接觸角測量中型煤與原煤的適用性研究*

鄭夢浩，王兆豐,2，岳基偉，馬樹俊，霍肖肖

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000；2.煤礦災害預防與搶險救災教育部工程研究中心，河南 焦作 454000)

0 引言

煤層注水作為一種治理煤礦瓦斯、煤塵的技術措施，其具有防突[1-2]、降塵[3-4]的雙重功效。如果煤的潤濕性好，則煤層注水效果好；反之，則效果不好。判斷煤的潤濕性最直接的辦法就是測量煤表面接觸角，接觸角小，說明潤濕性好；接觸角大，說明潤濕性差[5-7]。目前，測量接觸角所需煤樣的制備方法有：成型煤粉法和原煤研磨法。王彩云等[8]研究表明：采用原煤研磨法制備的煤樣試片，所測得的接觸角更加接近真實值，其誤差較小，準確度高；閆智婕等[9]研究表明：利用壓制煤粉試片的方法來測量煤樣表面接觸角，試驗操作過程簡單，且誤差較小，再現性高；李驕陽等[10]針對表面活性劑對煤潤濕性的研究中，直接選擇成型煤粉法來測量煤水表面接觸角；劉水文等[11]針對水對煤潤濕的臨界表面張力計算研究中采用原煤煤片測量煤水接觸角。針對接觸角的測量，眾多的學者采用的是單一的方法，即成型煤粉法或原煤研磨法[12-16]，且未對2種方法的適用性開展研究。

鑒于此，為了探索2種煤樣制備方法對煤水接觸角測量的影響及其適用性，本文選用貴源煤礦的硬煤樣，分別采取上述2種方法制備煤樣試片，選用蒸餾水及2種不同種類、不同濃度的表面活性劑溶液進行煤表面接觸角的測量工作，以此對接觸角測量中型煤與原煤的適用性展開研究，為煤表面接觸角的測量提供參考價值。

1 煤樣的制備、試驗原理與試驗步驟

1.1 煤樣的制備

1)成型煤粉法

該煤樣的制備步驟為：①將取回的新鮮煤樣粉碎，篩選出粒徑小于0.25 mm的煤樣；②稱取一定質量的煤粉，添加適量的蒸餾水，充分攪拌；③把充分攪拌后的濕潤煤樣加入壓制模具中，用壓力機壓制成直徑為50 mm、厚度為2 mm的煤樣試片。壓制負荷設置為120 kN，并穩壓5 min。成型粉煤試片如圖1所示。

圖1 成型煤粉試片Fig.1 Molded coal powder specimen

2)原煤研磨法

該煤樣的制備步驟為：①將取回的新鮮煤樣用切割機切割成厚度為5 mm的煤樣試片；②用砂紙打磨煤樣試片，使其表面光滑，無顆粒感；③用蒸餾水清洗煤樣試片，除去其表面粘附的煤粒。原煤研磨試片如圖2所示。

圖2 原煤研磨試片Fig.2 Grinding raw coal specimen

1.2 實驗原理

接觸角是指在液、固、氣三相接觸點O處，3個表面張力作用平衡時，液體—氣體和液體—固體兩界面的表面張力作用方向線所夾液體的角度θ[15]，如圖3所示。

圖3 接觸角示意Fig.3 The diagram of contact angle

若θ< 90°，則說明被測固體表面具有親水性，易被潤濕，θ值越小，潤濕性越好；若θ> 90°，則說明被測固體表面具有疏水性，不易被潤濕，θ值越大，潤濕難度越大。

1.3 試驗步驟

1)選用脂肪醇聚氧乙烯醚(滲透劑JFCS，非離子型)、磺化玻拍酸二辛酷鈉鹽(快速滲透劑T，陰離子型)2種表面活性劑，并分別配制成濃度為0.1%，0.2%，0.3%，0.4%和0.5%的表面活性劑溶液。

2)采用JC2000C1型動態接觸角測量儀測量煤樣表面接觸角。液滴在煤樣表面上的形態，如圖4所示。

圖4 液滴在煤樣表面上的形態Fig.4 The shape of a droplet on the surface of a coal sample

3)采用量角法測量液滴在用不同方法所制備的煤樣表面上的接觸角。

2 試驗結果與分析

2.1 煤樣表面接觸角測量結果

按照上述實驗步驟，采用量角法測量液滴在用不同方法所制備的煤樣表面上的接觸角。測量結果如圖5～6所示。

圖5 1#煤樣采用2種方法所測得的接觸角及兩者之間的差值Fig.5 Contactangles measured by two methods and their D-values of 1# coal samples.

2.2 試驗結果分析

由圖5～6可知，對于試驗中所用的任一種類、任一濃度的表面活性劑溶液，1#與2#煤樣采用成型煤粉法所測得的表面接觸角皆比采用原煤研磨法所測得的表面接觸角小。分析兩者之間的差值發現，在同種表面活性劑溶液下，采用2種方法所測得的接觸角之間的差值較大且隨濃度的變化比較平緩(見圖5和6)，這在一定程度上證明了采用2種方法所測得的接觸角之間存在較大的差異。

不同溶液下，1#與2#煤樣采用2種方法所測得的接觸角之間的差值計算結果見表1。

由表1可知，溶液為蒸餾水時，1#與2#煤樣采用2種方法所測得的接觸角之間的差值分別為12°和9°；濃度為0.1%，0.2%，0.3%，0.4%和0.5%JFCS表面活性劑溶液與0.1%，0.2%，0.3%，0.4%和0.5%快速滲透劑T活性劑溶液時，采用2種方法所測得的接觸角之間的差值皆比用蒸餾水測得的兩者之間差值大。分析原因認為：采用成型煤粉法所制備的煤樣，其表面所具備的多孔性，較大幅度的提高了煤樣的潤濕性能，因此導致所測接觸角與采用原煤研磨法所測接觸角相比出現較大幅度下降的現象。由此可知，在探究表面活性劑對煤潤濕性影響的試驗中，煤樣的制備方法會對煤水接觸角的測量結果產生較大的影響。

圖6 2#煤樣采用2種方法所測得的接觸角及兩者之間的差值Fig.6 Contact angles measured by two methods and their D-values of 2# coal samples.

表1 2種方法所測得的接觸角之間的差值Table 1 The D-values of the contact angles measured by the two methods

3 試驗驗證

3.1 試驗步驟

1)制備型煤煤柱：①將取回的新鮮煤樣粉碎，篩選出粒徑小于0.25 mm的粉煤；②稱取一定質量的粉煤，添加適量的蒸餾水(其質量為煤樣質量的20%)，充分攪拌；③把充分攪拌后的濕潤煤樣加入壓制模具中，采用壓力機壓制成直徑為50 mm的圓柱體形型煤煤柱。壓制負荷設置為120 kN，并穩壓30 min。

2)制備原煤煤柱：①使用巖心管鉆取大塊新鮮煤塊取得試驗煤柱；②用蒸餾水清洗煤柱表面，除去表面粘附的粉煤顆粒。2種煤柱示意如圖7所示。

圖7 煤柱示意Fig.7 Coal coalpillar

3)將型煤煤柱放置于特制的可漏水容器中，將裝有型煤煤柱的特制容器放置于裝有清水的燒杯中，使水面沒過煤柱頂端。初始階段每5 s測試1次型煤吸水后的質量，50 s之后，每10 s測試1次煤柱吸水后的質量，直至質量不再發生變化為止。

4)將原煤煤柱放置于裝有清水的燒杯中，使水面淹沒煤柱頂端。初始階段每5 h測試1次煤柱吸水后的質量，之后每10 h測試1次煤柱吸水后的質量，直至質量不再發生變化為止。

3.2 型煤煤柱與原煤煤柱吸水率分析

按照實驗步驟測試型煤煤柱與原煤煤柱的吸水率，測量結果如圖8所示。

圖8 型煤煤柱與原煤煤柱吸水率Fig.8 Water absorption rates of briquette coal pillar and raw coal pillar

由圖8可知，型煤煤柱與原煤煤柱的吸水率隨時間變化的曲線符合指數為負數的冪函數圖像特征，即2種煤柱的吸水速度隨著時間的延長而逐漸減小。型煤煤柱的吸水率遠大于原煤煤柱的吸水率。型煤煤柱的最終吸水率為39.6%，原煤煤柱的最終吸水率為5.2%，型煤煤柱最終吸水率是原煤煤柱最終吸水率的7.6倍；型煤煤柱的吸水速度遠遠大于原煤煤柱的吸水速度。型煤煤柱達到吸水平衡大致需要100 s，原煤煤柱達到吸水平衡大致需要300 h，原煤煤柱達到吸水平衡所需時間是型煤煤柱達到吸水平衡所需時間的10 800倍。這一試驗現象驗證了對于試驗中所用的任一種類、任一濃度的表面活性劑溶液，利用成型煤粉法所測得的表面接觸角相較于利用原煤研磨法所測得的表面接觸角皆呈現較大幅度下降的現象。

4 結論

1)采用成型煤粉法所測得的表面接觸角比采用原煤研磨法所測得的表面接觸角小。

2)在用表面活性劑溶液測量煤表面接觸角時，采用成型煤粉法所測得的接觸角與采用原煤研磨法所測得的接觸角之間的差值比用蒸餾水測量時兩者之間的差值更大。

3)型煤煤柱的吸水率遠大于原煤煤柱的吸水率，這一試驗現象驗證了對于試驗中所用的任一種類、任一濃度的表面活性劑溶液，利用成型煤粉法所測得的表面接觸角皆比利用原煤研磨法所測得的表面接觸角小的試驗現象。

4)原煤研磨法比較適用于硬煤的煤水接觸角測量；成型煤粉法較適用于無法制得原煤煤樣試片的接觸角測量。