1氣潤濕反轉技術的作用機理

氣潤濕反轉劑具有疏水、低表麵能的特征，通過物理吸附的形式附著在煤體表麵，降低了煤體表麵張力、增加接觸角至90°以上，改變煤體表麵特征，實現煤體表麵潤濕性的反轉，進而消除水鎖損害。毛細管力是評價水鎖損害嚴重程度的關鍵指標，外來流體進入煤體等多孔介質後，毛細管力的大小和方向影響著水鎖的嚴重程度以及返排過程中瓦斯的抽采難易。其中，毛細管壓力表達式：

Pc=2σcosθ/r(1)

式中，Pc為毛細管壓力，Pa/cm；σ為表麵張力，mN/cm；θ為接觸角，(°)；r為毛細管半徑，cm。

式(1)可知，毛細管半徑作為煤體的固有特征，難以改變；利用表麵活性劑可以實現煤體張力和接觸角的改變。接觸角和表麵張力是影響毛細管力大小和方向的關鍵因素。潤濕性的變化情況可以通過對接觸角和表麵張力的測定直觀地呈現出來。

氣潤濕反轉技術消除煤層水鎖效應，增加瓦斯抽采效果的原理如下：由表麵物理化學理論可知，固體的表麵能越高，越容易被液體所潤濕；同時，表麵自由能的大小也體現了固體表麵吸附能力的強弱，表麵能越高，其表麵的吸附能力越強。具有疏水、低表麵能特征的氣潤濕反轉劑分子中包含親水性的羥基(—OH)和憎水性的高分子化合物氟碳烷基(—CF)。其中，親水性的羥基(—OH)通過物理吸附的形式附著在煤體表麵，而憎水性的氟碳烷基(—CF)朝向遠離煤體表麵的方向。氣潤濕反轉劑分子在煤體表麵的吸附，降低了煤體表麵自由能，減弱了煤體表麵對瓦斯的吸附能力，增加了遊離瓦斯量；同時，由於煤體表麵潤濕性由液潤濕轉變為氣潤濕，毛細管力產生的方向發生變化，實現了“反毛細管效應”，從而由阻力變成動力，促進瓦斯的抽采。

2試驗材料與處理

2.1試驗材料

選用的煤樣取自晉城玉溪煤礦，其最大原始瓦斯含量為18.53～25.59 m3/t，最大原始壓力為1.76～2.90 MPa，煤層透氣性係數為0.134～0.26 m2/(MPa2·d)，百米鑽孔自然初始瓦斯湧出強度為0.055 9～0.091 0 m3/(min·hm)，鑽孔自然瓦斯流量衰減係數為0.042～0.046 d-1。利用不同孔徑大小的標準篩進行篩分，篩選出粒度大小為200目以下的煤粉用於煤樣片的製備；篩選出粒度大小為60～80目的煤樣，用於煤樣的工業分析試驗和解吸試驗。煤樣工業分析參數見表1。

表1煤樣工業分析

筆者在前期進行不同類型表麵活性劑的篩選，優選出具有疏水、低表麵能的氣潤濕反轉劑。為進一步研究氣潤濕反轉劑處理前後對煤體解吸特性的影響，在本文中采用的表麵活性劑包括全氟烷基季胺碘化物(FC134)和氟碳表麵活性劑(FC117)。

2.2試驗裝置

試驗裝置包括JMBJS20002型電子天平、壓力機(自製)、電熱鼓風幹燥箱、JC2 000C1型接觸角測量儀、含瓦斯多元氣體置換係統。JMBJS20002型電子天平用於稱量出質量為0.5 g的煤粉，確保壓製出的煤樣片形狀、大小一致。壓力機用於煤樣片的壓製工作，壓力載荷設置為120 kN，穩壓30 min，製成直徑為25 mm，厚度為5 mm的煤樣片。電熱鼓風幹燥箱用於煤樣片和顆粒煤(60～80目)的幹燥，其溫度設置範圍為0～400℃。JC2 000C1型接觸角測量儀包括樣品台、成像係統以及計算機與相應的檢測軟件係統，可實現接觸角和表麵張力的精準測量。含瓦斯多元氣體置換係統包括3套獨立的煤樣室以及對應的傳感器、參考罐、氣瓶、真空泵、計算機與相應的軟件係統。

2.3接觸角與表麵張力測試

通過JC2000C1型接觸角測量儀及其分析係統，，利用躺滴法測定2種氣潤濕反轉劑在不同濃度梯度下處理後煤樣的接觸角以及利用懸滴法對表麵活性劑溶液的表麵張力進行測定。其中，表麵活性劑的濃度依次為0、0.2%、0.5%、0.8%、1.0%和1.5%。

采用躺滴法進行接觸角的測定時，為了避免水對氣潤濕反轉劑反轉結果的影響，首先利用噴散法將不同濃度的表麵活性劑溶液噴灑在煤樣片表麵，放置在105℃鼓風幹燥箱中幹燥24 h以上，直至煤樣質量不再變化，取出冷卻備用。同時，將剩餘的表麵活性劑溶液按照上述的操作，將不同濃度表麵活性劑處理後的煤樣按照濃度大小的不同進行排序，並貼上表麵活性劑種類和濃度的標簽，以便表麵張力的測定和記錄。

2.4氣潤濕反轉前後瓦斯解吸特征測試

為了進一步研究氣潤濕反轉劑對煤體解吸效果的影響，利用含瓦斯多元氣體置換係統對氣潤濕反轉劑消除煤層水鎖效應、提高瓦斯抽采效果進行定量研究，具體試驗步驟：

1)首先將取自玉溪煤礦煤樣進行破碎，篩選出60～80目的顆粒煤6份。

2)選擇3份煤樣，分別浸泡在蒸餾水、FC117和FC134表麵活性劑溶液中，浸泡48 h；然後放置在105℃鼓風幹燥箱中幹燥48 h以上，直至煤樣質量不再變化，取出冷卻備用。

3)檢查含瓦斯多元氣體置換係統中煤樣室及管路的氣密性、傳感器與軟件係統的運行情況，確保整個係統能夠正常工作。

4)將煤樣裝進煤樣罐，聯通煤樣罐與真空泵係統，進行抽真空工作24 h，抽至20 Pa以下。

5)抽真空結束之後，首先進行甲烷平衡壓力為0.5 MPa的充氣工作，吸附時間12 h以上，且2 h內煤樣罐中壓力不發生變化。

6)將解吸儀連接煤樣罐的出口閥，打開出口閥，當瓦斯壓力降至0.01 MPa以下，開始解吸工作，剛開始每分鍾記錄1次讀數，30 min以後，解吸量減小，每5 min記錄1次讀數，共記錄1 h的讀數。

7)依此類推進行甲烷平衡壓力為1.0,1.5,2.0和2.5 MPa的充氣工作，重複步驟5)和6)。

8)選擇步驟1)的另外煤樣3份，稱量完全幹燥條件下的煤樣質量，計算其含水率為1%條件下的質量。分別浸泡在蒸餾水、FC117和FC134表麵活性劑溶液中，浸泡48 h；然後放置在60℃鼓風幹燥箱中幹燥48 h，稱量煤樣質量，觀察是否達到預定含水質量。若離預定質量較近時，每隔30 min，稱量一次，直至達到預定的含水質量，取出冷卻備用。

9)參照幹燥煤樣解吸步驟，重複步驟3)～7)。