由数学中的不定式性质可知，若在相同的吸附量的条件下，未处理煤样的解吸量和解吸速率小于处理后的煤样，则表明处理后的煤样解吸效果较好；而实际的吸附试验中，气润湿反转剂处理前煤样的吸附量大于处理后煤样的吸附量，则表明气润湿反转剂处理后的煤样解吸率更高、解吸效果更加显著。为了定量的分析气润湿反转剂对煤样解吸效果的影响，在下述进行的解吸量和解吸速率的比较中，均假定在相同的吸附量条件下进行定量比较。

为了得到气润湿反转剂处理前后干燥煤样的解吸规律，根据2.4节试验步骤中的5)～7)，依次对不同吸附平衡压力条件下的煤样进行解吸试验，如图4所示。

由图4a可知，随着甲烷吸附平衡压力的增加，3种处理方式的煤样解吸量均逐渐增加，且增加量均呈现逐渐减小趋势。经过气润湿反转剂FC117和FC134处理后的煤样解吸量始终大于未处理的煤样。在甲烷吸附平衡压力为0.5 MPa条件下，表面活性剂FC134的表现更加优异；在其余的甲烷吸附平衡压力，表面活性剂FC117的效果均更加显著。

图4在1 h内干燥煤样的解吸规律

对干燥煤样进行解吸试验的测定，其目的主要是从定量的角度分析气润湿反转剂通过降低煤体表面自由能，增加游离瓦斯量，进而促进瓦斯解吸。其中，在不同吸附平衡条件下，气润湿反转剂处理后的煤样解吸量均有所增加，增长率基本上呈先增加再降低的趋势。在吸附平衡压力达到1.5 MPa时，增长率达到最大值，分别达到近48%和34%，见表3。

表3干燥煤样解吸量的增长率

低表面能是表面活性剂促进甲烷解吸的重要特征，其作用原理为：具有低表面自由能的表面活性剂分子通过物理吸附的方式有序的吸附在煤体内部的孔隙、裂隙表面，降低煤体表面对甲烷的吸附能力，增加游离瓦斯量。同时，煤体表面吸附能力的下降，减弱瓦斯流动过程中的阻力，有利于甲烷的解吸和运移。

甲烷气体在煤体内部孔隙、裂隙中解吸和运移过程中，主要受到煤体表面自身产生的摩擦阻力和气体本身解吸产生的动力共同作用。当甲烷吸附平衡压力较小时，煤体表面的摩擦阻力占主导作用。表面活性剂通过物理吸附的方式吸附在煤体表面，降低了煤体表面的吸附能力，增加了游离瓦斯量和气体在煤体表面运移的流平性。因此，当吸附平衡压力处于0.5～1.5 MPa时，随着平衡压力的增加，表面活性剂处理后的煤样解吸量增长率呈现增加的趋势。当吸附平衡压力处于1.5～2.5 MPa时，气体本身产生的动力占主导作用。随着吸附平衡压力的增加，甲烷解吸产生的动力逐渐增强，未处理的煤样受摩擦阻力产生的影响逐渐减小，因此，气润湿反转剂处理后的煤样解吸量增长率呈现逐渐减小的趋势。

通过对干燥煤样解吸量和解吸速率的分析，经过气润湿反转剂FC117和FC134处理后的煤样解吸量和解吸速率均有所提升。定量地分析了气润湿反转剂通过物理吸附的方式吸附在煤体表面，降低煤体表面自由能，增加煤样解吸量，为气润湿反转剂提高瓦斯抽采效果提供理论依据。

3.3含水煤样解吸特征的结果与分析

根据2.4节试验步骤中的8)～9)，依次对气润湿反转剂处理前后的含水煤样进行不同吸附平衡压力条件下的吸附试验。利用式(2)—式(5)，通过计算得到气润湿反转剂处理前后含水煤样在不同吸附平衡压力条件下的吸附量，如图5所示。

图5含水煤样吸附量

由图5可知，随着甲烷吸附平衡压力的增加，气润湿反转剂处理前后煤样的吸附量均逐渐增加，且增加量均呈现逐渐减小趋势。经过气润湿反转剂FC117和FC134处理后的煤样吸附量始终小于未处理的煤样，其变化规律与干燥煤样的吸附量一致。其中，含水煤样的吸附量略小于干燥煤样的吸附量，其主要原因是在含水率为1%的煤样中，少量的水滞留在煤体内部。一方面，由于水的体积侵占了原本甲烷分子存在的空间；另一方面，由于煤样自身的亲水性，水在煤体表面的吸附能力强于甲烷气体，使得部分吸附状态的甲烷分子被置换和驱替。因此，含水煤样的甲烷吸附量略小于干燥煤样的吸附量。

为了得到气润湿反转剂处理前后含水(1%含水率)煤样的解吸规律，依次对不同吸附平衡压力条件下的煤样进行解吸试验，通过对比干燥与含水煤样的解吸量和解吸速率，进而定量分析气润湿反转剂消除水锁效应，如图6所示。

由图6a可知，随着甲烷吸附平衡压力的增加，3种处理方式的含水煤样解吸量均逐渐增加，且增加量均呈现逐渐减小趋势。经过气润湿反转剂FC117和FC134处理后的含水煤样解吸量始终大于未处理的煤样，与干燥煤样解吸量的规律基本一致。同时，在3种不同处理方式条件下，干燥煤样的解吸量均大于含水条件下的解吸量，其结果表明在含水煤样解吸过程中存在一定程度的水锁效应。

对含水煤样进行解吸试验的测定，其目的主要是从定量的角度分析气润湿反转剂通过将煤体润湿性由亲水性转变为疏水性，消除因毛细管作用所引起的水锁效应，进而提高甲烷解吸效果。

其中，在不同吸附平衡条件下，气润湿反转剂处理后的含水煤样解吸量均有所增加，增长率基本上呈先增加再降低的趋势。在吸附平衡压力达到1.0 MPa时，水锁损害程度最大，表面活性剂消除水锁效果最好，表面活性剂增加煤样解吸量最佳，增长率达到最大值，分别达到近38%和25%，见表4。煤样解吸量的变化规律与上述3.2节干燥煤样解吸量的变化规律基本上是一致的，作用机理亦与之相同。

表4含水煤样解吸量的增长率

由图6b可知，随着甲烷吸附平衡压力的增加，3种处理方式的含水煤样解吸速率均有所增加。经过气润湿反转剂FC117和FC134处理后的煤样解吸速率也始终大于未处理的煤样。其中，表面活性剂FC117处理后的煤样解吸速率始终保持着显著的效果。同时，由于水锁效应产生的影响，不同处理方式的含水煤样解吸速率均小于干燥煤样的解吸速率。

图6在1 h内含水与干燥煤样解吸规律的对比

通过对干燥与含水煤样解吸量和解吸速率的分析，经过气润湿反转剂——FC117和FC134处理后的煤样解吸量和解吸速率均有所提升，其中FC117的效果更加显著。同时，经过表面活性剂处理后，煤样的润湿性发生转变，水锁效应得到缓解和消除。含水煤样的解吸量和解吸速率也均大于未处理的干燥煤样。定量地分析了表面活性剂改变煤体表面润湿性，由亲水性向疏水性转变，缓解水锁损害，进而增加煤样解吸量。

3.4气润湿反转前后煤样解吸量预测

通过上述试验数据的对比，经过气润湿反转剂处理后，在1 h内煤样的解吸量和解吸速率均显著提高。为预测煤样的极限解吸量，可以根据煤样解吸量随时间的变化规律，利用拟合曲线得到最终的解吸量。

通过利用解吸公式——王佑安式对前1个小时的累计煤样解吸量与时间的关系曲线进行拟合，得到极限解吸量和拟合度，见表5和表6。

表5气润湿反转前后煤样解吸量

表6拟合度(R2)

由表5可知，利用王佑安式拟合不同平衡压力条件下的解吸量与时间关系曲线，拟合得到累计解吸量。其中，干燥煤样的解吸量大于对应含水煤样的解吸量，气润湿反转剂处理后的煤样解吸量大于处理前的煤样解吸量，拟合结果与1 h内解吸量的变化规律是一致的。同时，根据拟合结果可以预测气润湿反转剂处理前后的极限解吸量。

由表6可知，利用王佑安式拟合不同平衡压力条件下的解吸量与时间关系曲线，得到曲线的拟合度。其中，气润湿反转剂处理前后含水煤样的拟合效果最好，拟合度均大于0.99。在干燥煤样中，FC134处理后的煤样拟合度最好，不同吸附平衡压力条件下的拟合度均大于0.99；其次是未处理和FC117，拟合度也比较好，除去未处理煤样中吸附平衡压力为1.0 MPa,其余均在0.98以上。

4结论

1)分别对FC117和FC134处理后的煤样进行接触角和表面张力进行测定。其中，接触角从未处理的30°增加至90°以上，实现了煤体润湿性由亲水性向疏水性转变；表面活性剂溶液的表面张力由初始的72.8 mN/m下降至25 mN/m以下，较大幅度地降低了煤体表面张力。

2)通过接触角和表面张力的测定，当表面活性剂浓度为0.5%时，两种表面活性剂处理后的煤样可实现润湿性的转变和表面张力大幅度地降低。将吸附解吸试验中所用的煤样在该浓度下的表面活性剂溶液中进行处理，并将其作为最佳使用浓度。

3)通过对气润湿反转剂处理前后煤样吸附量的计算，对比两种表面活性剂处理前后的煤样吸附量变化情况。其中，经过FC117和FC134处理后的干燥/含水煤样均小于未处理煤样的吸附量。

4)对经过FC117和FC134处理后的干燥/含水煤样进行解吸量和解吸速率的测定，两种表面活性剂处理后煤样的解吸效果均有显著的效果。在气润湿反转剂处理后的煤样吸附量小于未处理的，而解吸量和解吸速率大于未处理的，则表明气润湿反转剂处理后的煤样可以消除水锁效应，增加解吸率，提高解吸效果。

5)利用解吸公式对解吸量进行拟合，得到极限解吸量和拟合度。其中，采用王佑安式拟合的效果较好，拟合度基本上都在0.98以上。