添加表面活性剂提高煤层注水效果试验研究

冯京波

（晋能控股集团，山西 晋中 032600）

煤层注水是我国现阶段煤矿井下广泛应用的一项源头减尘措施[1]，但在实际应用中，由于大多数煤体本身的强疏水性以及注入水分的快速蒸发，降低了注水效果。因此在注水过程中添加表面活性剂，改善水的润湿和渗透等性能是近年来提高注水效果的研究热点。本文通过理论分析研究表面活性剂湿润煤体机理，试验优选润湿性能较好的表面活性剂种类和浓度，并开展现场试验验证添加表面活性剂的应用效果，以期为煤层注水表面活性剂的选择和添加提供试验数据和研究思路。

1 表面活性剂润湿机理分析

煤是非均质、成分复杂的多孔介质，煤层注水的过程，首先是水在压力作用下沿煤体裂隙和大孔隙渗透进水和贮水的过程，继而是水在毛细管力和表面现象等物理化学作用下进行的吸附水过程[2]。

表面活性剂是能使溶液表面张力显著下降的物质，其分子结构具有两性：一端为亲水基团，另一端为疏水基团。通过理论分析得出表面活性剂提高润湿效果的原理为：

（1）添加表面活性剂会增加水在煤体中的渗透作用。表面活性剂溶液的粘性与水相比较小，渗透系数较大，因而在注水压力和渗透面积相同的条件下，根据达西定律，渗透流量加大。

（2）表面活性剂的疏水基团与煤体的疏水表面具有较强的相互作用，因此表面活性剂将以疏水端朝向煤体表面，亲水端伸向溶液，从而降低了溶液和煤体的液-固界面张力，也降低了煤体的界面自由能，使煤体的亲水性增强，提高了溶液对煤体的润湿效果[3]。

（3）在吸附水过程中，煤体内部的微小孔隙通过毛细作用力以较低流速吸附渗流通道中的水。毛细作用力的大小取决于孔隙的直径、水的表面张力、水对煤的接触角等[4]。当毛细孔径不变时，表面活性剂会降低水对煤的接触角，接触角越小，则毛细管力越大。

2 表面活性剂优选复配

2.1 材料和方法

选取阳泉二矿81201 工作面回风巷8#煤作为试验煤样，根据《煤样的制备方法》（GB 474-2008）对煤样进行制备处理，利用200 目标准筛对煤样进行筛分，使煤尘的粒度维持在74 μm 以下。

表面活性剂的选取首先要保证无毒，对环境和矿工不会造成污染及二次伤害，其次要保证具有较好的润湿效果。文献显示阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂的润湿效果较好，通过筛选，选择2种阴离子表面活性剂SDBS、SDS，2 种非离子表面活性剂OP-10、Triton X-100 作为试验材料。

2.2 试验及结果分析

2.2.1 表面张力测定

在实验室分别配制浓度为0.01%、0.03%、0.05%、0.07%、0.1%、0.2%的表面活性剂溶液，利用QBZY 系列全自动表面张力仪对4 种单体表面活性剂的表面张力进行测定，每种浓度测定3 次取平均值。试验结果如图1。

由图1 可知：试验测定纯水的表面张力为72 mN/m，添加表面活性剂混合成溶液后，4 种表面活性剂溶液的表面张力变化趋势基本一致。在0‰～1‰浓度范围内表面张力迅速下降，随着浓度的继续升高（1‰～2‰），表面张力下降趋势非常缓慢，基本处于稳定状态，此时的浓度为临界胶束浓度，4种表面活性剂的临界胶束浓度均为1‰左右。分析临界胶束浓度的表面张力值，得出4 种表面活性剂降低表面张力的能力排序为：SDS＞OP10 ＞SDBS＞Triton X-100。

2.2.2 沉降速度测定

基于图1 的临界胶束浓度值，依据《矿用降尘剂性能测定方法》（MT506-1996）中的煤尘沉降法研究临界胶束浓度下（1‰和2‰）表面活性剂对煤体的浸润作用，试验结果如图2。

图1 表面张力随浓度变化

由图2 可知：2‰浓度下4 种表面活性剂的沉降速度明显大于1‰浓度。以沉降速度最快的Triton X-100 为例，2‰较1‰沉降速度提高47.6%。因此当浓度超过临界胶束浓度后，虽然表面张力不会明显变化，但沉降时间会继续缩短，沉降速率会继续增大。这可能是由于随着表面活性剂浓度的增大，更多的表面活性剂分子吸附于煤尘上，加快了煤尘沉降速度。1‰和2‰浓度时，4 种表面活性剂的沉降速度排序为Triton X-100＞OP10＞ SDBS＞SDS，这与溶液降低表面张力的能力排序有很大不同，因此表面张力并非是评价表面活性剂润湿性能的唯一指标。文献显示多数非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂的结合复配可体现出较好的协同作用[5]。在本次试验中Triton X-100 的沉降速度最快，SDS 降低溶液表面张力的能力最强，因此优选Triton X-100和SDS 两种表面活性剂开展复配试验。

图2 4 种单体表面活性剂沉降速度

2.2.3 动态润湿角测定

优选Triton X-100 和SDS 两种表面活性剂按照一定比例和浓度开展复配试验，最终得出新型配方PF-X。试验测得新型配方溶液临界胶束浓度也为1‰，表面张力为27.8 mN/m，1‰浓度的沉降速度为18.7 mg/s，2‰浓度的沉降速度为25.9 mg/s，较单体表面活性剂的沉降速度有了明显提高。为了更直观地体现新型配方PF-X溶液对润湿性能的提升，通过试验测定煤尘的动态接触角来对比纯水和1‰浓度的PF-X 溶液对煤尘润湿效果的影响。试验结果如图3。

由图3（a）、（b）可知，t=0 s 时，纯水和PF-X 溶液的接触角分别为58.9°和25.6°，此时为初始平衡接触角，纯水的初始平衡接触角明显大于PF-X 溶液，则PF-X 溶液具有更强的润湿性。通过观察，接触角随时间增大逐渐减小。纯水的接触角总变化时间为5 s，接触角的平均减小速率为11.8°/s；PF-X 溶液的接触角总变化时间为1.3 s，接触角平均减小速率为19.7°/s。因此，PF-X 溶液较纯水具有更强的渗透性，所以可推断在煤层注水过程中添加PF-X 新型表面活性剂将会显著提高润湿效果和渗透效果，进而提高注水的减尘效果。

图3 动态接触角随时间变化规律

3 现场试验

现场试验地点在阳泉二矿81201 工作面回风巷，距离切眼40 m 处。基于现场实际情况和《长钻孔煤层注水方法》设计注水参数。采用静压注水方式，注水孔布置3 个，钻孔直径75 mm，钻孔深80 m，钻孔间距10 m，注水压力为2 MPa。采用ZFA-45型封孔器封孔，封孔长度约1.5 m，注水时间5 d。表面活性剂的添加采用自研的活性剂添加装置（文式引射器配合水箱）完成，配方选取PF-X 新型表面活性剂，浓度1‰。

采用粉尘滤膜称重法测定注水前、普通注水以及添加表面活性剂注水三种不同情况的粉尘浓度变化，仪器选用IFC-2 矿用粉尘采样器。在采煤工作面采煤机司机处布置1 个测尘点，回风巷均匀风流布置2 个测尘点，分别记作1～3 号，结果如图4。

由图4 可知，3 个测尘点在普通注水和添加表面活性剂后粉尘浓度均有了显著下降。普通注水条件下，3 个测尘点的全尘降尘率分别为47.7%、35.6%、36.4%；添加表面活性剂注水条件下，3 个测尘点的全尘降尘率分别为67%、61.5%、58.7%。添加表面活性剂较普通注水全尘降尘率提高了20%～30%，因此通过添加PF-X 新型表面活性剂提高了煤体润湿性，粉尘浓度显著下降，提高了注水源头减尘效果，改善了现场作业环境。

图4 测点全尘质量浓度图

4 结论

（1）添加表面活性剂提高煤体润湿机理主要包括：① 表面活性剂通过降低溶液粘性，增大渗透系数进而提高水在煤体中的渗透性能；② 表面活性剂降低了溶液和煤体的液-固界面张力，增加了煤体润湿性；③ 表面活性剂降低了煤体润湿角，提高了溶液的毛细作用力。

（2）利用Triton X-100 和SDS 两种表面活性剂复配得到新型表面活性剂PF-X，试验测得新型配方1‰临界胶束浓度时，表面张力为27.8 mN/m，沉降速度为18.7 mg/s，2‰浓度的沉降速度为25.9 mg/s，较单体表面活性剂的沉降速度有了明显提高。

（3）现场试验结果表明，添加表面活性剂较普通注水全尘降尘率提高了20%～30%，因此通过添加表面活性剂提高了煤体润湿性，粉尘浓度显著下降，提高了注水源头减尘效果，改善了现场作业环境。