赵固二矿提高煤体表面活性配比实验研究

李 凯，蔡海峰

(1.平顶山天安煤业股份有限公司，河南 平顶山 467000;2.晋城煤业集团 赵庄煤业，山西 晋城 048006)

引 言

煤层注水作为一种技术手段，广泛应用于井下除尘、煤壁片帮的治理、自然发火的预防、煤与瓦斯突出和冲击地压等矿井动力灾害的防治。但由于煤体自身原因，比如变质程度、裂隙发育程度不同，导致注水效果有很大差异。煤层注水的效果主要受水对煤层的润湿程度影响。表面活性剂是一种特殊的化学分子，它由两种粒子组成，一种具有极强的亲水性，另一种具有极强的亲油性，溶于水以后可以有效降低水的表面张力，提高水对煤层的润湿性，使煤体在注水后均匀润湿，达到良好的注水效果。

河南煤化焦煤公司赵固二矿主采二1煤层，煤层平均倾角5.5°，平均厚度6.16 m。11011工作面采用分层开采，留底煤，采高3.5 m。由于采高大，工作面经常出现煤壁片帮，给安全生产带来很大隐患。经科学论证，决定用煤层注水技术防治煤壁片帮。在实验室对煤样在纯水和添加不同表面活性剂的溶液中进行润湿，测定接触角和润湿速度变化情况，通过对比得到适合该矿润湿剂的种类及其最佳浓度。

1 煤的润湿性实验

1.1 接触角与润湿性的关系

液体对固体的润湿程度用润湿性来表示。煤的润湿性是衡量煤与水接触难易程度的一项重要物理性质参数。在实施煤层注水时，煤体润湿性的优劣直接影响水力压挤时的煤层注水效果。固液之间的润湿性不同，在两者接触时会呈现出不同形状的接触角，因此，固体的润湿性可以用接触角表示。如图1所示，液滴在固液接触边缘的切线AM与固体平面AC间的夹角称为接触角。接触角是衡量煤体表面润湿难易程度和毛细作用力大小的基本参数。实验表明，接触角小毛细作用力大，煤体易于润湿;反之煤体则难于润湿。

图1 气、液、固三相平衡接触示意图

一滴液体落在水平固体表面上，当达到平衡时，液滴呈现一定的形状。图1中，A点是气、液、固三相平衡时的交界点。润湿过程与体系的界面张力有关。从表面张力的角度来看，形成的接触角与各界面张力之间符合下面的杨氏公式:

式中:

σg－s—气—固界面表面张力;

σg－1—气—液界面表面张力;

σ1－s—液—固界面表面张力。

其中，若 σg－s－σ1－s=σg－1，θ=0，为完全润湿状态;若 σg－s－ σ1－s＜ σg－1，θ＜ 90°，固体能被液体润湿;σg－s－ σ1－s＞ σg－1，θ＞90°，固体不能被液体润湿。由杨氏方程可以看出，固体和液体间的接触角是一种很好的表征固体和液体间润湿性能大小的指标。因此，对煤的润湿性的测定，可以通过测定煤与水的接触角来得到。

1.2 煤样接触角的测定

水溶液在煤体空隙表面的接触角大小是水对煤体润湿性最真实的体现，由于实际技术条件所限，测定水滴在微孔表面的接触角是无法实现的。采集赵固二矿二1煤层11011工作面块状煤样，对煤块切片，利用磨光机把煤体表面磨光，从而代替孔隙表面，采用JC2000－C1型接触角测试仪对磨光的煤体进行接触角实验，最终得到的实验结果见表1。

由表1可见，赵固二矿11011工作面煤与水的接触角θ值在61°～69°之间，总体属于可以润湿的煤体，但从结果看，接触角较大，润湿困难，属难润湿煤体。

2 润湿剂的选择

润湿剂都由亲水基及亲油基组成，当与固体表面接触时，亲油基附着于固体表面，亲水基向外伸向液体中，使液体在固体表面形成连续相，可以提高固－液润湿效果。按照无毒、无腐蚀性、环境友好、来源广泛、性价比优良等因素，选择煤矿常用的润湿剂:洗衣粉、十二烷基硫酸钠、十二烷基本磺酸钠及TX－100。体现润湿剂润湿能力的主要参数是表面张力和接触角，为此在研究赵固二矿煤样吸湿速度与润湿剂溶液的关系时，必须考察润湿剂溶液在这方面的变化情况。

2.1 表面张力的测定

采用滴重法，在THQZL－1型液体表面张力系数测定实验仪上分别测定以上4种润湿剂在质量分数为 0.01%、0.02%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%时的表面张力，绘制润湿剂溶液表面张力和质量分数的关系图，见图2。

图2 润湿剂表面张力和质量分数关系曲线图

从图2可以看出，在水中加入润湿剂后，其水溶液的表面张力迅速减小，在浓度很低(＜0.01%)时，就可以将水的表面张力大大降低。在此浓度范围内，不同润湿剂在相同质量分数时的表面张力依次为:十二烷基本磺酸钠＜洗衣粉＜十二烷基硫酸钠＜TX－100。同时，由关系曲线可以看出，每种润湿剂的表面张力在降到一定程度后，随着溶剂浓度的增大表面张力不再降低。

2.2 加润湿剂后煤的润湿性测定

不同润湿剂的润湿效果，不仅决定于润湿剂的性质，还与煤的物理、化学性质密切相关。在室温下，采用JC2000－C1型接触角测试仪，将配制好的不同质量分数及种类的润湿剂依次进行煤的润湿性实验。得到各润湿剂在不同质量分数时与煤的接触角，见表2。

表2 不同润湿剂的接触角 (°)

根据实验结果，在加入润湿剂水溶液后，煤的润湿性提高的较为明显。从表2可以看出，质量分数在≥0.10%的十二烷基本磺酸钠的溶液、质量分数在≥0.15%的TX－100溶液、质量分数在≥0.20%的十二烷基硫酸钠溶液都可以使其与煤的接触角降为0°。在上述几种溶液中，使水－煤接触角下降速度最快、最终达到0°时质量分数最小的是TX－100。含有洗衣粉的溶液和含有十二烷基硫酸钠的溶液使水－煤接触角降到0°时的质量分数相同，相比较而言，十二烷基本磺酸钠溶液使其下降的速度更快。总的来说，在溶液质量分数相同(0.10%)时，接触角的具体变化情况是:十二烷基苯磺酸钠＞TX－100＞十二烷基硫酸钠＞洗衣粉。

2.3 煤样吸湿速度测定

上面实验中所测定的表面张力和接触角是选择最佳表面活性剂的重要参数，但润湿速度也是衡量煤体润湿效果的一项重要指标。因此，在已确定最优质量分数的表面活性剂溶液中(0.20%洗衣粉溶液，0.20%十二烷基苯磺酸钠溶液，质量分数0.15%TX－100溶液，0.10%十二烷基硫酸钠溶液)对煤样进行吸水实验。分析其吸水速度的快慢，以最终确定最佳表面活性剂溶液。现取4组高径比为30 mm×50 mm的圆柱形煤样，吸水前把煤样用天平称重，然后将其缠上漆包线悬于各种表面活性剂溶液中。为了排除净水压力对实验结果的影响，煤样浸没的深度都取50 mm。在浸水期间，每5 h把煤样取出擦干称重，80 h后测得煤样质量随时间的变化趋势见表3。

表3 不同浸泡时间各煤样的质量 g

假设煤样在没有放入溶液中称量时的质量为M0，取出后擦干使煤样不滴水再次称量时其质量为M，则吸湿率(M0－M)/M0。分别计算不同浸泡时间各个煤样的吸湿率，见表4，图3。

分析实验结果可知，煤样在0～5 h内吸湿率增长最快，在各润湿剂溶液中的吸水率和吸湿速率大于在纯水中的。在各不同浓度的润湿剂溶液中，煤样在质量分数为0.10%的十二烷基硫酸钠溶液的吸湿率和吸湿增长率最大。

表4 煤样在不同润湿剂溶液中的吸湿率 %

图3 煤样在不同润湿剂溶液中的吸湿率对比曲线图

3 结语

1)由于煤体本身物理、化学性质的不同，不同煤体的润湿性各不相同。通过实验测定，赵固二矿二1煤层11011工作面煤与水的接触角在61°～69°之间，煤的润湿性较差。

2)通过测定在水溶液中添加润湿剂后溶液表面张力和接触角的变化，得出润湿剂可以降低水的表面张力和水与煤的接触角，增加煤的润湿性，提高煤层注水速率。

3)对不同润湿剂的润湿效果进行对比，得出适用于赵固二矿二1煤层注水的最优润湿剂是十二烷基本磺酸钠，最优质量分数为0.10%。

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