我國(guó)以煤為主的能源資源稟賦，決定了煤炭仍將是我國(guó)能源安全的壓艙石。因此，煤炭安全開采是保障國(guó)家能源安全的前提。近年來(lái)，隨著煤礦開采深度及強(qiáng)度的增加，部分煤礦由低瓦斯向高瓦斯、突出礦井演變，瓦斯和煤塵兩大災(zāi)害逐漸凸顯，其嚴(yán)重威脅著煤炭工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展及礦工的職業(yè)安全與健康。因此，進(jìn)行瓦斯災(zāi)害和粉塵災(zāi)害的協(xié)同治理勢(shì)在必行。

研究表明：煤層注水具有降塵、置換及驅(qū)替瓦斯的多種效果，被廣泛用于煤層瓦斯治理及預(yù)濕減塵。煤層注水治理瓦斯及粉塵的效果關(guān)鍵在于煤中的含水率，煤中含水率與煤的潤(rùn)濕性直接相關(guān)，然而影響煤潤(rùn)濕性的因素有煤的化學(xué)組成、煤表面電荷及氣體壓力等，接觸角是評(píng)價(jià)煤體潤(rùn)濕性能的重要指標(biāo)之一。因此相關(guān)研究采用接觸角評(píng)價(jià)煤的化學(xué)組成、煤表面電荷、孔隙結(jié)構(gòu)及氣體壓力對(duì)潤(rùn)濕性的影響。

煤中灰分、水分和氧元素是親水因素，固定碳含量與潤(rùn)濕性負(fù)相關(guān)，隨著煤階的增高，吸附在煤表面的含氧官能團(tuán)減少，煤的親水性能下降。程衛(wèi)民等等獲得了無(wú)機(jī)礦物含量與接觸角的定量關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了煤塵表面以灰分和無(wú)機(jī)硅酸鹽為代表無(wú)機(jī)礦物質(zhì)官能團(tuán)、以芳香羥基為代表的含氧官能團(tuán)及以芳香環(huán)C—H鍵為代表的有機(jī)大分子結(jié)構(gòu)對(duì)煤塵潤(rùn)濕性有較大影響，含硅礦物是增強(qiáng)潤(rùn)濕性的根本原因。WANG等采用FTIR對(duì)5種不同類型的煤樣(褐煤、氣肥煤、焦煤、1/3焦煤、無(wú)煙煤)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)以羥基和羧基為代表的含氧官能團(tuán)、硅酸鹽和碳酸鹽礦物親水，不同變質(zhì)程度煤的呼吸性煤塵具有不同的潤(rùn)濕性。陳躍等研究獲得灰分與煤的潤(rùn)濕性正相關(guān)，揮發(fā)分與煤的潤(rùn)濕性負(fù)相關(guān)，氫元素含量高，潤(rùn)濕性變差，碳和氧元素對(duì)潤(rùn)濕性的影響取決于含氧官能團(tuán)的類型。LI等研究認(rèn)為C/O(碳和氧的比率)和羥基是影響煤體潤(rùn)濕性的主要因素，隨著變質(zhì)程度增加，水分對(duì)煤的潤(rùn)濕性逐漸變差。WANG等基于接觸角測(cè)試實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)接觸角大小分別與極性基團(tuán)、自由基的比例呈負(fù)線性關(guān)系，但與Zeta電位呈正線性關(guān)系。李樹剛等研究發(fā)現(xiàn)Zeta電位與煤體的接觸角呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，與自由基含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系。CHENG等、JIANG等、ZHOU等、WANG等研究發(fā)現(xiàn)隨著煤體表面的Zeta電位越高，液體越容易在煤體表面鋪展，煤體越容易被潤(rùn)濕。ZHU等、SUN等、KAVEH等通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)煤吸附CO2后水對(duì)煤的潤(rùn)濕性能下降。魏建平等研究了煤體在瓦斯氛圍中煤水之間的接觸角，分析發(fā)現(xiàn)接觸角隨著氣體壓力的增加而增加。對(duì)于不含瓦斯煤的條件，水分與煤體之間的接觸角演化特性已有相關(guān)研究。在含瓦斯的條件下，目前研究主要聚焦于水與煤接觸后某一時(shí)刻接觸角大小，水與煤接觸后水在煤體表面發(fā)生鋪展效應(yīng)，對(duì)煤體形成一個(gè)動(dòng)態(tài)的潤(rùn)濕過(guò)程。然而目前關(guān)于含瓦斯煤與水之間接觸動(dòng)態(tài)演化特性鮮有研究，其導(dǎo)致煤層注水潤(rùn)濕含瓦斯煤的機(jī)理不清楚，從而限制著煤層注水的應(yīng)用。

為弄清含瓦斯煤與水之間接觸動(dòng)態(tài)演化特性，筆者首先采用自開發(fā)的水與瓦斯之間的表面張力分析軟件計(jì)算了不同瓦斯壓力條件下水的表面張力；其次采用開發(fā)的含瓦斯煤與水接觸角實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)試了不同瓦斯壓力、不同時(shí)間條件下的煤水接觸角，理論分析了不同瓦斯壓力條件下煤水界面能、煤的表面能、黏附功隨接觸角及時(shí)間的演化規(guī)律；再次，采用開發(fā)的水滴輪廓線提取軟件對(duì)不同時(shí)間及不同瓦斯壓力條件下的水滴輪廓進(jìn)行提取，獲得了水滴輪廓最高點(diǎn)及水滴與含瓦斯煤接觸面的寬度演化規(guī)律；最后，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法，從微觀角度揭示了含瓦斯煤與水之間的接觸動(dòng)態(tài)演化的微觀機(jī)制。研究結(jié)果為揭示水分對(duì)含瓦斯煤的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕機(jī)理及煤層注水的應(yīng)用提供理論支撐。

1.含瓦斯煤與水之間接觸角動(dòng)態(tài)演化測(cè)試及水與瓦斯之間的表面張力計(jì)算方法

1.1含瓦斯煤與水之間接觸角測(cè)試設(shè)備及步驟

含瓦斯煤與水之間接觸角測(cè)試設(shè)備具備抽真空、充氣吸附、恒溫控制、滴水、光學(xué)成像及自動(dòng)采集數(shù)據(jù)的功能，設(shè)備的實(shí)物圖及原理分別如圖1a—圖1b所示。

圖1含瓦斯煤與水之間接觸角實(shí)驗(yàn)設(shè)備

含瓦斯煤與水之間接觸角動(dòng)態(tài)演化測(cè)試步驟如下：

1)試驗(yàn)煤樣取自貴州金沙龍鳳煤業(yè)公司9號(hào)煤(煤層瓦斯壓力為1.46 MPa)，煤質(zhì)為無(wú)煙煤，其水分為2.24%，灰分為9.45%，揮發(fā)分為5.77%，固定碳為82.54%。煤樣的尺寸為?50 mm×42 mm的煤樣，將實(shí)驗(yàn)煤樣在105℃條件下干燥，干燥結(jié)束后放置在干燥皿中。

2)向?qū)嶒?yàn)設(shè)備中分段充入氦氣，觀察傳感器示數(shù)氣體壓力4～5 h不發(fā)生變化，認(rèn)為裝置氣密性良好。

3)將實(shí)驗(yàn)煤樣放置在透明釜體9中，將透明釜體密閉。依次打開真空泵4，閥門3再次對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空計(jì)5的示數(shù)小于20 Pa時(shí)抽真空結(jié)束，關(guān)閉閥門6；打開閥門1，向甲烷參考罐2充入一定壓力的甲烷氣體，關(guān)閉閥門1；打開閥門3，向透明釜體內(nèi)充入甲烷氣體，關(guān)閉閥門3。吸附一段時(shí)間后，當(dāng)透明釜體內(nèi)達(dá)到預(yù)定的吸附平衡壓力值，結(jié)束充氣；如果透明釜體內(nèi)小于預(yù)定的吸附平衡壓力值，繼續(xù)向透明釜體充入甲烷氣體，直至達(dá)到預(yù)定的吸附平衡壓力。

4)打開攝像機(jī)10的連拍程序、冷光源11及恒速恒壓泵7，當(dāng)液滴脫離滴管8的下端口時(shí)，關(guān)閉恒速恒壓泵；采用圖像分析功能對(duì)不同瓦斯壓力條件下的接觸角進(jìn)行測(cè)量，并記錄時(shí)間，即可獲得含瓦斯煤與水之間接觸角動(dòng)態(tài)演化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.2水與瓦斯之間的表面張力計(jì)算方法

筆者采用懸滴法進(jìn)行水與瓦斯之間表面張力的測(cè)試，當(dāng)水滴被靜止懸掛在毛細(xì)管的管口處時(shí)，液滴的外形主要取決于重力和表面張力的平衡，通過(guò)對(duì)水滴外形的測(cè)定獲得水與瓦斯之間表面張力計(jì)算的相關(guān)參數(shù)。懸滴法原理圖如圖2所示，采用自開發(fā)的水與瓦斯之間界面張力分析軟件獲得式(1)中Ds、De，聯(lián)合水、瓦斯的密度、修正后的形狀因子(F)、重力加速度(g)，基于式(2)計(jì)算水與瓦斯之間的表面張力。

式中：γ為水與瓦斯之間的表面張力，N/m；g為重力加速度，m/s2；ρg為瓦斯氣體的密度，kg/m3；ρ為水的密度，kg/m3；De為懸滴的最大直徑，m；Ds為距頂點(diǎn)距離等于De處懸滴截面的直徑，m；G為液滴形狀因子；p為氣體壓力，MPa；M為甲烷的摩爾質(zhì)量，16 g/mol；R為氣體狀態(tài)常數(shù)，8.314J/(mol·K)。