3.抑制瓦斯解吸效果及机理分析

3.1添加表面活性剂抑制瓦斯解吸效果

通过文献调查法可发现，众多学者研究了添加不同表面活性剂溶液情景下的煤岩瓦斯解吸规律[21,23,29,32,34,37]。当前，添加表面活性剂水溶液(或水)的瓦斯解吸试验往往包括前置注入法与后置注入法[2]，后者往往被认为更能反映工程现场瓦斯治理工况[7]。为此，采用后置注水处理煤样(瓦斯吸附平衡后注水溶液)的瓦斯解吸试验数据，进一步探讨表面活性剂水溶液对煤岩瓦斯解吸性能的影响规律[37-38]，如图11所示。

图11煤中瓦斯解吸量随时间的变化规律[37]

由图11可知，煤岩瓦斯解吸量随解吸时间增加呈现先快速增加而后趋于平缓的变化规律。对于不同处理条件，在相同解吸时间内煤样的瓦斯气体解吸量关系为：干燥煤样>注纯水煤样>注入表面活性剂溶液。因此，添加表面活性剂水溶液对煤岩瓦斯解吸的弱化影响明显优于注入纯水。非离子表面活性剂APG0810水溶液作用下的煤岩瓦斯解吸参数见表4。干燥煤样的瓦斯气体初始解吸速率明显高于湿润煤样，其中添加浓度为0.04%的APG0810水溶液的煤样与干燥煤样相比降低了62.27%。同时，在试验范围内，添加表面活性剂水溶液煤样累计解吸量相比干燥煤样减少了0.831 mL/g。这说明添加表面活性剂水溶液能够有效减小瓦斯解吸量、降低煤的瓦斯初始解吸速率，达到抑制煤体瓦斯解吸效果。

表4表面活性剂溶液作用下瓦斯解吸参数

3.2水溶液铺展增强作用

显然，添加表面活性剂是影响煤体表面润湿效果的重要因素。表面活性剂分子在三相界面间的迁移和吸附是提升煤体润湿效果的主要影响因素[39]。铺展系数S是衡量液体对固体润湿效果的重要参数，其表达式为

式中，γsv为固-气界面张力，mN/m；γsl为固-液界面张力，mN/m；γlv为气-液界面张力，mN/m。

由式(1)可知，当铺展系数S＞0时，液体在固体表面获得最佳的润湿铺展。由于固体表面环境复杂以及对固相表面张力的测定存在困难，固-气界面张力γsv和固-液界面张力γsl难以测定[40]。为此，引入Young[41]提出的接触角与固-液-气界面张力间的理论关系，表达式如下：

式中，θ为接触角，(°)。

将式(2)代入式(1)，可得

由式(3)可知，接触角和溶液表面张力越小时，铺展系数S越大，则润湿铺展效果越好。因此，通过添加表面活性剂可以降低溶液的表面张力以及固-液界面接触角，从而达到较好的润湿铺展效果。

如图12(a)所示，表面活性剂分子在气-液界面的吸附行为影响着溶液的扩散。表面活性剂分子自发地从溶液内部迁移至表面，其尾部憎水基会以伸出的方式在溶液表面形成活性剂单分子层，使水溶液的表面张力下降。由于在一相或两相中，一个或多个组分在此局域(界面)的浓度与本体相中的浓度不同，所产生的张力梯度会引起界面上的质量传递即Marangoni流动效应，进而会导致液滴前沿不断扩散[42-43]，在扩散作用下进一步促使液体与固体之间的接触面积增大，从而降低接触角。

图12表面活性剂水溶液润湿机理示意图

同时，固体自稀溶液的吸附过程通常是单层吸附的形成和向多层吸附转化的过程。单层吸附与气相吸附不同，后者单层饱和吸附是表面活性剂分子紧密排序的，而前者是有水分子夹在吸附的表面活性剂分子之间[44]。因此，表面活性剂分子在固-液界面的吸附行为影响着水溶液的渗透，通过Gibbs吸附公式(4)可知，随气-液界面的表面过剩浓度增大，由于煤基质表面吸附位固定，图12(b)多余未吸附的表面活性剂分子会在固体表面聚集。一方面表面活性剂分子与固体表面直接相互作用而被吸附；另一方面表面活性剂分子与水分子间的憎水效应会加剧吸附[45]。在这两种驱动力的作用下，表面活性剂分子在固-液界面聚集的同时，夹杂在表面活性剂分子间的水分子在渗透作用影响下会进一步增强煤的润湿效果。

式中，Γ为表面过剩浓度，mol/cm2；c为表面活性剂水溶液浓度，%；R为表面活性剂普氏气体常数，R=8.315×107；T为温度，K；γ为界面张力，mN/m；

为恒温时表面张力随浓度的变化率。

3.3水溶液封堵作用

煤表面的脂肪烃和芳香烃等非极性基团使煤体呈现出较强的疏水性特点，然而煤体具有发育的孔裂隙结构系统，能够为表面活性剂水溶液向煤体内部的运移提供丰富的通道[46-49]。如图13所示，水锁效应的主要原因是外来水溶液在渗透作用下进入煤体内部的微小孔隙或裂隙，在煤孔隙中产生的毛细管力成为阻力，阻碍瓦斯气体的扩散涌出。毛细管力大小可由Laplace方程表示：

(5)

图13表面活性剂水溶液封堵甲烷示意图

式中，Pc为毛细管力，Pa；r为孔隙半径，nm。

毛细管力与溶液表面张力成正比、与孔隙半径成反比；同时，接触角越小，毛细管力越大。由表5可知，朱锴[21]试验并计算煤样10 nm孔径的毛细力，发现自配的表面活性剂水溶液能够使毛细力平均提高2倍，最大提高4.03倍。如图13所示，在扩散、渗透和毛细力共同作用下，表面活性剂水溶液沿着煤体表面、孔隙和裂隙进入煤体内部产生液相滞留效应，增大煤润湿效果的同时其内部瓦斯流动阻力变大，孔隙内瓦斯气体被水溶液封堵。因此，添加活性剂水溶液能够减小水溶液的表面张力、降低水溶液与煤之间的接触角，增强煤的润湿效果，达到抑制煤层瓦斯的解吸、延缓采动煤岩体中瓦斯逸散的目的，从而降低开采工作面瞬时瓦斯涌出量。也有学者[21,29,32]分析认为，添加表面活性剂水溶液会降低煤体温度、增强煤吸附瓦斯的能力，使得部分游离态瓦斯转变为吸附态，相应地减少了瓦斯气体的逸散涌出。

表5不同煤样毛细力计算值对比

4.结语

本文整理了46种表面活性剂，从绿色环保、润湿性能及稳定性三方面确定了用于抑制煤体瓦斯解吸的表面活性剂遴选原则。基于安全性、温和性考虑，表面活性剂优选顺序依次为两性和生物型、非离子、阴离子、阳离子，同时大部分非离子和两性表面活性剂具有良好的生物降解性和复配功能。进一步分析发现，表面张力、接触角与表面活性剂水溶液浓度之间呈负相关减小趋势后趋于稳定，在试验浓度范围内除生物型表面活性剂外，其他类型表面活性剂水溶液均出现明显的表面张力及接触角变化的浓度拐点，对应CMC值约为0.1%，且单一表面活性剂水溶液的表面张力很难低于20 mN/m，得到表面活性剂的润湿效果排序为：阴离子>非离子>两性>阳离子>生物型。

煤岩瓦斯解吸试验表明，添加表面活性剂水溶液能够显著降低煤体瓦斯解吸量和解吸速率。这与水溶液的润湿铺展作用与封堵作用有关。利用表面活性剂水溶液增强煤的润湿铺展效果主要与扩散和渗透有关，添加表面活性剂会降低溶液的表面张力，而溶液内部的张力梯度会引起Marangoni流动，增强其在固体表面的扩散；表面活性剂分子由于憎水效应在固-液界面的吸附行为影响着水溶液的渗透，进而会提高煤体的润湿效果。同时，煤体内部毛细力得以增大，导致瓦斯封堵能力增强，从而显著抑制煤中瓦斯气体的解吸扩散。

本研究工作有助于表面活性剂在抑制煤体瓦斯解吸方面的优选与复配，为探究注入水溶液对煤岩瓦斯解吸性能的影响规律、表面活性剂选型基础提供参考。