添加表面活性劑提高煤層注水效果試驗(yàn)研究

馮京波

（晉能控股集團(tuán)，山西 晉中 032600）

煤層注水是我國(guó)現(xiàn)階段煤礦井下廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)源頭減塵措施[1]，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于大多數(shù)煤體本身的強(qiáng)疏水性以及注入水分的快速蒸發(fā)，降低了注水效果。因此在注水過(guò)程中添加表面活性劑，改善水的潤(rùn)濕和滲透等性能是近年來(lái)提高注水效果的研究熱點(diǎn)。本文通過(guò)理論分析研究表面活性劑濕潤(rùn)煤體機(jī)理，試驗(yàn)優(yōu)選潤(rùn)濕性能較好的表面活性劑種類(lèi)和濃度，并開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證添加表面活性劑的應(yīng)用效果，以期為煤層注水表面活性劑的選擇和添加提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究思路。

1 表面活性劑潤(rùn)濕機(jī)理分析

煤是非均質(zhì)、成分復(fù)雜的多孔介質(zhì)，煤層注水的過(guò)程，首先是水在壓力作用下沿煤體裂隙和大孔隙滲透進(jìn)水和貯水的過(guò)程，繼而是水在毛細(xì)管力和表面現(xiàn)象等物理化學(xué)作用下進(jìn)行的吸附水過(guò)程[2]。

表面活性劑是能使溶液表面張力顯著下降的物質(zhì)，其分子結(jié)構(gòu)具有兩性：一端為親水基團(tuán)，另一端為疏水基團(tuán)。通過(guò)理論分析得出表面活性劑提高潤(rùn)濕效果的原理為：

（1）添加表面活性劑會(huì)增加水在煤體中的滲透作用。表面活性劑溶液的粘性與水相比較小，滲透系數(shù)較大，因而在注水壓力和滲透面積相同的條件下，根據(jù)達(dá)西定律，滲透流量加大。

（2）表面活性劑的疏水基團(tuán)與煤體的疏水表面具有較強(qiáng)的相互作用，因此表面活性劑將以疏水端朝向煤體表面，親水端伸向溶液，從而降低了溶液和煤體的液-固界面張力，也降低了煤體的界面自由能，使煤體的親水性增強(qiáng)，提高了溶液對(duì)煤體的潤(rùn)濕效果[3]。

（3）在吸附水過(guò)程中，煤體內(nèi)部的微小孔隙通過(guò)毛細(xì)作用力以較低流速吸附滲流通道中的水。毛細(xì)作用力的大小取決于孔隙的直徑、水的表面張力、水對(duì)煤的接觸角等[4]。當(dāng)毛細(xì)孔徑不變時(shí)，表面活性劑會(huì)降低水對(duì)煤的接觸角，接觸角越小，則毛細(xì)管力越大。

2 表面活性劑優(yōu)選復(fù)配

2.1 材料和方法

選取陽(yáng)泉二礦81201 工作面回風(fēng)巷8#煤作為試驗(yàn)煤樣，根據(jù)《煤樣的制備方法》（GB 474-2008）對(duì)煤樣進(jìn)行制備處理，利用200 目標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)煤樣進(jìn)行篩分，使煤塵的粒度維持在74 μm 以下。

表面活性劑的選取首先要保證無(wú)毒，對(duì)環(huán)境和礦工不會(huì)造成污染及二次傷害，其次要保證具有較好的潤(rùn)濕效果。文獻(xiàn)顯示陰離子表面活性劑和非離子表面活性劑的潤(rùn)濕效果較好，通過(guò)篩選，選擇2種陰離子表面活性劑SDBS、SDS，2 種非離子表面活性劑OP-10、Triton X-100 作為試驗(yàn)材料。

2.2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.2.1 表面張力測(cè)定

在實(shí)驗(yàn)室分別配制濃度為0.01%、0.03%、0.05%、0.07%、0.1%、0.2%的表面活性劑溶液，利用QBZY 系列全自動(dòng)表面張力儀對(duì)4 種單體表面活性劑的表面張力進(jìn)行測(cè)定，每種濃度測(cè)定3 次取平均值。試驗(yàn)結(jié)果如圖1。

由圖1 可知：試驗(yàn)測(cè)定純水的表面張力為72 mN/m，添加表面活性劑混合成溶液后，4 種表面活性劑溶液的表面張力變化趨勢(shì)基本一致。在0‰～1‰濃度范圍內(nèi)表面張力迅速下降，隨著濃度的繼續(xù)升高（1‰～2‰），表面張力下降趨勢(shì)非常緩慢，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)的濃度為臨界膠束濃度，4種表面活性劑的臨界膠束濃度均為1‰左右。分析臨界膠束濃度的表面張力值，得出4 種表面活性劑降低表面張力的能力排序?yàn)椋篠DS＞OP10 ＞SDBS＞Triton X-100。

2.2.2 沉降速度測(cè)定

基于圖1 的臨界膠束濃度值，依據(jù)《礦用降塵劑性能測(cè)定方法》（MT506-1996）中的煤塵沉降法研究臨界膠束濃度下（1‰和2‰）表面活性劑對(duì)煤體的浸潤(rùn)作用，試驗(yàn)結(jié)果如圖2。

圖1 表面張力隨濃度變化

由圖2 可知：2‰濃度下4 種表面活性劑的沉降速度明顯大于1‰濃度。以沉降速度最快的Triton X-100 為例，2‰較1‰沉降速度提高47.6%。因此當(dāng)濃度超過(guò)臨界膠束濃度后，雖然表面張力不會(huì)明顯變化，但沉降時(shí)間會(huì)繼續(xù)縮短，沉降速率會(huì)繼續(xù)增大。這可能是由于隨著表面活性劑濃度的增大，更多的表面活性劑分子吸附于煤塵上，加快了煤塵沉降速度。1‰和2‰濃度時(shí)，4 種表面活性劑的沉降速度排序?yàn)門(mén)riton X-100＞OP10＞ SDBS＞SDS，這與溶液降低表面張力的能力排序有很大不同，因此表面張力并非是評(píng)價(jià)表面活性劑潤(rùn)濕性能的唯一指標(biāo)。文獻(xiàn)顯示多數(shù)非離子表面活性劑和陰離子表面活性劑的結(jié)合復(fù)配可體現(xiàn)出較好的協(xié)同作用[5]。在本次試驗(yàn)中Triton X-100 的沉降速度最快，SDS 降低溶液表面張力的能力最強(qiáng)，因此優(yōu)選Triton X-100和SDS 兩種表面活性劑開(kāi)展復(fù)配試驗(yàn)。

圖2 4 種單體表面活性劑沉降速度

2.2.3 動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕角測(cè)定

優(yōu)選Triton X-100 和SDS 兩種表面活性劑按照一定比例和濃度開(kāi)展復(fù)配試驗(yàn)，最終得出新型配方PF-X。試驗(yàn)測(cè)得新型配方溶液臨界膠束濃度也為1‰，表面張力為27.8 mN/m，1‰濃度的沉降速度為18.7 mg/s，2‰濃度的沉降速度為25.9 mg/s，較單體表面活性劑的沉降速度有了明顯提高。為了更直觀地體現(xiàn)新型配方PF-X溶液對(duì)潤(rùn)濕性能的提升，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定煤塵的動(dòng)態(tài)接觸角來(lái)對(duì)比純水和1‰濃度的PF-X 溶液對(duì)煤塵潤(rùn)濕效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖3。

由圖3（a）、（b）可知，t=0 s 時(shí)，純水和PF-X 溶液的接觸角分別為58.9°和25.6°，此時(shí)為初始平衡接觸角，純水的初始平衡接觸角明顯大于PF-X 溶液，則PF-X 溶液具有更強(qiáng)的潤(rùn)濕性。通過(guò)觀察，接觸角隨時(shí)間增大逐漸減小。純水的接觸角總變化時(shí)間為5 s，接觸角的平均減小速率為11.8°/s；PF-X 溶液的接觸角總變化時(shí)間為1.3 s，接觸角平均減小速率為19.7°/s。因此，PF-X 溶液較純水具有更強(qiáng)的滲透性，所以可推斷在煤層注水過(guò)程中添加PF-X 新型表面活性劑將會(huì)顯著提高潤(rùn)濕效果和滲透效果，進(jìn)而提高注水的減塵效果。

圖3 動(dòng)態(tài)接觸角隨時(shí)間變化規(guī)律

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)地點(diǎn)在陽(yáng)泉二礦81201 工作面回風(fēng)巷，距離切眼40 m 處?；诂F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和《長(zhǎng)鉆孔煤層注水方法》設(shè)計(jì)注水參數(shù)。采用靜壓注水方式，注水孔布置3 個(gè)，鉆孔直徑75 mm，鉆孔深80 m，鉆孔間距10 m，注水壓力為2 MPa。采用ZFA-45型封孔器封孔，封孔長(zhǎng)度約1.5 m，注水時(shí)間5 d。表面活性劑的添加采用自研的活性劑添加裝置（文式引射器配合水箱）完成，配方選取PF-X 新型表面活性劑，濃度1‰。

采用粉塵濾膜稱(chēng)重法測(cè)定注水前、普通注水以及添加表面活性劑注水三種不同情況的粉塵濃度變化，儀器選用IFC-2 礦用粉塵采樣器。在采煤工作面采煤機(jī)司機(jī)處布置1 個(gè)測(cè)塵點(diǎn)，回風(fēng)巷均勻風(fēng)流布置2 個(gè)測(cè)塵點(diǎn)，分別記作1～3 號(hào)，結(jié)果如圖4。

由圖4 可知，3 個(gè)測(cè)塵點(diǎn)在普通注水和添加表面活性劑后粉塵濃度均有了顯著下降。普通注水條件下，3 個(gè)測(cè)塵點(diǎn)的全塵降塵率分別為47.7%、35.6%、36.4%；添加表面活性劑注水條件下，3 個(gè)測(cè)塵點(diǎn)的全塵降塵率分別為67%、61.5%、58.7%。添加表面活性劑較普通注水全塵降塵率提高了20%～30%，因此通過(guò)添加PF-X 新型表面活性劑提高了煤體潤(rùn)濕性，粉塵濃度顯著下降，提高了注水源頭減塵效果，改善了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境。

圖4 測(cè)點(diǎn)全塵質(zhì)量濃度圖

4 結(jié)論

（1）添加表面活性劑提高煤體潤(rùn)濕機(jī)理主要包括：① 表面活性劑通過(guò)降低溶液粘性，增大滲透系數(shù)進(jìn)而提高水在煤體中的滲透性能；② 表面活性劑降低了溶液和煤體的液-固界面張力，增加了煤體潤(rùn)濕性；③ 表面活性劑降低了煤體潤(rùn)濕角，提高了溶液的毛細(xì)作用力。

（2）利用Triton X-100 和SDS 兩種表面活性劑復(fù)配得到新型表面活性劑PF-X，試驗(yàn)測(cè)得新型配方1‰臨界膠束濃度時(shí)，表面張力為27.8 mN/m，沉降速度為18.7 mg/s，2‰濃度的沉降速度為25.9 mg/s，較單體表面活性劑的沉降速度有了明顯提高。

（3）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，添加表面活性劑較普通注水全塵降塵率提高了20%～30%，因此通過(guò)添加表面活性劑提高了煤體潤(rùn)濕性，粉塵濃度顯著下降，提高了注水源頭減塵效果，改善了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境。