瓦斯氛围下煤−水界面润湿特性及其影响机制

煤炭是一种重要的能源资源，2023年我国煤炭产量约为47.1亿t，《中国煤炭清洁高效可持续开发利用战略研究》文件预测2030年我国煤炭需求量为45亿～51亿t，2050年我国煤炭需求量为38亿t，煤炭在我国一次能源消耗占比仍将在50%以上。由此可知，在未来相当长的一段时间内，煤炭仍是我国能源安全的稳定器和压舱石。我国煤炭开采深度以每年10～25 m的速度向深部开采，随着开采强度的增加，瓦斯灾害严重影响着我国煤矿的安全生产及矿工的生命安全。

煤层注水具有驱替瓦斯、置换瓦斯的功效，被广泛用于瓦斯治理，煤层注水治理瓦斯的效果，关键在于水分对煤体的润湿效果。因此研究水分对含瓦斯煤体的润湿特性具有重要的意义。目前关于煤润湿特性的研究主要聚焦于煤中官能团、轨道能量差、煤中组分、煤表面电荷、气体压力等的影响。程卫民等、YUE等研究发现煤中的脂肪烃、芳香烃等疏水基团使煤体呈现疏水性，煤中的羧基、羰基及羟基等亲水基团使煤呈现亲水性。聂文等基于分子动力学模拟及量子化学线轨道能量差理论，以静电势极值大小和氢键数量为辅助手段分析了不同表面活性剂对煤尘的润湿性，发现轨道能量差与水分子之间形成的氢键数量呈现反比的关系，轨道能量差越大，表面活性剂溶液对煤尘的润湿效果越好。陈跃等、WANG等及ZHOU等研究发现煤的化学组分中无机物矿物表现为亲水性，挥发分表现为憎水性，灰分表现为促进润湿，矿物质溶解后矿物之间形成相连的裂隙或孔隙。段旭琴等研究认为低变质烟煤中镜质组对润湿影响性比惰质组的润湿性强。严敏等、WANG等、GU等研究认为煤体表面带负电荷，煤体表面的负电性与亲水性呈现正相关的关系，亲水官能团吸收峰的面积也与Zeta电位的绝对值呈现正相关的关系。ZHU等、SI等、魏建平等研究了煤体在二氧化碳、甲烷、氮气及氦气氛围中煤水之间的接触角，分析发现接触角随着气体压力的增加而增加，但其主要聚焦于煤水界面接触角的研究，表面张力也是影响煤体润湿特性的一个因素，关于瓦斯氛围下水的表面张力鲜有报道。瓦斯氛围下煤−水界面水分子与瓦斯分子会发生竞争吸附效应，其影响着瓦斯氛围下煤−水界面润湿特性，然而关于瓦斯氛围下煤−水界面润湿特性的影响机制尚不清楚。随着矿井开采深度的增加，煤层瓦斯含量逐渐增大，煤中瓦斯严重影响着水分对煤体的润湿，因此明确瓦斯氛围下煤−水界面润湿特性及其影响机制迫在眉睫。

为此，笔者搭建了一套瓦斯氛围下煤−水接触角实验装备，开发了一套瓦斯氛围下水的表面张力分析软件。首先，获得了瓦斯氛围下水滴的形貌图，采用自开发的瓦斯氛围下水的表面张力分析软件，理论计算了不同瓦斯压力条件下水的表面张力；其次，分析了不同瓦斯压力条件下煤−水接触角，同时基于润湿热理论分析了瓦斯氛围下煤−水界面润湿特性；再次，基于煤的工业分析、元素分析、13C-NMR谱图测试、FTIR红外光谱分析及X射线电子能谱分析，构建了煤的分子模型；最后，基于建立的煤分子结构模型，对瓦斯氛围下煤水润湿体系进行了分子动力学模拟，获得了水分子浓度分布规律、水分子的位置特征，瓦斯分子的扩散系数及水分子的扩散系数，从微观角度揭示了瓦斯氛围下煤−水界面润湿特性的影响机制。研究结果对于揭示煤层注水润湿含瓦斯煤的机理奠定理论基础。