煤層注水潤濕效果的研究

韓瑋 德新林 韓適朔 付威

中國地質(zhì)大學 （北京）

在煤礦，煤層注水普遍地用于防止煤與瓦斯突出、沖擊地壓和降塵，但由于煤的表面自由能較低，煤層的透水性能差等原因，煤層注水的效果一直有待提高。潤濕煤層是治理煤礦井下災(zāi)害的綜合性指標，為了有效防治瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等事故的發(fā)生，通過表面活性劑溶液在煤體內(nèi)的滲透及擴散，以達到均勻潤濕煤層來實現(xiàn)。表面活性劑應(yīng)用極為廣泛，它已涉及到各工業(yè)部門以及人們生活的方方面面，如生活中常見的洗滌劑、潤濕劑、滲透劑、乳化劑、破乳劑、消泡劑、分散劑等。而近年來為了提高煤層注水的效果，國內(nèi)外都在研究水中加入表面活性劑以求改善煤與水的界面狀態(tài)，增強水對煤的親合能力，提高煤層注水的效果。

為了探究不同類型表面活性劑對固體表面潤濕的效果，本文將通過對其表面張力的測定，分析表面活性劑濃度與表面張力的關(guān)系規(guī)律，將安全、經(jīng)濟、高效的表面活性劑推廣到實際生產(chǎn)中。

1 表面活性劑的選擇

在實際應(yīng)用中，表面活性劑溶液進入孔隙中所產(chǎn)生的毛細管力，在一定程度上阻礙了瓦斯的流動，起到暫時封堵瓦斯的作用，對于采掘工作面，降低瓦斯?jié)舛染哂蟹浅Ｖ卮蟮囊饬x。在本文中主要探究表面活性劑在低濃度下對表面張力的影響。

根據(jù)煤層潤濕中不能選用陽離子和含有有機胺的表面活性劑[2]，所以使用了滲透性和擴散性好的表面活性劑作為實驗試劑，以降低溶液的表面張力，增大溶液與固體界面的活性，提高和促進溶液向孔隙的滲透與擴散。

根據(jù)上述分析，最終選定了6種基本的表面活性劑[1]作為本次實驗的主要藥劑。由于藥劑成分名稱復(fù)雜，根據(jù)以往文獻的經(jīng)驗，用“Ri”（i=1、2、3、4、5、6）代表各表面活性劑，見表1。

通過資料查閱了6種表面活性劑的基本性能，見表2。

表1 實驗使用表面活性劑的種類

表2 表面活性劑的基本性能

通過在水中加入表面活性劑，形成不同的溶液。其界面張力也是不同的，其潤濕效果也會不一樣。本文將從表面活性劑的類型及表面活性劑溶液濃度這兩個因素出發(fā)，探究其與表面張力的函數(shù)關(guān)系，進而確定固體表面潤濕效果的影響。

2 表面張力的直接測定

2.1 實驗儀器

實驗儀器為FTA科研型懸滴法表界面張力儀及接觸角儀。分析軟件具備自動圖像分析功能，但也提供半自動及手動模式用于較復(fù)雜圖形的分析。

大多數(shù)情況下，表面張力測量的標準偏差小于0.5mN/m，但實際測量結(jié)果會因樣本制備、圖像聚焦、臺面震動和空氣流動而有輕微影響，分辨率為0.1個單位。

2.2 實驗方法

本次試驗采用的是懸滴法，具有操作簡單、測量精度高、受外界影響小、可以動態(tài)測量等優(yōu)點。

2.2.1 實驗準備

將不同的表面活性劑按照一定的濃度梯度配制成200ml的溶液，濃度的選擇參考了同類實驗的經(jīng)驗。

表面活性劑：液體采用體積比，固體或粉末采用質(zhì)量比。

本次試驗中各溶液表面張力值的測定均采用相同的方法和儀器，測定的時間間隔也是相同的。

2.2.2 收集數(shù)據(jù)

實驗利用由一攝像機或相機抓拍一懸滴的圖像，并將整個圖像數(shù)字化。數(shù)字化后的圖像由計算機進行圖像處理，測定其整個懸滴輪廓的坐標，再擬合到描述懸滴輪廓的Bashforth-Adams（1892）方程式，就可得到毛細管常數(shù)。在知道了界面兩相的密度差和重力加速度的情況下，就可由毛細管常數(shù)計算出界面的表/界面張力值。

2.3 實驗數(shù)據(jù)分析

2.3.1 數(shù)據(jù)記錄

R1、R2為固體，采用的質(zhì)量百分比，與其對應(yīng)的濃度對數(shù)值和表面張力，見表3。

表3 R1、R2實驗數(shù)據(jù)

R3、R4為液體，采用的體積百分比，與其對應(yīng)的濃度對數(shù)值和表面張力，見表4。

表4 R3、R4實驗數(shù)據(jù)

R5、R6為液體，采用的體積百分比，與其對應(yīng)的濃度對數(shù)值和表面張力，見表5。

表5 R5、R6實驗數(shù)據(jù)

2.3.2 結(jié)果分析

從圖1可見：R1、R2二個固體表面活性劑在所測的濃度區(qū)間，根據(jù)其變化趨勢，其表面張力值的變化可分為三個類型：

（1）快速下降類型，區(qū)間濃度小于0.20%，圖像為下滑曲線，斜率較大。

（2）緩慢下降類型，區(qū)間濃度大致從0.20%到0.50%，圖像為下降直線，斜率變小。

（3）基本平穩(wěn)類型，區(qū)間濃度大于0.50%，基本可認為是各自趨于某定值的直線。

三個表面活性劑在各區(qū)間的趨勢大致一樣。從整個濃度范圍來講，其張力值變化幅度最大的是R1，其次是R2，即R1>R2，說明R1在適合濃度下對固體潤濕效果比R2好。

圖2中，R3、R4、R5三種活性劑的表面張力值在整個濃度區(qū)間內(nèi)同樣也可分為3個區(qū)：

（1）急速下降區(qū)（體積濃度小于0.015%）

（2）下降緩慢區(qū)（體積濃度0.015%至0.040%）

（3）穩(wěn)定區(qū)（體積濃度為大于0.040%）。

在急速下降區(qū)，R3的下降幅值明顯大于其余兩種活性劑溶液，而R4和R5在濃度小于0.005%之間是非常的接近，在0.005%到0.015%之間，R4的張力降低值略小于R5。在下降緩慢區(qū)，張力降低幅度存在這樣一個關(guān)系：R3>R4>R5。在穩(wěn)定區(qū)，基本維持了緩慢區(qū)的變化關(guān)系。最后，在此比較中得出的結(jié)論是：R3>R4>R5。

由于R6濃度選取的梯度與其他溶液不一樣，所以作為單獨分析。從圖中可以直觀看到溶液的表面張力隨著濃度的增加變化不是很明顯，相比較于R3、R4、R5，說明R6的敏感性較差。又因為R6的成本較高，所以不建議使用此種表面活性劑。

由圖3可知，表面張力的下降幅度表示其潤濕效果的效率。綜上6種藥劑的比較分析，不論是固體還是液體藥劑，雖然采用的濃度百分比方式不同，但在各自到達一定濃度后，其張力值都比較接近（考慮到本實驗得出的最終藥劑要用于固體表面的潤濕，并且溶液的粘度在一定范圍內(nèi)越小越利于在固體空隙內(nèi)的流動，使?jié)櫇裥Ч?，所以選用R1、R3藥劑最為安全、經(jīng)濟、高效。

2.3.3 表面張力值函數(shù)分析

為得出各藥劑在一系列濃度下，張力值的變化曲線存在何種規(guī)律，將6種表面活性劑的濃度與表面張力值坐標圖分別與線性函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、多項式、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)進行擬合，從中選擇得到R2值最大，擬合效果最好的函數(shù)，結(jié)果如下：

根據(jù)R2值，發(fā)現(xiàn)所實驗的液體表面活性劑表面張力值隨濃度變化的曲線近似遵循冪函數(shù)變化規(guī)律[3]，固體表面活性劑表面張力隨濃度的變化的曲線近似遵循對數(shù)和多項式函數(shù)。

通過對各溶液表面張力的測定，從溶液性質(zhì)參數(shù)上講，溶液表面張力比原水張力值在不同程度上都有所降低，其降低幅度不等。從溶液流動性質(zhì)上講，添加了表面活性劑的溶液，其運動粘度比原水有所降低。各藥劑在一系列濃度下，張力值的變化曲線近似冪函數(shù)曲線的變化規(guī)律。

2.3.4 表面張力與表面活性劑濃度對數(shù)值的關(guān)系分析

根據(jù)表面活性劑溶液的表面張力與濃度關(guān)系的擬合公式及其計算機處理，我們也探究表面張力與表面活性劑濃度對數(shù)值的關(guān)系。

3 結(jié)論

通過實驗，可以看到表面活性劑對固體表面潤濕效果起到了積極的作用。在煤礦生產(chǎn)過程中，如采掘作業(yè)、鉆眼作業(yè)、頂板管理等會產(chǎn)生大量礦塵的各個環(huán)節(jié)，可采用向煤層中注入添加一定的表面活性劑的水溶液，從而減小水溶液的表面張力和潤濕角，提高煤體潤濕范圍和吸水量，同時降低注入水分的蒸發(fā)，減少煤塵，有效防止煤與瓦斯突出[5]。

在探究表面張力與表面活性劑濃度的關(guān)系時，緩慢下降區(qū)的末端濃度可以作為添加表面活性劑的參考，綜合考慮經(jīng)濟、作用效率等因素，選用最為恰當?shù)谋砻婊钚詣┮约白罴褲舛龋梢詾槊旱V安全提供一定的借鑒和參考，防止或者減少煤礦事故的發(fā)生。

[1]張曉宇.表面活性劑潤濕煤體的實驗研究[EB/OL].China Academic Journal Electronic Publishing House

[2]張超英.表面活性劑潤濕煤層效果的研究[J].勞動保護科學技術(shù),1994,14(1):47-53

[3]張?zhí)m輝,趙國璽,朱珍瑤.表面張力與溶液濃度函數(shù)關(guān)系的擬合[J].化學通報,1991,(12):35-37

[4]曲秀華,李耀.表面活性劑溶液的表面張力與濃度關(guān)系的新經(jīng)驗公式及其計算機處理[J].淮北煤師院學報,1998,19(4):54-57

[5]姜偉,管保山,楊致遠,等.不同類型表面活性劑對煤巖潤濕[EB/OL].China Academic Journal Electronic Publishing House