3.抑製瓦斯解吸效果及機理分析

3.1添加表麵活性劑抑製瓦斯解吸效果

通過文獻調查法可發現，眾多學者研究了添加不同表麵活性劑溶液情景下的煤岩瓦斯解吸規律[21,23,29,32,34,37]。當前，添加表麵活性劑水溶液(或水)的瓦斯解吸試驗往往包括前置注入法與後置注入法[2]，後者往往被認為更能反映工程現場瓦斯治理工況[7]。為此，采用後置注水處理煤樣(瓦斯吸附平衡後注水溶液)的瓦斯解吸試驗數據，進一步探討表麵活性劑水溶液對煤岩瓦斯解吸性能的影響規律[37-38]，如圖11所示。

圖11煤中瓦斯解吸量隨時間的變化規律[37]

由圖11可知，煤岩瓦斯解吸量隨解吸時間增加呈現先快速增加而後趨於平緩的變化規律。對於不同處理條件，在相同解吸時間內煤樣的瓦斯氣體解吸量關係為：幹燥煤樣>注純水煤樣>注入表麵活性劑溶液。因此，添加表麵活性劑水溶液對煤岩瓦斯解吸的弱化影響明顯優於注入純水。非離子表麵活性劑APG0810水溶液作用下的煤岩瓦斯解吸參數見表4。幹燥煤樣的瓦斯氣體初始解吸速率明顯高於濕潤煤樣，其中添加濃度為0.04%的APG0810水溶液的煤樣與幹燥煤樣相比降低了62.27%。同時，在試驗範圍內，添加表麵活性劑水溶液煤樣累計解吸量相比幹燥煤樣減少了0.831 mL/g。這說明添加表麵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，達到抑製煤體瓦斯解吸效果。

表4表麵活性劑溶液作用下瓦斯解吸參數

3.2水溶液鋪展增強作用

顯然，添加表麵活性劑是影響煤體表麵潤濕效果的重要因素。表麵活性劑分子在三相界麵間的遷移和吸附是提升煤體潤濕效果的主要影響因素[39]。鋪展係數S是衡量液體對固體潤濕效果的重要參數，其表達式為

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

由式(1)可知，當鋪展係數S＞0時，液體在固體表麵獲得最佳的潤濕鋪展。由於固體表麵環境複雜以及對固相表麵張力的測定存在困難，固-氣界麵張力γsv和固-液界麵張力γsl難以測定[40]。為此，引入Young[41]提出的接觸角與固-液-氣界麵張力間的理論關係，表達式如下：

式中，θ為接觸角，(°)。

將式(2)代入式(1)，可得

由式(3)可知，接觸角和溶液表麵張力越小時，鋪展係數S越大，則潤濕鋪展效果越好。因此，通過添加表麵活性劑可以降低溶液的表麵張力以及固-液界麵接觸角，從而達到較好的潤濕鋪展效果。

如圖12(a)所示，表麵活性劑分子在氣-液界麵的吸附行為影響著溶液的擴散。表麵活性劑分子自發地從溶液內部遷移至表麵，其尾部憎水基會以伸出的方式在溶液表麵形成活性劑單分子層，使水溶液的表麵張力下降。由於在一相或兩相中，一個或多個組分在此局域(界麵)的濃度與本體相中的濃度不同，所產生的張力梯度會引起界麵上的質量傳遞即Marangoni流動效應，進而會導致液滴前沿不斷擴散[42-43]，在擴散作用下進一步促使液體與固體之間的接觸麵積增大，從而降低接觸角。

圖12表麵活性劑水溶液潤濕機理示意圖

同時，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化的過程。單層吸附與氣相吸附不同，後者單層飽和吸附是表麵活性劑分子緊密排序的，而前者是有水分子夾在吸附的表麵活性劑分子之間[44]。因此，表麵活性劑分子在固-液界麵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-液界麵的表麵過剩濃度增大，由於煤基質表麵吸附位固定，圖12(b)多餘未吸附的表麵活性劑分子會在固體表麵聚集。一方麵表麵活性劑分子與固體表麵直接相互作用而被吸附；另一方麵表麵活性劑分子與水分子間的憎水效應會加劇吸附[45]。在這兩種驅動力的作用下，表麵活性劑分子在固-液界麵聚集的同時，夾雜在表麵活性劑分子間的水分子在滲透作用影響下會進一步增強煤的潤濕效果。

式中，Γ為表麵過剩濃度，mol/cm2；c為表麵活性劑水溶液濃度，%；R為表麵活性劑普氏氣體常數，R=8.315×107；T為溫度，K；γ為界麵張力，mN/m；

為恒溫時表麵張力隨濃度的變化率。

3.3水溶液封堵作用

煤表麵的脂肪烴和芳香烴等非極性基團使煤體呈現出較強的疏水性特點，然而煤體具有發育的孔裂隙結構係統，能夠為表麵活性劑水溶液向煤體內部的運移提供豐富的通道[46-49]。如圖13所示，水鎖效應的主要原因是外來水溶液在滲透作用下進入煤體內部的微小孔隙或裂隙，在煤孔隙中產生的毛細管力成為阻力，阻礙瓦斯氣體的擴散湧出。毛細管力大小可由Laplace方程表示：

(5)

圖13表麵活性劑水溶液封堵甲烷示意圖

式中，Pc為毛細管力，Pa；r為孔隙半徑，nm。

毛細管力與溶液表麵張力成正比、與孔隙半徑成反比；同時，接觸角越小，毛細管力越大。由表5可知，朱鍇[21]試驗並計算煤樣10 nm孔徑的毛細力，發現自配的表麵活性劑水溶液能夠使毛細力平均提高2倍，最大提高4.03倍。如圖13所示，在擴散、滲透和毛細力共同作用下，表麵活性劑水溶液沿著煤體表麵、孔隙和裂隙進入煤體內部產生液相滯留效應，增大煤潤濕效果的同時其內部瓦斯流動阻力變大，孔隙內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麵張力、降低水溶液與煤之間的接觸角，增強煤的潤濕效果，達到抑製煤層瓦斯的解吸、延緩采動煤岩體中瓦斯逸散的目的，從而降低開采工作麵瞬時瓦斯湧出量。也有學者[21,29,32]分析認為，添加表麵活性劑水溶液會降低煤體溫度、增強煤吸附瓦斯的能力，使得部分遊離態瓦斯轉變為吸附態，相應地減少了瓦斯氣體的逸散湧出。

表5不同煤樣毛細力計算值對比

4.結語

本文整理了46種表麵活性劑，從綠色環保、潤濕性能及穩定性三方麵確定了用於抑製煤體瓦斯解吸的表麵活性劑遴選原則。基於安全性、溫和性考慮，表麵活性劑優選順序依次為兩性和生物型、非離子、陰離子、陽離子，同時大部分非離子和兩性表麵活性劑具有良好的生物降解性和複配功能。進一步分析發現，表麵張力、接觸角與表麵活性劑水溶液濃度之間呈負相關減小趨勢後趨於穩定，在試驗濃度範圍內除生物型表麵活性劑外，其他類型表麵活性劑水溶液均出現明顯的表麵張力及接觸角變化的濃度拐點，對應CMC值約為0.1%，且單一表麵活性劑水溶液的表麵張力很難低於20 mN/m，得到表麵活性劑的潤濕效果排序為：陰離子>非離子>兩性>陽離子>生物型。

煤岩瓦斯解吸試驗表明，添加表麵活性劑水溶液能夠顯著降低煤體瓦斯解吸量和解吸速率。這與水溶液的潤濕鋪展作用與封堵作用有關。利用表麵活性劑水溶液增強煤的潤濕鋪展效果主要與擴散和滲透有關，添加表麵活性劑會降低溶液的表麵張力，而溶液內部的張力梯度會引起Marangoni流動，增強其在固體表麵的擴散；表麵活性劑分子由於憎水效應在固-液界麵的吸附行為影響著水溶液的滲透，進而會提高煤體的潤濕效果。同時，煤體內部毛細力得以增大，導致瓦斯封堵能力增強，從而顯著抑製煤中瓦斯氣體的解吸擴散。

本研究工作有助於表麵活性劑在抑製煤體瓦斯解吸方麵的優選與複配，為探究注入水溶液對煤岩瓦斯解吸性能的影響規律、表麵活性劑選型基礎提供參考。