隨著煤礦開采深度的增加，煤與瓦斯賦存環境“三高”特征愈加突出，煤層瓦斯壓力和瓦斯含量增大、瓦斯湧出量增加，導致瓦斯濃度超限等問題變得突出，嚴重製約著煤礦持續穩定健康地發展[1-2]。我國以低滲透性煤層為主，除利用煤儲層改造技術提升瓦斯抽采效果外，煤層注水技術也是降低瓦斯解吸速率、減緩采動煤體瓦斯快速湧出的有效方法。然而，利用煤層注水技術抑製煤體瓦斯解吸效果與注入外來水的性質密切相關[3-5]。表麵活性劑是重要的精細化學品，具有潤濕、乳化、分散、抗靜電等一係列作用。一些學者[6-10]研究發現，添加表麵活性劑能有效改善水溶液性質、降低表麵張力並增強煤體潤濕效果，達到封堵瓦斯氣體、降低瓦斯逸散能力的目的。部分學者[11-13]通過在現場進行噴灑或深鑽孔注純水、表麵活性劑水溶液對比發現，利用表麵活性劑水溶液比純水能夠更有效降低和延緩瓦斯湧出。本文采用文獻調查法，整理了近年來用於抑製煤體瓦斯解吸的多種表麵活性劑，分析其物理化學特性，並探究了表麵活性劑水溶液抑製煤體瓦斯解吸機理。研究工作可為表麵活性劑的優選和複配提供科學依據，對於預防開采工作麵瓦斯濃度超限、保障煤礦安全生產具有重要意義。

1.表麵活性劑分類及性質

當前市麵上常用的表麵活性劑產品種類豐富、物理化學性能及用途各有不同。針對表麵活性劑水溶液在提高煤體潤濕效果、抑製瓦斯解吸的應用現狀，從安全性、溫和性、穩定性、複配條件及生物降解性5個方麵考慮，以中國知網(CNKI)收錄的文獻資料為基礎，搜集到46種常見表麵活性劑及其性質見表1。

表1常見表麵活性劑及其性質

化學合成表麵活性劑從結構上按親水基可分為陽離子、陰離子、非離子和兩性4種表麵活性劑[14]。其中，兩性表麵活性劑是指在不同條件下呈現出陰離子、陽離子或非離子性質的表麵活性劑。例如，CAB在酸性條件下呈陽離子性、在堿性條件下呈陰離子性。此外，還有由細菌、酵母、真菌等微生物所產生的生物型表麵活性劑。基於抑製煤體瓦斯解吸的考慮，挑選表麵活性劑應遵循以下原則：

(1)綠色環保，對人體和環境無毒無刺激性，價格低廉，購買方便。

(2)表麵張力、接觸角的降低幅度大，能提高煤體表麵的潤濕效果。

(3)易溶於水且穩定性強，能與其他表麵活性劑進行二次濃度複配。

由表1可知，陽離子表麵活性劑(季銨鹽類)、陰離子表麵活性劑的(重金屬鹽類)具有毒性和刺激性，這是由於其優異的殺菌性，並且殺菌能力越強毒性越大；非離子表麵活性劑在溶液中不帶電荷，不易與蛋白質結合，所以毒性和刺激性較小；而大多數的兩性和生物型表麵活性劑毒性和刺激性較低並具有優秀的降解能力。因此，表麵活性劑的安全性排序為：兩性、生物型表麵活性劑>非離子表麵活性劑>陰離子表麵活性劑>陽離子表麵活性劑。就潤濕性而言，陽離子表麵活性劑和含銨結構的陰離子、非離子表麵活性劑容易吸附於固體表麵，使煤體表麵呈現“疏水”狀態而無法起到潤濕煤體的作用[15-17]。就穩定性而言，離子型表麵活性劑對硬水較為敏感，而非離子表麵活性劑不能在溶液中離解為離子，其穩定性高，具有較強的耐酸、堿、鹽性和抗硬水性能。在複配特性方麵，陰離子與陽離子表麵活性劑隻是在特定條件下複配可以提高表麵活性[18]，而大多數的非離子和兩性表麵活性劑均具有良好的複配性能。

2.常見表麵活性劑水溶液的潤濕性分析

2.1表麵張力

采用文獻調查法，匯總分析了82組不同類型表麵活性劑水溶液濃度與表麵張力的對應關係[19-34]，如圖1~圖4所示。

圖1陽離子表麵活性劑水溶液濃度與表麵張力間的關係

圖2陰離子表麵活性劑水溶液濃度與表麵張力間的關係

圖3非離子表麵活性劑水溶液濃度與表麵張力間的關係

圖4其他表麵活性劑水溶液濃度與表麵張力間的關係

表麵張力是液體表麵垂直於單位分界線相互作用的一種力，其大小直接影響溶液的性質。由圖1至圖3可知，當表麵活性劑水溶液濃度小於0.1%時，表麵張力隨濃度的增大而迅速降低。例如，圖3(b)的非離子表麵活性劑AEO大約從75 mN/m降至30 mN/m；當表麵活性劑水溶液濃度在0.1%~0.2%之間，表麵張力的下降幅度明顯減緩；當表麵活性劑水溶液濃度大於0.2%時，不同表麵活性劑水溶液的表麵張力變化均趨於平緩並且基本無變化。如圖4(a)所示，兩性表麵活性劑也呈現出與陽(陰)離子及非離子表麵活性劑的相同趨勢。表麵活性劑水溶液的表麵張力均存在一個濃度拐點；陽離子、陰離子以及兩性表麵活性劑水溶液的濃度拐點大約為0.1%。當濃度超過這個拐點後，水溶液的表麵張力基本不再下降，稱之為臨界膠束濃度(CMC)。CMC越低，降低表麵張力的效率越高[35]。特別的是，圖4(c)所示的生物型表麵活性劑水溶液表麵張力隨溶液濃度升高表現出降低趨勢，然而在試驗濃度範圍內並未出現顯著的濃度拐點。

純水溶液的表麵張力約為72.8 mN/m，5種不同類型表麵活性劑溶液濃度為0.1%時的表麵張力統計結果見表2。由表2可知，當活性劑濃度為0.1%時，陰離子表麵活性劑快T的水溶液表麵張力最小為24.87 mN/m。將活性劑溶液濃度0.1%的表麵張力進行均值化處理並與純水對比可發現，陰離子表麵活性劑水溶液的表麵張力為36.74 mN/m，降低幅度為51.01%。整體而言，所有類型表麵活性劑水溶液表麵張力均隨溶液濃度增大呈減小趨勢，並且在試驗濃度範圍內，表麵張力均大於20 mN/m。經對比，添加表麵活性劑導致水溶液表麵張力降低效果的排序為：陰離子表麵活性劑>非離子表麵活性劑>兩性表麵活性劑>陽離子表麵活性劑>生物表麵活性劑。

表2表麵活性劑濃度為0.1%時的表麵張力

2.2接觸角

根據中國煤炭分類的揮發分分級標準[36]，煤炭被分為褐煤、高揮發分煙煤(Vdaf>37%)、中高揮發分煙煤(Vdaf=28%~37%)、中揮發分煙煤(Vdaf=20%~28%)、低揮發分煙煤(Vdaf=10%~20%)、無煙煤。采用文獻調查法匯總分析了91組不同煤樣的不同類型表麵活性劑水溶液濃度與煤岩接觸角的對應關係，如圖5~圖10所示。

圖5褐煤接觸角隨表麵活性劑水溶液的變化

圖6高揮發分煙煤接觸角隨表麵活性劑水溶液的變化

圖7中高揮發分煙煤接觸角隨表麵活性劑水溶液的變化

圖8中揮發分煙煤接觸角隨表麵活性劑水溶液的變化

圖9低揮發分煙煤接觸角隨表麵活性劑水溶液的變化

圖10無煙煤接觸角隨表麵活性劑水溶液的變化

固體表麵的潤濕性可用接觸角表征，反映了液體與固體表麵相互作用的程度，接觸角隨液體表麵張力的降低而不斷減小。由圖5至圖10可知，對於不同變質程度煤，離子、非離子和兩性型表麵活性劑水溶液濃度小於0.1%時，接觸角隨濃度的增加而迅速降低。例如，圖7(b)所示的CDEA與中高揮發分煙煤間的接觸角從38.8°降低至21.2°。當表麵活性劑水溶液濃度在0.1%~0.2%之間，接觸角的下降幅度明顯減緩；當濃度大於0.2%時，接觸角逐漸趨於穩定。整體而言，離子、非離子和兩性型表麵活性劑水溶液在煤表麵的接觸角隨溶液濃度的升高表現出降低趨勢，在濃度0.1%會出現明顯的拐點。而生物型表麵活性劑水溶液與高揮發分煙煤間的接觸角隨濃度增大呈降低趨勢，且在試驗濃度0~0.1%範圍內的接觸角均大於25°。

以接觸角作為判斷潤濕的標準，接觸角越小則潤濕性能越好。表麵活性劑濃度為0.1%時，煤岩接觸角統計結果見表3。當活性劑水溶液濃度為0.1%時，陰離子表麵活性劑AES水溶液與煤的接觸角最小為9.11°。進一步將不同類型表麵活性劑水溶液在濃度為0.1%時與煤的接觸角進行均值化處理可發現，陽離子、陰離子、非離子、兩性及生物表麵活性劑水溶液與煤的接觸角平均值分別為34.4°、27.37°、29.72°、29.82°和50.03°。因此，表麵活性劑潤濕性效果排序為：陰離子表麵活性劑>非離子表麵活性劑>兩性表麵活性劑>陽離子表麵活性劑>生物表麵活性劑。