1气润湿反转技术的作用机理

气润湿反转剂具有疏水、低表面能的特征，通过物理吸附的形式附着在煤体表面，降低了煤体表面张力、增加接触角至90°以上，改变煤体表面特征，实现煤体表面润湿性的反转，进而消除水锁损害。毛细管力是评价水锁损害严重程度的关键指标，外来流体进入煤体等多孔介质后，毛细管力的大小和方向影响着水锁的严重程度以及返排过程中瓦斯的抽采难易。其中，毛细管压力表达式：

Pc=2σcosθ/r(1)

式中，Pc为毛细管压力，Pa/cm；σ为表面张力，mN/cm；θ为接触角，(°)；r为毛细管半径，cm。

式(1)可知，毛细管半径作为煤体的固有特征，难以改变；利用表面活性剂可以实现煤体张力和接触角的改变。接触角和表面张力是影响毛细管力大小和方向的关键因素。润湿性的变化情况可以通过对接触角和表面张力的测定直观地呈现出来。

气润湿反转技术消除煤层水锁效应，增加瓦斯抽采效果的原理如下：由表面物理化学理论可知，固体的表面能越高，越容易被液体所润湿；同时，表面自由能的大小也体现了固体表面吸附能力的强弱，表面能越高，其表面的吸附能力越强。具有疏水、低表面能特征的气润湿反转剂分子中包含亲水性的羟基(—OH)和憎水性的高分子化合物氟碳烷基(—CF)。其中，亲水性的羟基(—OH)通过物理吸附的形式附着在煤体表面，而憎水性的氟碳烷基(—CF)朝向远离煤体表面的方向。气润湿反转剂分子在煤体表面的吸附，降低了煤体表面自由能，减弱了煤体表面对瓦斯的吸附能力，增加了游离瓦斯量；同时，由于煤体表面润湿性由液润湿转变为气润湿，毛细管力产生的方向发生变化，实现了“反毛细管效应”，从而由阻力变成动力，促进瓦斯的抽采。

2试验材料与处理

2.1试验材料

选用的煤样取自晋城玉溪煤矿，其最大原始瓦斯含量为18.53～25.59 m3/t，最大原始压力为1.76～2.90 MPa，煤层透气性系数为0.134～0.26 m2/(MPa2·d)，百米钻孔自然初始瓦斯涌出强度为0.055 9～0.091 0 m3/(min·hm)，钻孔自然瓦斯流量衰减系数为0.042～0.046 d-1。利用不同孔径大小的标准筛进行筛分，筛选出粒度大小为200目以下的煤粉用于煤样片的制备；筛选出粒度大小为60～80目的煤样，用于煤样的工业分析试验和解吸试验。煤样工业分析参数见表1。

表1煤样工业分析

笔者在前期进行不同类型表面活性剂的筛选，优选出具有疏水、低表面能的气润湿反转剂。为进一步研究气润湿反转剂处理前后对煤体解吸特性的影响，在本文中采用的表面活性剂包括全氟烷基季胺碘化物(FC134)和氟碳表面活性剂(FC117)。

2.2试验装置

试验装置包括JMBJS20002型电子天平、压力机(自制)、电热鼓风干燥箱、JC2 000C1型接触角测量仪、含瓦斯多元气体置换系统。JMBJS20002型电子天平用于称量出质量为0.5 g的煤粉，确保压制出的煤样片形状、大小一致。压力机用于煤样片的压制工作，压力载荷设置为120 kN，稳压30 min，制成直径为25 mm，厚度为5 mm的煤样片。电热鼓风干燥箱用于煤样片和颗粒煤(60～80目)的干燥，其温度设置范围为0～400℃。JC2 000C1型接触角测量仪包括样品台、成像系统以及计算机与相应的检测软件系统，可实现接触角和表面张力的精准测量。含瓦斯多元气体置换系统包括3套独立的煤样室以及对应的传感器、参考罐、气瓶、真空泵、计算机与相应的软件系统。

2.3接触角与表面张力测试

通过JC2000C1型接触角测量仪及其分析系统，，利用躺滴法测定2种气润湿反转剂在不同浓度梯度下处理后煤样的接触角以及利用悬滴法对表面活性剂溶液的表面张力进行测定。其中，表面活性剂的浓度依次为0、0.2%、0.5%、0.8%、1.0%和1.5%。

采用躺滴法进行接触角的测定时，为了避免水对气润湿反转剂反转结果的影响，首先利用喷散法将不同浓度的表面活性剂溶液喷洒在煤样片表面，放置在105℃鼓风干燥箱中干燥24 h以上，直至煤样质量不再变化，取出冷却备用。同时，将剩余的表面活性剂溶液按照上述的操作，将不同浓度表面活性剂处理后的煤样按照浓度大小的不同进行排序，并贴上表面活性剂种类和浓度的标签，以便表面张力的测定和记录。

2.4气润湿反转前后瓦斯解吸特征测试

为了进一步研究气润湿反转剂对煤体解吸效果的影响，利用含瓦斯多元气体置换系统对气润湿反转剂消除煤层水锁效应、提高瓦斯抽采效果进行定量研究，具体试验步骤：

1)首先将取自玉溪煤矿煤样进行破碎，筛选出60～80目的颗粒煤6份。

2)选择3份煤样，分别浸泡在蒸馏水、FC117和FC134表面活性剂溶液中，浸泡48 h；然后放置在105℃鼓风干燥箱中干燥48 h以上，直至煤样质量不再变化，取出冷却备用。

3)检查含瓦斯多元气体置换系统中煤样室及管路的气密性、传感器与软件系统的运行情况，确保整个系统能够正常工作。

4)将煤样装进煤样罐，联通煤样罐与真空泵系统，进行抽真空工作24 h，抽至20 Pa以下。

5)抽真空结束之后，首先进行甲烷平衡压力为0.5 MPa的充气工作，吸附时间12 h以上，且2 h内煤样罐中压力不发生变化。

6)将解吸仪连接煤样罐的出口阀，打开出口阀，当瓦斯压力降至0.01 MPa以下，开始解吸工作，刚开始每分钟记录1次读数，30 min以后，解吸量减小，每5 min记录1次读数，共记录1 h的读数。

7)依此类推进行甲烷平衡压力为1.0,1.5,2.0和2.5 MPa的充气工作，重复步骤5)和6)。

8)选择步骤1)的另外煤样3份，称量完全干燥条件下的煤样质量，计算其含水率为1%条件下的质量。分别浸泡在蒸馏水、FC117和FC134表面活性剂溶液中，浸泡48 h；然后放置在60℃鼓风干燥箱中干燥48 h，称量煤样质量，观察是否达到预定含水质量。若离预定质量较近时，每隔30 min，称量一次，直至达到预定的含水质量，取出冷却备用。

9)参照干燥煤样解吸步骤，重复步骤3)～7)。