本文由Jianping Wei、Wan Jiang、Leilei Si、Xiangyu Xu和Zhihui Wen等人合作完成，研究团队来自河南理工大学安全科学与工程学院、瓦斯地质与瓦斯控制国家重点实验室培育基地以及煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心。该研究于2022年5月12日发表在《Journal of Natural Gas Science and Engineering》期刊上，题为《Experimental research of the surfactant effect on seepage law in coal seam water injection》。
煤层注水是煤矿灾害预防的重要手段之一，能够有效抑制粉尘产生并降低瓦斯浓度。然而，煤层注水的润湿效果受到煤体表面自由能低、特别是高煤阶煤（如无烟煤和烟煤）的润湿性较差的影响。为了提高煤层注水的润湿效果，研究人员借鉴了石油领域中表面活性剂的应用，尝试通过表面活性剂改变煤孔隙裂隙中的毛细力，从而增强注水效果。尽管已有研究探讨了表面活性剂对煤体表面润湿性的影响，但关于表面活性剂对煤层注水渗流过程的影响机制研究仍较为薄弱。因此，本研究旨在通过实验探讨表面活性剂对煤层注水渗流过程的影响，特别是毛细力在润湿和渗流阶段的作用机制。
本研究以大柳塔煤矿的烟煤为实验煤样，开展了润湿性测试和三轴渗流实验。实验分为以下几个步骤：
实验样品制备：从大柳塔煤矿采集新鲜烟煤，将其制成标准圆柱形煤样（直径50 mm，高度100 mm），用于三轴渗流实验。同时，将煤样切割成薄片用于接触角测定。实验前，煤样需干燥至质量不再变化，并记录干燥后的质量。
表面活性剂选择：结合前期研究结果和经济环保性，选择了阴离子和非离子表面活性剂，包括α-烯烃磺酸钠（AOS）、十二烷基硫酸钠（SDS）、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠（AES）、椰子油脂肪酸二乙醇酰胺（CDEA）、脂肪醇聚氧乙烯醚（JFC）和辛基酚聚氧乙烯醚（OP-10）。表面活性剂的质量浓度梯度设置为0%、0.25%、0.025%、0.05%、0.075%、0.1%、0.2%和0.3%。
润湿性测定实验：使用Biolin公司生产的接触角3D形貌联用仪（Attension Theta/3D Topography）测定水和不同浓度表面活性剂溶液的表面张力以及在煤样表面的接触角。通过悬挂滴法测定表面张力，静滴法测定接触角，并通过Young-Laplace方程拟合液滴形状获得静态接触角。每个条件下的接触角测量五次，剔除最大值和最小值后取平均值。
三轴渗流实验：实验装置包括应力加载装置、样品夹持器和带有数据监测功能的注水装置。实验过程中，手动压力泵提供围压和轴压，恒压泵提供稳定的水压。圆柱形煤样置于夹具中，在加载条件下进行恒压注水实验，监测进入煤样的液体体积和入口实时压力。
接触角分析：实验结果表明，随着表面活性剂浓度的增加，表面张力和平均接触角均呈下降趋势。非离子表面活性剂在0-0.075%浓度范围内的表面张力较低，而阴离子表面活性剂在浓度超过0.1%时表面张力降至30 mN/m。AES、OP-10和JFC在低浓度范围内表现出较好的润湿性。
不同注水压力下的渗流规律：实验结果显示，注水过程中煤样的累积流量随时间增加，瞬时流量则逐渐减小。当注水压力为2 MPa和4 MPa时，煤样末端无液体流出，处于非饱和渗流阶段；当注水压力为6 MPa时，煤样在注水35分钟后达到稳态渗流阶段。
不同表面活性剂注水效果：实验结果表明，表面活性剂注水的累积流量显著高于纯水注水，特别是在非饱和渗流阶段，表面活性剂的瞬时流量比纯水高出0.1-4 mL/min。OP-10在注水初期的质量增加率和流量增加率均高于其他两种表面活性剂。
不同浓度表面活性剂的注水效果：实验结果显示，表面活性剂注水的累积流量高于纯水注水，但不同浓度表面活性剂之间的差异较小。在非饱和渗流阶段，表面活性剂的瞬时流量显著高于纯水，而在稳态渗流阶段，瞬时流量趋于稳定。
本研究通过静态润湿实验和三轴渗流实验，分析了不同种类和浓度的表面活性剂对煤层注水流量的增益效果，并探讨了毛细力在注水不同阶段的作用机制。主要结论如下： 1. 煤层注水过程可分为非饱和渗流阶段和稳态渗流阶段。注水压力越高，煤样达到稳态渗流阶段的时间越短。 2. 表面活性剂在相同注水压力和孔隙裂隙条件下能够显著提高注水效果，特别是在非饱和渗流阶段，OP-10的质量增加率和流量增加率均高于其他表面活性剂。 3. 表面活性剂在注水初期显著提高了润湿速率，而在稳态渗流阶段的增益效果相对有限。 4. 表面活性剂促进了液-固界面替代气-固界面的过程，使得液体能够更快、更均匀地润湿煤体。
本研究的亮点在于通过实验系统探讨了表面活性剂对煤层注水渗流过程的影响，特别是毛细力在润湿和渗流阶段的作用机制。研究结果表明，表面活性剂在非饱和渗流阶段能够显著提高注水效果，这为煤层注水技术的优化提供了新的思路。此外，研究还提出了结合煤体孔隙结构进一步探讨液体润湿尺度的未来研究方向，具有重要的理论和应用价值。
本研究不仅为煤层注水技术的优化提供了实验依据，还为表面活性剂在煤矿灾害预防中的应用提供了新的思路。研究结果对于提高煤层注水的润湿效果、减少粉尘产生和降低瓦斯浓度具有重要的科学意义和应用价值。