3.抑制瓦斯解吸效果及機理分析

3.1添加表面活性劑抑制瓦斯解吸效果

通過文獻調查法可發現，眾多學者研究了添加不同表面活性劑溶液情景下的煤巖瓦斯解吸規律[21,23,29,32,34,37]。當前，添加表面活性劑水溶液(或水)的瓦斯解吸試驗往往包括前置注入法與后置注入法[2]，后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)的瓦斯解吸試驗數據，進一步探討表面活性劑水溶液對煤巖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，煤巖瓦斯解吸量隨解吸時間增加呈現先快速增加而后趨于平緩的變化規律。對于不同處理條件，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煤巖瓦斯解吸的弱化影響明顯優于注入純水。非離子表面活性劑APG0810水溶液作用下的煤巖瓦斯解吸參數見表4。干燥煤樣的瓦斯氣體初始解吸速率明顯高于濕潤煤樣，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，在試驗范圍內，添加表面活性劑水溶液煤樣累計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

3.2水溶液鋪展增強作用

顯然，添加表面活性劑是影響煤體表面潤濕效果的重要因素。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濕效果的主要影響因素[39]。鋪展系數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，當鋪展系數S＞0時，液體在固體表面獲得最佳的潤濕鋪展。由于固體表面環境復雜以及對固相表面張力的測定存在困難，固-氣界面張力γsv和固-液界面張力γsl難以測定[40]。為此，引入Young[41]提出的接觸角與固-液-氣界面張力間的理論關系，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，接觸角和溶液表面張力越小時，鋪展系數S越大，則潤濕鋪展效果越好。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，從而達到較好的潤濕鋪展效果。

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散。表面活性劑分子自發地從溶液內部遷移至表面，其尾部憎水基會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，一個或多個組分在此局域(界面)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面上的質量傳遞即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面積增大，從而降低接觸角。

圖12表面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，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，由于煤基質表面吸附位固定，圖12(b)多余未吸附的表面活性劑分子會在固體表面聚集。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會加劇吸附[45]。在這兩種驅動力的作用下，表面活性劑分子在固-液界面聚集的同時，夾雜在表面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，R=8.315×107；T為溫度，K；γ為界面張力，mN/m；

為恒溫時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系統，能夠為表面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涌出。毛細管力大小可由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為毛細管力，Pa；r為孔隙半徑，nm。

毛細管力與溶液表面張力成正比、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]試驗并計算煤樣10 nm孔徑的毛細力，發現自配的表面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，表面活性劑水溶液沿著煤體表面、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面張力、降低水溶液與煤之間的接觸角，增強煤的潤濕效果，達到抑制煤層瓦斯的解吸、延緩采動煤巖體中瓦斯逸散的目的，從而降低開采工作面瞬時瓦斯涌出量。也有學者[21,29,32]分析認為，添加表面活性劑水溶液會降低煤體溫度、增強煤吸附瓦斯的能力，使得部分游離態瓦斯轉變為吸附態，相應地減少了瓦斯氣體的逸散涌出。

表5不同煤樣毛細力計算值對比

4.結語

本文整理了46種表面活性劑，從綠色環保、潤濕性能及穩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。基于安全性、溫和性考慮，表面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面活性劑具有良好的生物降解性和復配功能。進一步分析發現，表面張力、接觸角與表面活性劑水溶液濃度之間呈負相關減小趨勢后趨于穩定，在試驗濃度范圍內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明顯的表面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濕效果排序為：陰離子>非離子>兩性>陽離子>生物型。

煤巖瓦斯解吸試驗表明，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。這與水溶液的潤濕鋪展作用與封堵作用有關。利用表面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，添加表面活性劑會降低溶液的表面張力，而溶液內部的張力梯度會引起Marangoni流動，增強其在固體表面的擴散；表面活性劑分子由于憎水效應在固-液界面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，從而顯著抑制煤中瓦斯氣體的解吸擴散。

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選與復配，為探究注入水溶液對煤巖瓦斯解吸性能的影響規律、表面活性劑選型基礎提供參考。