2023-08-30
对比研究了1-丁基-3甲基咪唑四氟硼酸盐、十二烷基硫酸钠两种添加剂溶液对煤样微观结构的改性特征，发现都可以显著改变煤的孔隙特征、分子基团以及微晶结构，使得煤样微孔的比表面积减少、平均孔径增大，孔裂隙网络更加畅通。此外发现，这两种添加剂溶液都可以显著增大煤样的润湿性，在煤层注水阶段有助于强化煤层瓦斯驱替、增强瓦斯抽采效率，瓦斯抽采后煤样内的残留水还能显著增大水锁效应，阻碍煤样内残留瓦斯的排出，避免采动过程中煤层瓦斯大量涌出。
单位：中国矿业大学 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室煤体采动后瓦斯的快速解吸容易诱发瓦斯超限和煤与瓦斯突出，煤体注水能驱替瓦斯，提高抽采效率，同时减缓瓦斯卸压解吸速率，是避免瓦斯超限和煤与瓦斯突出的有效措施。针对注水防突的机理，很多学者的研究围绕两点展开：一方面，煤是孔隙、裂隙结构的双重介质，水力化措施实际上是水替代气的水、气两相驱替的渗流过程，水通过驱替作用将瓦斯赶出孔裂隙，提高瓦斯抽采效率的同时降低突出危险性；另一方面，水力化措施会使得水发生水锁作用，导致煤体瓦斯的解吸过程存在时效性，大幅降低瓦斯解吸速率。近年来很多学者研究了表面活性剂对煤体的结构和甲烷解吸规律的影响。LU Yiyu等认为表面活性剂可以提高煤样渗透率，从而改善瓦斯在煤体中的运移，提高抽采效果。LEE Eric等认为表面活性剂的加入可以有效提高瓦斯的驱替，从而提高瓦斯抽采效率，煤层卸压后又起到封堵抑制的作用，瓦斯解吸能力显著下降。YOU Qing等通过解吸试验发现，阴离子表面活性剂在很大程度上抑制了煤样瓦斯的解吸，润湿性越好抑制能力越强。GUO Jianying、NIU Wenjin等从润湿角度，运用分子动力学研究了表面活性剂对煤的作用。WANG Xiaonan等选用4种不同类型的表面活性剂来处理煤样，发现接触角随着煤平均孔径的增大而增大，平均孔径是影响表面活性剂对煤润湿效果的重要因素。XI Xian、LIU Zhen等研究了复配溶液对煤样官能团数量以及润湿性影响。表面活性剂能对煤中活性结构进行溶解破坏，有效破坏煤中羟基缔合型氢键，并进一步溶解煤中的活性基团，从而影响煤的润湿性。XU Chaohang等研究了表面活性剂的分子结构和浓度对煤尘润湿时间的影响，研究发现高吸附密度、高亲水亲脂平衡值的表面活性剂表面张力小，可以大幅缩短润湿时间。肖旸等发现离子液体1−丁基−3−甲基咪唑四氟硼酸盐对煤表面结构破坏程度很大，脂肪烃和含氧官能团减少，煤的活性降低，煤化度变高。安文博等使用十二烷基硫酸钠改性煤样后，发现煤样微晶结构完整性变差，煤分子内的官能团和各种桥键更为丰富，并且定向排列的有序性变低。目前利用各种表面活性剂增强瓦斯驱替效果、预防瓦斯突然涌出的研究尚处于试验探索阶段，并大多集中于瓦斯水合物对煤表面张力、接触角、官能团等参数的影响，未深入分析煤样结构变化对瓦斯驱替和水锁效果的影响。笔者利用低温液氮吸附试验、X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、接触角测量技术以及高压注水驱替瓦斯实验，从表面活性剂对煤样微观结构特征及其解吸性能的影响入手，并试图建立煤样微观结构与瓦斯驱替和卸压解吸之间的联系，对表面活性剂溶液如何实现消突的机理进行了深入研究。以便为煤层瓦斯高效抽采利用和防治煤与瓦斯突出事故提供理论参考。为揭示煤微观结构变化对瓦斯解吸的影响，以河南省平顶山八矿的煤样为研究对象，选取1−丁基−3甲基咪唑四氟硼酸盐、十二烷基硫酸钠对煤样进行浸泡处理，结合低温液氮吸附、红外光谱、X射线衍射、吸附常数a测量、接触角测量以及瓦斯驱替和卸压解吸实验进行研究。结果表明：表面活性剂可以显著改变煤的孔隙特征、分子基团以及微晶结构。煤样微孔的比表面积减少、平均孔径增大，孔裂隙网络更加畅通。煤样的化学官能团发生变化，平均链长和脂芳比减少、富氧程度比值增大。芳香环层片层间距和芳香度增加，芳香层片堆砌高度和芳香堆砌层数减小，芳香层结构排列更紊乱疏松，芳香环缩合程度降低，煤分子排列被打乱，有序结构范围减小。
这些孔隙特征、分子基团以及微晶结构发生的变化，大幅改善了煤体的润湿性，使得溶液侵入煤样内部的难度减小，有助于强化瓦斯驱替，增强瓦斯抽采效率，同时滞留在煤体孔隙中的溶液增多，所以卸压后，煤样瓦斯解吸和排出受阻，瓦斯解吸速率降低，水锁效应增强。本研究结果为煤层瓦斯资源开采提供理论指导，通过添加表面活性剂等方式人为改变煤的微观结构，进而定向改变瓦斯解吸特性，提高瓦斯抽采效率，同时在煤层开采时，避免大量瓦斯的突然涌出，从而实现煤层气高效、安全抽采。
图 1 高压注水驱替瓦斯实验平台
图 2 表面活性剂处理前后煤样的微孔孔径分布特征
图 3 原煤改性前后的红外光谱
图 4 煤样在不同分段的红外光谱分峰拟合曲线
图 5 不同表面活性剂处理前后煤样的 XRD 衍射图谱
图 6 XRD 衍射分峰拟合示意
图 7 瓦斯驱替量变化曲线
图 8 瓦斯卸压解吸量变化曲线
图 9 瓦斯卸压解吸速度变化曲线
图 10 不同质量分数表面活性剂处理后煤样
吸附常数 a 变化曲线
图 11 不同表面活性剂对煤中瓦斯作用效果
杨威，男，1984年06月生，江苏徐州人，中国矿业大学教授、博导，致力于矿山动力灾害防治方面的教学、科研工作，主持国家重大人才工程青年项目、江苏省杰出青年基金项目、国家自然科学基金项目3项（1青2面），省部级项目4项、国企科技攻关项目10余项；发表高水平学术论文80余篇，授权发明专利50余件（其中美国等境外发明专利6件）；研究成果被国家煤监局列为煤矿安全生产先进推广技术，助推了煤矿重大灾害防治水平进步，获得国家科技进步二等奖1项，江苏省、教育部等省部级一等奖4项。
研究方向
矿山动力灾害防治、矿山数字孪生
主要成果
在矿井瓦斯防控理论与技术方面取得多项创新性成果：研究了全矿井应力场数字孪生同化反演技术，成功绘制了国内首张全矿井“地应力-瓦斯”综合等值线图，将地应力场成功运用于煤与瓦斯突出风险划分，央视发现之旅频道、新华日报、学习强国等都正面报道了该技术。研发了煤巷条带“可控爆压”均匀致裂增透理论与技术、采煤工作面“爆注”一体化应力驱移与瓦斯驱替理论技术，2020年“爆注”一体化技术被国家煤监局列入煤矿安全生产先进推广技术目录。
来源：
杨威，罗黎明，王一涵，等. 煤微观结构化学调控及注水驱替瓦斯规律[J]. 煤炭学报，2023，48(8):3091−3101.
责编：王晓珍
责任编辑：宫在芹
