李 凱，蔡海峰

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，河南 平頂山 467000;2.晉城煤業(yè)集團(tuán) 趙莊煤業(yè)，山西 晉城 048006)

引 言

煤層注水作為一種技術(shù)手段，廣泛應(yīng)用于井下除塵、煤壁片幫的治理、自然發(fā)火的預(yù)防、煤與瓦斯突出和沖擊地壓等礦井動(dòng)力災(zāi)害的防治。但由于煤體自身原因，比如變質(zhì)程度、裂隙發(fā)育程度不同，導(dǎo)致注水效果有很大差異。煤層注水的效果主要受水對(duì)煤層的潤(rùn)濕程度影響。表面活性劑是一種特殊的化學(xué)分子，它由兩種粒子組成，一種具有極強(qiáng)的親水性，另一種具有極強(qiáng)的親油性，溶于水以后可以有效降低水的表面張力，提高水對(duì)煤層的潤(rùn)濕性，使煤體在注水后均勻潤(rùn)濕，達(dá)到良好的注水效果。

河南煤化焦煤公司趙固二礦主采二1煤層，煤層平均傾角5.5°，平均厚度6.16 m。11011工作面采用分層開采，留底煤，采高3.5 m。由于采高大，工作面經(jīng)常出現(xiàn)煤壁片幫，給安全生產(chǎn)帶來很大隱患。經(jīng)科學(xué)論證，決定用煤層注水技術(shù)防治煤壁片幫。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)煤樣在純水和添加不同表面活性劑的溶液中進(jìn)行潤(rùn)濕，測(cè)定接觸角和潤(rùn)濕速度變化情況，通過對(duì)比得到適合該礦潤(rùn)濕劑的種類及其最佳濃度。

1 煤的潤(rùn)濕性實(shí)驗(yàn)

1.1 接觸角與潤(rùn)濕性的關(guān)系

液體對(duì)固體的潤(rùn)濕程度用潤(rùn)濕性來表示。煤的潤(rùn)濕性是衡量煤與水接觸難易程度的一項(xiàng)重要物理性質(zhì)參數(shù)。在實(shí)施煤層注水時(shí)，煤體潤(rùn)濕性的優(yōu)劣直接影響水力壓擠時(shí)的煤層注水效果。固液之間的潤(rùn)濕性不同，在兩者接觸時(shí)會(huì)呈現(xiàn)出不同形狀的接觸角，因此，固體的潤(rùn)濕性可以用接觸角表示。如圖1所示，液滴在固液接觸邊緣的切線AM與固體平面AC間的夾角稱為接觸角。接觸角是衡量煤體表面潤(rùn)濕難易程度和毛細(xì)作用力大小的基本參數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，接觸角小毛細(xì)作用力大，煤體易于潤(rùn)濕;反之煤體則難于潤(rùn)濕。

圖1 氣、液、固三相平衡接觸示意圖

一滴液體落在水平固體表面上，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，液滴呈現(xiàn)一定的形狀。圖1中，A點(diǎn)是氣、液、固三相平衡時(shí)的交界點(diǎn)。潤(rùn)濕過程與體系的界面張力有關(guān)。從表面張力的角度來看，形成的接觸角與各界面張力之間符合下面的楊氏公式:

式中:

σg－s—?dú)狻探缑姹砻鎻埩?

σg－1—?dú)狻航缑姹砻鎻埩?

σ1－s—液—固界面表面張力。

其中，若 σg－s－σ1－s=σg－1，θ=0，為完全潤(rùn)濕狀態(tài);若 σg－s－ σ1－s＜ σg－1，θ＜ 90°，固體能被液體潤(rùn)濕;σg－s－ σ1－s＞ σg－1，θ＞90°，固體不能被液體潤(rùn)濕。由楊氏方程可以看出，固體和液體間的接觸角是一種很好的表征固體和液體間潤(rùn)濕性能大小的指標(biāo)。因此，對(duì)煤的潤(rùn)濕性的測(cè)定，可以通過測(cè)定煤與水的接觸角來得到。

1.2 煤樣接觸角的測(cè)定

水溶液在煤體空隙表面的接觸角大小是水對(duì)煤體潤(rùn)濕性最真實(shí)的體現(xiàn)，由于實(shí)際技術(shù)條件所限，測(cè)定水滴在微孔表面的接觸角是無法實(shí)現(xiàn)的。采集趙固二礦二1煤層11011工作面塊狀煤樣，對(duì)煤塊切片，利用磨光機(jī)把煤體表面磨光，從而代替孔隙表面，采用JC2000－C1型接觸角測(cè)試儀對(duì)磨光的煤體進(jìn)行接觸角實(shí)驗(yàn)，最終得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

由表1可見，趙固二礦11011工作面煤與水的接觸角θ值在61°～69°之間，總體屬于可以潤(rùn)濕的煤體，但從結(jié)果看，接觸角較大，潤(rùn)濕困難，屬難潤(rùn)濕煤體。

2 潤(rùn)濕劑的選擇

潤(rùn)濕劑都由親水基及親油基組成，當(dāng)與固體表面接觸時(shí)，親油基附著于固體表面，親水基向外伸向液體中，使液體在固體表面形成連續(xù)相，可以提高固－液潤(rùn)濕效果。按照無毒、無腐蝕性、環(huán)境友好、來源廣泛、性價(jià)比優(yōu)良等因素，選擇煤礦常用的潤(rùn)濕劑:洗衣粉、十二烷基硫酸鈉、十二烷基本磺酸鈉及TX－100。體現(xiàn)潤(rùn)濕劑潤(rùn)濕能力的主要參數(shù)是表面張力和接觸角，為此在研究趙固二礦煤樣吸濕速度與潤(rùn)濕劑溶液的關(guān)系時(shí)，必須考察潤(rùn)濕劑溶液在這方面的變化情況。

2.1 表面張力的測(cè)定

采用滴重法，在THQZL－1型液體表面張力系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)儀上分別測(cè)定以上4種潤(rùn)濕劑在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.01%、0.02%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%時(shí)的表面張力，繪制潤(rùn)濕劑溶液表面張力和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系圖，見圖2。

圖2 潤(rùn)濕劑表面張力和質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系曲線圖

從圖2可以看出，在水中加入潤(rùn)濕劑后，其水溶液的表面張力迅速減小，在濃度很低(＜0.01%)時(shí)，就可以將水的表面張力大大降低。在此濃度范圍內(nèi)，不同潤(rùn)濕劑在相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)的表面張力依次為:十二烷基本磺酸鈉＜洗衣粉＜十二烷基硫酸鈉＜TX－100。同時(shí)，由關(guān)系曲線可以看出，每種潤(rùn)濕劑的表面張力在降到一定程度后，隨著溶劑濃度的增大表面張力不再降低。

2.2 加潤(rùn)濕劑后煤的潤(rùn)濕性測(cè)定

不同潤(rùn)濕劑的潤(rùn)濕效果，不僅決定于潤(rùn)濕劑的性質(zhì)，還與煤的物理、化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。在室溫下，采用JC2000－C1型接觸角測(cè)試儀，將配制好的不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)及種類的潤(rùn)濕劑依次進(jìn)行煤的潤(rùn)濕性實(shí)驗(yàn)。得到各潤(rùn)濕劑在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)與煤的接觸角，見表2。

表2 不同潤(rùn)濕劑的接觸角 (°)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在加入潤(rùn)濕劑水溶液后，煤的潤(rùn)濕性提高的較為明顯。從表2可以看出，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在≥0.10%的十二烷基本磺酸鈉的溶液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)在≥0.15%的TX－100溶液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)在≥0.20%的十二烷基硫酸鈉溶液都可以使其與煤的接觸角降為0°。在上述幾種溶液中，使水－煤接觸角下降速度最快、最終達(dá)到0°時(shí)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小的是TX－100。含有洗衣粉的溶液和含有十二烷基硫酸鈉的溶液使水－煤接觸角降到0°時(shí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同，相比較而言，十二烷基本磺酸鈉溶液使其下降的速度更快?？偟膩碚f，在溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同(0.10%)時(shí)，接觸角的具體變化情況是:十二烷基苯磺酸鈉＞TX－100＞十二烷基硫酸鈉＞洗衣粉。

2.3 煤樣吸濕速度測(cè)定

上面實(shí)驗(yàn)中所測(cè)定的表面張力和接觸角是選擇最佳表面活性劑的重要參數(shù)，但潤(rùn)濕速度也是衡量煤體潤(rùn)濕效果的一項(xiàng)重要指標(biāo)。因此，在已確定最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的表面活性劑溶液中(0.20%洗衣粉溶液，0.20%十二烷基苯磺酸鈉溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%TX－100溶液，0.10%十二烷基硫酸鈉溶液)對(duì)煤樣進(jìn)行吸水實(shí)驗(yàn)。分析其吸水速度的快慢，以最終確定最佳表面活性劑溶液。現(xiàn)取4組高徑比為30 mm×50 mm的圓柱形煤樣，吸水前把煤樣用天平稱重，然后將其纏上漆包線懸于各種表面活性劑溶液中。為了排除凈水壓力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，煤樣浸沒的深度都取50 mm。在浸水期間，每5 h把煤樣取出擦干稱重，80 h后測(cè)得煤樣質(zhì)量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)見表3。

表3 不同浸泡時(shí)間各煤樣的質(zhì)量 g

假設(shè)煤樣在沒有放入溶液中稱量時(shí)的質(zhì)量為M0，取出后擦干使煤樣不滴水再次稱量時(shí)其質(zhì)量為M，則吸濕率(M0－M)/M0。分別計(jì)算不同浸泡時(shí)間各個(gè)煤樣的吸濕率，見表4，圖3。

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，煤樣在0～5 h內(nèi)吸濕率增長(zhǎng)最快，在各潤(rùn)濕劑溶液中的吸水率和吸濕速率大于在純水中的。在各不同濃度的潤(rùn)濕劑溶液中，煤樣在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%的十二烷基硫酸鈉溶液的吸濕率和吸濕增長(zhǎng)率最大。

表4 煤樣在不同潤(rùn)濕劑溶液中的吸濕率 %

圖3 煤樣在不同潤(rùn)濕劑溶液中的吸濕率對(duì)比曲線圖

3 結(jié)語

1)由于煤體本身物理、化學(xué)性質(zhì)的不同，不同煤體的潤(rùn)濕性各不相同。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定，趙固二礦二1煤層11011工作面煤與水的接觸角在61°～69°之間，煤的潤(rùn)濕性較差。

2)通過測(cè)定在水溶液中添加潤(rùn)濕劑后溶液表面張力和接觸角的變化，得出潤(rùn)濕劑可以降低水的表面張力和水與煤的接觸角，增加煤的潤(rùn)濕性，提高煤層注水速率。

3)對(duì)不同潤(rùn)濕劑的潤(rùn)濕效果進(jìn)行對(duì)比，得出適用于趙固二礦二1煤層注水的最優(yōu)潤(rùn)濕劑是十二烷基本磺酸鈉，最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%。

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