添加表面活性劑提高煤層注水效果試驗研究

馮京波

（晉能控股集團，山西 晉中 032600）

煤層注水是我國現階段煤礦井下廣泛應用的一項源頭減塵措施[1]，但在實際應用中，由于大多數煤體本身的強疏水性以及注入水分的快速蒸發，降低了注水效果。因此在注水過程中添加表面活性劑，改善水的潤濕和滲透等性能是近年來提高注水效果的研究熱點。本文通過理論分析研究表面活性劑濕潤煤體機理，試驗優選潤濕性能較好的表面活性劑種類和濃度，并開展現場試驗驗證添加表面活性劑的應用效果，以期為煤層注水表面活性劑的選擇和添加提供試驗數據和研究思路。

1 表面活性劑潤濕機理分析

煤是非均質、成分復雜的多孔介質，煤層注水的過程，首先是水在壓力作用下沿煤體裂隙和大孔隙滲透進水和貯水的過程，繼而是水在毛細管力和表面現象等物理化學作用下進行的吸附水過程[2]。

表面活性劑是能使溶液表面張力顯著下降的物質，其分子結構具有兩性：一端為親水基團，另一端為疏水基團。通過理論分析得出表面活性劑提高潤濕效果的原理為：

（1）添加表面活性劑會增加水在煤體中的滲透作用。表面活性劑溶液的粘性與水相比較小，滲透系數較大，因而在注水壓力和滲透面積相同的條件下，根據達西定律，滲透流量加大。

（2）表面活性劑的疏水基團與煤體的疏水表面具有較強的相互作用，因此表面活性劑將以疏水端朝向煤體表面，親水端伸向溶液，從而降低了溶液和煤體的液-固界面張力，也降低了煤體的界面自由能，使煤體的親水性增強，提高了溶液對煤體的潤濕效果[3]。

（3）在吸附水過程中，煤體內部的微小孔隙通過毛細作用力以較低流速吸附滲流通道中的水。毛細作用力的大小取決于孔隙的直徑、水的表面張力、水對煤的接觸角等[4]。當毛細孔徑不變時，表面活性劑會降低水對煤的接觸角，接觸角越小，則毛細管力越大。

2 表面活性劑優選復配

2.1 材料和方法

選取陽泉二礦81201 工作面回風巷8#煤作為試驗煤樣，根據《煤樣的制備方法》（GB 474-2008）對煤樣進行制備處理，利用200 目標準篩對煤樣進行篩分，使煤塵的粒度維持在74 μm 以下。

表面活性劑的選取首先要保證無毒，對環境和礦工不會造成污染及二次傷害，其次要保證具有較好的潤濕效果。文獻顯示陰離子表面活性劑和非離子表面活性劑的潤濕效果較好，通過篩選，選擇2種陰離子表面活性劑SDBS、SDS，2 種非離子表面活性劑OP-10、Triton X-100 作為試驗材料。

2.2 試驗及結果分析

2.2.1 表面張力測定

在實驗室分別配制濃度為0.01%、0.03%、0.05%、0.07%、0.1%、0.2%的表面活性劑溶液，利用QBZY 系列全自動表面張力儀對4 種單體表面活性劑的表面張力進行測定，每種濃度測定3 次取平均值。試驗結果如圖1。

由圖1 可知：試驗測定純水的表面張力為72 mN/m，添加表面活性劑混合成溶液后，4 種表面活性劑溶液的表面張力變化趨勢基本一致。在0‰～1‰濃度范圍內表面張力迅速下降，隨著濃度的繼續升高（1‰～2‰），表面張力下降趨勢非常緩慢，基本處于穩定狀態，此時的濃度為臨界膠束濃度，4種表面活性劑的臨界膠束濃度均為1‰左右。分析臨界膠束濃度的表面張力值，得出4 種表面活性劑降低表面張力的能力排序為：SDS＞OP10 ＞SDBS＞Triton X-100。

2.2.2 沉降速度測定

基于圖1 的臨界膠束濃度值，依據《礦用降塵劑性能測定方法》（MT506-1996）中的煤塵沉降法研究臨界膠束濃度下（1‰和2‰）表面活性劑對煤體的浸潤作用，試驗結果如圖2。

圖1 表面張力隨濃度變化

由圖2 可知：2‰濃度下4 種表面活性劑的沉降速度明顯大于1‰濃度。以沉降速度最快的Triton X-100 為例，2‰較1‰沉降速度提高47.6%。因此當濃度超過臨界膠束濃度后，雖然表面張力不會明顯變化，但沉降時間會繼續縮短，沉降速率會繼續增大。這可能是由于隨著表面活性劑濃度的增大，更多的表面活性劑分子吸附于煤塵上，加快了煤塵沉降速度。1‰和2‰濃度時，4 種表面活性劑的沉降速度排序為Triton X-100＞OP10＞ SDBS＞SDS，這與溶液降低表面張力的能力排序有很大不同，因此表面張力并非是評價表面活性劑潤濕性能的唯一指標。文獻顯示多數非離子表面活性劑和陰離子表面活性劑的結合復配可體現出較好的協同作用[5]。在本次試驗中Triton X-100 的沉降速度最快，SDS 降低溶液表面張力的能力最強，因此優選Triton X-100和SDS 兩種表面活性劑開展復配試驗。

圖2 4 種單體表面活性劑沉降速度

2.2.3 動態潤濕角測定

優選Triton X-100 和SDS 兩種表面活性劑按照一定比例和濃度開展復配試驗，最終得出新型配方PF-X。試驗測得新型配方溶液臨界膠束濃度也為1‰，表面張力為27.8 mN/m，1‰濃度的沉降速度為18.7 mg/s，2‰濃度的沉降速度為25.9 mg/s，較單體表面活性劑的沉降速度有了明顯提高。為了更直觀地體現新型配方PF-X溶液對潤濕性能的提升，通過試驗測定煤塵的動態接觸角來對比純水和1‰濃度的PF-X 溶液對煤塵潤濕效果的影響。試驗結果如圖3。

由圖3（a）、（b）可知，t=0 s 時，純水和PF-X 溶液的接觸角分別為58.9°和25.6°，此時為初始平衡接觸角，純水的初始平衡接觸角明顯大于PF-X 溶液，則PF-X 溶液具有更強的潤濕性。通過觀察，接觸角隨時間增大逐漸減小。純水的接觸角總變化時間為5 s，接觸角的平均減小速率為11.8°/s；PF-X 溶液的接觸角總變化時間為1.3 s，接觸角平均減小速率為19.7°/s。因此，PF-X 溶液較純水具有更強的滲透性，所以可推斷在煤層注水過程中添加PF-X 新型表面活性劑將會顯著提高潤濕效果和滲透效果，進而提高注水的減塵效果。

圖3 動態接觸角隨時間變化規律

3 現場試驗

現場試驗地點在陽泉二礦81201 工作面回風巷，距離切眼40 m 處。基于現場實際情況和《長鉆孔煤層注水方法》設計注水參數。采用靜壓注水方式，注水孔布置3 個，鉆孔直徑75 mm，鉆孔深80 m，鉆孔間距10 m，注水壓力為2 MPa。采用ZFA-45型封孔器封孔，封孔長度約1.5 m，注水時間5 d。表面活性劑的添加采用自研的活性劑添加裝置（文式引射器配合水箱）完成，配方選取PF-X 新型表面活性劑，濃度1‰。

采用粉塵濾膜稱重法測定注水前、普通注水以及添加表面活性劑注水三種不同情況的粉塵濃度變化，儀器選用IFC-2 礦用粉塵采樣器。在采煤工作面采煤機司機處布置1 個測塵點，回風巷均勻風流布置2 個測塵點，分別記作1～3 號，結果如圖4。

由圖4 可知，3 個測塵點在普通注水和添加表面活性劑后粉塵濃度均有了顯著下降。普通注水條件下，3 個測塵點的全塵降塵率分別為47.7%、35.6%、36.4%；添加表面活性劑注水條件下，3 個測塵點的全塵降塵率分別為67%、61.5%、58.7%。添加表面活性劑較普通注水全塵降塵率提高了20%～30%，因此通過添加PF-X 新型表面活性劑提高了煤體潤濕性，粉塵濃度顯著下降，提高了注水源頭減塵效果，改善了現場作業環境。

圖4 測點全塵質量濃度圖

4 結論

（1）添加表面活性劑提高煤體潤濕機理主要包括：① 表面活性劑通過降低溶液粘性，增大滲透系數進而提高水在煤體中的滲透性能；② 表面活性劑降低了溶液和煤體的液-固界面張力，增加了煤體潤濕性；③ 表面活性劑降低了煤體潤濕角，提高了溶液的毛細作用力。

（2）利用Triton X-100 和SDS 兩種表面活性劑復配得到新型表面活性劑PF-X，試驗測得新型配方1‰臨界膠束濃度時，表面張力為27.8 mN/m，沉降速度為18.7 mg/s，2‰濃度的沉降速度為25.9 mg/s，較單體表面活性劑的沉降速度有了明顯提高。

（3）現場試驗結果表明，添加表面活性劑較普通注水全塵降塵率提高了20%～30%，因此通過添加表面活性劑提高了煤體潤濕性，粉塵濃度顯著下降，提高了注水源頭減塵效果，改善了現場作業環境。