摘要：为了提高现场煤层注水效果，针对润湿性较差煤体，提出采用添加表面活性剂的方法以提高煤体润湿性。以贵州百色集团六龙煤矿煤样为例，根据表面活性剂种类选出 4 种有代表性且廉价易得的表面活性剂，通过测定纯水和添加表面活性剂的溶液的表面张力及其与煤体的接触角，优选出磺化玻拍酸二辛酷钠盐（快速渗透剂 T）作为最佳表面活性剂，最佳浓度为 0.4%。
关键词：表面活性剂；煤体润湿性
矿井粉尘是指在煤矿开拓、掘进、回采和提升运输等生产过程中产生，并能长时间悬浮于空气中的岩石和煤炭的细微颗粒，煤矿在生产过程中，采掘装运作业均可产生大量煤尘．这些煤尘的存在不仅严重危害井下工作人员的身心健康，同时悬浮煤尘的累积易产生爆炸危险，存在极大的安全隐患．因此，必须采取切实有效的措施应对矿井粉尘．喷雾降尘具有经济、简便和实用等优点，在国内外煤矿井下得到广泛应用．但从目前喷雾技术的发展来看，局限于水雾滴拥有较大的表面张力这一物理性质，单一的依靠水的雾化降尘并不能使其降尘效率再有较大程度提高．一直以来，国内外专家学者在优化喷雾溶液方面做了大量研究工作，通常情况下，水的表面张力较大，微细粉尘不易被水迅速、有效地湿润，致使降尘效果不佳．向水中添加表面活性剂可以有效改善溶液性质．也就是说，添加了表面活性剂可以明显减小水的表面张力以及润湿边角，增强溶液沿煤体裂隙表面润湿煤体的能力，增大尘粒与雾滴碰撞时融合的机率，从而提高降尘效率。
1.表面活性剂
表面活性剂的主要作用机理是在低浓度范围内，显著降低溶液的表面张力以及煤体与溶液的接触角，从而使煤体吸水性能升高。表面活性剂按其结构可以分为阳离子型、阴离子型、非离子型和混合型，润湿效果由于种类的不同所能达到的效果也不相同。其中阳离子型的表面活性剂绝大部分是有机胺的衍生物，当其溶液与煤表面作用时，溶液显酸性，有机胺易析出，从而失去表面活性作用。因为煤体中含有有机质成分，所以阳离子型的表面活性剂溶液不适用于煤层注水。因此，根据需要选出了几种有代表性且廉价易得的表面活性剂，实验用表面活性剂。
2.接触角和表面张力
通过表面物理化学理论可知，液体对煤体的润湿性主要由液体和煤体本身的性质决定，现场注水时，煤体性质是不可改变的，而实验采用压制好的型煤，型煤本身的性质也是不变的，因此液体对煤体的润湿性主要受液体性质影响，而在液体众多性质中，体现液体润湿能力的主要参数是表面张力和接触角。表面张力是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。通常，分子受力由于环境的不同也会有区别，处于界面的分子与处于相本体内的分子所受力是不同的。内部液相分子对液体的吸引力大于对上层空间气相分子的吸引力，所以该分子所受合力不等于 0，其合力方向垂直指向液体内部，结果导致液体表面具有自动缩小的趋势，这种收缩力称为表面张力。表面张力是物质的特性，其大小与温度和界面两相物质的性质有关。接触角是指在气、液、固三相交点处所作的气－液界面的切线穿过液体与固－液交界线之间所形成的夹角。将少量液体滴落在固体表面，达到平衡状态时，少量液体会形成一定的液滴形状，这是体系在 3 个界面张力平衡作用下的结果。采用悬滴法测量不同类型不同浓度的表面活性剂溶液的表面张力和与实验煤样的接触角，即根据液滴的外形来测定表面张力和接触角的方法，其原理是根据 La2place 关于毛细现象的方程。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
3.实验煤样及实验步骤
3.1实验煤样
实验煤样选自广西百色集团贵州六龙煤矿 7 号煤层 1076 机巷工作面新鲜煤样，煤种属于高变质程度瘦煤，挥发分一般为 14.5%～16.0%，胶质层厚度 0～10 mm，灰分在 25%左右，全硫 3.1%～4.5%，属高、富硫煤。该煤层瓦斯压力 p max =1.42＞0.74 MPa，煤的坚固性系数 f min =0.18＜0.5，煤的破坏类型最大为Ⅳ类，瓦斯放散初速度指标△p max =36＞10 mmHg（1 mmHg=133.322 4 Pa），均达到或者超过临界值，属于煤与瓦斯突出煤层。对六龙煤矿 7 号煤层 1076 工作面煤样进行吸水性测定，测定接触角为 73°，小于 90°，属于亲水性范围。但在前期验证实验过程中，发现实验煤样润湿性较差，吸水速率缓慢，对于现场煤层注水缺乏指导意义。在现场煤层注水工程实践中，针对类似润湿性较差煤样，一般情况下会选择添加表面活性剂提高煤层亲水性 。综合考虑以上原因，选择适当添加表面活性剂提高型煤亲水性能。
3.2实验步骤
该测量方法具有操作简便、效果直观及结果准确的优点，具体操作步骤如下：1）取实验煤粉 200 mg，采用煤片压制模具 ，在 200 kN 压力下压制成直径 13 mm，厚 1 mm 光滑平面的圆柱体试片若干。2）采用磺化玻拍酸二辛酷钠盐（快速渗透剂 T）和十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、脂肪醇聚氧乙烯醚（渗透剂 JFCS）、椰油酰胺基丙基甜菜碱（CAB-35）4种表面活性剂，分别配制浓度为 0.05%、0.1%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%、0.40%的表面活性剂溶液。3）采用悬滴法测定液体表面张力，将样品放到测试平台并稳妥固定，安装好加有表面活性剂溶液的注射器，用控制面板控制针头的位置，慢推注射器得到饱满液滴，使用系统软件确定基准点，测定该液滴的表面张力。4）慢推注射器，使液滴自由落地坠落在试片之上，全程通过系统软件监控连拍，选取瞬间接触图像，通过系统软件测定基线后，根据基线测定接触角。5）将测定得到的蒸馏水及表面活性剂的表面张力和接触角数据进行汇总分析。
3.3表面活性剂的优选
根据 3.2 测定方法得到的表面张力和接触角数据，进行汇总分析，得到同一表面活性剂不同浓度所测定的表面张力比较，以及同一表面活性剂，不同浓度所测定的接触角比较。可知：
（1）采用蒸馏水测定的表面张力为 71.5 mN/m，其与实验煤片的接触角为 73°。采用 SDBS、JFC、快渗 T和 CAB-35 表面活性剂溶液，所测定的表面张力、溶液与煤片的接触角比采用蒸馏水所测定的表面张力、接触角小，说明采用表面活性剂溶液，型煤表面的润湿性可较大的提高。
（2）同一浓度，不同的表面活性剂溶液，表面张力及接触角的降低作用效果排序是，快渗 T 溶液>JFCS 溶液>CAB-35 溶液>SDBS 溶液。
（3）同一浓度，不同的表面活性剂溶液，快渗 T 溶液降低表面张力的效果最好，在溶液浓度达到 0.4%时，曲线已趋于平稳，并无限趋近于20 mN/m。
（4）同一浓度，不同的表面活性剂溶液，快渗 T 溶液降低接触角效果最好，在溶液浓度达到 0.4%时，曲线已趋于平稳，并无限趋近于 10°。综上所述，对于实验煤样，加入表面活性剂可以显著降低溶液的表面张力和与实验煤样的接触角，提高煤样吸水效果，利于现场煤层注水，因此，选用浓度为 0.4%的快渗 T 溶液进行后期实验。
4.结论
1）表面张力的大小是衡量表面活性剂润湿效果的一条重要参考标准，但并不是唯一标准，最佳浓度的确定还需结合其它实验验证．
2）向清水中添加表面活性剂可以有效降低表面张力和接触角，从而提高溶液对煤尘的润湿特性，但当达到临界胶束浓度附近时，二者数值均趋于稳定，润湿特性接近达到最大效果，这里 SDS 溶液的临界胶束浓度约为 0.5%。
3）表面活性剂浓度及煤尘本身性质是影响煤尘湿润效率的主要因素，不同煤样的结构差异对润湿性有很大影响，煤表面的润湿是一个复杂过程，但明显润湿性依赖于煤的表面性质．
4）SDS 溶液对实验所用 3 种煤的润湿性效果强弱依次为无烟煤、瘦煤、焦煤．
参考文献
[1]林海飞,刘宝莉,严敏,白杨,刘静波. 表面活性剂对煤体瓦斯解吸性能影响的实验研究[J]. 煤炭工程,2017,49(12):136-140.
[2]刘宝莉,严敏,林海飞,白杨,刘静波. 表面活性剂对煤体孔隙结构影响的实验研究[J]. 煤矿安全,2018,49(11):20-23+28.
[3]郭晓华,蔡卫,马尚权,张茂增. 表面活性剂在煤矿防降尘中的应用实验[J]. 矿业安全与环保,2010,37(03):27-30.
[4]张新花,徐翠翠,颜国强,黄启铭. 不同煤种润湿性影响因素分析[J]. 煤矿安全,2015,46(01):156-158+162.
论文作者:严立峰,林镇伟
论文发表刊物:《防护工程》2019年9期
论文发表时间:2019/8/11
标签：表面活性剂论文; 表面张力论文; 溶液论文; 浓度论文; 煤层论文; 液体论文; 煤尘论文; 《防护工程》2019年9期论文;