吳光先,趙管柱,杜佩劍,賈雪祺,秦興林

(1.山西保利合盛煤業(yè)有限公司,山西 晉中 031300;2.重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院,重慶 400044;3.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順 113122;4.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 撫順 113122)

深部煤層具有高地應(yīng)力、高瓦斯、低透氣性的特點(diǎn),加大了瓦斯治理難度,嚴(yán)重制約了煤礦的安全生產(chǎn)[1-3]。目前高突礦井在煤層瓦斯治理過程中主要通過地面井[4]、開采保護(hù)層[5]、井下鉆孔[6]等方式進(jìn)行抽采。其中,施工井下鉆孔進(jìn)行煤層瓦斯抽采最為常用,而鉆孔施工常面臨巷道粉塵嚴(yán)重、鉆孔排渣慢等問題,不僅給作業(yè)人員的身體健康造成嚴(yán)重威脅,也會(huì)導(dǎo)致鉆孔抽采效率不穩(wěn)定,使用壽命縮短,嚴(yán)重的甚至影響礦井采-掘-抽平衡[7];同時(shí),大直徑鉆孔、定向鉆孔工程施工周期長、造價(jià)高,如果在抽采時(shí)間和效率上無法有效發(fā)揮作用,也會(huì)給礦方造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

針對以上問題,國內(nèi)外諸多學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場研究等手段開展了大量的工作[8-9]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),氟碳表面活性劑[10]、十二烷基苯磺酸鈉[11]等表面活性劑能改變煤體潤濕性,將煤體表面由親油性轉(zhuǎn)化為親水性,增加液體潤濕煤體的效率,為作業(yè)現(xiàn)場水力降塵提供思路,但由于井下作業(yè)周期較長,需要大量的潤濕劑來保障工作面降塵及煤層注水的效果,成本較高,無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的廣泛應(yīng)用。SiO2納米流體作為一種新型流體,能夠改變煤體表面張力與潤濕性[12],且價(jià)格低廉、環(huán)境友好。

本文使用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SiO2納米流體對煤粉進(jìn)行潤濕處理,并測量煤粉處理前后的表面接觸角,對比不同粒徑和不同質(zhì)量煤粉受納米流體改性的效果,分析影響納米流體潤濕效果的因素,微觀觀察納米顆粒在煤體表面的賦存狀態(tài),探究納米流體對煤粉潤濕強(qiáng)化的機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)方法與表征

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用煤塵取自陜西省神木市四門溝煤礦。為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,在取樣完成后,將取得的一整塊煤樣進(jìn)行粉碎、干燥和篩分,從而獲得了3種不同粒徑范圍(60～80目、80～100目、100～150目)的煤塵。在潤濕性研究中,接觸角是衡量材料表面潤濕性的關(guān)鍵參數(shù)之一,接觸角越小,被測材料的潤濕性就越好。對3種粒徑范圍的煤塵進(jìn)行了初始接觸角測試,3種煤塵的初始接觸角分別為89.37°、89.42°和87.56°,都接近90°,表明其表面親水性不佳。

實(shí)驗(yàn)選用平均粒徑為20 nm的親水性SiO2納米顆粒,納米顆粒的真實(shí)密度為2.1 g/cm3,其形狀為近球形,顏色為白色。在此使用的水基SiO2納米流體均采用兩步法進(jìn)行制備:超聲時(shí)間為20 min,超聲功率為200 W,最終得到顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.5%、1.0%和1.5%的水基SiO2納米流體。

實(shí)驗(yàn)中采用落置液滴法(落滴法)進(jìn)行接觸角測量,圖1為落滴法示意圖。首先調(diào)整接觸角測量儀底座保證儀器水平,將壓片后的煤粉放置在測量臺上,調(diào)整測量臺高度和角度,保證攝像頭能拍到完整液滴,使用注射器擠出一滴去離子水滴落到被測壓實(shí)煤粉表面,旋轉(zhuǎn)旋鈕升起注射器,操作計(jì)算機(jī)使攝像頭拍照記錄液滴在被測壓片煤粉表面的形態(tài),計(jì)算左、右接觸角及平均接觸角。

圖1 落滴法測量煤粉表面接觸角Fig.1 Measurement of contact angle of coal powder surface by dropping method

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對照組與實(shí)驗(yàn)組,對照組用去離子水潤濕煤粉,實(shí)驗(yàn)組用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水基SiO2納米流體潤濕煤粉。首先將不同粒徑、不同質(zhì)量的煤粉放置在分裝瓶中,注入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體,具體分組如表1所示。擰緊分裝瓶后晃動(dòng)均勻,常溫常壓放置24 h,使煤粉在納米流體中被完全浸潤。對照組取3個(gè)分裝瓶,編號為W-11、W-12、W-13,分別稱量3種粒徑范圍的煤粉各0.5 g,分別注入20 ml去離子水中,重復(fù)實(shí)驗(yàn)組操作。

表1 煤粉樣品分組Table 1 Grouping of coal powder samples

1.2 表征與測試

通過接觸角測試量化表征SiO2納米流體對煤粉表面潤濕性的影響。煤粉經(jīng)潤濕處理24 h后,使用200目漏斗分別過濾分裝瓶內(nèi)液體,留下潤濕后的煤粉,將煤粉轉(zhuǎn)移到干燥的分裝瓶中并均勻擺放至干燥箱中,調(diào)節(jié)溫度為60℃,干燥12 h后測量其質(zhì)量,后續(xù)間隔12 h多次測量質(zhì)量,直至相鄰兩次數(shù)據(jù)差值小于0.01 g,表明煤粉質(zhì)量不再發(fā)生變化,停止干燥。將干燥完成的潤濕后煤粉從分裝瓶中取出,進(jìn)行壓片處理,使用接觸角測量儀對壓實(shí)煤粉進(jìn)行接觸角測量并記錄數(shù)據(jù)。為了觀察納米流體潤濕煤粉的微觀形態(tài),將去離子水潤濕后的煤粉和納米流體潤濕后的煤粉分別進(jìn)行掃描電鏡(SEM)測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤粉粒徑對納米流體潤濕強(qiáng)化效果的影響

如圖2所示,通過對粒徑60～80目、80～100目和100～150目的煤粉進(jìn)行潤濕實(shí)驗(yàn)和接觸角測量,比較納米流體對不同粒徑煤粉的潤濕強(qiáng)化效果。從圖2(b)中可以看出,用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的納米流體處理后的樣品,其接觸角隨煤粉粒徑的增加呈現(xiàn)“V”字型,最大值和最小值可相差15.51°,且質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的納米流體對80～100目的煤粉潤濕效果最好。從圖2(c)中可以看出,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的納米流體對60～80目的煤粉潤濕效果最好;當(dāng)煤粉量增加,煤粉接觸角受目數(shù)增加產(chǎn)生的變化減小,接觸角數(shù)值趨于穩(wěn)定。從圖2(d)中可以看出,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的納米流體對粒徑小、細(xì)密的煤粉潤濕強(qiáng)化能力差。從圖2(e)中可以看出,隨著煤粉目數(shù)增加,經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的納米流體潤濕后的煤粉接觸角整體呈先上升后平緩的趨勢,潤濕強(qiáng)化效果先降低后維持穩(wěn)定。說明質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的納米流體對較大粒徑煤粉有更好的潤濕強(qiáng)化能力,而對于目數(shù)大于80目的細(xì)小煤粉潤濕效果大幅下降,并且當(dāng)煤粉目數(shù)大于80目時(shí),接觸角穩(wěn)定在36°～40°,不再隨煤粉粒徑減小而大幅變化。

圖2 不同粒徑煤粉經(jīng)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體潤濕后接觸角變化曲線Fig.2 Contact angle variation curves of coal powder with different particle sizes after wetting of nanofluids with different mass fractions

綜合比較發(fā)現(xiàn),納米流體與去離子水對煤粉的潤濕效果隨粒徑的變化有很大不同。如圖2(a)所示,去離子水潤濕后的煤粉隨煤粉粒徑減小,接觸角減小,潤濕強(qiáng)化效果提升;而經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.5%的納米流體潤濕的煤粉隨粒徑減小,接觸角增加,潤濕強(qiáng)化效果降低。但整體來看,納米流體的潤濕強(qiáng)化能力仍遠(yuǎn)高于去離子水,將親油性煤粉轉(zhuǎn)化為親水性,煤粉表面接觸角將降低至20°～30°。

2.2 煤粉含量對納米流體潤濕強(qiáng)化效果的影響

保持SiO2納米流體含量一定,通過增加煤粉含量改變納米流體與煤粉配比,分析煤粉配比對納米流體潤濕強(qiáng)化效果的影響。如圖3(a)所示,對于60～80目的煤粉,隨著煤粉含量增大,煤粉接觸角并未發(fā)生明顯變化,波動(dòng)相對穩(wěn)定。如圖3(b)所示,80～100目煤粉的接觸角會(huì)隨煤粉質(zhì)量增加而降低,潤濕性增強(qiáng);當(dāng)納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.5%時(shí),隨煤粉質(zhì)量變化,接觸角未發(fā)生較大改變,維持在40°左右。而對于100～150目的煤粉而言(圖3(c)),除質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的納米流體潤濕后煤粉接觸角隨煤粉質(zhì)量增加而增加外,其余質(zhì)量分?jǐn)?shù)的煤粉接觸角均隨煤粉質(zhì)量增加而減小,并且當(dāng)SiO2納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1.0%后,隨煤粉質(zhì)量變化,煤粉接觸角變化程度較小。

(a) 60～80目煤粉

(b) 80～100目煤粉

(c) 100～150目煤粉圖3 不同含量煤粉經(jīng)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體潤濕后接觸角變化曲線Fig.3 Contact angle variation curves of coal powder with different contents after wetting of nanofluids with different mass fractions

綜上所述,當(dāng)潤濕實(shí)驗(yàn)中納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí),煤粉潤濕性易受煤粉質(zhì)量變化產(chǎn)生部分變化;當(dāng)納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時(shí),煤粉潤濕性在煤粉質(zhì)量發(fā)生變化時(shí)維持在一個(gè)相對穩(wěn)定的狀態(tài),并未產(chǎn)生較大波動(dòng),接觸角維持在40°左右,具有較好的潤濕性。

2.3 煤粉表面形貌分析

為了觀察納米流體潤濕煤粉的微觀形態(tài),將去離子水潤濕后的煤粉和納米流體潤濕后的煤粉干燥處理后,分別進(jìn)行掃描電鏡測試。圖4為去離子水潤濕后煤粉在干燥處理后進(jìn)行SEM掃描的圖像。圖4(a)中,去離子水潤濕后煤粉表面比較平整,除存在一些雜質(zhì)外,整體較光滑;圖4(c)和4(d)中,畫面聚焦在細(xì)小褶皺處,可以看到煤粉表面比較平整光滑但吸附了一些顏色較淺的雜質(zhì)顆粒。整體來看,去離子水潤濕后的煤粉在干燥處理后表面相對平整,存在少量雜質(zhì)附著。

圖4 去離子水潤濕后的煤粉表面形貌Fig.4 Surface morphology of coal powder after deionized water wetting

圖5為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體潤濕的煤粉經(jīng)干燥處理后的SEM圖像。對比發(fā)現(xiàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%納米流體潤濕后的煤粉表面納米顆粒比較分散,能觀察到單獨(dú)存在的納米顆粒,并且納米顆粒分布相對較少,而經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1.0%、1.5%的納米流體潤濕后的煤粉,其表面的納米顆粒呈團(tuán)聚狀,且相互連接聚集,分布廣泛。尤其是圖5(d)中的納米顆粒堆積層數(shù)多且廣泛覆蓋于煤粉表面。

對比去離子水潤濕后煤粉與納米流體潤濕后煤粉的表面形貌,可以明顯發(fā)現(xiàn)納米流體對煤粉表面原始形態(tài)改變顯著,煤粉表面多處被納米顆粒覆蓋,煤粉原本平整、光滑的表面由于納米顆粒的存在變得粗糙。納米顆粒在煤粉表面的聚集狀態(tài)隨著納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加由分散轉(zhuǎn)變?yōu)榫奂?覆蓋程度逐漸增加,但顆粒間連接并不緊密。

圖5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體潤濕后煤粉表面形貌Fig.5 Surface morphology of coal powder after wetting of nanofluids with different mass fractions

2.4 表面元素分析

電鏡掃描測試后,又對煤粉表面進(jìn)行EDS能譜分析,分析煤粉表面各元素的分布情況。由圖6可以發(fā)現(xiàn),原始圖片左邊部分為“云朵狀”聚集顆粒,通過EDS成像后元素分析發(fā)現(xiàn),此部分大量賦存的元素為Si和O,可以說明吸附聚集在煤粉表面的顆粒為SiO2納米顆粒,同時(shí)賦存少量C,說明SiO2納米顆粒雖然覆蓋在煤粉表面,但也留有一部分空隙。對比右下角,可以發(fā)現(xiàn)在沒有納米顆粒明顯團(tuán)狀聚集的部分,C的表觀含量并不高,粉色顆粒密度不大,且同時(shí)也存在綠色和紅色顆粒,說明部分煤粉表面雖然沒有形成納米顆粒團(tuán)聚形態(tài)但也有少量納米顆粒均勻分布。

表2為納米流體潤濕后煤粉表面EDS能譜分析數(shù)據(jù),可以看到,Si和O元素的表觀濃度較大,分別為53.30和36.22,而C的表觀濃度較小,說明煤粉表面未被SiO2納米顆粒附著的部分占少數(shù)。

圖6 納米流體潤濕后煤粉表面元素分布Fig.6 Surface element distribution of coal powder after nanofluid wetting

表2 煤粉表面EDS能譜分析Table 2 Energy dispersive spectrometer analysis of coal powder surface

3 結(jié)論

1)改變被潤濕煤粉的目數(shù)發(fā)現(xiàn),隨著粒徑增大納米流體強(qiáng)化效果也逐漸增大,但整體而言,納米流體潤濕強(qiáng)化效果仍優(yōu)于去離子水,最高將煤樣接觸角降低63°,使煤粉表面由親油性轉(zhuǎn)化為親水性。

2)通過SEM掃描去離子水和納米流體潤濕后的煤粉表面,發(fā)現(xiàn)水潤濕后的煤粉表面相對平整光滑,而納米流體潤濕后的煤粉表面多處被納米顆粒覆蓋且分布不均勻。隨著納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,納米顆粒在煤粉表面的聚集狀態(tài)由分散轉(zhuǎn)變?yōu)榫奂?覆蓋程度逐漸增加。

3)通過對納米流體潤濕后的煤粉表面進(jìn)行EDS能譜分析,發(fā)現(xiàn)煤粉表面的大量團(tuán)聚狀顆粒的元素組成為Si和O,表觀濃度分別為53.30和36.22,說明團(tuán)聚狀顆粒為二氧化硅納米顆粒。同時(shí),在無明顯團(tuán)聚狀顆粒的煤粉表面,也可以檢測到Si和O的分布,說明未形成納米顆粒團(tuán)聚狀態(tài)的煤粉表面存在少量納米顆粒均勻分布。