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煤體潤濕性與水溶液表面張力關(guān)系的實(shí)驗(yàn)分析【上】
來源:煤炭科學(xué)技術(shù) 瀏覽 224 次 發(fā)布時(shí)間:2025-11-07
摘要:為了提高煤層注水效果,描述了水對(duì)煤的潤濕過程,試驗(yàn)測試了6種水溶液的表面張力及其與成莊礦煤樣的接觸角,利用Zisman方法計(jì)算得到了成莊礦煤樣的臨界表面張力。結(jié)果表明,肥皂水的表面張力最低,成莊礦煤樣的平均臨界表面張力為17.15 mN/m,表面張力低于17.15mN/m的水能夠?qū)υ撁簶油耆珴櫇窈弯佌?表面張力大于17.15 mN/m的不同種類水,表面張力越逼近該值,其潤濕效果越好,并提出可以利用臨界表面張力來評(píng)價(jià)礦井水潤濕煤的效果。
煤層注水是煤礦防治多種災(zāi)害的一種重要技術(shù)手段。煤體濕潤后,可以減少采礦過程中粉塵的產(chǎn)生,防止礦山工作人員吸塵導(dǎo)致的塵肺、矽肺職業(yè)病,防止煤塵引起的爆炸。同時(shí)煤層注水可以降低煤體強(qiáng)度和彈性模量,增加煤體的塑性,使應(yīng)力分布比較均勻,減緩高應(yīng)力集中,防止煤與瓦斯突出、沖擊礦壓等災(zāi)害的發(fā)生。另外,煤層注水軟化堅(jiān)硬煤體,使綜采速度加快,提高產(chǎn)量和效率;還可以預(yù)防煤層自然發(fā)火。
由滲流理論和表面物理化學(xué)理論可知,水潤濕煤體的程度主要取決于水和煤體本身的性質(zhì)。研究表明,水與煤的相互作用表現(xiàn)在水對(duì)煤的潤濕作用和煤對(duì)水的吸附作用2個(gè)方面。在煤層注水工藝中,煤體是不可改變的;在水的性能上,體現(xiàn)水潤濕煤能力的主要參數(shù)是表面張力及其與煤的接觸角。文獻(xiàn)提出通過采用磁化水、在水中加入表面活性劑降低水的表面張力及其與煤的接觸角,增加水潤濕煤體的能力。筆者對(duì)不同種類水溶液的表面張力及其與煤的接觸角進(jìn)行試驗(yàn)研究,并計(jì)算臨界表面張力,為提高煤層注水效果提供了科學(xué)依據(jù)。
1水對(duì)煤的潤濕過程
水的表面張力是指存在于單位面積水上的Gibbs自由能,表面張力越小,液體越容易潤濕固體。物理界面界面層模型認(rèn)為,水所具有的表面層有自發(fā)收縮表面面積傾向,這是由于任何物質(zhì)的表面張力總是正值;但水的界面層不一定有自發(fā)收縮界面面積傾向,這是由于任何物質(zhì)的界面張力數(shù)值并不總是大于零,在表面外力大于表面內(nèi)力時(shí)界面張力數(shù)值應(yīng)小于零,這使水的界面層具有自發(fā)擴(kuò)大其界面面積傾向。因而在如圖1所示的界面張力時(shí)應(yīng)該表示界面張力作用方向,正、負(fù)2種界面張力的作用方向應(yīng)該相反。以傳統(tǒng)方式表示的潤濕系統(tǒng)中水的表面力系如圖1所示。
圖1潤濕系統(tǒng)中水的表面力系
由圖1可知,水只有水-空氣和水-煤體2種界面,因此,作用在水上必定也只有這2種表面力。當(dāng)水對(duì)煤體潤濕時(shí)(圖1a),水相中表面張力σL會(huì)收縮水滴表面積,而水與煤的界面張力σS會(huì)擴(kuò)大該水滴的界面,而水滴形狀是處于穩(wěn)定平衡狀態(tài),故可知這2個(gè)張力在某些作用點(diǎn)處必定存在著某種力學(xué)平衡狀態(tài),它們間的平衡式如下,這也是物理界面界面層模型潤濕方程。
σS+σLcosθ=0(1)
式中,θ為水與煤表面的接觸角,它是指在固、液、氣三相交界處,自固-液界面經(jīng)液體內(nèi)部而到液-氣界面的夾角。如果接觸角θ<90°屬可濕潤煤體,在相同的水表面張力系數(shù)條件下,θ角愈小,毛細(xì)作用力則愈大,增強(qiáng)了注水動(dòng)力,潤濕能力愈大;若濕潤邊角θ>90°屬于不可濕潤煤體,θ角愈大,潤濕能力愈小。
由物理界面界面層模型潤濕方程可知,當(dāng)水的表面張力σL減小時(shí),其與煤體的接觸角θ會(huì)通過降低來建立新的平衡狀態(tài),水能夠更好地潤濕煤體。因此,水對(duì)煤體的潤濕能力可由水的表面張力和與煤的接觸角大小來體現(xiàn),表面張力越小,與煤的接觸角越小,水對(duì)煤體的潤濕能力越強(qiáng)。
2水的表面張力及水與煤表面接觸角測試
2.1煤樣、水樣的采取與制備
為了研究成莊礦煤體的吸水性能,按國標(biāo)的規(guī)定,在成莊礦4308綜采工作面及5212綜掘工作面采取有代表性的分層煤樣,且不包含夾石層。按照接觸角測定中的煤樣要求加工成煤樣薄片,用砂紙進(jìn)行打磨,使其表面光滑。水樣包括成莊礦煤層注水所用的礦井水、普通自來水、潤田純凈飲用水、蒸餾水、肥皂水和用1 300 mT磁場對(duì)純凈水進(jìn)行磁化10 min后的磁化水。





