趙固二礦提高煤體表面活性配比實(shí)驗(yàn)研究

李 凱，蔡海峰

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，河南 平頂山 467000;2.晉城煤業(yè)集團(tuán) 趙莊煤業(yè)，山西 晉城 048006)

引 言

煤層注水作為一種技術(shù)手段，廣泛應(yīng)用于井下除塵、煤壁片幫的治理、自然發(fā)火的預(yù)防、煤與瓦斯突出和沖擊地壓等礦井動(dòng)力災(zāi)害的防治。但由于煤體自身原因，比如變質(zhì)程度、裂隙發(fā)育程度不同，導(dǎo)致注水效果有很大差異。煤層注水的效果主要受水對煤層的潤濕程度影響。表面活性劑是一種特殊的化學(xué)分子，它由兩種粒子組成，一種具有極強(qiáng)的親水性，另一種具有極強(qiáng)的親油性，溶于水以后可以有效降低水的表面張力，提高水對煤層的潤濕性，使煤體在注水后均勻潤濕，達(dá)到良好的注水效果。

河南煤化焦煤公司趙固二礦主采二1煤層，煤層平均傾角5.5°，平均厚度6.16 m。11011工作面采用分層開采，留底煤，采高3.5 m。由于采高大，工作面經(jīng)常出現(xiàn)煤壁片幫，給安全生產(chǎn)帶來很大隱患。經(jīng)科學(xué)論證，決定用煤層注水技術(shù)防治煤壁片幫。在實(shí)驗(yàn)室對煤樣在純水和添加不同表面活性劑的溶液中進(jìn)行潤濕，測定接觸角和潤濕速度變化情況，通過對比得到適合該礦潤濕劑的種類及其最佳濃度。

1 煤的潤濕性實(shí)驗(yàn)

1.1 接觸角與潤濕性的關(guān)系

液體對固體的潤濕程度用潤濕性來表示。煤的潤濕性是衡量煤與水接觸難易程度的一項(xiàng)重要物理性質(zhì)參數(shù)。在實(shí)施煤層注水時(shí)，煤體潤濕性的優(yōu)劣直接影響水力壓擠時(shí)的煤層注水效果。固液之間的潤濕性不同，在兩者接觸時(shí)會呈現(xiàn)出不同形狀的接觸角，因此，固體的潤濕性可以用接觸角表示。如圖1所示，液滴在固液接觸邊緣的切線AM與固體平面AC間的夾角稱為接觸角。接觸角是衡量煤體表面潤濕難易程度和毛細(xì)作用力大小的基本參數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，接觸角小毛細(xì)作用力大，煤體易于潤濕;反之煤體則難于潤濕。

圖1 氣、液、固三相平衡接觸示意圖

一滴液體落在水平固體表面上，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，液滴呈現(xiàn)一定的形狀。圖1中，A點(diǎn)是氣、液、固三相平衡時(shí)的交界點(diǎn)。潤濕過程與體系的界面張力有關(guān)。從表面張力的角度來看，形成的接觸角與各界面張力之間符合下面的楊氏公式:

式中:

σg－s—?dú)狻探缑姹砻鎻埩?

σg－1—?dú)狻航缑姹砻鎻埩?

σ1－s—液—固界面表面張力。

其中，若 σg－s－σ1－s=σg－1，θ=0，為完全潤濕狀態(tài);若 σg－s－ σ1－s＜ σg－1，θ＜ 90°，固體能被液體潤濕;σg－s－ σ1－s＞ σg－1，θ＞90°，固體不能被液體潤濕。由楊氏方程可以看出，固體和液體間的接觸角是一種很好的表征固體和液體間潤濕性能大小的指標(biāo)。因此，對煤的潤濕性的測定，可以通過測定煤與水的接觸角來得到。

1.2 煤樣接觸角的測定

水溶液在煤體空隙表面的接觸角大小是水對煤體潤濕性最真實(shí)的體現(xiàn)，由于實(shí)際技術(shù)條件所限，測定水滴在微孔表面的接觸角是無法實(shí)現(xiàn)的。采集趙固二礦二1煤層11011工作面塊狀煤樣，對煤塊切片，利用磨光機(jī)把煤體表面磨光，從而代替孔隙表面，采用JC2000－C1型接觸角測試儀對磨光的煤體進(jìn)行接觸角實(shí)驗(yàn)，最終得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

由表1可見，趙固二礦11011工作面煤與水的接觸角θ值在61°～69°之間，總體屬于可以潤濕的煤體，但從結(jié)果看，接觸角較大，潤濕困難，屬難潤濕煤體。

2 潤濕劑的選擇

潤濕劑都由親水基及親油基組成，當(dāng)與固體表面接觸時(shí)，親油基附著于固體表面，親水基向外伸向液體中，使液體在固體表面形成連續(xù)相，可以提高固－液潤濕效果。按照無毒、無腐蝕性、環(huán)境友好、來源廣泛、性價(jià)比優(yōu)良等因素，選擇煤礦常用的潤濕劑:洗衣粉、十二烷基硫酸鈉、十二烷基本磺酸鈉及TX－100。體現(xiàn)潤濕劑潤濕能力的主要參數(shù)是表面張力和接觸角，為此在研究趙固二礦煤樣吸濕速度與潤濕劑溶液的關(guān)系時(shí)，必須考察潤濕劑溶液在這方面的變化情況。

2.1 表面張力的測定

采用滴重法，在THQZL－1型液體表面張力系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)儀上分別測定以上4種潤濕劑在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.01%、0.02%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%時(shí)的表面張力，繪制潤濕劑溶液表面張力和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系圖，見圖2。

圖2 潤濕劑表面張力和質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系曲線圖

從圖2可以看出，在水中加入潤濕劑后，其水溶液的表面張力迅速減小，在濃度很低(＜0.01%)時(shí)，就可以將水的表面張力大大降低。在此濃度范圍內(nèi)，不同潤濕劑在相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)的表面張力依次為:十二烷基本磺酸鈉＜洗衣粉＜十二烷基硫酸鈉＜TX－100。同時(shí)，由關(guān)系曲線可以看出，每種潤濕劑的表面張力在降到一定程度后，隨著溶劑濃度的增大表面張力不再降低。

2.2 加潤濕劑后煤的潤濕性測定

不同潤濕劑的潤濕效果，不僅決定于潤濕劑的性質(zhì)，還與煤的物理、化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。在室溫下，采用JC2000－C1型接觸角測試儀，將配制好的不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)及種類的潤濕劑依次進(jìn)行煤的潤濕性實(shí)驗(yàn)。得到各潤濕劑在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)與煤的接觸角，見表2。

表2 不同潤濕劑的接觸角 (°)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在加入潤濕劑水溶液后，煤的潤濕性提高的較為明顯。從表2可以看出，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在≥0.10%的十二烷基本磺酸鈉的溶液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)在≥0.15%的TX－100溶液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)在≥0.20%的十二烷基硫酸鈉溶液都可以使其與煤的接觸角降為0°。在上述幾種溶液中，使水－煤接觸角下降速度最快、最終達(dá)到0°時(shí)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小的是TX－100。含有洗衣粉的溶液和含有十二烷基硫酸鈉的溶液使水－煤接觸角降到0°時(shí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同，相比較而言，十二烷基本磺酸鈉溶液使其下降的速度更快。總的來說，在溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同(0.10%)時(shí)，接觸角的具體變化情況是:十二烷基苯磺酸鈉＞TX－100＞十二烷基硫酸鈉＞洗衣粉。

2.3 煤樣吸濕速度測定

上面實(shí)驗(yàn)中所測定的表面張力和接觸角是選擇最佳表面活性劑的重要參數(shù)，但潤濕速度也是衡量煤體潤濕效果的一項(xiàng)重要指標(biāo)。因此，在已確定最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的表面活性劑溶液中(0.20%洗衣粉溶液，0.20%十二烷基苯磺酸鈉溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%TX－100溶液，0.10%十二烷基硫酸鈉溶液)對煤樣進(jìn)行吸水實(shí)驗(yàn)。分析其吸水速度的快慢，以最終確定最佳表面活性劑溶液?，F(xiàn)取4組高徑比為30 mm×50 mm的圓柱形煤樣，吸水前把煤樣用天平稱重，然后將其纏上漆包線懸于各種表面活性劑溶液中。為了排除凈水壓力對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，煤樣浸沒的深度都取50 mm。在浸水期間，每5 h把煤樣取出擦干稱重，80 h后測得煤樣質(zhì)量隨時(shí)間的變化趨勢見表3。

表3 不同浸泡時(shí)間各煤樣的質(zhì)量 g

假設(shè)煤樣在沒有放入溶液中稱量時(shí)的質(zhì)量為M0，取出后擦干使煤樣不滴水再次稱量時(shí)其質(zhì)量為M，則吸濕率(M0－M)/M0。分別計(jì)算不同浸泡時(shí)間各個(gè)煤樣的吸濕率，見表4，圖3。

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，煤樣在0～5 h內(nèi)吸濕率增長最快，在各潤濕劑溶液中的吸水率和吸濕速率大于在純水中的。在各不同濃度的潤濕劑溶液中，煤樣在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%的十二烷基硫酸鈉溶液的吸濕率和吸濕增長率最大。

表4 煤樣在不同潤濕劑溶液中的吸濕率 %

圖3 煤樣在不同潤濕劑溶液中的吸濕率對比曲線圖

3 結(jié)語

1)由于煤體本身物理、化學(xué)性質(zhì)的不同，不同煤體的潤濕性各不相同。通過實(shí)驗(yàn)測定，趙固二礦二1煤層11011工作面煤與水的接觸角在61°～69°之間，煤的潤濕性較差。

2)通過測定在水溶液中添加潤濕劑后溶液表面張力和接觸角的變化，得出潤濕劑可以降低水的表面張力和水與煤的接觸角，增加煤的潤濕性，提高煤層注水速率。

3)對不同潤濕劑的潤濕效果進(jìn)行對比，得出適用于趙固二礦二1煤層注水的最優(yōu)潤濕劑是十二烷基本磺酸鈉，最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%。

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