摘要:為了提高煤層注水效果，描述了水對(duì)煤的潤(rùn)濕過程，試驗(yàn)測(cè)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?rùn)濕和鋪展;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(rùn)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(rùn)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(rùn)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(rùn)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(rùn)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(rùn)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(rùn)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(rùn)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(rùn)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(rùn)濕系統(tǒng)中水的表面力系如圖1所示。

圖1潤(rùn)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(rùn)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(rùn)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(rùn)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(rùn)濕能力愈大;若濕潤(rùn)邊角θ＞90°屬于不可濕潤(rùn)煤體，θ角愈大，潤(rùn)濕能力愈小。

由物理界面界面層模型潤(rùn)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(rùn)濕煤體。因此，水對(duì)煤體的潤(rùn)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(rùn)濕能力越強(qiáng)。

2水的表面張力及水與煤表面接觸角測(cè)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(cè)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(rùn)田純凈飲用水、蒸餾水、肥皂水和用1 300 mT磁場(chǎng)對(duì)純凈水進(jìn)行磁化10 min后的磁化水。