mass fraction of solution
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图 5 黏附张力随溶液质量分数的变化
Figure 5. Change of adhesion tension with mass fraction of solution
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图 7 瓦斯解吸参数与溶液质量分数的关系
Figure 7. Relationship between gas desorption parameters and mass fraction of solution
表 1 试验煤样的工业分析
Table 1 Industrial analysis of coal samples
煤样编号 煤样来源 水分/% 灰分/% 挥发分/% CYM2 辽宁大兴煤矿 6.33 26.59 40.52 QM 山西保德煤矿 4.65 3.63 32.68 JM5 河南平煤八矿 1.17 27.28 32.63 JFM4 河南平煤八矿 1.06 25.71 31.37 SM10 山西灵石煤矿 0.67 9.13 16.79 WYM15 山西晋圣松峪矿 0.91 13.28 10.63 
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表 2 不同表面活性剂溶液的表面张力
Table 2 Surface tension of different surfactant solutions
表面活性剂溶液 表面张力/ (mN·m−1) 0% 0.02% 0.04% 0.06% 0.08% 0.10% 快T 78.65 35.70 30.35 27.80 27.26 26.40 6501 78.65 39.20 32.50 29.88 29.68 29.40 AEO-9 78.65 37.33 33.30 33.53 33.45 29.25 SDBS 78.65 48.55 37.26 32.23 32.20 29.00 CAB-35 78.65 50.43 46.07 35.20 30.53 28.80 APG0810 78.65 57.17 48.93 45.87 42.63 41.97
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表 3 不同煤样的Airey式拟合结果
Table 3 Airey fitting results of coal samples
处理条件 A/(cm3·g−1) t0/min n R2 干燥 2.140 2.798 0.287 0.9895 纯水 1.099 2.241 0.344 0.9892 0.02%溶液 0.743 0.427 0.411 0.9866 0.04%溶液 0.596 0.246 0.399 0.9659 0.06%溶液 0.535 0.244 0.396 0.9712 0.10%溶液 0.480 0.216 0.388 0.9753
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表 4 解吸特征参数与溶液质量分数的拟合结果
Table 4 Fitting results of desorption characteristic parameters and mass fraction of solution
解吸参数 y=a−bcx R2 a b c Q1/(cm3·g−1) 0.29 −0.29 2.17×10−6 0.999 1 A/(cm3·g−1) 0.48 −0.62 1.07×10−18 0.930 6
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