1氣潤濕反轉技術(shù)的作用機理

氣潤濕反轉劑具有疏水、低表面能的特征，通過(guò)物理吸附的形式附著(zhù)在煤體表面，降低了煤體表面張力、增加接觸角至90°以上，改變煤體表面特征，實(shí)現煤體表面潤濕性的反轉，進(jìn)而消除水鎖損害。毛細管力是評價(jià)水鎖損害嚴重程度的關(guān)鍵指標，外來(lái)流體進(jìn)入煤體等多孔介質(zhì)后，毛細管力的大小和方向影響著(zhù)水鎖的嚴重程度以及返排過(guò)程中瓦斯的抽采難易。其中，毛細管壓力表達式：

Pc=2σcosθ/r(1)

式中，Pc為毛細管壓力，Pa/cm；σ為表面張力，mN/cm；θ為接觸角，(°)；r為毛細管半徑，cm。

式(1)可知，毛細管半徑作為煤體的固有特征，難以改變；利用表面活性劑可以實(shí)現煤體張力和接觸角的改變。接觸角和表面張力是影響毛細管力大小和方向的關(guān)鍵因素。潤濕性的變化情況可以通過(guò)對接觸角和表面張力的測定直觀(guān)地呈現出來(lái)。

氣潤濕反轉技術(shù)消除煤層水鎖效應，增加瓦斯抽采效果的原理如下：由表面物理化學(xué)理論可知，固體的表面能越高，越容易被液體所潤濕；同時(shí)，表面自由能的大小也體現了固體表面吸附能力的強弱，表面能越高，其表面的吸附能力越強。具有疏水、低表面能特征的氣潤濕反轉劑分子中包含親水性的羥基(—OH)和憎水性的高分子化合物氟碳烷基(—CF)。其中，親水性的羥基(—OH)通過(guò)物理吸附的形式附著(zhù)在煤體表面，而憎水性的氟碳烷基(—CF)朝向遠離煤體表面的方向。氣潤濕反轉劑分子在煤體表面的吸附，降低了煤體表面自由能，減弱了煤體表面對瓦斯的吸附能力，增加了游離瓦斯量；同時(shí)，由于煤體表面潤濕性由液潤濕轉變?yōu)闅鉂櫇?，毛細管力產(chǎn)生的方向發(fā)生變化，實(shí)現了“反毛細管效應”，從而由阻力變成動(dòng)力，促進(jìn)瓦斯的抽采。

2試驗材料與處理

2.1試驗材料

選用的煤樣取自晉城玉溪煤礦，其最大原始瓦斯含量為18.53～25.59 m3/t，最大原始壓力為1.76～2.90 MPa，煤層透氣性系數為0.134～0.26 m2/(MPa2·d)，百米鉆孔自然初始瓦斯涌出強度為0.055 9～0.091 0 m3/(min·hm)，鉆孔自然瓦斯流量衰減系數為0.042～0.046 d-1。利用不同孔徑大小的標準篩進(jìn)行篩分，篩選出粒度大小為200目以下的煤粉用于煤樣片的制備；篩選出粒度大小為60～80目的煤樣，用于煤樣的工業(yè)分析試驗和解吸試驗。煤樣工業(yè)分析參數見(jiàn)表1。

表1煤樣工業(yè)分析

筆者在前期進(jìn)行不同類(lèi)型表面活性劑的篩選，優(yōu)選出具有疏水、低表面能的氣潤濕反轉劑。為進(jìn)一步研究氣潤濕反轉劑處理前后對煤體解吸特性的影響，在本文中采用的表面活性劑包括全氟烷基季胺碘化物(FC134)和氟碳表面活性劑(FC117)。

2.2試驗裝置

試驗裝置包括JMBJS20002型電子天平、壓力機(自制)、電熱鼓風(fēng)干燥箱、JC2 000C1型接觸角測量?jì)x、含瓦斯多元氣體置換系統。JMBJS20002型電子天平用于稱(chēng)量出質(zhì)量為0.5 g的煤粉，確保壓制出的煤樣片形狀、大小一致。壓力機用于煤樣片的壓制工作，壓力載荷設置為120 kN，穩壓30 min，制成直徑為25 mm，厚度為5 mm的煤樣片。電熱鼓風(fēng)干燥箱用于煤樣片和顆粒煤(60～80目)的干燥，其溫度設置范圍為0～400℃。JC2 000C1型接觸角測量?jì)x包括樣品臺、成像系統以及計算機與相應的檢測軟件系統，可實(shí)現接觸角和表面張力的精準測量。含瓦斯多元氣體置換系統包括3套獨立的煤樣室以及對應的傳感器、參考罐、氣瓶、真空泵、計算機與相應的軟件系統。

2.3接觸角與表面張力測試

通過(guò)JC2000C1型接觸角測量?jì)x及其分析系統，，利用躺滴法測定2種氣潤濕反轉劑在不同濃度梯度下處理后煤樣的接觸角以及利用懸滴法對表面活性劑溶液的表面張力進(jìn)行測定。其中，表面活性劑的濃度依次為0、0.2%、0.5%、0.8%、1.0%和1.5%。

采用躺滴法進(jìn)行接觸角的測定時(shí)，為了避免水對氣潤濕反轉劑反轉結果的影響，首先利用噴散法將不同濃度的表面活性劑溶液噴灑在煤樣片表面，放置在105℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥24 h以上，直至煤樣質(zhì)量不再變化，取出冷卻備用。同時(shí)，將剩余的表面活性劑溶液按照上述的操作，將不同濃度表面活性劑處理后的煤樣按照濃度大小的不同進(jìn)行排序，并貼上表面活性劑種類(lèi)和濃度的標簽，以便表面張力的測定和記錄。

2.4氣潤濕反轉前后瓦斯解吸特征測試

為了進(jìn)一步研究氣潤濕反轉劑對煤體解吸效果的影響，利用含瓦斯多元氣體置換系統對氣潤濕反轉劑消除煤層水鎖效應、提高瓦斯抽采效果進(jìn)行定量研究，具體試驗步驟：

1)首先將取自玉溪煤礦煤樣進(jìn)行破碎，篩選出60～80目的顆粒煤6份。

2)選擇3份煤樣，分別浸泡在蒸餾水、FC117和FC134表面活性劑溶液中，浸泡48 h；然后放置在105℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥48 h以上，直至煤樣質(zhì)量不再變化，取出冷卻備用。

3)檢查含瓦斯多元氣體置換系統中煤樣室及管路的氣密性、傳感器與軟件系統的運行情況，確保整個(gè)系統能夠正常工作。

4)將煤樣裝進(jìn)煤樣罐，聯(lián)通煤樣罐與真空泵系統，進(jìn)行抽真空工作24 h，抽至20 Pa以下。

5)抽真空結束之后，首先進(jìn)行甲烷平衡壓力為0.5 MPa的充氣工作，吸附時(shí)間12 h以上，且2 h內煤樣罐中壓力不發(fā)生變化。

6)將解吸儀連接煤樣罐的出口閥，打開(kāi)出口閥，當瓦斯壓力降至0.01 MPa以下，開(kāi)始解吸工作，剛開(kāi)始每分鐘記錄1次讀數，30 min以后，解吸量減小，每5 min記錄1次讀數，共記錄1 h的讀數。

7)依此類(lèi)推進(jìn)行甲烷平衡壓力為1.0,1.5,2.0和2.5 MPa的充氣工作，重復步驟5)和6)。

8)選擇步驟1)的另外煤樣3份，稱(chēng)量完全干燥條件下的煤樣質(zhì)量，計算其含水率為1%條件下的質(zhì)量。分別浸泡在蒸餾水、FC117和FC134表面活性劑溶液中，浸泡48 h；然后放置在60℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥48 h，稱(chēng)量煤樣質(zhì)量，觀(guān)察是否達到預定含水質(zhì)量。若離預定質(zhì)量較近時(shí)，每隔30 min，稱(chēng)量一次，直至達到預定的含水質(zhì)量，取出冷卻備用。

9)參照干燥煤樣解吸步驟，重復步驟3)～7)。