接触角测量中型煤与原煤的适用性研究*

2018-09-04郑梦浩王兆丰岳基伟马树俊霍肖肖

中国安全生产科学技术 2018年8期

郑梦浩，王兆丰,2，岳基伟，马树俊，霍肖肖

(1.河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作 454000；2.煤矿灾害预防与抢险救灾教育部工程研究中心，河南焦作 454000)

0 引言

煤层注水作为一种治理煤矿瓦斯、煤尘的技术措施，其具有防突[1-2]、降尘[3-4]的双重功效。如果煤的润湿性好，则煤层注水效果好；反之，则效果不好。判断煤的润湿性最直接的办法就是测量煤表面接触角，接触角小，说明润湿性好；接触角大，说明润湿性差[5-7]。目前，测量接触角所需煤样的制备方法有：成型煤粉法和原煤研磨法。王彩云等[8]研究表明：采用原煤研磨法制备的煤样试片，所测得的接触角更加接近真实值，其误差较小，准确度高；闫智婕等[9]研究表明：利用压制煤粉试片的方法来测量煤样表面接触角，试验操作过程简单，且误差较小，再现性高；李骄阳等[10]针对表面活性剂对煤润湿性的研究中，直接选择成型煤粉法来测量煤水表面接触角；刘水文等[11]针对水对煤润湿的临界表面张力计算研究中采用原煤煤片测量煤水接触角。针对接触角的测量，众多的学者采用的是单一的方法，即成型煤粉法或原煤研磨法[12-16]，且未对2种方法的适用性开展研究。

鉴于此，为了探索2种煤样制备方法对煤水接触角测量的影响及其适用性，本文选用贵源煤矿的硬煤样，分别采取上述2种方法制备煤样试片，选用蒸馏水及2种不同种类、不同浓度的表面活性剂溶液进行煤表面接触角的测量工作，以此对接触角测量中型煤与原煤的适用性展开研究，为煤表面接触角的测量提供参考价值。

1 煤样的制备、试验原理与试验步骤

1.1 煤样的制备

1)成型煤粉法

该煤样的制备步骤为：①将取回的新鲜煤样粉碎，筛选出粒径小于0.25 mm的煤样；②称取一定质量的煤粉，添加适量的蒸馏水，充分搅拌；③把充分搅拌后的湿润煤样加入压制模具中，用压力机压制成直径为50 mm、厚度为2 mm的煤样试片。压制负荷设置为120 kN，并稳压5 min。成型粉煤试片如图1所示。

图1 成型煤粉试片Fig.1 Molded coal powder specimen

2)原煤研磨法

该煤样的制备步骤为：①将取回的新鲜煤样用切割机切割成厚度为5 mm的煤样试片；②用砂纸打磨煤样试片，使其表面光滑，无颗粒感；③用蒸馏水清洗煤样试片，除去其表面粘附的煤粒。原煤研磨试片如图2所示。

图2 原煤研磨试片Fig.2 Grinding raw coal specimen

1.2 实验原理

接触角是指在液、固、气三相接触点O处，3个表面张力作用平衡时，液体—气体和液体—固体两界面的表面张力作用方向线所夹液体的角度θ[15]，如图3所示。

图3 接触角示意Fig.3 The diagram of contact angle

若θ< 90°，则说明被测固体表面具有亲水性，易被润湿，θ值越小，润湿性越好；若θ> 90°，则说明被测固体表面具有疏水性，不易被润湿，θ值越大，润湿难度越大。

1.3 试验步骤

1)选用脂肪醇聚氧乙烯醚(渗透剂JFCS，非离子型)、磺化玻拍酸二辛酷钠盐(快速渗透剂T，阴离子型)2种表面活性剂，并分别配制成浓度为0.1%，0.2%，0.3%，0.4%和0.5%的表面活性剂溶液。

2)采用JC2000C1型动态接触角测量仪测量煤样表面接触角。液滴在煤样表面上的形态，如图4所示。

图4 液滴在煤样表面上的形态Fig.4 The shape of a droplet on the surface of a coal sample

3)采用量角法测量液滴在用不同方法所制备的煤样表面上的接触角。

2 试验结果与分析

2.1 煤样表面接触角测量结果

按照上述实验步骤，采用量角法测量液滴在用不同方法所制备的煤样表面上的接触角。测量结果如图5～6所示。

图5 1#煤样采用2种方法所测得的接触角及两者之间的差值Fig.5 Contactangles measured by two methods and their D-values of 1# coal samples.

2.2 试验结果分析

由图5～6可知，对于试验中所用的任一种类、任一浓度的表面活性剂溶液，1#与2#煤样采用成型煤粉法所测得的表面接触角皆比采用原煤研磨法所测得的表面接触角小。分析两者之间的差值发现，在同种表面活性剂溶液下，采用2种方法所测得的接触角之间的差值较大且随浓度的变化比较平缓(见图5和6)，这在一定程度上证明了采用2种方法所测得的接触角之间存在较大的差异。

不同溶液下，1#与2#煤样采用2种方法所测得的接触角之间的差值计算结果见表1。

由表1可知，溶液为蒸馏水时，1#与2#煤样采用2种方法所测得的接触角之间的差值分别为12°和9°；浓度为0.1%，0.2%，0.3%，0.4%和0.5%JFCS表面活性剂溶液与0.1%，0.2%，0.3%，0.4%和0.5%快速渗透剂T活性剂溶液时，采用2种方法所测得的接触角之间的差值皆比用蒸馏水测得的两者之间差值大。分析原因认为：采用成型煤粉法所制备的煤样，其表面所具备的多孔性，较大幅度的提高了煤样的润湿性能，因此导致所测接触角与采用原煤研磨法所测接触角相比出现较大幅度下降的现象。由此可知，在探究表面活性剂对煤润湿性影响的试验中，煤样的制备方法会对煤水接触角的测量结果产生较大的影响。

图6 2#煤样采用2种方法所测得的接触角及两者之间的差值Fig.6 Contact angles measured by two methods and their D-values of 2# coal samples.

表1 2种方法所测得的接触角之间的差值Table 1 The D-values of the contact angles measured by the two methods

3 试验验证

3.1 试验步骤

1)制备型煤煤柱：①将取回的新鲜煤样粉碎，筛选出粒径小于0.25 mm的粉煤；②称取一定质量的粉煤，添加适量的蒸馏水(其质量为煤样质量的20%)，充分搅拌；③把充分搅拌后的湿润煤样加入压制模具中，采用压力机压制成直径为50 mm的圆柱体形型煤煤柱。压制负荷设置为120 kN，并稳压30 min。

2)制备原煤煤柱：①使用岩心管钻取大块新鲜煤块取得试验煤柱；②用蒸馏水清洗煤柱表面，除去表面粘附的粉煤颗粒。2种煤柱示意如图7所示。

图7 煤柱示意Fig.7 Coal coalpillar

3)将型煤煤柱放置于特制的可漏水容器中，将装有型煤煤柱的特制容器放置于装有清水的烧杯中，使水面没过煤柱顶端。初始阶段每5 s测试1次型煤吸水后的质量，50 s之后，每10 s测试1次煤柱吸水后的质量，直至质量不再发生变化为止。

4)将原煤煤柱放置于装有清水的烧杯中，使水面淹没煤柱顶端。初始阶段每5 h测试1次煤柱吸水后的质量，之后每10 h测试1次煤柱吸水后的质量，直至质量不再发生变化为止。

3.2 型煤煤柱与原煤煤柱吸水率分析

按照实验步骤测试型煤煤柱与原煤煤柱的吸水率，测量结果如图8所示。

图8 型煤煤柱与原煤煤柱吸水率Fig.8 Water absorption rates of briquette coal pillar and raw coal pillar

由图8可知，型煤煤柱与原煤煤柱的吸水率随时间变化的曲线符合指数为负数的幂函数图像特征，即2种煤柱的吸水速度随着时间的延长而逐渐减小。型煤煤柱的吸水率远大于原煤煤柱的吸水率。型煤煤柱的最终吸水率为39.6%，原煤煤柱的最终吸水率为5.2%，型煤煤柱最终吸水率是原煤煤柱最终吸水率的7.6倍；型煤煤柱的吸水速度远远大于原煤煤柱的吸水速度。型煤煤柱达到吸水平衡大致需要100 s，原煤煤柱达到吸水平衡大致需要300 h，原煤煤柱达到吸水平衡所需时间是型煤煤柱达到吸水平衡所需时间的10 800倍。这一试验现象验证了对于试验中所用的任一种类、任一浓度的表面活性剂溶液，利用成型煤粉法所测得的表面接触角相较于利用原煤研磨法所测得的表面接触角皆呈现较大幅度下降的现象。