1氣潤濕反轉(zhuǎn)技術(shù)的作用機(jī)理

氣潤濕反轉(zhuǎn)劑具有疏水、低表面能的特征，通過物理吸附的形式附著在煤體表面，降低了煤體表面張力、增加接觸角至90°以上，改變煤體表面特征，實(shí)現(xiàn)煤體表面潤濕性的反轉(zhuǎn)，進(jìn)而消除水鎖損害。毛細(xì)管力是評價水鎖損害嚴(yán)重程度的關(guān)鍵指標(biāo)，外來流體進(jìn)入煤體等多孔介質(zhì)后，毛細(xì)管力的大小和方向影響著水鎖的嚴(yán)重程度以及返排過程中瓦斯的抽采難易。其中，毛細(xì)管壓力表達(dá)式：

Pc=2σcosθ/r(1)

式中，Pc為毛細(xì)管壓力，Pa/cm；σ為表面張力，mN/cm；θ為接觸角，(°)；r為毛細(xì)管半徑，cm。

式(1)可知，毛細(xì)管半徑作為煤體的固有特征，難以改變；利用表面活性劑可以實(shí)現(xiàn)煤體張力和接觸角的改變。接觸角和表面張力是影響毛細(xì)管力大小和方向的關(guān)鍵因素。潤濕性的變化情況可以通過對接觸角和表面張力的測定直觀地呈現(xiàn)出來。

氣潤濕反轉(zhuǎn)技術(shù)消除煤層水鎖效應(yīng)，增加瓦斯抽采效果的原理如下：由表面物理化學(xué)理論可知，固體的表面能越高，越容易被液體所潤濕；同時，表面自由能的大小也體現(xiàn)了固體表面吸附能力的強(qiáng)弱，表面能越高，其表面的吸附能力越強(qiáng)。具有疏水、低表面能特征的氣潤濕反轉(zhuǎn)劑分子中包含親水性的羥基(—OH)和憎水性的高分子化合物氟碳烷基(—CF)。其中，親水性的羥基(—OH)通過物理吸附的形式附著在煤體表面，而憎水性的氟碳烷基(—CF)朝向遠(yuǎn)離煤體表面的方向。氣潤濕反轉(zhuǎn)劑分子在煤體表面的吸附，降低了煤體表面自由能，減弱了煤體表面對瓦斯的吸附能力，增加了游離瓦斯量；同時，由于煤體表面潤濕性由液潤濕轉(zhuǎn)變?yōu)闅鉂櫇瘢?xì)管力產(chǎn)生的方向發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)了“反毛細(xì)管效應(yīng)”，從而由阻力變成動力，促進(jìn)瓦斯的抽采。

2試驗(yàn)材料與處理

2.1試驗(yàn)材料

選用的煤樣取自晉城玉溪煤礦，其最大原始瓦斯含量為18.53～25.59 m3/t，最大原始壓力為1.76～2.90 MPa，煤層透氣性系數(shù)為0.134～0.26 m2/(MPa2·d)，百米鉆孔自然初始瓦斯涌出強(qiáng)度為0.055 9～0.091 0 m3/(min·hm)，鉆孔自然瓦斯流量衰減系數(shù)為0.042～0.046 d-1。利用不同孔徑大小的標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，篩選出粒度大小為200目以下的煤粉用于煤樣片的制備；篩選出粒度大小為60～80目的煤樣，用于煤樣的工業(yè)分析試驗(yàn)和解吸試驗(yàn)。煤樣工業(yè)分析參數(shù)見表1。

表1煤樣工業(yè)分析

筆者在前期進(jìn)行不同類型表面活性劑的篩選，優(yōu)選出具有疏水、低表面能的氣潤濕反轉(zhuǎn)劑。為進(jìn)一步研究氣潤濕反轉(zhuǎn)劑處理前后對煤體解吸特性的影響，在本文中采用的表面活性劑包括全氟烷基季胺碘化物(FC134)和氟碳表面活性劑(FC117)。

2.2試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置包括JMBJS20002型電子天平、壓力機(jī)(自制)、電熱鼓風(fēng)干燥箱、JC2 000C1型接觸角測量儀、含瓦斯多元?dú)怏w置換系統(tǒng)。JMBJS20002型電子天平用于稱量出質(zhì)量為0.5 g的煤粉，確保壓制出的煤樣片形狀、大小一致。壓力機(jī)用于煤樣片的壓制工作，壓力載荷設(shè)置為120 kN，穩(wěn)壓30 min，制成直徑為25 mm，厚度為5 mm的煤樣片。電熱鼓風(fēng)干燥箱用于煤樣片和顆粒煤(60～80目)的干燥，其溫度設(shè)置范圍為0～400℃。JC2 000C1型接觸角測量儀包括樣品臺、成像系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)與相應(yīng)的檢測軟件系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)接觸角和表面張力的精準(zhǔn)測量。含瓦斯多元?dú)怏w置換系統(tǒng)包括3套獨(dú)立的煤樣室以及對應(yīng)的傳感器、參考罐、氣瓶、真空泵、計(jì)算機(jī)與相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。

2.3接觸角與表面張力測試

通過JC2000C1型接觸角測量儀及其分析系統(tǒng)，，利用躺滴法測定2種氣潤濕反轉(zhuǎn)劑在不同濃度梯度下處理后煤樣的接觸角以及利用懸滴法對表面活性劑溶液的表面張力進(jìn)行測定。其中，表面活性劑的濃度依次為0、0.2%、0.5%、0.8%、1.0%和1.5%。

采用躺滴法進(jìn)行接觸角的測定時，為了避免水對氣潤濕反轉(zhuǎn)劑反轉(zhuǎn)結(jié)果的影響，首先利用噴散法將不同濃度的表面活性劑溶液噴灑在煤樣片表面，放置在105℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥24 h以上，直至煤樣質(zhì)量不再變化，取出冷卻備用。同時，將剩余的表面活性劑溶液按照上述的操作，將不同濃度表面活性劑處理后的煤樣按照濃度大小的不同進(jìn)行排序，并貼上表面活性劑種類和濃度的標(biāo)簽，以便表面張力的測定和記錄。

2.4氣潤濕反轉(zhuǎn)前后瓦斯解吸特征測試

為了進(jìn)一步研究氣潤濕反轉(zhuǎn)劑對煤體解吸效果的影響，利用含瓦斯多元?dú)怏w置換系統(tǒng)對氣潤濕反轉(zhuǎn)劑消除煤層水鎖效應(yīng)、提高瓦斯抽采效果進(jìn)行定量研究，具體試驗(yàn)步驟：

1)首先將取自玉溪煤礦煤樣進(jìn)行破碎，篩選出60～80目的顆粒煤6份。

2)選擇3份煤樣，分別浸泡在蒸餾水、FC117和FC134表面活性劑溶液中，浸泡48 h；然后放置在105℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥48 h以上，直至煤樣質(zhì)量不再變化，取出冷卻備用。

3)檢查含瓦斯多元?dú)怏w置換系統(tǒng)中煤樣室及管路的氣密性、傳感器與軟件系統(tǒng)的運(yùn)行情況，確保整個系統(tǒng)能夠正常工作。

4)將煤樣裝進(jìn)煤樣罐，聯(lián)通煤樣罐與真空泵系統(tǒng)，進(jìn)行抽真空工作24 h，抽至20 Pa以下。

5)抽真空結(jié)束之后，首先進(jìn)行甲烷平衡壓力為0.5 MPa的充氣工作，吸附時間12 h以上，且2 h內(nèi)煤樣罐中壓力不發(fā)生變化。

6)將解吸儀連接煤樣罐的出口閥，打開出口閥，當(dāng)瓦斯壓力降至0.01 MPa以下，開始解吸工作，剛開始每分鐘記錄1次讀數(shù)，30 min以后，解吸量減小，每5 min記錄1次讀數(shù)，共記錄1 h的讀數(shù)。

7)依此類推進(jìn)行甲烷平衡壓力為1.0,1.5,2.0和2.5 MPa的充氣工作，重復(fù)步驟5)和6)。

8)選擇步驟1)的另外煤樣3份，稱量完全干燥條件下的煤樣質(zhì)量，計(jì)算其含水率為1%條件下的質(zhì)量。分別浸泡在蒸餾水、FC117和FC134表面活性劑溶液中，浸泡48 h；然后放置在60℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥48 h，稱量煤樣質(zhì)量，觀察是否達(dá)到預(yù)定含水質(zhì)量。若離預(yù)定質(zhì)量較近時，每隔30 min，稱量一次，直至達(dá)到預(yù)定的含水質(zhì)量，取出冷卻備用。

9)參照干燥煤樣解吸步驟，重復(fù)步驟3)～7)。