張凱萌 楊后勤 胡 鵬

（1.山東科技大學安全與環(huán)境工程學院，山東 青島 266590；2.山東科技大學礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590；3.棗莊礦業(yè)集團濟寧七五煤業(yè)有限公司，山東 濟寧 277523）

中國是一個煤炭生產(chǎn)及消費大國，較長一段時間里，煤炭在我國的能源消費結構仍會占據(jù)主導地位。其中，低階煤在我國可利用煤炭資源中的占比接近50%，是重要的工業(yè)原材料。隨著我國能源需求不斷加大，開采深度的加深以及機械化程度的提高，開采過程中地應力顯著增大，導致煤與瓦斯突出、沖擊地壓等礦井災害日益嚴重。同時，煤層開采過程中產(chǎn)生的粉塵量逐漸增多，嚴重危害煤礦工人職業(yè)健康。針對礦井粉塵問題，利用煤層注水技術可以改變煤體結構，增大煤體孔隙率，更利于水進入到煤體內(nèi)部，提高煤層含水率，從而在煤層開采過程中減少粉塵排放，達到減塵防災的目的[1]。但是，由于水表面張力較大的特性，并且煤表面疏水性較強，單純注水達不到理想的預濕減塵效果。在現(xiàn)場進行煤層注水過程中，由于隨著地層深度的變化注水的溫度環(huán)境也會發(fā)生改變，煤體增潤需要考慮溫度的影響。

為此，許多研究人員對注液性質(zhì)和煤表面改性的方法進行了一系列的研究，而掃描電鏡分析是研究煤顆粒表面形貌變化的主要手段之一[2-5]。目前，由于針對溫度影響低階煤體潤濕效果的研究成果較少，難以在注水過程中根據(jù)煤層溫度有針對性的選取潤濕劑。為此，本文在前人研究的基礎上，首先分別配制特定濃度的SDS溶液、濃度比為3:1的SDS與陰離子、非離子表面活性劑的復配溶液，并采用氣煤作為實驗煤樣，進行不同溫度條件下的復配溶液處理以及進一步的掃描電鏡實驗，分析煤顆粒表面經(jīng)復合表面活性劑處理后的形貌變化。

1 樣品制備及實驗過程

1.1 煤樣準備及溶液配制

本文選擇山東省興隆莊礦氣煤作為實驗煤樣，通過錘式破碎機及多功能粉碎機將塊狀煤樣破碎為粉末狀，篩分得到粒徑為180～200目的煤粉。煤樣工業(yè)分析結果見表1。

表1 煤樣的工業(yè)分析

試劑選取陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）、十二烷基苯磺酸鈉（SDBS），非離子表面活性劑tween80。配制質(zhì)量濃度為0.3%的SDS溶液，再配制總質(zhì)量濃度為0.3%，SDS與SDBS、SDS與tween80質(zhì)量比為3:1的混合溶液，溶液編號為#1、#2、#3。

將上述180～200目氣煤粉末與#1、#2、#3溶液充分混合，置入25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45℃溫度條件下水浴鍋中處理1 h，得到共計8組處理后的煤樣。將處理過的煤樣從溶液中分離出來，用蒸餾水反復沖洗煤樣直至pH值測試為中性，然后將煤樣置于干燥箱中在80 ℃條件下干燥5 h。

1.2 掃描電鏡實驗

實驗采用熱場發(fā)射掃描電鏡（型號：FEI APREO）對樣品進行測試。先將處理好的煤顆粒樣品用導電膠固定在樣品托盤上，再用吹掃器清潔樣品表面，將樣品托盤固定并噴金300 s，增加煤顆粒表面的導電性能，放入樣品倉，抽真空至10-3Pa。試驗中開高壓掃描目標，選擇5000倍的放大倍數(shù)觀測煤表面形貌結構，并拍攝電鏡圖像。

2 不同表面活性劑對煤顆粒表面形貌影響分析

在25℃溫度條件下使用陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）溶液、十二烷基硫酸鈉與十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）復合溶液、十二烷基硫酸鈉與tween80復合溶液處理過的煤顆粒掃描電鏡圖像如圖1。

從圖1（a）中可以看出，在本次實驗中，經(jīng)單一表面活性劑SDS處理后的煤顆粒表面產(chǎn)生的孔隙結構較少，具有一定的裂隙結構。裂隙大致呈橫向平行分布，寬度較窄且寬度變化范圍小。各裂隙間的連通性較弱，獨立且不均勻的分布于煤表面各處。煤顆粒表面經(jīng)處理后有較多碎粒，顆粒與顆粒堆疊分布。煤顆粒表面整體較為平整，堆積有大量礦物質(zhì)顆粒。

圖1（b）為SDS與SDBS復合溶液處理過的煤顆粒表面掃描電鏡圖像，可以看出處理后煤顆粒表面孔隙結構較多，且孔徑差異較大。孔隙與孔隙間的排列在部分區(qū)域較為緊密，而在孔隙較少的區(qū)域煤顆粒表面較為光滑平整且礦物質(zhì)碎粒較少。在孔隙結構較多的區(qū)域中，孔隙結構被碎粒堵塞嚴重，不利于表面活性劑溶液在煤顆粒表面的鋪展?jié)櫇瘢赡軐γ侯w粒的潤濕性能產(chǎn)生一定影響。

圖1（c）為SDS與tween80復合溶液處理過的煤顆粒表面掃描電鏡圖像，可以看出處理后的煤顆粒表面孔隙結構和裂隙結構都有較多分布?？紫督Y構的空間分布層次感較強，增加了與表面活性劑接觸的面積。裂隙結構的寬度分布不均，且裂隙中充填有大量的礦物質(zhì)碎粒，煤顆粒表面的整體破碎程度較高。

圖1 多種表面活性劑處理后煤顆粒掃描電鏡圖像

3種不同溶液處理后的煤顆粒表面形態(tài)各有差異，其中經(jīng)單一表面活性劑SDS處理后的煤顆粒表面形貌較為平整，經(jīng)復合表面活性劑處理后的煤顆粒表面破碎程度較高，孔隙結構和裂隙結構發(fā)育較多，與表面活性劑接觸的面積較大，可能在注水過程中更容易被潤濕。

3 溫度對煤顆粒表面形貌影響分析

使用單一類型表面活性劑十二烷基硫酸鈉在不同溫度下對煤顆粒進行處理，并進行掃描電鏡實驗，得到的圖像如圖2。

圖2 不同溫度下煤顆粒電鏡圖像

從圖2中可以看出，在25 ℃下經(jīng)SDS處理后的煤顆粒表面較為光滑平整，產(chǎn)生的孔隙結構與裂隙結構較少，表面有少量的碎粒，少量的裂隙結構走向不規(guī)則，裂隙與裂隙間連通性較差。在30 ℃處理后的煤顆粒表面的破碎程度上升，破碎顆粒的數(shù)目升高，碎粒的形狀多呈長條狀、薄片狀，棱角較為分明，孔隙結構數(shù)目明顯增多，孔徑普遍偏小。裂隙結構相較圖2（a）中的數(shù)目略有上升，碎粒多堆積于孔隙的孔口處。從圖2（c）、（d）中可以看出，在35 ℃、40 ℃SDS處理后的煤顆粒表面孔隙結構和裂隙結構數(shù)量均有一定程度的上升，孔徑大小變化較大且碎粒在孔口處的堆積現(xiàn)象嚴重，裂隙的發(fā)育較為雜亂，沒有方向性。在該溫度下拍攝的電鏡圖像中的煤顆粒表面形貌十分復雜，表面分布更為立體。在45 ℃處理后的煤顆粒表面裂隙結構數(shù)量明顯上升，裂隙在煤顆粒表面平行且集中分布，并伴隨有較多礦物顆粒分布?？梢钥闯鲈诒砻婊钚詣㏒DS的處理下，隨著溫度的上升，溶液對孔隙結構與裂隙結構的發(fā)育促進效果更好，增大溶液與煤顆粒表面的接觸面積，提高煤體的潤濕性能。

4 結論

（1）通過掃描電鏡實驗研究了不同表面活性劑處理后氣煤顆粒的表面形貌變化，發(fā)現(xiàn)單一SDS表面活性劑處理后煤顆粒表面較為平整，裂隙發(fā)育規(guī)整；復合型表面活性劑處理后煤顆粒表面破碎程度高，裂-孔隙結構分布隨機性較大。

（2）使用單一表面活性劑在不同溫度下處理煤樣，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，煤顆粒表面裂-孔隙結構的發(fā)育狀況不斷上升，裂隙寬度與孔徑分布更為隨機。