1氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)技術(shù)的作用機(jī)理

氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑具有疏水、低表面能的特征，通過(guò)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(rùn)濕性的反轉(zhuǎn)，進(jìn)而消除水鎖損害。毛細(xì)管力是評(píng)價(jià)水鎖損害嚴(yán)重程度的關(guān)鍵指標(biāo)，外來(lái)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(guò)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(rùn)濕性的變化情況可以通過(guò)對(duì)接觸角和表面張力的測(cè)定直觀地呈現(xiàn)出來(lái)。

氣潤(rùn)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(rùn)濕；同時(shí)，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(rùn)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(guò)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(rùn)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(duì)瓦斯的吸附能力，增加了游離瓦斯量；同時(shí)，由于煤體表面潤(rùn)濕性由液潤(rùn)濕轉(zhuǎn)變?yōu)闅鉂?rùn)濕，毛細(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(dòng)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?jí)毫?.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(jiàn)表1。

表1煤樣工業(yè)分析

筆者在前期進(jìn)行不同類(lèi)型表面活性劑的篩選，優(yōu)選出具有疏水、低表面能的氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑。為進(jìn)一步研究氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后對(duì)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(cè)量?jī)x、含瓦斯多元?dú)怏w置換系統(tǒng)。JMBJS20002型電子天平用于稱(chēng)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(cè)量?jī)x包括樣品臺(tái)、成像系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)與相應(yīng)的檢測(cè)軟件系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)接觸角和表面張力的精準(zhǔn)測(cè)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(duì)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(cè)試

通過(guò)JC2000C1型接觸角測(cè)量?jī)x及其分析系統(tǒng)，，利用躺滴法測(cè)定2種氣潤(rùn)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(duì)表面活性劑溶液的表面張力進(jìn)行測(cè)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(cè)定時(shí)，為了避免水對(duì)氣潤(rùn)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(shí)，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(lèi)和濃度的標(biāo)簽，以便表面張力的測(cè)定和記錄。

2.4氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)前后瓦斯解吸特征測(cè)試

為了進(jìn)一步研究氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑對(duì)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(duì)氣潤(rùn)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(gè)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(shí)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(kāi)出口閥，當(dāng)瓦斯壓力降至0.01 MPa以下，開(kāi)始解吸工作，剛開(kāi)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(lèi)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(chēng)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(chēng)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(shí)，每隔30 min，稱(chēng)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)。