本文的研究由Gang Wang、Enmao Wang、Qiming Huang和Shengpeng Li共同完成，他们分别来自山东科技大学安全与环境工程学院、山东科技大学矿山灾害预防与控制国家重点实验室培育基地以及山东科技大学能源与矿业工程学院。该研究于2022年发表在《Fuel》期刊上，文章标题为《Effects of cationic and anionic surfactants on long flame coal seam water injection》。

研究背景

煤炭开采过程中，粉尘、瓦斯突出等灾害频发，严重威胁矿工的生命安全和矿井的生产效率。煤层注水技术是一种有效的灾害防治手段，通过向煤层注入水来改变煤的力学性质，减少粉尘和瓦斯的产生。然而，随着煤矿开采深度的增加，煤层孔隙度降低，注水难度加大。为了提高注水效率，研究人员借鉴石油工业中的表面活性剂技术，尝试在煤层注水中添加表面活性剂，以降低液体与煤孔隙壁的摩擦阻力，增强注水效果。然而，关于不同离子类型表面活性剂对煤层注水效果的影响尚未有统一结论，因此本研究旨在探讨阳离子和阴离子表面活性剂对煤层注水渗流和润湿阶段的影响及其机制。

研究流程

本研究主要包括以下几个步骤：

1. 煤样和液体样品的制备
   研究选取内蒙古鄂尔多斯市侯文家梁煤矿的长焰煤作为实验对象，煤样被切割成高10厘米、底径5厘米的圆柱体。通过空气干燥法、慢灰化法、焦炭工业分析等方法对煤样进行特性分析。为了控制裂缝开度，煤样被垂直切割成两半，并在切割面两端粘贴铂铝胶带，以防止实验过程中裂缝开度的变化。最终，通过热缩管密封和防水胶固定，制备出裂缝开度可控的实验煤样。

2. 表面活性剂溶液的制备
   研究选取了两种表面活性剂：阳离子表面活性剂十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）和阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）。分别用蒸馏水配制浓度为0.1%至1%的表面活性剂溶液，并通过接触角测试分析其润湿性能。

3. 裂缝渗流实验
   实验系统通过向煤样周围注入水和上下压头施加轴压，模拟煤层注水过程中的渗流阶段。通过调节氮气压力控制液体流动压力，记录不同压力、裂缝开度和表面活性剂浓度下的渗流时间，计算渗透系数和残余渗透系数比。

4. 自吸实验
   将长焰煤研磨成不同粒径的煤粉，筛选出四种不同粒径的煤粉，分别装入特制的玻璃管中，加入不同浓度的DTAB和SDS溶液，记录液体在煤粉柱中的上升高度，分析表面活性剂对润湿阶段的影响。

主要结果

1. 渗流实验结果

   • 随着流动压力和裂缝开度的增加，DTAB溶液的残余渗透系数比呈现先下降后上升的趋势，而SDS溶液的残余渗透系数比则呈现逐渐上升的趋势。这表明DTAB分子对煤分子具有较强的吸附作用，而SDS分子的吸附作用较弱。
   • 在低压力下，DTAB对煤层注水的渗流阶段更为有利，而在高压力下，SDS的效果更佳。

2. 自吸实验结果

   • 随着表面活性剂浓度的增加，DTAB和SDS溶液的润湿高度均呈现逐渐增加的趋势。随着煤粉粒径的减小，DTAB的润湿高度逐渐增加，而SDS的润湿高度则先增加后减少。
   • 在煤粉粒径为157.5 ~ 297.5 μm范围内，DTAB对煤层注水的润湿阶段更为有利。

结论

1. 阳离子表面活性剂DTAB对煤分子具有较强的吸附作用，而阴离子表面活性剂SDS的吸附作用较弱。吸附作用是影响表面活性剂在低压力下对煤层注水润湿阶段影响的主要因素，而在高压力下吸附作用可以忽略。
2. 随着表面活性剂浓度的增加，DTAB和SDS溶液的润湿效果均显著增强。随着煤粉粒径的减小，DTAB的润湿效果逐渐增强，而SDS的润湿效果则先增强后减弱。
3. 在低压力下，DTAB对煤层注水的渗流阶段更为有利，而在高压力下，SDS的效果更佳。

研究意义

本研究通过实验揭示了阳离子和阴离子表面活性剂对煤层注水渗流和润湿阶段的影响机制，为现场煤层注水提供了理论依据。研究结果表明，选择合适的表面活性剂类型和浓度可以有效提高煤层注水的效率，减少煤矿开采过程中的粉尘和瓦斯灾害，具有重要的科学价值和应用价值。

研究亮点

1. 本研究首次系统探讨了阳离子和阴离子表面活性剂对煤层注水渗流和润湿阶段的影响，填补了该领域的研究空白。
2. 通过裂缝渗流实验和自吸实验，揭示了表面活性剂吸附作用对煤层注水效果的影响机制。
3. 研究结果为煤矿现场注水提供了科学依据，有助于提高注水效率，减少煤矿灾害的发生。