隨著煤礦開采深度的增加，煤與瓦斯賦存環(huán)境“三高”特征愈加突出，煤層瓦斯壓力和瓦斯含量增大、瓦斯涌出量增加，導(dǎo)致瓦斯?jié)舛瘸薜葐栴}變得突出，嚴(yán)重制約著煤礦持續(xù)穩(wěn)定健康地發(fā)展[1-2]。我國(guó)以低滲透性煤層為主，除利用煤儲(chǔ)層改造技術(shù)提升瓦斯抽采效果外，煤層注水技術(shù)也是降低瓦斯解吸速率、減緩采動(dòng)煤體瓦斯快速涌出的有效方法。然而，利用煤層注水技術(shù)抑制煤體瓦斯解吸效果與注入外來(lái)水的性質(zhì)密切相關(guān)[3-5]。表面活性劑是重要的精細(xì)化學(xué)品，具有潤(rùn)濕、乳化、分散、抗靜電等一系列作用。一些學(xué)者[6-10]研究發(fā)現(xiàn)，添加表面活性劑能有效改善水溶液性質(zhì)、降低表面張力并增強(qiáng)煤體潤(rùn)濕效果，達(dá)到封堵瓦斯氣體、降低瓦斯逸散能力的目的。部分學(xué)者[11-13]通過在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行噴灑或深鉆孔注純水、表面活性劑水溶液對(duì)比發(fā)現(xiàn)，利用表面活性劑水溶液比純水能夠更有效降低和延緩?fù)咚褂砍觥１疚牟捎梦墨I(xiàn)調(diào)查法，整理了近年來(lái)用于抑制煤體瓦斯解吸的多種表面活性劑，分析其物理化學(xué)特性，并探究了表面活性劑水溶液抑制煤體瓦斯解吸機(jī)理。研究工作可為表面活性劑的優(yōu)選和復(fù)配提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)于預(yù)防開采工作面瓦斯?jié)舛瘸蕖⒈Ｕ厦旱V安全生產(chǎn)具有重要意義。

1.表面活性劑分類及性質(zhì)

當(dāng)前市面上常用的表面活性劑產(chǎn)品種類豐富、物理化學(xué)性能及用途各有不同。針對(duì)表面活性劑水溶液在提高煤體潤(rùn)濕效果、抑制瓦斯解吸的應(yīng)用現(xiàn)狀，從安全性、溫和性、穩(wěn)定性、復(fù)配條件及生物降解性5個(gè)方面考慮，以中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)收錄的文獻(xiàn)資料為基礎(chǔ)，搜集到46種常見表面活性劑及其性質(zhì)見表1。

表1常見表面活性劑及其性質(zhì)

化學(xué)合成表面活性劑從結(jié)構(gòu)上按親水基可分為陽(yáng)離子、陰離子、非離子和兩性4種表面活性劑[14]。其中，兩性表面活性劑是指在不同條件下呈現(xiàn)出陰離子、陽(yáng)離子或非離子性質(zhì)的表面活性劑。例如，CAB在酸性條件下呈陽(yáng)離子性、在堿性條件下呈陰離子性。此外，還有由細(xì)菌、酵母、真菌等微生物所產(chǎn)生的生物型表面活性劑。基于抑制煤體瓦斯解吸的考慮，挑選表面活性劑應(yīng)遵循以下原則：

(1)綠色環(huán)保，對(duì)人體和環(huán)境無(wú)毒無(wú)刺激性，價(jià)格低廉，購(gòu)買方便。

(2)表面張力、接觸角的降低幅度大，能提高煤體表面的潤(rùn)濕效果。

(3)易溶于水且穩(wěn)定性強(qiáng)，能與其他表面活性劑進(jìn)行二次濃度復(fù)配。

由表1可知，陽(yáng)離子表面活性劑(季銨鹽類)、陰離子表面活性劑的(重金屬鹽類)具有毒性和刺激性，這是由于其優(yōu)異的殺菌性，并且殺菌能力越強(qiáng)毒性越大；非離子表面活性劑在溶液中不帶電荷，不易與蛋白質(zhì)結(jié)合，所以毒性和刺激性較小；而大多數(shù)的兩性和生物型表面活性劑毒性和刺激性較低并具有優(yōu)秀的降解能力。因此，表面活性劑的安全性排序?yàn)椋簝尚浴⑸镄捅砻婊钚詣?gt;非離子表面活性劑>陰離子表面活性劑>陽(yáng)離子表面活性劑。就潤(rùn)濕性而言，陽(yáng)離子表面活性劑和含銨結(jié)構(gòu)的陰離子、非離子表面活性劑容易吸附于固體表面，使煤體表面呈現(xiàn)“疏水”狀態(tài)而無(wú)法起到潤(rùn)濕煤體的作用[15-17]。就穩(wěn)定性而言，離子型表面活性劑對(duì)硬水較為敏感，而非離子表面活性劑不能在溶液中離解為離子，其穩(wěn)定性高，具有較強(qiáng)的耐酸、堿、鹽性和抗硬水性能。在復(fù)配特性方面，陰離子與陽(yáng)離子表面活性劑只是在特定條件下復(fù)配可以提高表面活性[18]，而大多數(shù)的非離子和兩性表面活性劑均具有良好的復(fù)配性能。

2.常見表面活性劑水溶液的潤(rùn)濕性分析

2.1表面張力

采用文獻(xiàn)調(diào)查法，匯總分析了82組不同類型表面活性劑水溶液濃度與表面張力的對(duì)應(yīng)關(guān)系[19-34]，如圖1~圖4所示。

圖1陽(yáng)離子表面活性劑水溶液濃度與表面張力間的關(guān)系

圖2陰離子表面活性劑水溶液濃度與表面張力間的關(guān)系

圖3非離子表面活性劑水溶液濃度與表面張力間的關(guān)系

圖4其他表面活性劑水溶液濃度與表面張力間的關(guān)系

表面張力是液體表面垂直于單位分界線相互作用的一種力，其大小直接影響溶液的性質(zhì)。由圖1至圖3可知，當(dāng)表面活性劑水溶液濃度小于0.1%時(shí)，表面張力隨濃度的增大而迅速降低。例如，圖3(b)的非離子表面活性劑AEO大約從75 mN/m降至30 mN/m；當(dāng)表面活性劑水溶液濃度在0.1%~0.2%之間，表面張力的下降幅度明顯減緩；當(dāng)表面活性劑水溶液濃度大于0.2%時(shí)，不同表面活性劑水溶液的表面張力變化均趨于平緩并且基本無(wú)變化。如圖4(a)所示，兩性表面活性劑也呈現(xiàn)出與陽(yáng)(陰)離子及非離子表面活性劑的相同趨勢(shì)。表面活性劑水溶液的表面張力均存在一個(gè)濃度拐點(diǎn)；陽(yáng)離子、陰離子以及兩性表面活性劑水溶液的濃度拐點(diǎn)大約為0.1%。當(dāng)濃度超過這個(gè)拐點(diǎn)后，水溶液的表面張力基本不再下降，稱之為臨界膠束濃度(CMC)。CMC越低，降低表面張力的效率越高[35]。特別的是，圖4(c)所示的生物型表面活性劑水溶液表面張力隨溶液濃度升高表現(xiàn)出降低趨勢(shì)，然而在試驗(yàn)濃度范圍內(nèi)并未出現(xiàn)顯著的濃度拐點(diǎn)。

純水溶液的表面張力約為72.8 mN/m，5種不同類型表面活性劑溶液濃度為0.1%時(shí)的表面張力統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。由表2可知，當(dāng)活性劑濃度為0.1%時(shí)，陰離子表面活性劑快T的水溶液表面張力最小為24.87 mN/m。將活性劑溶液濃度0.1%的表面張力進(jìn)行均值化處理并與純水對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，陰離子表面活性劑水溶液的表面張力為36.74 mN/m，降低幅度為51.01%。整體而言，所有類型表面活性劑水溶液表面張力均隨溶液濃度增大呈減小趨勢(shì)，并且在試驗(yàn)濃度范圍內(nèi)，表面張力均大于20 mN/m。經(jīng)對(duì)比，添加表面活性劑導(dǎo)致水溶液表面張力降低效果的排序?yàn)椋宏庪x子表面活性劑>非離子表面活性劑>兩性表面活性劑>陽(yáng)離子表面活性劑>生物表面活性劑。

表2表面活性劑濃度為0.1%時(shí)的表面張力

2.2接觸角

根據(jù)中國(guó)煤炭分類的揮發(fā)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[36]，煤炭被分為褐煤、高揮發(fā)分煙煤(Vdaf>37%)、中高揮發(fā)分煙煤(Vdaf=28%~37%)、中揮發(fā)分煙煤(Vdaf=20%~28%)、低揮發(fā)分煙煤(Vdaf=10%~20%)、無(wú)煙煤。采用文獻(xiàn)調(diào)查法匯總分析了91組不同煤樣的不同類型表面活性劑水溶液濃度與煤巖接觸角的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖5~圖10所示。

圖5褐煤接觸角隨表面活性劑水溶液的變化

圖6高揮發(fā)分煙煤接觸角隨表面活性劑水溶液的變化

圖7中高揮發(fā)分煙煤接觸角隨表面活性劑水溶液的變化

圖8中揮發(fā)分煙煤接觸角隨表面活性劑水溶液的變化

圖9低揮發(fā)分煙煤接觸角隨表面活性劑水溶液的變化

圖10無(wú)煙煤接觸角隨表面活性劑水溶液的變化

固體表面的潤(rùn)濕性可用接觸角表征，反映了液體與固體表面相互作用的程度，接觸角隨液體表面張力的降低而不斷減小。由圖5至圖10可知，對(duì)于不同變質(zhì)程度煤，離子、非離子和兩性型表面活性劑水溶液濃度小于0.1%時(shí)，接觸角隨濃度的增加而迅速降低。例如，圖7(b)所示的CDEA與中高揮發(fā)分煙煤間的接觸角從38.8°降低至21.2°。當(dāng)表面活性劑水溶液濃度在0.1%~0.2%之間，接觸角的下降幅度明顯減緩；當(dāng)濃度大于0.2%時(shí)，接觸角逐漸趨于穩(wěn)定。整體而言，離子、非離子和兩性型表面活性劑水溶液在煤表面的接觸角隨溶液濃度的升高表現(xiàn)出降低趨勢(shì)，在濃度0.1%會(huì)出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)。而生物型表面活性劑水溶液與高揮發(fā)分煙煤間的接觸角隨濃度增大呈降低趨勢(shì)，且在試驗(yàn)濃度0~0.1%范圍內(nèi)的接觸角均大于25°。

以接觸角作為判斷潤(rùn)濕的標(biāo)準(zhǔn)，接觸角越小則潤(rùn)濕性能越好。表面活性劑濃度為0.1%時(shí)，煤巖接觸角統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。當(dāng)活性劑水溶液濃度為0.1%時(shí)，陰離子表面活性劑AES水溶液與煤的接觸角最小為9.11°。進(jìn)一步將不同類型表面活性劑水溶液在濃度為0.1%時(shí)與煤的接觸角進(jìn)行均值化處理可發(fā)現(xiàn)，陽(yáng)離子、陰離子、非離子、兩性及生物表面活性劑水溶液與煤的接觸角平均值分別為34.4°、27.37°、29.72°、29.82°和50.03°。因此，表面活性劑潤(rùn)濕性效果排序?yàn)椋宏庪x子表面活性劑>非離子表面活性劑>兩性表面活性劑>陽(yáng)離子表面活性劑>生物表面活性劑。