魏建平,王洪洋,司磊磊,席宇君

(1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000；2.河南理工大学 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地，河南 焦作 454000；3.河南理工大学 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心，河南 焦作 454000)

瓦斯灾害和粉尘灾害严重影响着我国煤矿的安全生产，在煤层回采之前，通常需要对高瓦斯煤层进行预抽，但是伴随着瓦斯含量的降低，煤层中水分也会逐渐减少，反而不利于粉尘灾害的防治。煤层注水是一种综合性灾害防治措施，水进入煤体后，将煤体预先润湿，从而抑制粉尘的产生。同时，含水率的增加还可以抑制瓦斯解吸，降低煤层突出危险性。虽然煤层预抽会显著降低煤层瓦斯含量，但孔隙中残余的瓦斯仍会影响水对煤表面的润湿特性，一方面瓦斯会与水分子形成竞争吸附，减少水分子的吸附位点，使得煤的润湿性减弱，另一方面孔隙中的瓦斯会影响水溶液的流动性能，进一步降低了注水润湿煤体的效果。因此，为了提高含瓦斯煤的注水润湿效果，需对瓦斯氛围下煤水固液接触特征进行深入探索。

针对煤表面的润湿特性，众多学者已开展了大量研究，普遍认为，煤表面的润湿特性主要由煤表面性质和水溶液性质共同决定。煤表面性质主要由无机矿物和有机组分共同影响，一般认为，煤中矿物质有利于水溶液对煤表面的润湿，如陈跃等研究了低阶煤不同宏观煤岩组分对煤润湿性的影响，发现无机矿物普遍具有亲水性，可以增强煤的润湿性。程卫民等同样认为烟煤中以石英为代表的无机矿物是提高煤尘亲水能力的主要因素；除了矿物质以外，煤中有机官能团也是影响煤润湿性的重要因素，煤表面亲水性与含氧官能团有着密切的联系，如王超群等发现随着煤表面羰基和羟基基团的增加，煤表面润湿性逐渐增强，而随着脂肪烃、芳香烃等官能团数量的增加，煤表面润湿性逐渐减弱。WANG等利用红外光谱试验研究了煤尘中含氧官能团对煤体润湿性的影响，发现羟基、羧基、硅酸盐及碳酸盐等具有亲水性，且羟基官能团是影响煤体润湿性的主要因素，相反苯环、脂肪烃、芳香烃等含碳大分子具有疏水性；此外，众多学者针对水溶液性质对煤润湿性的影响也开展了大量的研究，普遍认为在水中添加合适的表面活性剂，可以降低水溶液表面张力，提高水溶液的润湿性能。

然而，煤水接触角是三相接触角，除了固相与液相的影响之外，气相也是影响煤水接触角的重要因素。针对气体环境对煤水接触角的影响也有学者做了相关研究，ZHU和XING测试了3种煤在不同N压力条件下煤水接触角的变化情况，结果表明，随着气体压力的不断升高，煤水接触角逐渐增大。SUN Xiaoxiao等采用核磁共振的试验方法测试了烟煤及无烟煤在CO氛围下煤水接触角的变化情况，发现注入CO后，随着CO的压力升高，CO对煤表面的气润湿能力逐渐增强，而水分子的液润湿能力逐渐下降。同样，ZHU Chuanjie等发现在CO压力低于6.1 MPa的条件下，随着压力的升高，CO密度增加，其分子间吸引力增大，导致煤水静态和动态接触角都略有增加，且在高压下增加幅度更为显著。综上，针对气相环境对煤水润湿特性的影响已经开展了相关研究，且取得了一定的成果，普遍将煤水接触角的变化归结于环境压力的影响。然而，煤是一种复杂的多孔介质，煤中大量的微小孔隙为煤表面提供了较高的表面自由能，使其对瓦斯具有很强的吸附特性，在瓦斯氛围下，除了气相压力会对三相接触角产生影响以外，煤对瓦斯的吸附也会降低煤表面自由能，并使煤的表面特性发生改变，进而影响煤水固液接触特征。但关于瓦斯吸附特性对煤水接触角的影响仍缺乏深入认识，需进一步探索水溶液对含瓦斯煤的固液接触特征，掌握瓦斯吸附特性及环境压力对煤水固液接触角的影响，为进一步提高煤层注水润湿效果奠定理论基础。

综上，为了进一步揭示瓦斯氛围下煤水固液接触机制，笔者搭建了瓦斯氛围下煤水润湿角测试系统，通过测试不同甲烷及氦气压力条件下的煤水接触角，对比分析环境压力及煤吸附特性对煤水接触角的影响。此外，通过煤表面形貌测试试验、CO吸附试验及XRD试验，获得煤表面结构特征，进而从微观角度阐释含瓦斯煤润湿特性的影响因素，研究成果可为进一步改善煤层注水效果奠定理论基础。

1 试 验

1.1 煤样制备

笔者选取2种不同变质程度的煤样作为研究对象，分别是山西成庄煤矿的无烟煤(CZ)和陕西神木大弯煤矿的烟煤(DW)。所用煤样均是从煤矿井下现场采集，密封运回实验室后，将煤样进行切割、粉碎，用于后续测试。其中，将大块煤样切割成50 mm×3 mm的圆形薄片，用于接触角测试和表面形貌测试，其余煤样经粉碎筛分后，取40～60目(0.425～0.250 mm)的煤粉用于煤的微孔结构测试(低压CO吸附试验)；取200目(0.074 mm)以下煤粉用于煤的矿物质组分测试(X射线衍射试验)；取80目(0.180 mm)以下煤粉，进行工业分析。2种煤的基本参数见表1。

表1 工业分析结果

1.2 瓦斯氛围下煤润湿角试验

为了研究气相氛围对煤表面润湿特性的影响，设计了瓦斯氛围下煤水接触角测试系统，如图1所示，该测试系统主要由高清相机、高压透明腔体、注气系统、真空脱气系统、数据处理系统及温控系统6个部分组成。该测试系统可以完成不同气体氛围、不同环境压力条件下的煤水润湿角测试，试验流程如下：

(1)将制备好的片状煤样进行打磨，使其表面光滑，无颗粒感，真空干燥6 h后用于接触角测试。

(2)经气密性检测后，将煤样置于高压透明腔体内，并真空脱气4 h，排除腔体及煤中残余气体。

(3)连接注气装置，充入甲烷气体至预设压力，关闭阀门后将腔体至于恒温环境(30 ℃)中。

(4)静置6～8 h，观察高压透明腔体上的压力传感器，待压力传感器数值在30 min内的波动低于0.05 MPa时，即可认为达到吸附平衡状态。此时打开电脑及接触角测量软件，调整位置，使得瓦斯腔体中的煤样表面出现在高清相机镜头内，并进行接触角测试。

(5)测量完成后取出煤样，重新进行真空烘干，改变气体种类和预设压力，其中预设的气体分别为氦气和甲烷气体，预设的气体压力分别为：0，0.5，1.0，1.5，2.0 MPa(需要说明的是，笔者所使用的煤样为50 mm×3 mm的圆形薄片，其体积较小，而高压透明腔体体积较大，内部空间约200 mL，向腔体内充入甲烷达到预设压力后，煤对甲烷的吸附量较少，基本可以维持在预设压力附近)。重复(1)～(4)操作过程，获得不同气体氛围下的煤水接触角。

为了获得不同气体环境下的煤水接触角，笔者分别采用不用压力条件下的甲烷和氦气(非吸附性气体)进行固液接触角测试，以获得环境压力及气体吸附作用对煤水接触特征的影响规律。

图1 瓦斯氛围下煤水接触角测试试验装置Fig.1 Experimental device diagram of coal-water contact angle test in gas atmosphere

1.3 煤表面三维形貌分析

煤表面形貌可以初步反映煤表面自由能的大小，为了获得煤样表面粗糙程度，将制备好的50 mm×3 mm的煤片进行打磨，真空干燥6 h后，采用带3D形貌模块的Attension Theta光学表面张力仪/接触角测量仪，测量煤样表面形貌特征，获得煤样的表面照片及三维形貌云图。

1.4 低压CO2吸附试验

煤的微孔隙是决定煤比表面积和瓦斯吸附能力的重要因素。因此，采用低压CO吸附试验测试煤的微孔结构参数，该试验在北京市理化分析测试中心进行，仪器为ASAP 2020物理吸附仪，该设备的基本配置是2个双级机械泵和1个分子涡轮泵，仪器分析站真空度可达1.3 mPa，相对压力可达0.013 mPa，主要用于测量微孔活性炭和分子筛等催化材料的孔隙分布。试验步骤：测试开始前称量空样品管的质量，记为；煤样装入样品管并经过预处理后，再次称量样品及样品管的质量，记为。随后将样品管置于测试管路，并将质量及输入测试系统中，开始煤样孔径分布及比表面积等相关参数的测试试验。

1.5 XRD试验

煤表面矿物质会影响煤的瓦斯吸附能力、孔隙结构及润湿特性，因此采用XRD试验分析煤中矿物质组成成分，试验在山东济宁市天合科研测试中心完成，测试仪器为多晶(粉末)X射线衍射仪，经X射线衍射仪测试后，采用MDI Jade 5.0分析软件进行分析，获得煤的物相分析结果，并依据粉末衍射联合会国际数据中心提供的物质标准粉末衍射资料进行分析，然后将数据导出，利用数据处理软件进行分析。

2 试验结果与分析

2.1 瓦斯氛围下煤水接触角试验结果分析

图2为2种煤样在不同甲烷及氦气压力条件下的煤水接触角测试图片，测试压力为0～2 MPa，图3为2种煤样在不同气体压力下的煤水接触角变化规律。由图2，3可以看出，无论是在甲烷环境还是氦气环境，煤水接触角都随气体压力的增加而增加，且在吸附性气体环境中，煤水固液接触角增加幅度更为明显。在0～2 MPa，随着甲烷压力的不断升高，CZ煤样与水的接触角由72.99°增加到106.90°，增大了33.91°。DW煤样与水的接触角由61.23°增加到85.14°，增大了23.91°。同样，在氦气环境下，随着氦气压力的不断升高，CZ煤样与水的接触角由72.99°增加到78.36°，增大了5.37°；DW煤样与水的接触角由61.23°增加到70.83°，增大了9.60°。特别需要注意2点：① 2种煤在甲烷环境下的润湿角均大于在氦气环境下的润湿角；② 在甲烷环境下，随着气体压力的升高，CZ煤样由亲水性润湿(常压：72.99°)先后转变为中性润湿(1.0 MPa：90.60°)和疏水性润湿(2.0 MPa：106.90°)。而DW煤样则始终保持在亲水性润湿范围。分析认为，在甲烷氛围下，煤水接触角同时受到甲烷吸附作用和环境压力的共同影响，而氦气属于非吸附性气体，在氦气氛围下，气体吸附不再影响煤水接触角。而2种煤对甲烷的吸附能力不同，也直接影响着甲烷吸附作用对润湿角的影响。

图2 不同气体压力条件下煤水接触角测试Fig.2 Coal-water contact angle test under different gas pressure conditions

图3 不同气体压力条件下煤水接触角Fig.3 Coal-water contact angle under different gas pressure conditions

2.2 煤表面三维形貌试验结果分析

表面粗糙程度可以初步反映煤表面自由能的大小，是影响煤对甲烷吸附能力及水溶液润湿的重要因素。图4为CZ及DW煤样的表面照片及三维形貌云图，图中橘红色区域和蓝色区域分别对应基准面的上方和下方区域，橘红色的部分表示凸起，蓝色的区域为凹陷部分。由图4可以看出，不同煤样的表面形态表现出不同的特征，CZ煤样具有条带状结构，外观光泽度好，呈多棱角颗粒状，由图4(a)中三维形貌图可以看出，CZ煤样表面高低峰差值保持在-30～30 μm，形成的“沟壑”及边缘高度差较大，且数量多，堆积不均匀，整个煤样表面粗糙度相对较大。由图4(b)可以看出，DW煤样表面光泽度低，表面颗粒平滑，煤样整体仅存在微量-30 μm以内的低谷，普遍保持在-5～10 μm，形成的“沟壑”及边缘高度差较小，整体起伏比较平缓，堆积均匀，因此DW煤样表面粗糙程度相对较小。以上结果说明，CZ煤样的粗糙程度更大，其表面具有更高的比表面积及表面自由能，这与瓦斯吸附常数结果一致。

图4 不同变质程度煤样表面照片及三维形貌Fig.4 Photo and three-dimensional topography of the coal surface with different degrees of metamorphism

2.3 低压CO2吸附试验结果分析

煤的微孔结构特征直接决定着煤的比表面积及甲烷吸附能力，图5为采用CO吸附试验获得的CZ煤样和DW煤样的微孔孔径分布，表2为2种煤样的微孔体积和微孔比表面积。从图5可以看出，2种煤样均在孔径0.5～0.6，0.8～0.9 nm之间出现明显的峰值，而CZ煤样在1.1 nm处也出现了1个峰值，说明此范围内的孔隙数量较多。

结合表2可以看出，CZ煤样和DW煤样的微孔比表面积分别为222.37，163.24 m/g，微孔体积分别为0.041 21，0.029 28 cm/g，说明相较于DW煤样，CZ煤样的微孔隙更为发育。这主要是因为CZ煤变质程度更高，属于无烟煤，而DW煤样属于烟煤，微孔发育程度相对较低。微孔隙的发育程度直接决定了煤的比表面积，而煤比表面积越大，对瓦斯的吸附能力越大，这也解释了CZ煤样的极限吸附量可以达到36.82 cm/g，而DW煤样的极限吸附量只有18.67 cm/g。

图5 CZ煤样和DW煤样的微孔孔径分布和累积微孔体积Fig.5 Micropore size distribution and cumulative micropore volume of CZ and DW coal sample

表2 CO2吸附试验数据

2.4 XRD试验结果分析

图6为2种煤样的XRD图谱，其中衍射峰的强度与矿物质的数量有关，衍射峰在XRD图谱上显示的峰值越高，衍射峰的强度就越强，对应的矿物质的含量就越多。由图6可以看出，CZ煤样的主要矿物质成分为高岭石、硬石膏和方解石，其中代表高岭石的峰有4个，代表方解石的峰有3个，代表硬石膏的峰有2个，且高岭石的峰最高，对应的数量最多；DW煤样的主要矿物质成分为高岭石、方解石，石英以及石膏，其中代表高岭石的峰有3个，代表石英的峰也有3个，代表方解石以及硬石膏的峰各有2个。可以发现CZ煤中硬石膏、高岭石及方解石的衍射峰较高，对应的数量较多。而高岭石属于黏土矿物质，属于煤化第2阶段的产物，亲水性较弱，而煤表面原生矿物质石英的含量对煤润湿性会有提升作用，结合试验结果可知，煤中矿物质的存在是造成CZ煤样与DW煤样润湿性存在差异的中重要原因之一。此外，煤中矿物质的存在会影响煤的孔隙结构特征及瓦斯吸附特性，进而改变瓦斯氛围下的煤水固液接触特征。

图6 CZ煤样和DW煤样的XRD图谱Fig.6 XRD patterns of CZ and DW coal samples

3 讨 论

笔者采用瓦斯氛围下煤水固液接触角测试系统，研究了2种煤在不同甲烷及氦气压力条件下的煤水接触角变化规律，通过煤表面形貌测试、低压CO吸附试验及XRD试验分析了煤的表面结构特征，下文将从瓦斯吸附作用、环境压力影响及煤表面结构特征3个方面分析瓦斯氛围下煤水固液接触特征的变化规律：

(1)甲烷吸附作用对煤水润湿性的影响。通过对比不同甲烷及氦气压力条件下的煤水固液接触角变化规律，可以看出，随着气体压力的增大，煤水接触角逐渐增大，且在甲烷氛围下，煤水接触角增大的幅度明显大于氦气压力条件下的增大幅度。分析认为，气相氛围对煤水接触角的影响主要体现在2个方面：一方面是气体吸附作用致使煤表面自由能下降，进而降低了水对煤表面的润湿及铺展能力；另一方面是气液竞争吸附的影响。

结合本文测试结果可以发现，CZ煤属无烟煤，具有较强的吸附能力，其吸附常数值可以高达36.82 cm/g，而DW煤属烟煤，其吸附常数值仅为18.67 cm/g。在甲烷氛围下，CZ煤样的润湿角先由亲水性润湿过渡为中性润湿，最终达到了疏水性润湿，而DW煤样始终保持在亲水性润湿范围，直接说明了无烟煤较高的甲烷吸附能力对煤水固液接触特性产生了重要影响。聂百胜等在研究煤表面特征对甲烷吸附性能的影响中发现，煤在吸附甲烷以后，表面自由能降低，根据能量最低原理，表面自由能越低，其表面系统越稳定。结合本文的试验结果可知，氦气属于非吸附性气体，在煤的孔隙中以游离态的形式存在，因此对煤表面自由能的影响较小，在氦气环境下，煤水固液接触角主要由固液自身性质和环境压力影响，而在甲烷氛围下，甲烷分子会吸附于煤孔隙表面，使煤的表面自由能降低，根据能量最低原则，煤的表面状态将更加稳定，致使润湿性减弱。

气液竞争吸附也是一个关键的因素，张书林等认为水分子会占据甲烷分子的吸附点位，并堵塞甲烷分子的流动通道，使得甲烷吸附量减少。一些学者通过计算分子间作用力发现，在水介质中煤大分子与甲烷分子之间的范德华力远小于真空介质中，由于氢键的存在使得煤大分子与水分子的作用力大于煤与甲烷分子。如图7所示，笔者采用Materials studio分子动力学模拟软件，建立了典型的无烟煤分子模型(图7(a))，采用其中的Sorption模块，进行吸附模拟试验，分别模拟了煤分子吸附水至饱和状态(图7(b))、煤分子吸附甲烷至饱和状态(图7(c))、煤分子吸附甲烷至饱和后再吸附水分子至饱和(图7(d))等3种情况，其中，水分子用蓝色阴影标出，甲烷分子用红色阴影标出，煤分子中的C原子用灰色标出，H原子用白色标出，O原子用红色标出，N原子用蓝色标出。结果发现，无烟煤分子吸附水分子至30个时体系达到饱和状态，吸附甲烷分子至6个时达到饱和状态。此外吸附甲烷分子至饱和状态后再吸附水分子时，仅吸附18个水分子就达到饱和状态。由此可见，水溶液润湿含瓦斯煤体时，受到竞争吸附作用的影响，水分子的吸附位点减少，吸附量降低，润湿性减弱。

图7 气液竞争吸附分子动力学模拟Fig.7 Molecular dynamics simulation of gas-liquid competitive adsorption

在常压条件下(图8(a))，只少量的气体分子吸附或游离于煤体孔隙内，而在高压甲烷条件下，大量甲烷分子会吸附于煤孔隙表面(图8(b))，部分以游离态的形式存在于煤孔隙中，进行煤水接触角测试时，由于甲烷分子已占据了煤表面的吸附位点(图8(c))，水分子需与先前已经吸附于煤表面的甲烷分子竞争，从而达到润湿的效果。由此可以看出甲烷分子与水分子存在相互竞争的关系，并且水分子的吸附能力要大于甲烷分子。然而在瓦斯氛围下，尽管煤对水分子的吸附能力大于对甲烷分子的吸附能力，但由于甲烷分子已先于水分子吸附于煤孔隙表面，占据了水分子吸附位点，从而造成煤润湿性减弱。

此外，ZHU等发现静态接触角随着压力的增长线性增加，当压力在0.1～6.1 MPa时，大多数接触角位于70°～90°，但是当压力达到7.38 MPa时，煤表面变成强烈的气润湿，当压力增大到14.1 MPa时，接触角甚至会更高。同时KAVEH等通过设置0.2～16.0 MPa高压条件下的润湿性试验，观察到当压力高达5.7 MPa时，会出现从水润湿向气润湿的转化过程，接触角随着压力的增大而增加。由此可以看出，在高压条件下，煤的润湿性会出现由水润湿向气润湿的转化现象，大幅提高气体吸附量，接触角会逐渐增大，甚至由亲水性变成疏水性。如图9所示，常压条件下，煤水润湿角主要由煤表面结构特征影响，吸附甲烷后，甲烷分子吸附于煤表面形成气膜，此时水分子需额外做功冲破气膜，才能达到润湿煤体的作用。且随着气体压力增加，煤对甲烷的吸附会由单分子层吸附过渡为多分子层吸附，此时煤表面的气膜厚度也会增加，进而导致随着压力的升高，润湿角逐渐变大。

综上，水分子较强的吸附能力对煤表面润湿是有利的，但由于在甲烷氛围下，甲烷分子已在煤表面形成气膜，大幅降低了水分子与煤表面的接触机会，进而降低了水对煤表面的润湿能力。

(2)环境压力对煤水润湿性的影响。在甲烷氛围下，除了吸附作用对煤水接触角会产生影响外，环境压力也是不容忽视的一个因素。由于氦气是一种非吸附性气体，因此进行了氦气氛围下煤水接触角测试，试验结果表明，在0～2 MPa，随着氦气压力的不断升高，煤水接触角均有一定程度的增大，因此可以表明环境压力是影响煤水接触的重要因素之一。分析认为，在高压条件下，煤孔裂内会有大量的游离气体，这些气体在煤孔隙内部形成“气墙”，阻碍水分子的运移。随着煤孔隙内气体压力的升高，水分子进入煤孔隙内部的阻力也随之增大。因此，气体压力越高，煤润湿性越差。

图8 煤孔隙内气液竞争吸附示意Fig.8 Gas-liquid competitive adsorption diagram in coal pores

图9 吸附甲烷前后煤表面接触角变化Fig.9 Change of coal surface contact angle before and after gas adsorption

(3)煤表面结构对含瓦斯煤润湿特性的影响。煤表面结构特征是决定煤水接触角的根本性质，鉴于众多学者针对煤结构对煤润湿性的影响已做出了大量研究，笔者重点讨论在瓦斯氛围下煤体表面结构如何影响煤的润湿性。

对于含瓦斯煤的润湿特性，煤表面粗糙程度和孔隙结构可以通过影响煤表面自由能和瓦斯吸附能力改变含瓦斯煤的润湿特性。从本文试验结果可以看出，随着甲烷压力的增加，CZ煤样的润湿性先后经历了亲水性润湿、中性润湿和疏水性润水润湿3个阶段的变化。而DW煤样的润湿角尽管有一定程度的增加，但仍然属于亲水性润湿范围，分析可知，CZ煤样具有更加粗糙的表面，初步说明CZ煤样具有更高的表面自由能，结合微孔结构测试结果可以发现，其微孔隙更为发育，为CZ煤样提供了更高的比表面积，因此CZ煤样具有更强的甲烷吸附能力。在甲烷氛围下，CZ煤样对甲烷的强吸附特性使水对煤的润湿能力直接发生了改变。此外，在煤层注水过程中，液相润湿不同于气相润湿，煤对气体的吸附能力由孔隙比表面积和孔容共同决定；在低压阶段，微孔填充和单分子层吸附主导了其吸附过程，在高压阶段，则由多分子层吸附和毛细凝聚现象主导，且在高压阶段气相会转变为液相进而极大的提高气体吸附量。然而，液体属于不可压缩流体，因此孔容决定着煤的润湿效果，而煤的孔容主要由中孔及大孔决定。对于变质程度较高的无烟煤，其微孔结构十分发育，中孔及大孔发育相对较弱，因此具有较高的比表面积及较强的甲烷吸附能力，但水润湿效果却较差。综上，甲烷氛围对于无烟煤润湿角的影响更为显著。

煤中无机矿物质可以通过影响煤的孔隙结构来影响煤对甲烷的吸附能力。李明等通过对比不同煤的孔隙参数发现，煤中矿物质含量主要对煤的微孔发育程度造成影响，随着矿物质的增多，煤的微孔孔容及比表面积均呈下降趋势，且比表面积的下降趋势更为明显。由此可见，煤中的矿物质可以堵塞煤中孔隙，降低煤的比表面积，进而降低煤对甲烷的吸附能力，从而影响含瓦斯煤的润湿角变化规律。但另一方面，煤中矿物质普遍是亲水性的，尤其是以石英为代表的矿物质，其亲水性较好，可以提高煤表面的润湿特性。文金浩等通过分析矿物含量与润湿角的关系，发现随着煤尘灰分的增加，煤尘润湿角有减小的趋势。张建国等通过对平顶山矿区煤尘微细观润湿特性的研究，发现石英具有较好的亲水性，而高岭石和碳酸钙的亲水性就相对较弱，且SiO含量越多，接触角越小，润湿性能越好。结合笔者测试结果可知，DW煤样中检测出含有较多的石英矿物质，这进一步解释了DW煤样在初始条件下就具有较好的润湿性能。

在采用煤层注水润湿煤体时，通常会对高瓦斯煤层进行预抽，但通过本文试验及分析可知，水溶液对含瓦斯煤的润湿能力会受到环境压力及煤自身吸附特性的影响，随着瓦斯压力及煤吸附能力的增强，水溶液对煤的润湿能力会逐渐减弱。因此，为了提高煤层注水润湿效果，在预抽煤层瓦斯时，应尽可能降低煤层瓦斯压力及含量，从而降低孔隙瓦斯对煤层注水的影响。

4 结论及建议

(1)随着甲烷或氦气压力的增加，煤水接触角逐渐增大，且在甲烷氛围下，煤水接触角增加的幅度更加明显。

(2)甲烷的强吸附特性是影响煤润湿性的重要因素。一方面，吸附甲烷后煤表面自由能降低，界面更加稳定，致使润湿性减弱；另一方面，竞争吸附作用和表面气膜的影响进一步削弱了煤的润湿性。

(3)无烟煤具有更加发达的微孔结构和更高的表面自由能，其对甲烷的吸附能力更强，致使在甲烷氛围下，无烟煤的润湿角变化幅度更为显著。矿物质在一定程度上也可以影响煤的孔隙结构及润湿特性。

(4)为了提高含瓦斯煤的注水润湿效果，在采用煤层注水前，应尽可能降低煤层瓦斯含量及压力，以减弱瓦斯对煤层注水的干扰。

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