我國以煤為主的能源資源稟賦，決定了煤炭仍將是我國能源安全的壓艙石。因此，煤炭安全開采是保障國家能源安全的前提。近年來，隨著煤礦開采深度及強(qiáng)度的增加，部分煤礦由低瓦斯向高瓦斯、突出礦井演變，瓦斯和煤塵兩大災(zāi)害逐漸凸顯，其嚴(yán)重威脅著煤炭工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展及礦工的職業(yè)安全與健康。因此，進(jìn)行瓦斯災(zāi)害和粉塵災(zāi)害的協(xié)同治理勢在必行。

研究表明：煤層注水具有降塵、置換及驅(qū)替瓦斯的多種效果，被廣泛用于煤層瓦斯治理及預(yù)濕減塵。煤層注水治理瓦斯及粉塵的效果關(guān)鍵在于煤中的含水率，煤中含水率與煤的潤濕性直接相關(guān)，然而影響煤潤濕性的因素有煤的化學(xué)組成、煤表面電荷及氣體壓力等，接觸角是評價煤體潤濕性能的重要指標(biāo)之一。因此相關(guān)研究采用接觸角評價煤的化學(xué)組成、煤表面電荷、孔隙結(jié)構(gòu)及氣體壓力對潤濕性的影響。

煤中灰分、水分和氧元素是親水因素，固定碳含量與潤濕性負(fù)相關(guān)，隨著煤階的增高，吸附在煤表面的含氧官能團(tuán)減少，煤的親水性能下降。程衛(wèi)民等等獲得了無機(jī)礦物含量與接觸角的定量關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了煤塵表面以灰分和無機(jī)硅酸鹽為代表無機(jī)礦物質(zhì)官能團(tuán)、以芳香羥基為代表的含氧官能團(tuán)及以芳香環(huán)C—H鍵為代表的有機(jī)大分子結(jié)構(gòu)對煤塵潤濕性有較大影響，含硅礦物是增強(qiáng)潤濕性的根本原因。WANG等采用FTIR對5種不同類型的煤樣(褐煤、氣肥煤、焦煤、1/3焦煤、無煙煤)進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)以羥基和羧基為代表的含氧官能團(tuán)、硅酸鹽和碳酸鹽礦物親水，不同變質(zhì)程度煤的呼吸性煤塵具有不同的潤濕性。陳躍等研究獲得灰分與煤的潤濕性正相關(guān)，揮發(fā)分與煤的潤濕性負(fù)相關(guān)，氫元素含量高，潤濕性變差，碳和氧元素對潤濕性的影響取決于含氧官能團(tuán)的類型。LI等研究認(rèn)為C/O(碳和氧的比率)和羥基是影響煤體潤濕性的主要因素，隨著變質(zhì)程度增加，水分對煤的潤濕性逐漸變差。WANG等基于接觸角測試實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)接觸角大小分別與極性基團(tuán)、自由基的比例呈負(fù)線性關(guān)系，但與Zeta電位呈正線性關(guān)系。李樹剛等研究發(fā)現(xiàn)Zeta電位與煤體的接觸角呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，與自由基含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系。CHENG等、JIANG等、ZHOU等、WANG等研究發(fā)現(xiàn)隨著煤體表面的Zeta電位越高，液體越容易在煤體表面鋪展，煤體越容易被潤濕。ZHU等、SUN等、KAVEH等通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)煤吸附CO2后水對煤的潤濕性能下降。魏建平等研究了煤體在瓦斯氛圍中煤水之間的接觸角，分析發(fā)現(xiàn)接觸角隨著氣體壓力的增加而增加。對于不含瓦斯煤的條件，水分與煤體之間的接觸角演化特性已有相關(guān)研究。在含瓦斯的條件下，目前研究主要聚焦于水與煤接觸后某一時刻接觸角大小，水與煤接觸后水在煤體表面發(fā)生鋪展效應(yīng)，對煤體形成一個動態(tài)的潤濕過程。然而目前關(guān)于含瓦斯煤與水之間接觸動態(tài)演化特性鮮有研究，其導(dǎo)致煤層注水潤濕含瓦斯煤的機(jī)理不清楚，從而限制著煤層注水的應(yīng)用。

為弄清含瓦斯煤與水之間接觸動態(tài)演化特性，筆者首先采用自開發(fā)的水與瓦斯之間的表面張力分析軟件計(jì)算了不同瓦斯壓力條件下水的表面張力；其次采用開發(fā)的含瓦斯煤與水接觸角實(shí)驗(yàn)設(shè)備測試了不同瓦斯壓力、不同時間條件下的煤水接觸角，理論分析了不同瓦斯壓力條件下煤水界面能、煤的表面能、黏附功隨接觸角及時間的演化規(guī)律；再次，采用開發(fā)的水滴輪廓線提取軟件對不同時間及不同瓦斯壓力條件下的水滴輪廓進(jìn)行提取，獲得了水滴輪廓最高點(diǎn)及水滴與含瓦斯煤接觸面的寬度演化規(guī)律；最后，采用分子動力學(xué)模擬的方法，從微觀角度揭示了含瓦斯煤與水之間的接觸動態(tài)演化的微觀機(jī)制。研究結(jié)果為揭示水分對含瓦斯煤的動態(tài)潤濕機(jī)理及煤層注水的應(yīng)用提供理論支撐。

1.含瓦斯煤與水之間接觸角動態(tài)演化測試及水與瓦斯之間的表面張力計(jì)算方法

1.1含瓦斯煤與水之間接觸角測試設(shè)備及步驟

含瓦斯煤與水之間接觸角測試設(shè)備具備抽真空、充氣吸附、恒溫控制、滴水、光學(xué)成像及自動采集數(shù)據(jù)的功能，設(shè)備的實(shí)物圖及原理分別如圖1a—圖1b所示。

圖1含瓦斯煤與水之間接觸角實(shí)驗(yàn)設(shè)備

含瓦斯煤與水之間接觸角動態(tài)演化測試步驟如下：

1)試驗(yàn)煤樣取自貴州金沙龍鳳煤業(yè)公司9號煤(煤層瓦斯壓力為1.46 MPa)，煤質(zhì)為無煙煤，其水分為2.24%，灰分為9.45%，揮發(fā)分為5.77%，固定碳為82.54%。煤樣的尺寸為?50 mm×42 mm的煤樣，將實(shí)驗(yàn)煤樣在105℃條件下干燥，干燥結(jié)束后放置在干燥皿中。

2)向?qū)嶒?yàn)設(shè)備中分段充入氦氣，觀察傳感器示數(shù)氣體壓力4～5 h不發(fā)生變化，認(rèn)為裝置氣密性良好。

3)將實(shí)驗(yàn)煤樣放置在透明釜體9中，將透明釜體密閉。依次打開真空泵4，閥門3再次對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空計(jì)5的示數(shù)小于20 Pa時抽真空結(jié)束，關(guān)閉閥門6；打開閥門1，向甲烷參考罐2充入一定壓力的甲烷氣體，關(guān)閉閥門1；打開閥門3，向透明釜體內(nèi)充入甲烷氣體，關(guān)閉閥門3。吸附一段時間后，當(dāng)透明釜體內(nèi)達(dá)到預(yù)定的吸附平衡壓力值，結(jié)束充氣；如果透明釜體內(nèi)小于預(yù)定的吸附平衡壓力值，繼續(xù)向透明釜體充入甲烷氣體，直至達(dá)到預(yù)定的吸附平衡壓力。

4)打開攝像機(jī)10的連拍程序、冷光源11及恒速恒壓泵7，當(dāng)液滴脫離滴管8的下端口時，關(guān)閉恒速恒壓泵；采用圖像分析功能對不同瓦斯壓力條件下的接觸角進(jìn)行測量，并記錄時間，即可獲得含瓦斯煤與水之間接觸角動態(tài)演化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.2水與瓦斯之間的表面張力計(jì)算方法

筆者采用懸滴法進(jìn)行水與瓦斯之間表面張力的測試，當(dāng)水滴被靜止懸掛在毛細(xì)管的管口處時，液滴的外形主要取決于重力和表面張力的平衡，通過對水滴外形的測定獲得水與瓦斯之間表面張力計(jì)算的相關(guān)參數(shù)。懸滴法原理圖如圖2所示，采用自開發(fā)的水與瓦斯之間界面張力分析軟件獲得式(1)中Ds、De，聯(lián)合水、瓦斯的密度、修正后的形狀因子(F)、重力加速度(g)，基于式(2)計(jì)算水與瓦斯之間的表面張力。

式中：γ為水與瓦斯之間的表面張力，N/m；g為重力加速度，m/s2；ρg為瓦斯氣體的密度，kg/m3；ρ為水的密度，kg/m3；De為懸滴的最大直徑，m；Ds為距頂點(diǎn)距離等于De處懸滴截面的直徑，m；G為液滴形狀因子；p為氣體壓力，MPa；M為甲烷的摩爾質(zhì)量，16 g/mol；R為氣體狀態(tài)常數(shù)，8.314J/(mol·K)。