劉 軍，楊 通，王立國(guó),2，陳向軍

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2. 河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)試驗(yàn)室，河南 焦作 454003；3. 煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003)

0 引 言

我國(guó)作為世界上已知的第三大煤層氣儲(chǔ)量國(guó)，總量約3.7×1013m3，擁有龐大的煤層氣資源[1-2]。然而，我國(guó)煤層“三低一強(qiáng)”——低壓力、低滲透率、低飽和度及非均質(zhì)性強(qiáng)的特征導(dǎo)致瓦斯采前抽采困難[3-4]。目前，多數(shù)高瓦斯突出礦區(qū)采用水力壓裂[5-6]、水力割縫[7-9]、水力擠出[10]以及水力沖孔[11-12]等水力措施作為一種增加煤層透氣性、提高抽采效果的技術(shù)措施。

由于毛細(xì)管力引起水鎖效應(yīng)的產(chǎn)生，在水力化措施研究與應(yīng)用過(guò)程中，在一定程度上抑制瓦斯抽采。從水鎖機(jī)理上進(jìn)行分析，含瓦斯煤為水鎖效應(yīng)提供了自然條件、物質(zhì)條件和壓力條件[13]。胡友林[14-16]、吳家浩[17]等通過(guò)試驗(yàn)對(duì)不同含水率煤樣的解吸時(shí)間與滲透率的變化情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，從中分析煤層氣儲(chǔ)層水鎖損害機(jī)理；宋金星等[18-19]提出壓裂液中加入親水性表面活性劑，減小壓裂液與煤表面的接觸角，降低毛管壓力，增強(qiáng)壓裂液的可排性，進(jìn)而減緩水鎖效應(yīng)。然而，親水型表面活性劑僅能在一定程度上減小毛細(xì)管力，并未消除毛細(xì)管力產(chǎn)生的阻礙作用，甚至實(shí)現(xiàn)將毛細(xì)管力由阻力向助力的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而促進(jìn)瓦斯的抽采；同時(shí)，對(duì)于孔徑較小的微孔及納米級(jí)的孔徑而言，其產(chǎn)生的毛細(xì)管力仍較大，不利于瓦斯抽采。

在凝析氣藏領(lǐng)域，LI等[20],FENG等[21],FAHES等[22]將氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑用于解決凝析氣藏出現(xiàn)的水鎖損害，巖心潤(rùn)濕性實(shí)現(xiàn)了反轉(zhuǎn)，由優(yōu)先液濕轉(zhuǎn)變?yōu)槭栌褪杷膬?yōu)先氣濕，且滲透率大幅度提高，為提高氣井產(chǎn)量提供了重要的理論依據(jù)。通過(guò)利用氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)技術(shù)將固體表面潤(rùn)濕性進(jìn)行改變，消除毛細(xì)管力產(chǎn)生的水鎖損害，進(jìn)而增加氣井產(chǎn)量。相比于凝析氣藏的儲(chǔ)層特征，煤層是孔隙結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、滲透性更低的多孔介質(zhì)；同時(shí)，煤體又具有親水性的特征。在水力壓裂過(guò)程中外在水進(jìn)入煤體后，產(chǎn)生的水鎖傷害更加嚴(yán)重。因此，采用氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)技術(shù)提高煤層瓦斯抽采效果具有一定的借鑒性和可行性。

鑒于此，筆者引入氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)技術(shù)，優(yōu)選具有疏水性、低表面張力的氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑，通過(guò)接觸角和表面張力的測(cè)定，直觀地驗(yàn)證表面活性劑處理前后的效果轉(zhuǎn)變。然后測(cè)定1 h內(nèi)不同甲烷平衡壓力下干燥/含水煤樣的甲烷解吸量和解吸速率，定量地分析氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)消除水鎖效應(yīng)的影響效果。利用解吸公式進(jìn)行擬合，預(yù)測(cè)極限解吸量，且擬合效果良好。揭示氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑在防水鎖增產(chǎn)的作用機(jī)理，為我國(guó)煤層瓦斯“增透促抽”技術(shù)提供一定的理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1 氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)技術(shù)的作用機(jī)理

氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑具有疏水、低表面能的特征，通過(guò)物理吸附的形式附著在煤體表面，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(xiàn)煤體表面潤(rùn)濕性的反轉(zhuǎn)，進(jìn)而消除水鎖損害。毛細(xì)管力是評(píng)價(jià)水鎖損害嚴(yán)重程度的關(guān)鍵指標(biāo)，外來(lái)流體進(jìn)入煤體等多孔介質(zhì)后，毛細(xì)管力的大小和方向影響著水鎖的嚴(yán)重程度以及返排過(guò)程中瓦斯的抽采難易。其中，毛細(xì)管壓力表達(dá)式：

Pc=2σcosθ/r

(1)

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

式(1)可知，毛細(xì)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(xiàn)煤體張力和接觸角的改變。接觸角和表面張力是影響毛細(xì)管力大小和方向的關(guān)鍵因素。潤(rùn)濕性的變化情況可以通過(guò)對(duì)接觸角和表面張力的測(cè)定直觀地呈現(xiàn)出來(lái)。

氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)技術(shù)消除煤層水鎖效應(yīng)，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(rùn)濕[23-24]；同時(shí)，表面自由能的大小也體現(xiàn)了固體表面吸附能力的強(qiáng)弱，表面能越高，其表面的吸附能力越強(qiáng)[25-27]。具有疏水、低表面能特征的氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)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在煤體表面，而憎水性的氟碳烷基(—CF)朝向遠(yuǎn)離煤體表面的方向。氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)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(duì)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(rùn)濕性由液潤(rùn)濕轉(zhuǎn)變?yōu)闅鉂?rùn)濕，毛細(xì)管力產(chǎn)生的方向發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)了“反毛細(xì)管效應(yīng)”，從而由阻力變成動(dòng)力，促進(jìn)瓦斯的抽采。

2 試驗(yàn)材料與處理

2.1 試驗(yàn)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?jí)毫?.76～2.90 MPa，煤層透氣性系數(shù)為0.134～0.26 m2/(MPa2·d)，百米鉆孔自然初始瓦斯涌出強(qiáng)度為0.055 9～0.091 0 m3/(min·hm)，鉆孔自然瓦斯流量衰減系數(shù)為0.042～0.046 d-1。利用不同孔徑大小的標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)和解吸試驗(yàn)。煤樣工業(yè)分析參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤樣工業(yè)分析

筆者在前期進(jìn)行不同類型表面活性劑的篩選，優(yōu)選出具有疏水、低表面能的氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑[28]。為進(jìn)一步研究氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后對(duì)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(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置包括JMBJS20002型電子天平、壓力機(jī)(自制)、電熱鼓風(fēng)干燥箱、JC2 000C1型接觸角測(cè)量?jī)x、含瓦斯多元?dú)怏w置換系統(tǒng)。JMBJS20002型電子天平用于稱量出質(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(jī)用于煤樣片的壓制工作，壓力載荷設(shè)置為120 kN，穩(wěn)壓30 min，制成直徑為25 mm，厚度為5 mm 的煤樣片[29]。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(shè)置范圍為0～400 ℃。JC2 000C1型接觸角測(cè)量?jī)x包括樣品臺(tái)、成像系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)與相應(yīng)的檢測(cè)軟件系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)接觸角和表面張力的精準(zhǔn)測(cè)量。含瓦斯多元?dú)怏w置換系統(tǒng)包括3套獨(dú)立的煤樣室以及對(duì)應(yīng)的傳感器、參考罐、氣瓶、真空泵、計(jì)算機(jī)與相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。

2.3 接觸角與表面張力測(cè)試

通過(guò)JC2000C1型接觸角測(cè)量?jī)x及其分析系統(tǒng)，如圖1所示，利用躺滴法測(cè)定2種氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)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(duì)表面活性劑溶液的表面張力進(jìn)行測(cè)定[30]。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%。

圖1 JC2000C1型接觸角測(cè)量?jī)xFig.1 JC2000C1 contact angle meter

采用躺滴法進(jìn)行接觸角的測(cè)定時(shí)，為了避免水對(duì)氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑反轉(zhuǎn)結(jié)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[31]。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和濃度的標(biāo)簽，以便表面張力的測(cè)定和記錄。

2.4 氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)前后瓦斯解吸特征測(cè)試

為了進(jìn)一步研究氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑對(duì)煤體解吸效果的影響，利用含瓦斯多元?dú)怏w置換系統(tǒng)對(duì)氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑消除煤層水鎖效應(yīng)、提高瓦斯抽采效果進(jìn)行定量研究，具體試驗(yàn)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?dú)怏w置換系統(tǒng)中煤樣室及管路的氣密性、傳感器與軟件系統(tǒng)的運(yùn)行情況，確保整個(gè)系統(tǒng)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(tǒng)，進(jìn)行抽真空工作24 h，抽至20 Pa以下。

5)抽真空結(jié)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(nèi)煤樣罐中壓力不發(fā)生變化。

7)依此類推進(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(fù)步驟5)和6)。

8)選擇步驟1)的另外煤樣3份，稱量完全干燥條件下的煤樣質(zhì)量，計(jì)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，稱量煤樣質(zhì)量，觀察是否達(dá)到預(yù)定含水質(zhì)量。若離預(yù)定質(zhì)量較近時(shí)，每隔30 min，稱量一次，直至達(dá)到預(yù)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(fù)步驟3)～7)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 接觸角與表面張力測(cè)試結(jié)果與分析

3.1.1 接觸角測(cè)試結(jié)果與分析

將經(jīng)過(guò)不同濃度表面活性劑處理后的煤樣片依次放置在接觸角測(cè)量?jī)x的樣品臺(tái)，采用蒸餾水作為滴定溶液，分別測(cè)定其接觸角，如圖2所示。

圖2 接觸角的測(cè)定Fig.2 Measurement of contactangle

如圖2所示，F(xiàn)C117和FC134兩種表面活性劑均實(shí)現(xiàn)了煤體潤(rùn)濕性的反轉(zhuǎn)。當(dāng)表面活性劑濃度從0增加至0.5%時(shí)，接觸角逐漸增加，并在溶液濃度為0.5%時(shí)，潤(rùn)濕性由液潤(rùn)濕向氣潤(rùn)濕的轉(zhuǎn)變(接觸角>90 °)；表面活性劑溶液濃度繼續(xù)增加，接觸角不再增加，維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍，甚至出現(xiàn)小幅度地下降。出現(xiàn)煤樣接觸角變化規(guī)律的主要原因?yàn)?/p>

1)當(dāng)表面活性劑濃度從0增加至0.5%時(shí)，F(xiàn)C117和FC134兩種表面活性劑處理后的煤體表面接觸角增加速率較快。在該階段，表面活性劑分子較少，能夠有序的吸附在煤體表面，表面活性劑分子中的親水基團(tuán)朝著在煤體表面的方向吸附；疏水基團(tuán)朝著遠(yuǎn)離煤體表面的方向，并將抑制周圍水分子在煤體表面的吸附。隨著表面活性劑濃度的增加，煤體表面吸附的表面活性劑分子逐漸增加，疏水基團(tuán)在煤體表面抑制水分子的能力逐漸提高，煤體表面接觸角也逐漸增大。

2)當(dāng)表面活性劑濃度等于0.5%時(shí)，煤體表面吸附的表面活性劑分子趨于飽和，疏水基團(tuán)在煤體表面抑制水分子的能力達(dá)到頂峰，煤體表面接觸角也逐漸達(dá)到最大值；若繼續(xù)增加表面活性劑濃度，多余的表面活性劑分子與正常吸附在煤體表面活性劑分子發(fā)生紊亂，疏水基團(tuán)之間產(chǎn)生吸附、纏繞，使得多余表面活性劑分子中的親水基團(tuán)朝向背離煤體表面的方向，對(duì)水分子產(chǎn)生吸附作用，進(jìn)而降低了煤體表面是疏水能力，煤體表面接觸角會(huì)產(chǎn)生小幅度地降低。

對(duì)于多組測(cè)量數(shù)據(jù),mij表示第 i 組的mj,由于每一組測(cè)量數(shù)據(jù)都有測(cè)量誤差,故有相應(yīng)的測(cè)量殘差方程組如式(3)所示:

3.1.2 表面張力測(cè)試結(jié)果與分析

將經(jīng)過(guò)不同濃度表面活性劑溶液分別裝至用于滴定裝置的注射器中，利用懸滴法對(duì)表面活性劑溶液進(jìn)行表面張力的測(cè)定。每次滴定工作結(jié)束之后使用蒸餾水進(jìn)行多次沖洗，避免測(cè)定溶液對(duì)待測(cè)溶液的結(jié)果產(chǎn)生影響，見(jiàn)表2。

表2 表面張力的測(cè)定

由表2可知，隨著FC117和FC134兩種表面活性劑溶液濃度的增加，溶液的表面張力先迅速降低，再逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)表面活性劑濃度從0增加至0.2%時(shí)，表面張力從初始的73 mN/m分別降至23.124 mN/m和19.07 mN/m，表面張力大幅度地降低；當(dāng)表面活性劑濃度從0.2%增加至1.5% 時(shí)，表面張力變化幅度較小，保持著較小程度的降低，并趨于穩(wěn)定。

綜上分析，對(duì)FC117和FC134兩種表面活性劑從接觸角和表面張力兩個(gè)方面進(jìn)行性能測(cè)定，兩種表面活性劑均具有疏水性、低表面張力的性能，符合預(yù)期的效果。其中，當(dāng)兩種表面活性劑溶液濃度為0.5%時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)煤樣表面潤(rùn)濕性的轉(zhuǎn)變，并具有較低的表面張力。因此，在后續(xù)的煤樣解吸試驗(yàn)中，可將溶液濃度為0.5%的表面活性劑作為對(duì)解吸試驗(yàn)所用的煤樣進(jìn)行處理的最佳使用濃度。

3.2 干燥煤樣解吸特征的結(jié)果與分析

根據(jù)2.4節(jié)試驗(yàn)步驟中的2)～5)，其中，2種表面活性劑溶液的使用濃度設(shè)置為0.5%。依次對(duì)氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后的煤樣進(jìn)行不同吸附平衡壓力條件下的吸附試驗(yàn)。根據(jù)《煤的甲烷吸附量測(cè)定方法》，計(jì)算充入煤樣罐中的甲烷量Qci和吸附平衡后剩余空間的游離甲烷量Qdi，其表達(dá)式分別為

(2)

(3)

式中，Qci為充入煤樣罐的甲烷標(biāo)準(zhǔn)體積，cm3；P1i,P2i為分別為充氣前后參考罐內(nèi)絕對(duì)壓力，MPa；Z1i,Z2i分別為P1,P2壓力下及t1時(shí)甲烷的壓縮系數(shù)，1/MPa；t1為室內(nèi)溫度，℃；V0為參考罐及連通管標(biāo)準(zhǔn)體積，cm3；Vd為剩余體積，cm3；t3為試驗(yàn)溫度，℃；

充入煤樣罐的甲烷量扣除煤樣罐中剩余體積的游離甲烷量即為壓力段內(nèi)煤樣吸附甲烷量ΔQi：

ΔQi=Qci-Qdi

(4)

每克煤壓力段內(nèi)的吸附量為

(5)

式中，Gr為煤樣可燃物質(zhì)量，g。

通過(guò)計(jì)算得到氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后干燥煤樣在不同吸附平衡壓力條件下的吸附量，如圖3所示。

圖3 干燥煤樣吸附量Fig.3 Adsorption quantity of dry coal samples

由圖3可知，隨著甲烷吸附平衡壓力的增加，氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后煤樣的吸附量均逐漸增加，且增加量均呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑FC117和FC134處理后的煤樣吸附量始終小于未處理的煤樣。其中，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要為：一方面，氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑分子自身占有一定的體積，隨水溶液一同進(jìn)入煤體內(nèi)部。在干燥過(guò)程中，水分通過(guò)蒸發(fā)作用排出煤體，而氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑分子則滯留在煤體內(nèi)部，進(jìn)而減小甲烷分子的吸附空間；另一方面，氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑具有低表面張力的特性，在吸附在煤體內(nèi)部孔隙裂隙的表面，降低其表面自由能，減小對(duì)甲烷分子的吸附能力，進(jìn)而使得吸附量下降。

由數(shù)學(xué)中的不定式性質(zhì)可知，若在相同的吸附量的條件下，未處理煤樣的解吸量和解吸速率小于處理后的煤樣，則表明處理后的煤樣解吸效果較好；而實(shí)際的吸附試驗(yàn)中，氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前煤樣的吸附量大于處理后煤樣的吸附量，則表明氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理后的煤樣解吸率更高、解吸效果更加顯著。為了定量的分析氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑對(duì)煤樣解吸效果的影響，在下述進(jìn)行的解吸量和解吸速率的比較中，均假定在相同的吸附量條件下進(jìn)行定量比較。

為了得到氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后干燥煤樣的解吸規(guī)律，根據(jù)2.4節(jié)試驗(yàn)步驟中的5)～7)，依次對(duì)不同吸附平衡壓力條件下的煤樣進(jìn)行解吸試驗(yàn)，如圖4所示。

由圖4a可知，隨著甲烷吸附平衡壓力的增加，3種處理方式的煤樣解吸量均逐漸增加，且增加量均呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑FC117和FC134處理后的煤樣解吸量始終大于未處理的煤樣。在甲烷吸附平衡壓力為0.5 MPa條件下，表面活性劑FC134的表現(xiàn)更加優(yōu)異；在其余的甲烷吸附平衡壓力，表面活性劑FC117的效果均更加顯著。

圖4 在1 h內(nèi)干燥煤樣的解吸規(guī)律Fig.4 Desorption law of dry coal samples within 1 hour

對(duì)干燥煤樣進(jìn)行解吸試驗(yàn)的測(cè)定，其目的主要是從定量的角度分析氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑通過(guò)降低煤體表面自由能，增加游離瓦斯量，進(jìn)而促進(jìn)瓦斯解吸。其中，在不同吸附平衡條件下，氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理后的煤樣解吸量均有所增加，增長(zhǎng)率基本上呈先增加再降低的趨勢(shì)。在吸附平衡壓力達(dá)到1.5 MPa 時(shí)，增長(zhǎng)率達(dá)到最大值，分別達(dá)到近48%和34%，見(jiàn)表3。

表3 干燥煤樣解吸量的增長(zhǎng)率

低表面能是表面活性劑促進(jìn)甲烷解吸的重要特征，其作用原理為：具有低表面自由能的表面活性劑分子通過(guò)物理吸附的方式有序的吸附在煤體內(nèi)部的孔隙、裂隙表面，降低煤體表面對(duì)甲烷的吸附能力，增加游離瓦斯量。同時(shí)，煤體表面吸附能力的下降，減弱瓦斯流動(dòng)過(guò)程中的阻力，有利于甲烷的解吸和運(yùn)移。

甲烷氣體在煤體內(nèi)部孔隙、裂隙中解吸和運(yùn)移過(guò)程中，主要受到煤體表面自身產(chǎn)生的摩擦阻力和氣體本身解吸產(chǎn)生的動(dòng)力共同作用。當(dāng)甲烷吸附平衡壓力較小時(shí)，煤體表面的摩擦阻力占主導(dǎo)作用。表面活性劑通過(guò)物理吸附的方式吸附在煤體表面，降低了煤體表面的吸附能力，增加了游離瓦斯量和氣體在煤體表面運(yùn)移的流平性。因此，當(dāng)吸附平衡壓力處于0.5～1.5 MPa時(shí)，隨著平衡壓力的增加，表面活性劑處理后的煤樣解吸量增長(zhǎng)率呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。當(dāng)吸附平衡壓力處于1.5～2.5 MPa時(shí)，氣體本身產(chǎn)生的動(dòng)力占主導(dǎo)作用。隨著吸附平衡壓力的增加，甲烷解吸產(chǎn)生的動(dòng)力逐漸增強(qiáng)，未處理的煤樣受摩擦阻力產(chǎn)生的影響逐漸減小，因此，氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理后的煤樣解吸量增長(zhǎng)率呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

通過(guò)對(duì)干燥煤樣解吸量和解吸速率的分析，經(jīng)過(guò)氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑FC117和FC134處理后的煤樣解吸量和解吸速率均有所提升。定量地分析了氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑通過(guò)物理吸附的方式吸附在煤體表面，降低煤體表面自由能，增加煤樣解吸量，為氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑提高瓦斯抽采效果提供理論依據(jù)。

3.3 含水煤樣解吸特征的結(jié)果與分析

根據(jù)2.4節(jié)試驗(yàn)步驟中的8)～9)，依次對(duì)氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后的含水煤樣進(jìn)行不同吸附平衡壓力條件下的吸附試驗(yàn)。利用式(2)—式(5)，通過(guò)計(jì)算得到氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后含水煤樣在不同吸附平衡壓力條件下的吸附量，如圖5所示。

圖5 含水煤樣吸附量Fig.5 Adsorption quantity of water content coal samples

由圖5可知，隨著甲烷吸附平衡壓力的增加，氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后煤樣的吸附量均逐漸增加，且增加量均呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑FC117和FC134處理后的煤樣吸附量始終小于未處理的煤樣，其變化規(guī)律與干燥煤樣的吸附量一致。其中，含水煤樣的吸附量略小于干燥煤樣的吸附量，其主要原因是在含水率為1%的煤樣中，少量的水滯留在煤體內(nèi)部。一方面，由于水的體積侵占了原本甲烷分子存在的空間；另一方面，由于煤樣自身的親水性，水在煤體表面的吸附能力強(qiáng)于甲烷氣體，使得部分吸附狀態(tài)的甲烷分子被置換和驅(qū)替。因此，含水煤樣的甲烷吸附量略小于干燥煤樣的吸附量。

為了得到氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后含水(1%含水率)煤樣的解吸規(guī)律，依次對(duì)不同吸附平衡壓力條件下的煤樣進(jìn)行解吸試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比干燥與含水煤樣的解吸量和解吸速率，進(jìn)而定量分析氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑消除水鎖效應(yīng)，如圖6所示。

由圖6a可知，隨著甲烷吸附平衡壓力的增加，3種處理方式的含水煤樣解吸量均逐漸增加，且增加量均呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑FC117和FC134處理后的含水煤樣解吸量始終大于未處理的煤樣，與干燥煤樣解吸量的規(guī)律基本一致。同時(shí)，在3種不同處理方式條件下，干燥煤樣的解吸量均大于含水條件下的解吸量，其結(jié)果表明在含水煤樣解吸過(guò)程中存在一定程度的水鎖效應(yīng)。

對(duì)含水煤樣進(jìn)行解吸試驗(yàn)的測(cè)定，其目的主要是從定量的角度分析氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑通過(guò)將煤體潤(rùn)濕性由親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?，消除因毛?xì)管作用所引起的水鎖效應(yīng)，進(jìn)而提高甲烷解吸效果。

其中，在不同吸附平衡條件下，氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理后的含水煤樣解吸量均有所增加，增長(zhǎng)率基本上呈先增加再降低的趨勢(shì)。在吸附平衡壓力達(dá)到1.0 MPa 時(shí)，水鎖損害程度最大，表面活性劑消除水鎖效果最好，表面活性劑增加煤樣解吸量最佳，增長(zhǎng)率達(dá)到最大值，分別達(dá)到近38%和25%，見(jiàn)表4。煤樣解吸量的變化規(guī)律與上述3.2節(jié)干燥煤樣解吸量的變化規(guī)律基本上是一致的，作用機(jī)理亦與之相同。

表4 含水煤樣解吸量的增長(zhǎng)率

由圖6b可知，隨著甲烷吸附平衡壓力的增加，3種處理方式的含水煤樣解吸速率均有所增加。經(jīng)過(guò)氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑FC117和FC134處理后的煤樣解吸速率也始終大于未處理的煤樣。其中，表面活性劑FC117處理后的煤樣解吸速率始終保持著顯著的效果。同時(shí)，由于水鎖效應(yīng)產(chǎn)生的影響，不同處理方式的含水煤樣解吸速率均小于干燥煤樣的解吸速率。

圖6 在1 h內(nèi)含水與干燥煤樣解吸規(guī)律的對(duì)比Fig.6 Comparison of desorption law between water content and dry coal samples within 1 hour

通過(guò)對(duì)干燥與含水煤樣解吸量和解吸速率的分析，經(jīng)過(guò)氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑——FC117和FC134處理后的煤樣解吸量和解吸速率均有所提升，其中FC117的效果更加顯著。同時(shí)，經(jīng)過(guò)表面活性劑處理后，煤樣的潤(rùn)濕性發(fā)生轉(zhuǎn)變，水鎖效應(yīng)得到緩解和消除。含水煤樣的解吸量和解吸速率也均大于未處理的干燥煤樣。定量地分析了表面活性劑改變煤體表面潤(rùn)濕性，由親水性向疏水性轉(zhuǎn)變，緩解水鎖損害，進(jìn)而增加煤樣解吸量。

3.4 氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)前后煤樣解吸量預(yù)測(cè)

通過(guò)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，經(jīng)過(guò)氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理后，在1 h內(nèi)煤樣的解吸量和解吸速率均顯著提高。為預(yù)測(cè)煤樣的極限解吸量，可以根據(jù)煤樣解吸量隨時(shí)間的變化規(guī)律，利用擬合曲線得到最終的解吸量。

通過(guò)利用解吸公式——王佑安式對(duì)前1個(gè)小時(shí)的累計(jì)煤樣解吸量與時(shí)間的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，得到極限解吸量和擬合度，見(jiàn)表5和表6。

表5 氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)前后煤樣解吸量

表6 擬合度(R2)

由表5可知，利用王佑安式擬合不同平衡壓力條件下的解吸量與時(shí)間關(guān)系曲線，擬合得到累計(jì)解吸量。其中，干燥煤樣的解吸量大于對(duì)應(yīng)含水煤樣的解吸量，氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理后的煤樣解吸量大于處理前的煤樣解吸量，擬合結(jié)果與1 h內(nèi)解吸量的變化規(guī)律是一致的。同時(shí)，根據(jù)擬合結(jié)果可以預(yù)測(cè)氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后的極限解吸量。

由表6可知，利用王佑安式擬合不同平衡壓力條件下的解吸量與時(shí)間關(guān)系曲線，得到曲線的擬合度。其中，氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后含水煤樣的擬合效果最好，擬合度均大于0.99。在干燥煤樣中，F(xiàn)C134處理后的煤樣擬合度最好，不同吸附平衡壓力條件下的擬合度均大于0.99；其次是未處理和FC117，擬合度也比較好，除去未處理煤樣中吸附平衡壓力為1.0 MPa,其余均在0.98以上。

4 結(jié) 論

1)分別對(duì)FC117和FC134處理后的煤樣進(jìn)行接觸角和表面張力進(jìn)行測(cè)定。其中，接觸角從未處理的30°增加至90°以上，實(shí)現(xiàn)了煤體潤(rùn)濕性由親水性向疏水性轉(zhuǎn)變；表面活性劑溶液的表面張力由初始的72.8 mN/m下降至25 mN/m以下，較大幅度地降低了煤體表面張力。

2)通過(guò)接觸角和表面張力的測(cè)定，當(dāng)表面活性劑濃度為0.5%時(shí)，兩種表面活性劑處理后的煤樣可實(shí)現(xiàn)潤(rùn)濕性的轉(zhuǎn)變和表面張力大幅度地降低。將吸附解吸試驗(yàn)中所用的煤樣在該濃度下的表面活性劑溶液中進(jìn)行處理，并將其作為最佳使用濃度。

3)通過(guò)對(duì)氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后煤樣吸附量的計(jì)算，對(duì)比兩種表面活性劑處理前后的煤樣吸附量變化情況。其中，經(jīng)過(guò)FC117和FC134處理后的干燥/含水煤樣均小于未處理煤樣的吸附量。

4)對(duì)經(jīng)過(guò)FC117和FC134處理后的干燥/含水煤樣進(jìn)行解吸量和解吸速率的測(cè)定，兩種表面活性劑處理后煤樣的解吸效果均有顯著的效果。在氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理后的煤樣吸附量小于未處理的，而解吸量和解吸速率大于未處理的，則表明氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理后的煤樣可以消除水鎖效應(yīng)，增加解吸率，提高解吸效果。

5)利用解吸公式對(duì)解吸量進(jìn)行擬合，得到極限解吸量和擬合度。其中，采用王佑安式擬合的效果較好，擬合度基本上都在0.98以上。