李樹剛，閆冬潔，嚴(yán) 敏，白 楊，岳 敏

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054； 3.煤炭行業(yè)西部礦井瓦斯智能抽采工程研究中心，陜西 西安 710054)

煤體采動(dòng)后瓦斯快速解吸涌出易誘發(fā)瓦斯超限或煤與瓦斯突出，煤層注水是減緩?fù)咚菇馕俾?、降低工作面甲烷體積分?jǐn)?shù)超限的有效方法之一。煤體結(jié)構(gòu)是影響工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)的重要因素，利用表面活性劑是改變煤體結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)瓦斯解吸抑制效應(yīng)的重要途徑。

近年來很多學(xué)者研究了表面活性劑對(duì)煤體的物理結(jié)構(gòu)和甲烷解吸規(guī)律的影響。LI X W、陳向軍等研究發(fā)現(xiàn)水分可以通過競(jìng)爭(zhēng)吸附置換甲烷和降低壓力解吸瓦斯，表明注水能夠抑制煤體瓦斯解吸。李樹剛、GUO J Y、NIU W J等利用分子動(dòng)力學(xué)從潤(rùn)濕角度研究了表面活性劑與煤相互作用。WANG G等得出十二烷基硫酸鈉可增加煤體潤(rùn)滑性，降低煤體滲透性。LI P、HUANG QM等結(jié)合表面活性劑溶液的性質(zhì)和使用條件，從理論上分析表面活性劑溶液堵塞煤體孔隙從而抑制甲烷氣體的機(jī)理。YOU Q等通過解吸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，陰離子表面活性劑加入使得瓦斯的解吸受到抑制。林海飛等試驗(yàn)測(cè)定了十二烷基苯磺酸鈉與CaCl復(fù)配液對(duì)煤體瓦斯解吸的效應(yīng)，試驗(yàn)結(jié)果表明瓦斯解吸量、解吸速率隨著質(zhì)量濃度的增大逐漸減小。煤物理結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是由煤體化學(xué)結(jié)構(gòu)決定的，近年來很多學(xué)者研究了表面活性劑對(duì)煤體的化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響。LIU Z、JIANG S G研究了復(fù)配溶液對(duì)煤樣潤(rùn)濕性及煤體官能團(tuán)含量影響。程衛(wèi)民等建立了煤塵潤(rùn)濕性與煤質(zhì)參數(shù)、官能團(tuán)間關(guān)系。安文博等通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與分子模擬得出活性劑在煤體表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使煤體中有機(jī)礦物的官能團(tuán)和化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，降低了煤體結(jié)構(gòu)致密性。XIE J N、XIE H CH等研究活性劑協(xié)同復(fù)合酸化對(duì)煤體化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明復(fù)合處理增加氫基和羥基的含量，提高煤體潤(rùn)濕性。

綜上所述，前人關(guān)于表面活性劑對(duì)煤體的改性研究主要從煤體宏觀物理結(jié)構(gòu)角度分析活性劑對(duì)煤體改性或?qū)淄榻馕?guī)律的影響。但從煤化學(xué)結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析表面活性劑對(duì)煤體甲烷解吸影響研究較少。因此，筆者擬選擇表面活性劑中常見且無污染、綠色的烷基糖苷活性劑(APG0810)，從煤化學(xué)結(jié)構(gòu)角度分析烷基糖苷表面活性劑對(duì)煤體甲烷解吸動(dòng)態(tài)抑制的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 煤樣和試劑

選用新疆硫磺溝(9-15)08工作面煤樣，煤樣在新暴露煤壁處采集，封存帶回實(shí)驗(yàn)室。對(duì)其進(jìn)行工業(yè)性分析試驗(yàn)，工業(yè)分析可得：新疆硫磺溝(9-15)08工作面煤樣的水分()、灰分()、揮發(fā)分()、固定碳(FC)分別為3.32%，4.26%，34.21%，69.15%。

試劑選用烷基糖苷表面活性劑APG0810(CHO)，為西安博聯(lián)特化工有限公司生產(chǎn)，純度為90%。將試劑用超純水配制成5種質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分別為0.01%，0.05%，0.10%，0.20%，0.40%。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)首先利用紅外光譜儀(FTIR)、順磁共振波譜儀(EPR)、微電泳儀、接觸角測(cè)定儀測(cè)定不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)APG0810對(duì)煤體改性前后的官能團(tuán)、自由基及Zeta電位、煤體接觸角等結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后利用自主研發(fā)的外侵溶液抑制甲烷解吸動(dòng)態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)，研究煤樣在干燥、注水和注烷基糖苷表面活性劑等條件下甲烷解吸規(guī)律。

..紅外光譜試驗(yàn)

將煤樣磨至0.075 mm，用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)APG0810浸泡24 h后，在80 ℃真空箱中干燥24 h。將煤樣與溴化鉀按質(zhì)量比約1∶200配制的樣品置于研缽中，充分研磨均勻并壓制成薄片，置于紅外樣品室內(nèi)測(cè)試。

試驗(yàn)臺(tái)為Thermo NICOLETIN 10紅外光譜，測(cè)試條件為：掃描范圍為4 000～400 cm，分辨率4 cm，累加掃描次數(shù)32次。為了減少誤差，圖譜采用自動(dòng)基線校正法進(jìn)行校正。根據(jù)紅外光譜所反映的官能團(tuán)，利用Origin軟件進(jìn)行分區(qū)段圖譜解疊分峰處理，確定吸收峰位，得到不同官能團(tuán)的吸收峰參數(shù)。

..電子順磁共振試驗(yàn)

電子順磁共振波譜學(xué)是研究順磁物質(zhì)中自由基的一種簡(jiǎn)便而快捷的方法。選用粒徑為1～4 mm煤樣，用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)APG0810表面活性劑浸泡24 h后，在80 ℃真空箱中干燥24 h，置于EPR波譜儀室內(nèi)測(cè)試，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

德國(guó)Bruker EMSplus-10-12型順磁共振波譜儀測(cè)試條件為：微波輻射頻率943 MHz，微波功率0.997 mW，中心磁場(chǎng)348 mT，掃場(chǎng)寬度15 mT，信號(hào)接收調(diào)制頻率100 kHz，調(diào)制寬度0.3 mT，時(shí)間常數(shù)0.03 s，掃描時(shí)間40 s，放大倍數(shù)為20倍。

..Zeta電位測(cè)定試驗(yàn)

利用JS94H2微電泳儀測(cè)定表面活性劑對(duì)煤表面電性的影響。篩選粒徑0.075 mm以下煤樣作為試驗(yàn)煤樣，將煤粉浸入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)APG0810表面活性劑溶液，充分?jǐn)嚢韬?，靜置10 min，取0.5 mL混合液上清液注入試驗(yàn)樣品杯中，正確插入電極，測(cè)定煤樣Zeta電位，每組試驗(yàn)共測(cè)量3次，求取平均值作為最終煤體Zeta電位。

..接觸角測(cè)定試驗(yàn)

篩選0.12～0.15 mm煤樣，用加壓成型模具在150 kN壓力下制作13 mm×2 mm的圓柱體壓片試件，并打磨試件使其表面光滑。將制好的壓片試件放置在JC2000D型接觸角測(cè)定儀上，滴定表面活性劑溶液，在室溫(25 ℃)下測(cè)定不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)APG0810與煤樣表面的接觸角，試驗(yàn)重復(fù)3次。

..外侵溶液影響下甲烷解吸試驗(yàn)

利用自研外侵溶液抑制甲烷解吸動(dòng)態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)(圖1)進(jìn)行煤體吸附解吸試驗(yàn)。外侵溶液抑制甲烷解吸動(dòng)態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)包括真空脫氣系統(tǒng)、高壓充氣系統(tǒng)、注水系統(tǒng)、煤體甲烷解吸系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

圖1 外侵溶液影響下甲烷解吸試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Methane desorption experiment system under the influence of external solutions

稱量真空干燥的3～4 mm顆粒煤樣50 g裝入煤樣罐，標(biāo)定自由空間后，對(duì)煤樣進(jìn)行12 h以上初始吸附壓力為2 MPa的吸附試驗(yàn)，確保試驗(yàn)達(dá)到吸附平衡狀態(tài)。干燥煤樣解吸試驗(yàn)是在吸附平衡后，排出系統(tǒng)內(nèi)的游離氣體后迅速開始解吸；注水和注活性劑煤樣解吸試驗(yàn)，則是在吸附平衡后注入15 mL水或不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)表面活性劑并進(jìn)行攪拌，使煤體充分潤(rùn)濕并再次吸附平衡后，排出系統(tǒng)內(nèi)的游離氣體，迅速開始解吸。設(shè)置每次解吸試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)2 h，試驗(yàn)環(huán)境溫度為25 ℃，相對(duì)濕度40%。

2 結(jié)果與討論

2.1 APG0810改性后煤體化學(xué)結(jié)構(gòu)演化

..FTIR結(jié)構(gòu)變化

煤的官能團(tuán)為化學(xué)結(jié)構(gòu)基本單元邊緣上的原子或原子團(tuán)，是主導(dǎo)煤體物理化學(xué)性質(zhì)(潤(rùn)濕性、潤(rùn)濕熱)的關(guān)鍵因素。筆者利用官能團(tuán)特征峰參數(shù)表征煤的化學(xué)微觀結(jié)構(gòu)，探究APG0810對(duì)煤體微觀結(jié)構(gòu)影響。

活性劑改性后煤體紅外光譜如圖2所示，由圖2可得活性劑改性前后，煤樣紅外光譜圖形相似，但煤體吸收峰面積和強(qiáng)度不同。

圖2 APG0810改性后煤體紅外光譜Fig.2 Infrared spectrum of coal after APG0810 modification

按照煤體親水、疏水基團(tuán)的吸收峰波數(shù)將煤體傅里葉紅外譜圖分為4個(gè)部分：

(1)900～700 cm。該范圍內(nèi)的吸收峰是由煤芳香結(jié)構(gòu)中氫原子的平面外伸縮振動(dòng)引起的，反映了芳香族中不同的取代程度。

(3)3 000～2 700 cm。此范圍內(nèi)吸收峰是由環(huán)烷烴以及煤分子結(jié)構(gòu)直鏈中—CH，—CH以及—CH的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)引起的。

(4)3 600～3 000 cm。此范圍內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)度較大吸收峰，吸收峰峰形較寬的主要原因是氫鍵所致，該范圍內(nèi)的羥基類型主要有5種，分別為：OH…·π、OH…OH、OH…O、環(huán)狀羥基、OH…N。由于煤中內(nèi)部水分的結(jié)合，形成了以多聚羥基為主的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(Coal—OH—O—Coal)，在一定程度上穩(wěn)定了煤的結(jié)構(gòu)。

以干燥煤樣和0.40%的APG0810浸泡后煤樣為代表，其官能團(tuán)吸收峰分峰擬合結(jié)果如圖3所示。由圖3可得，干燥煤樣與活性劑浸泡后煤樣相比，官能團(tuán)種類未發(fā)生變化，圖形相似，僅官能團(tuán)吸收峰面積和強(qiáng)度發(fā)生變化。

..EPR結(jié)構(gòu)演化

自由基是煤體中大分子化合物共價(jià)鍵均裂時(shí)產(chǎn)生了含有未成對(duì)電子的基團(tuán)或原子，自由基化學(xué)反應(yīng)活性高，是反映煤體化學(xué)結(jié)構(gòu)的重要因素。圖5為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)APG0810作用下煤體電子自旋共振譜圖，由圖5可得，隨著活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，煤體電子共振信號(hào)強(qiáng)度更大、峰面積更大。

通過對(duì)波譜圖的計(jì)算分析，可對(duì)煤中不同種類自由基的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行定量分析，其主要參數(shù)有朗德因子、線寬Δ和自由基相對(duì)含量。煤體自由基相對(duì)含量代表煤在共振條件下所吸收能量的總和，與樣品中不成對(duì)電子濃度成正比；煤體中朗德因子與自由基種類呈相關(guān)關(guān)系，線寬Δ則反映自由基與自由基之間、自由基與微晶結(jié)構(gòu)之間的相互作用或能量交換關(guān)系。計(jì)算式如式(1)～(3)所示，EPR參數(shù)隨APG0810質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律如圖6所示。

圖3 APG0810改性前后含氧官能團(tuán)分峰擬合示意Fig.3 Peak fitting diagram of oxygen-containing functional groups before and after modification of APG0810

圖4 含氧官能團(tuán)峰面積隨APG0810質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化Fig.4 Variation of peak area of oxygen-containing functional groups with mass fraction of APG0810

圖5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)APG0810作用煤體電子自旋共振譜Fig.5 Electron spin resonance spectra of coal under different mass fraction of APG0810

(1)

Δ=-

(2)

(3)

式中，為樣品的強(qiáng)度幅度；Δ為樣品線寬，mT；為標(biāo)準(zhǔn)樣的增益；為標(biāo)樣微波功率；為標(biāo)樣調(diào)制幅度；為標(biāo)樣自旋數(shù)，取3.088 6×10；為樣品增益；為樣品微波功率；為樣品調(diào)制幅度；為樣品腔有效長(zhǎng)度，cm；為樣品有效質(zhì)量，g；為一級(jí)微商譜線谷點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)，10T；為一級(jí)微商譜線峰點(diǎn)處場(chǎng)強(qiáng)，10T；為標(biāo)準(zhǔn)樣品信號(hào)幅度；Δ為標(biāo)準(zhǔn)樣品線寬；為最大吸收處的磁場(chǎng)頻率，Hz。

圖6 EPR參數(shù)隨APG0810質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律Fig.6 Variation of EPR parameters with the mass fraction of APG0810

由圖6可得，自由基相對(duì)含量與APG0810質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)，自由基相對(duì)含量隨APG0810質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大后趨于平衡；朗德因子隨活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而增大；線寬Δ與APG0810質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系。由此可得，APG0810活性劑作用煤體后，煤體表面—COOH，—OH等帶負(fù)電親水性含氧官能團(tuán)更易電離，親水性更強(qiáng)，游離氫鍵增多，則自由基種類增多，自由基與自由基之間、自由基與微晶結(jié)構(gòu)之間的相互作用或能量更大，自由基相對(duì)含量隨之增大；當(dāng)活性劑達(dá)到膠束濃度后，活性劑與煤體表面充分接觸，因此自由基相對(duì)含量、線寬、朗德因子趨于穩(wěn)定不再大幅增加。

..Zeta電位變化

Zeta電位(電位)是指煤體剪切面的電位，是煤表面電性的主要表征參數(shù)。Zeta電位隨APG0810質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 Zeta電位隨APG0810質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律Fig.7 Variation of Zeta potential with APG0810 mass fraction

由圖7可得，煤體Zeta電位由-14.68 mV降為-57.51 mV，煤體表面負(fù)電性增強(qiáng)3.92倍，隨APG0810質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大Zeta電位呈先減小后趨于穩(wěn)定。由Stern雙電層理論可得，加入APG0810后，煤表面負(fù)電性增加，Zeta電位絕對(duì)值增大，雙電層厚度越大，滑動(dòng)面移向液面中，水化層變厚，煤體改性程度隨之增大。當(dāng)活性劑達(dá)到膠束濃度后，活性劑鋪滿煤體表面，活性劑與煤體接觸面積穩(wěn)定，因此Zeta電位值趨于穩(wěn)定不再大幅增加。

2.2 APG0810改性后煤樣接觸角變化規(guī)律

接觸角是指在氣、液、固三相交點(diǎn)處所作的氣-液界面的切線穿過液體與固-液交界面之間的夾角。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)APG0810的接觸角如圖8所示。由圖8可知，APG0801與煤體的接觸角由79.15°降低到25.63°，降幅為53.52°，煤樣接觸角隨活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而降低，到達(dá)某一質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，接觸角不再隨活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅變化，在某一固定值附近波動(dòng)。

圖8 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)APG0810對(duì)煤體接觸角影響Fig.8 Influence of different mass fraction APG0810 on coal contact angle

煤表面上存在自由吸附位點(diǎn)，當(dāng)接觸的APG0810質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí)，APG0810分子在煤表面上占據(jù)少量自由吸附位點(diǎn)；隨著溶液中APG0810分子數(shù)的增加，煤表面吸附的APG0810分子越來越多，空缺的吸附位點(diǎn)位逐漸減少，兩者之間的相互作用力也逐漸減弱，導(dǎo)致表面活性劑分子與煤體之間的吸附作用減弱。表面活性劑液滴落在煤體表面并鋪展，不斷地產(chǎn)生新的固-液界面代替原有的固-氣界面，表面活性劑分子可以在水中擴(kuò)散，活性分子吸附于氣-液界面，水的表面張力降低，導(dǎo)致煤體表面潤(rùn)濕狀態(tài)發(fā)生變化，煤體接觸角減小，潤(rùn)濕性增加。

2.3 APG0810作用下甲烷解吸變化規(guī)律

不同APG0810活性劑作用下甲烷解吸量變化如圖9所示，甲烷解吸量與時(shí)間的擬合公式見表1，由圖9和表1可得，無論干燥煤樣、注水、注APG0810煤樣整體解吸過程都是隨時(shí)間延長(zhǎng)，解吸量逐漸增大。且在解吸初期，解吸量變化較大，解吸速度較快，隨著時(shí)間推移，曲線斜率減緩，甲烷解吸進(jìn)入慢速階段。注APG0810煤樣解吸量遠(yuǎn)低于干燥煤樣，干燥煤樣的最大解吸量為2.725 cm/g，注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.40%的APG0810時(shí)，最大解吸量為1.894 cm/g，甲烷解吸量減少0.834 cm/g。

圖9 甲烷解吸量隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.9 Methane desorption capacity changes with time

表1 APG0810作用下甲烷解吸量變化擬合關(guān)系

對(duì)甲烷解吸動(dòng)曲線進(jìn)行斜率計(jì)算，將解吸曲線上的各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的斜率作為該點(diǎn)處的解吸速率。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)APG0810作用下甲烷解吸速率變化規(guī)律如圖10所示，甲烷解吸速率與時(shí)間的擬合公式見表2。由圖10及表2可得，隨著時(shí)間推移，解吸速率迅速衰減，并趨于平衡，干燥煤樣初始解吸速率為140.18 cm/(g·h)，注水煤樣初始解吸速率為78.86 cm/(g·h)，0.40% APG0810作用后甲烷解吸速率最低，為30.514 cm/(g·h)。干燥煤樣初始解吸速率明顯大于水或APG0810作用后煤體的解吸速率，即APG0810作用煤體后，明顯減緩了甲烷解吸速率。

圖10 甲烷解吸速率隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.10 Methane desorption rate changes with time

表2 APG0810作用下甲烷解吸速率變化擬合關(guān)系

為對(duì)比分析APG0810對(duì)甲烷解吸抑制率，利用式(4)～(5)計(jì)算甲烷解吸抑制率及甲烷解吸速率抑制率，結(jié)果如圖11所示。

(4)

(5)

式中，為干燥煤樣最大解吸量，cm/g；為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)APG0810作用下甲烷最大解吸量,cm/g；為干燥煤樣最大解吸速率,cm/(g·h)；為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)APG0810作用下甲烷最大解吸速率,cm/(g·h)。

最大解吸量隨APG0810質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律如圖11(a)所示，由圖11(a)可得，APG0810對(duì)甲烷解吸有明顯抑制效應(yīng)，最大解吸量隨APG0810質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而減小后趨于平緩，最大解吸量與活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，解吸抑制率與APG0810質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈冪函數(shù)增大關(guān)系。APG0810質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.40%時(shí)，解吸量抑制效果最明顯，降幅達(dá)到最大值，最大抑制率為30.61%，APG0810對(duì)甲烷解吸影響顯著。對(duì)比分析了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)APG0810作用下甲烷最大解吸速率以及煤樣甲烷解吸速率的抑制率，如圖11(b)所示，由圖11(b)可得，隨著APG0810質(zhì)量分?jǐn)?shù)增高，甲烷解吸速率的抑制率增大。0.40% APG0810作用下甲烷解吸速率的抑制率最高，為78.23%，解吸速率為干燥煤樣的0.39倍。則APG0810作用煤體后，有效減緩了甲烷速率。

圖11 解吸參數(shù)隨APG0810質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律Fig.11 Variation of desorption parameters with APG0810 mass fraction

3 APG0810對(duì)甲烷解吸抑制效應(yīng)

含氧官能團(tuán)總峰面積與接觸角、氣體解吸量、解吸速率關(guān)系見表3，含氧官能團(tuán)總峰面積()對(duì)接觸角、氣體解吸量、解吸速率的影響如圖12(a)所示，由圖12(a)及表3可知，接觸角與含氧官能團(tuán)總峰面積呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著煤體含氧官能團(tuán)總峰面積增加，接觸角逐漸減小，APG0810對(duì)煤體潤(rùn)濕性越好；甲烷最大解吸量、最大解吸速率與含氧官能團(tuán)總峰面積呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，甲烷最大解吸量、解吸速率隨含氧官能團(tuán)總量升高而降低。由此可得，加入APG0810后煤體中羧基、羥基等極性含氧官能團(tuán)增加，表面活性劑與煤體表面接觸并鋪展，活性分子吸附于氣-液界面，導(dǎo)致煤體表面潤(rùn)濕狀態(tài)變化，使煤體接觸角減小，潤(rùn)濕性增加，從而降低煤與甲烷分子間相互作用，使煤解吸甲烷能力降低。

自由基相對(duì)含量()對(duì)接觸角、氣體解吸量、解吸速率的影響如圖12(b)所示，接觸角、氣體解吸量、解吸速率與自由基相對(duì)含量關(guān)系式見表3。由圖12(b)及表3可知，接觸角隨自由基相對(duì)含量增大而減小，隨自由基相對(duì)含量升高，APG0810對(duì)煤體潤(rùn)濕性越好；甲烷最大解吸量、最大解吸速率與自由基相對(duì)含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，甲烷最大解吸量、解吸速率隨自由基相對(duì)含量升高而降低。由此可得加入APG0810后，煤體表面—COOH，—OH等帶負(fù)電親水性含氧官能團(tuán)更易電離，游離羥基增多，親水性更強(qiáng)，使煤體接觸角減小，潤(rùn)濕性增加，且自由基相對(duì)含量增大后，降低煤與甲烷分子間的相互作用，使煤解吸甲烷能力降低。

Zeta電位對(duì)接觸角、氣體解吸量、解吸速率的影響如圖12(c)所示，Zeta電位(電位)對(duì)接觸角、氣體解吸量、解吸速率的關(guān)系式見表3，由圖12(c)及表3可知，接觸角與Zeta電位呈正相關(guān)關(guān)系，隨著煤體表面Zeta電位增加，接觸角逐漸增大，APG0810對(duì)煤體潤(rùn)濕性越差；甲烷最大解吸量、最大解吸速率隨Zeta電位負(fù)電性增大而減小。由此可得加入APG0810后，在活性劑分子作用下，煤表面負(fù)電性增加，Zeta電位絕對(duì)值增大，雙電層厚度增大，水化層變厚，煤體表面潤(rùn)濕性增加，煤體接觸角減小，從而使煤與甲烷分子間相互作用減弱，使煤解吸甲烷能力降低。

表3 解吸參數(shù)/潤(rùn)濕參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系式

因此當(dāng)煤體為干燥煤樣時(shí)(圖13(a))，煤體中甲烷正常擴(kuò)散；當(dāng)注水后(圖13(b))，水分子與煤體表面形成氫鍵，煤體表面形成水層，對(duì)甲烷解吸有一定抑制作用。但由于煤體具有一定的疏水性，煤體與水之間作用性不強(qiáng)，因此水對(duì)甲烷解吸及擴(kuò)散抑制作用不顯著；水溶液中加入APG0810后(圖13(c))，APG0810與煤體接觸發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，且與HO及HO相結(jié)合，使煤體表面含氧官能團(tuán)、氫鍵、游離羥基等增多，自由基相對(duì)含量增大，煤體表面負(fù)電性增加，水化層(雙電層)厚度增大，活性劑溶液與煤體接觸角降低，改善了煤體潤(rùn)濕特性，從而抑制了吸附甲烷轉(zhuǎn)化為游離甲烷，減緩了甲烷解吸速率。

圖12 解吸參數(shù)/潤(rùn)濕參數(shù)隨結(jié)構(gòu)參數(shù)變化關(guān)系Fig.12 Desorption/wetting parameters change with structural parameters

圖13 APG0810抑制甲烷解吸機(jī)理示意Fig.13 Schematic diagram of APG0810 inhibiting methane desorption mechanism

4 結(jié) 論

(2)APG0810提高煤體潤(rùn)濕性，減緩煤體解吸速率。煤體接觸角與APG0810質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，接觸角降低53.52°，降幅為67.62%；甲烷最大解吸量、解吸速率與APG0810質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，甲烷解吸量最大降幅為31.59%，最大解吸速率降幅為78.23%。

(3)煤體接觸角、甲烷最大解吸量、解吸速率與含氧官能團(tuán)總峰面積及自由基相對(duì)含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與Zeta電位呈正相關(guān)關(guān)系；APG0810通過與煤體接觸發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，使煤體含氧官能團(tuán)、游離羥基等增多，增大了自由基相對(duì)含量，煤體表面負(fù)電性增加，水膜厚度增大，改善了煤體潤(rùn)濕特性，抑制了吸附甲烷轉(zhuǎn)化為游離瓦斯，從而減緩了甲烷解吸速率。

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