3.抑制瓦斯解吸效果及機(jī)理分析

3.1添加表面活性劑抑制瓦斯解吸效果

通過文獻(xiàn)調(diào)查法可發(fā)現(xiàn)，眾多學(xué)者研究了添加不同表面活性劑溶液情景下的煤巖瓦斯解吸規(guī)律[21,23,29,32,34,37]。當(dāng)前，添加表面活性劑水溶液(或水)的瓦斯解吸試驗(yàn)往往包括前置注入法與后置注入法[2]，后者往往被認(rèn)為更能反映工程現(xiàn)場(chǎng)瓦斯治理工況[7]。為此，采用后置注水處理煤樣(瓦斯吸附平衡后注水溶液)的瓦斯解吸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步探討表面活性劑水溶液對(duì)煤巖瓦斯解吸性能的影響規(guī)律[37-38]，如圖11所示。

圖11煤中瓦斯解吸量隨時(shí)間的變化規(guī)律[37]

由圖11可知，煤巖瓦斯解吸量隨解吸時(shí)間增加呈現(xiàn)先快速增加而后趨于平緩的變化規(guī)律。對(duì)于不同處理?xiàng)l件，在相同解吸時(shí)間內(nèi)煤樣的瓦斯氣體解吸量關(guān)系為：干燥煤樣>注純水煤樣>注入表面活性劑溶液。因此，添加表面活性劑水溶液對(duì)煤巖瓦斯解吸的弱化影響明顯優(yōu)于注入純水。非離子表面活性劑APG0810水溶液作用下的煤巖瓦斯解吸參數(shù)見表4。干燥煤樣的瓦斯氣體初始解吸速率明顯高于濕潤(rùn)煤樣，其中添加濃度為0.04%的APG0810水溶液的煤樣與干燥煤樣相比降低了62.27%。同時(shí)，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，添加表面活性劑水溶液煤樣累計(jì)解吸量相比干燥煤樣減少了0.831 mL/g。這說明添加表面活性劑水溶液能夠有效減小瓦斯解吸量、降低煤的瓦斯初始解吸速率，達(dá)到抑制煤體瓦斯解吸效果。

表4表面活性劑溶液作用下瓦斯解吸參數(shù)

3.2水溶液鋪展增強(qiáng)作用

顯然，添加表面活性劑是影響煤體表面潤(rùn)濕效果的重要因素。表面活性劑分子在三相界面間的遷移和吸附是提升煤體潤(rùn)濕效果的主要影響因素[39]。鋪展系數(shù)S是衡量液體對(duì)固體潤(rùn)濕效果的重要參數(shù)，其表達(dá)式為

式中，γsv為固-氣界面張力，mN/m；γsl為固-液界面張力，mN/m；γlv為氣-液界面張力，mN/m。

由式(1)可知，當(dāng)鋪展系數(shù)S＞0時(shí)，液體在固體表面獲得最佳的潤(rùn)濕鋪展。由于固體表面環(huán)境復(fù)雜以及對(duì)固相表面張力的測(cè)定存在困難，固-氣界面張力γsv和固-液界面張力γsl難以測(cè)定[40]。為此，引入Young[41]提出的接觸角與固-液-氣界面張力間的理論關(guān)系，表達(dá)式如下：

式中，θ為接觸角，(°)。

將式(2)代入式(1)，可得

由式(3)可知，接觸角和溶液表面張力越小時(shí)，鋪展系數(shù)S越大，則潤(rùn)濕鋪展效果越好。因此，通過添加表面活性劑可以降低溶液的表面張力以及固-液界面接觸角，從而達(dá)到較好的潤(rùn)濕鋪展效果。

如圖12(a)所示，表面活性劑分子在氣-液界面的吸附行為影響著溶液的擴(kuò)散。表面活性劑分子自發(fā)地從溶液內(nèi)部遷移至表面，其尾部憎水基會(huì)以伸出的方式在溶液表面形成活性劑單分子層，使水溶液的表面張力下降。由于在一相或兩相中，一個(gè)或多個(gè)組分在此局域(界面)的濃度與本體相中的濃度不同，所產(chǎn)生的張力梯度會(huì)引起界面上的質(zhì)量傳遞即Marangoni流動(dòng)效應(yīng)，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致液滴前沿不斷擴(kuò)散[42-43]，在擴(kuò)散作用下進(jìn)一步促使液體與固體之間的接觸面積增大，從而降低接觸角。

圖12表面活性劑水溶液潤(rùn)濕機(jī)理示意圖

同時(shí)，固體自稀溶液的吸附過程通常是單層吸附的形成和向多層吸附轉(zhuǎn)化的過程。單層吸附與氣相吸附不同，后者單層飽和吸附是表面活性劑分子緊密排序的，而前者是有水分子夾在吸附的表面活性劑分子之間[44]。因此，表面活性劑分子在固-液界面的吸附行為影響著水溶液的滲透，通過Gibbs吸附公式(4)可知，隨氣-液界面的表面過剩濃度增大，由于煤基質(zhì)表面吸附位固定，圖12(b)多余未吸附的表面活性劑分子會(huì)在固體表面聚集。一方面表面活性劑分子與固體表面直接相互作用而被吸附；另一方面表面活性劑分子與水分子間的憎水效應(yīng)會(huì)加劇吸附[45]。在這兩種驅(qū)動(dòng)力的作用下，表面活性劑分子在固-液界面聚集的同時(shí)，夾雜在表面活性劑分子間的水分子在滲透作用影響下會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)煤的潤(rùn)濕效果。

式中，Γ為表面過剩濃度，mol/cm2；c為表面活性劑水溶液濃度，%；R為表面活性劑普氏氣體常數(shù)，R=8.315×107；T為溫度，K；γ為界面張力，mN/m；

為恒溫時(shí)表面張力隨濃度的變化率。

3.3水溶液封堵作用

煤表面的脂肪烴和芳香烴等非極性基團(tuán)使煤體呈現(xiàn)出較強(qiáng)的疏水性特點(diǎn)，然而煤體具有發(fā)育的孔裂隙結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，能夠?yàn)楸砻婊钚詣┧芤合蛎后w內(nèi)部的運(yùn)移提供豐富的通道[46-49]。如圖13所示，水鎖效應(yīng)的主要原因是外來(lái)水溶液在滲透作用下進(jìn)入煤體內(nèi)部的微小孔隙或裂隙，在煤孔隙中產(chǎn)生的毛細(xì)管力成為阻力，阻礙瓦斯氣體的擴(kuò)散涌出。毛細(xì)管力大小可由Laplace方程表示：

(5)

圖13表面活性劑水溶液封堵甲烷示意圖

式中，Pc為毛細(xì)管力，Pa；r為孔隙半徑，nm。

毛細(xì)管力與溶液表面張力成正比、與孔隙半徑成反比；同時(shí)，接觸角越小，毛細(xì)管力越大。由表5可知，朱鍇[21]試驗(yàn)并計(jì)算煤樣10 nm孔徑的毛細(xì)力，發(fā)現(xiàn)自配的表面活性劑水溶液能夠使毛細(xì)力平均提高2倍，最大提高4.03倍。如圖13所示，在擴(kuò)散、滲透和毛細(xì)力共同作用下，表面活性劑水溶液沿著煤體表面、孔隙和裂隙進(jìn)入煤體內(nèi)部產(chǎn)生液相滯留效應(yīng)，增大煤潤(rùn)濕效果的同時(shí)其內(nèi)部瓦斯流動(dòng)阻力變大，孔隙內(nèi)瓦斯氣體被水溶液封堵。因此，添加活性劑水溶液能夠減小水溶液的表面張力、降低水溶液與煤之間的接觸角，增強(qiáng)煤的潤(rùn)濕效果，達(dá)到抑制煤層瓦斯的解吸、延緩采動(dòng)煤巖體中瓦斯逸散的目的，從而降低開采工作面瞬時(shí)瓦斯涌出量。也有學(xué)者[21,29,32]分析認(rèn)為，添加表面活性劑水溶液會(huì)降低煤體溫度、增強(qiáng)煤吸附瓦斯的能力，使得部分游離態(tài)瓦斯轉(zhuǎn)變?yōu)槲綉B(tài)，相應(yīng)地減少了瓦斯氣體的逸散涌出。

表5不同煤樣毛細(xì)力計(jì)算值對(duì)比

4.結(jié)語(yǔ)

本文整理了46種表面活性劑，從綠色環(huán)保、潤(rùn)濕性能及穩(wěn)定性三方面確定了用于抑制煤體瓦斯解吸的表面活性劑遴選原則?；诎踩?、溫和性考慮，表面活性劑優(yōu)選順序依次為兩性和生物型、非離子、陰離子、陽(yáng)離子，同時(shí)大部分非離子和兩性表面活性劑具有良好的生物降解性和復(fù)配功能。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，表面張力、接觸角與表面活性劑水溶液濃度之間呈負(fù)相關(guān)減小趨勢(shì)后趨于穩(wěn)定，在試驗(yàn)濃度范圍內(nèi)除生物型表面活性劑外，其他類型表面活性劑水溶液均出現(xiàn)明顯的表面張力及接觸角變化的濃度拐點(diǎn)，對(duì)應(yīng)CMC值約為0.1%，且單一表面活性劑水溶液的表面張力很難低于20 mN/m，得到表面活性劑的潤(rùn)濕效果排序?yàn)椋宏庪x子>非離子>兩性>陽(yáng)離子>生物型。

煤巖瓦斯解吸試驗(yàn)表明，添加表面活性劑水溶液能夠顯著降低煤體瓦斯解吸量和解吸速率。這與水溶液的潤(rùn)濕鋪展作用與封堵作用有關(guān)。利用表面活性劑水溶液增強(qiáng)煤的潤(rùn)濕鋪展效果主要與擴(kuò)散和滲透有關(guān)，添加表面活性劑會(huì)降低溶液的表面張力，而溶液內(nèi)部的張力梯度會(huì)引起Marangoni流動(dòng)，增強(qiáng)其在固體表面的擴(kuò)散；表面活性劑分子由于憎水效應(yīng)在固-液界面的吸附行為影響著水溶液的滲透，進(jìn)而會(huì)提高煤體的潤(rùn)濕效果。同時(shí)，煤體內(nèi)部毛細(xì)力得以增大，導(dǎo)致瓦斯封堵能力增強(qiáng)，從而顯著抑制煤中瓦斯氣體的解吸擴(kuò)散。

本研究工作有助于表面活性劑在抑制煤體瓦斯解吸方面的優(yōu)選與復(fù)配，為探究注入水溶液對(duì)煤巖瓦斯解吸性能的影響規(guī)律、表面活性劑選型基礎(chǔ)提供參考。