作者信息与发表信息：
本文由Yinbo Zhou、Ruilin Zhang、Jilei Huang、Zenghua Li、Zhao Chen、Zhou Zhao和Yidu Hong等研究者撰写，分别隶属于河南工程学院、河南工业大学、河南财经政法大学、中国矿业大学以及中国科学院泉州装备制造研究所等机构。文章发表于期刊《Energy》，卷号为202 (2020)，文章编号为117799，并于2020年5月6日在线发表。

研究背景与目的：
本研究所在的科学领域为能源工程与煤矿瓦斯治理。背景显示，煤炭一直是重要的化石能源，但其开采伴随着诸多问题如矿难和瓦斯事故。此外，与煤共生的煤层气（coalbed methane, CBM）是一种清洁能源，其回收具有重要意义。目前，通过注入二氧化碳（CO2）进行煤层气开采（CO2-enhanced CBM recovery, CO2-ECBM）是常用的新兴技术，其基于CO2对甲烷（CH4）的置换吸附特性。但这一技术也存在残余CO2气体引发的潜在危险以及影响煤层湿润性的问题。另一方面，水注入技术在防尘和控制瓦斯方面有所应用，但煤的弱润湿性限制了水的注入效果。因此，本研究提出结合CO2注入与碱性溶液注入的方法，旨在解决CO2残留以及改善煤的润湿性和渗透性，最终提高煤层气回收效率和煤矿安全性。

研究方法与流程：

1. 煤样准备：
研究选取了山西省沁城煤矿的煤样，包括直径50 mm、长度100 mm的柱状煤样以及粒径小于0.075 mm的粉煤样。煤样进行了标准的干燥和筛选处理，用以满足不同实验需求。

2. 润湿性实验：
该研究设计了毛细渗透实验，通过测试煤样在不同液体（蒸馏水、1% SDS溶液和1% NaOH溶液）中的润湿高度，评估煤的润湿性。实验分别模拟了开放性裂隙与封闭性裂隙条件，并对注入CO2前后的煤样分别进行了对比实验。实验装置包括带阀门的玻璃管，煤样通过真空干燥和振动填充确保一致性。每组实验持续2小时或达到最大润湿高度200 mm为止，记录液位随时间变化。

3. 渗透率实验：
采用氦气（He）对煤的渗透率变化进行测定，并重点分析了水注入和碱性溶液注入后煤样在不同静水压力下的渗透率变化。实验选用两组柱状煤样（分别记为样品A和样品B），在真空干燥后分别注入蒸馏水和1%的NaOH溶液，利用固定气压的He气体测试煤的渗透率变化。实验中研究了封闭裂隙对流体流动的抑制以及裂隙堵塞对渗透率的影响。

主要结果：

1. 润湿性实验结果：
实验结果显示：
- 未注入CO2的煤样，由于煤的弱润湿特性，蒸馏水的润湿高度较低（仅为25 mm），而1% SDS溶液有效提高了煤的润湿性，开放裂隙情况下，润湿高度可达120 mm，但在闭合裂隙中SDS溶液的润湿效果大幅下降。
- 注入CO2后的煤样对水表现出明显的疏水性，蒸馏水润湿高度为0 mm。而注入NaOH溶液的条件下，由于CO2被溶解，压力下降促进了水分进入深部煤层裂隙。闭合情况下，NaOH溶液润湿高度在390秒内达到200 mm，显示出优异的润湿效果。

2. 渗透率实验结果：
研究表明：
- 原煤样的渗透率介于0.5至3 md（单位：达西），随静水压力增加而下降。在注入蒸馏水后，样品A的渗透率降低约73.24%-83.65%。而注入NaOH溶液后，样品B的渗透率下降更为显著，下降比率达到93.8%-95.09%。
- 湿含量测定结果显示，原煤样湿含量为0.61%，蒸馏水注入后增加至2.81%（增加3.6倍），NaOH溶液注入后增至4.35%（增加6.13倍）。

这一发现证实，与单纯注入水相比，结合CO2注入与碱性溶液注入的技术能够显著提高煤的湿含量，并更有效地阻止裂隙中的气体流动，降低煤的渗透性，从而减少瓦斯释放风险。

结论及意义：
研究表明，结合CO2注入与碱性溶液注入的技术可以显著改善煤的润湿性、增加湿含量、降低渗透性，从而提高煤层气回收效率，并控制煤矿瓦斯和粉尘灾害。这项技术具有以下优点：
1. 借助CO2的吸附置换特性，有效提高煤层气的开采效率。
2. 通过碱性溶液的注入，解决传统CO2注入技术中残余气体的安全隐患，并增强水分浸入煤层深部的能力。
3. 改善煤的机械性能，提高煤矿采掘安全性。

理论意义方面，这项研究揭示了CO2与煤相互作用的新特性，为煤层气回收及防灾技术提供了重要基础。同时，研究方法创新性强，利用封闭裂隙实验和毛细渗透实验对煤样润湿性和渗透率问题进行了全方位解析。

研究亮点包括：
1. 创新性地提出结合CO2注入与碱性溶液注入的新技术。
2. 明确了这一技术在增加煤的湿含量、降低渗透性方面的显著作用。
3. 提供了关于瓦斯-碱性溶液-煤相互作用的新见解。

本研究为煤矿瓦斯治理和煤层气开发提供了一种安全、绿色的新方法，其工业应用前景广阔，特别是在高瓦斯矿区。