煤的濕潤性接觸角測定及其影響因素研究

董維強(qiáng) 楊南 張超彪

摘要：煤層注水技術(shù)在礦井防治沖擊地壓有著顯著效果，煤的濕潤性接觸角測定工作及測定結(jié)果對煤層注水參數(shù)優(yōu)化有著重要指導(dǎo)作用?；诖?，采用煤濕潤接觸角法對煤濕潤性進(jìn)行測量。詳細(xì)說明了該實(shí)驗(yàn)過程以及對結(jié)果有影響的4大因素，對煤礦安全開采提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障。

關(guān)鍵詞：煤層注水技術(shù)；煤的濕潤性；接觸角；煤樣制備；影響因素

潤濕是自然界和生產(chǎn)過程中常見的現(xiàn)象。通常將固-氣界面被固-液界面所取代的過程稱為潤濕。礦物表面所具有沾水的性質(zhì)叫做礦物的濕潤性。易被水潤濕的礦物稱親水性礦物，不易被水潤濕的礦物稱疏水性礦物[1]。煤的潤濕性是煤的一項(xiàng)很重要的物理化學(xué)性質(zhì)參數(shù)[2]，它在選煤技術(shù)、煤層預(yù)注水防塵、煤礦開采尤其是在巷道沖擊地壓安全問題中都有著重要作用。

1煤層注水技術(shù)在防治沖擊地壓中的應(yīng)用

在煤層開采過程中隨著開采深度的增加、一些煤層所具有沖擊傾向性以及開采技術(shù)的影響，常常使得煤層中儲存了大量彈性能，在采掘等外界動力擾動下，會引起彈性能的瞬間釋放造成沖擊地壓，從而導(dǎo)致阻塞巷道，破壞支架，造成慘重的人員傷亡和巨大經(jīng)濟(jì)損失[3]。近年來，沖擊地壓災(zāi)害日趨頻繁和普遍，其已經(jīng)成為我國煤層開采中必須面對和解決的安全問題之一。同時采用煤層注水預(yù)防沖擊地壓已經(jīng)有了較長的研究。大量的試驗(yàn)證明，在高壓注水之后會使煤層的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、變形等性質(zhì)發(fā)生改變。

1.1煤層注水的破壞機(jī)理

（1）壓裂作用：壓力水注入煤層之后，當(dāng)注入的水量大于煤體的濾失量時，煤層內(nèi)的水壓（自由水）會逐漸升高，當(dāng)水壓大于煤層的垂直和水平應(yīng)力時，煤層便會開始產(chǎn)生新的裂隙，從而破壞了煤層的原始結(jié)構(gòu)，降低煤層的硬度[3]。

（2）吸附和浸潤作用[4]：壓力水在注入煤層后，由于煤體中含有大量的粘土礦物，且其粒徑非常小，所以它的比表面積很大，故能吸收大量的水分子，而且能以強(qiáng)烈的結(jié)合力將水吸入粘土礦物的層間結(jié)構(gòu)中，形成結(jié)晶水、層間結(jié)合水、自由水、使粘土礦物的強(qiáng)度隨吸水量的增加而降低，因而破壞了粘土礦物的膠結(jié)作用，降低了煤層的強(qiáng)度。

1.2煤的濕潤性與安全開采的聯(lián)系

采用煤層注水過程中，注水參數(shù)合理選擇和優(yōu)化也是煤層安全開采中需要考慮的因素，注水參數(shù)有：煤層注水長度、注水壓力、注水量、鉆孔位置和角度等[5]。注水參數(shù)的優(yōu)化對煤層的安全開采能夠起到非常有效的指導(dǎo)作用。然而其中煤層的濕潤性對于注水參數(shù)的選擇又能夠提供十分重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此在煤層注水技術(shù)中，煤的濕潤性是一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)。

2煤的濕潤性與接觸角之間的關(guān)系

2.1濕潤接觸角測量方法

目前測量濕潤接觸角方法很多，包括煤粉浸透速度法、水膜浮選法、水蒸氣吸附法以及利用成型煤粉來定量測量接觸角法等[6]。在此采用研磨之后的煤粉加壓成型，在成型試片上滴蒸餾水水珠來進(jìn)行測量。從而希望進(jìn)一步對此方法進(jìn)行分析改進(jìn)。

接觸角原理是當(dāng)液體與固體接觸后，體系的自由能降低。因此，液體在固體上潤濕程度的大小可用這一過程自由能降低的多少來衡量。在恒溫恒壓下，當(dāng)一液滴放置在固體平面上時，液滴能自動地在固體表面鋪展開來，或以與固體表面成一定角度存在，如圖1所示。θ是在固、氣、液三相交界處，從固體界面經(jīng)液體內(nèi)部到氣液界面的夾角，稱為接觸角。接觸角是反應(yīng)物質(zhì)與液體潤濕性關(guān)系的重要指標(biāo)。將水滴表面視為圓弧，得到接觸角計算公式：

（1）

（2）

式中，θ為所測接觸角，r為液滴底面半徑，h為球形液滴的高度。

根據(jù)式（2）可以測定出該固體的濕潤接觸角，從而來判斷濕潤情況的依據(jù)。

2.2濕潤接觸角類型判別

由于實(shí)驗(yàn)時固體的材料不同，液滴滴下后形狀不同，所測濕潤接觸角的也不同。接觸角在0°-180°之間，通常情況下取θ=90°作為判別濕潤與否的界限，當(dāng)θ>90°時稱為不濕潤，當(dāng)0°<θ<90°時，稱為濕潤，如果θ越小，則所測物體的濕潤性越好，當(dāng)θ=0°時，液滴在固體表面完全鋪展開來，此時固體被完全濕潤。

3煤濕潤接觸角測定

3.1煤試樣的制備

（1）煤塊粉碎：制備煤樣的方法有加壓成型方法以及研磨方法。這次采用研磨的方法。再使用硬度為600的細(xì)砂紙來研磨煤塊，使得研磨之后的煤粉顆粒直徑小于25mm，粉碎后煤樣如圖2。

（2）烘干：將研磨之后的煤粉放入恒溫箱中烘干顆粒表面水分，其恒溫在100℃-105℃，恒溫時間不少于6小時。

（3）篩分：將烘干的煤樣通過200目的分樣篩，將粉碎的煤粉用1/1000天平稱量，分成若干份，每份質(zhì)量為400mg備用。

（4）加壓成型：取煤粉400mg放在加壓成型模具后，晃動一下使得煤粉分布均勻，將模具和底部鋼墊板（直徑9cm、高2cm）一起放在壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)下壓板中間，長柱上放直徑5cm、厚2cm圓墊板，用壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)加壓（壓力為500MPa）形成直徑為13mm、厚約2mm的具有壓光平面的圓柱體形煤試片取出。

（5）浸泡待用：將試片放在用蒸餾水配置成的飽和食鹽水中，放置24小時，供測定使用。

3.2 煤濕潤接觸角測定步驟

在室溫（低于20℃）下，將煤試片放在光滑的巖石塊上，用蒸餾水，采用注射器向試片上滴落水滴，立刻用數(shù)碼相機(jī)拍攝。從照片上測量水滴的底半徑r和最大高度h。將所測得數(shù)據(jù)代入式（2）中，得到所測煤樣濕潤接觸角數(shù)據(jù)。

在測量過程，滴落的水滴越小，接觸到煤試樣后滲入以及蒸發(fā)速度越快，因此在滴落液滴后應(yīng)迅速進(jìn)行拍照，記錄下最接近真實(shí)值的數(shù)據(jù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果與影響因素分析

4.1 煤濕潤接觸角影響因素分析

通過對煤樣濕潤接觸角數(shù)據(jù)的測定，以及在實(shí)驗(yàn)過程中觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行分析后，得出對其結(jié)果有影響的幾個方面和需要注意的幾點(diǎn)。

（1）煤樣自身性質(zhì)

煤的主要元素有碳、氫、氧三種。其中碳元素具有疏水性，氧元素具有親水性，因此不同煤樣的親水性主要取決于碳、氧元素[6]。進(jìn)過研究分析可知，隨著煤化程度的加深，及煤樣中碳元素含量的增加，煤樣所測得到的濕潤接觸角越大，對應(yīng)煤的濕潤性差。

（2）煤樣制備方式

采用研磨方式相比加壓粉碎制備煤樣具有更小的孔隙，煤樣表面粗糙程度也較不明顯，同時能保證煤樣的物理化學(xué)性質(zhì)不發(fā)生改變，從而使所測接觸角更接近實(shí)際值。另外不同的研磨材料磨過的煤表面會使得煤樣顆粒的粗糙程度、均勻程度等不同，從而對接觸角的測量結(jié)果產(chǎn)生影響[7]。煤樣制備時用細(xì)砂紙磨完煤粉之后，可以采用超聲波清洗槽對煤樣進(jìn)行清洗，提高結(jié)果準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

通過對煤濕潤接觸角測量研究，詳細(xì)介紹了濕潤接觸角的測定過程中的煤樣制備、具體的測定步驟。影響煤濕潤接觸角的因素很多，本文通過研磨加壓成型的煤粉進(jìn)行試驗(yàn)分析得到實(shí)驗(yàn)中對濕潤接觸角有影響的4大因素。根據(jù)所得結(jié)果對煤濕潤接觸角測定方法有了進(jìn)一步的改進(jìn)，為優(yōu)化注水參數(shù)以及礦井安全、預(yù)注水防塵等高效安全開采提供理論基礎(chǔ)。

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