本文介绍了一项关于表面活性剂对煤层注水渗流和润湿影响的实验研究，该研究由Gang Wang、Enmao Wang、Qiming Huang、Jing Feng和Jun Li等人共同完成，发表在2021年7月的《Fuel》期刊上。研究的主要目的是探讨表面活性剂十二烷基硫酸钠（Sodium Lauryl Sulfate, SDS）对煤层注水过程中渗流和润湿阶段的影响，以期为煤层注水技术的改进提供科学依据。

研究背景与目的

煤层注水技术是煤矿开采中常用的一种灾害预防技术，通过增加煤层的水分含量，有效降低煤矿灾害的发生概率。然而，随着浅层煤炭资源的逐渐枯竭，煤矿开采深度不断增加，煤层的地应力也随之增大，导致煤层渗透性降低，严重限制了煤层注水的润湿效果。表面活性剂因其能够降低水的表面张力，改善煤层的润湿特性，被广泛应用于煤层注水技术中。然而，目前关于表面活性剂对煤层注水渗流和润湿阶段影响的系统性研究较为缺乏，尤其是表面活性剂在渗流阶段的作用机制尚不明确。因此，本研究选取了常用的表面活性剂SDS，通过实验研究其对煤层注水渗流和润湿阶段的影响。

实验设计与方法

研究分为两个主要实验部分：渗流实验和自吸实验。实验对象为内蒙古鄂尔多斯市温家梁煤矿的长焰煤，实验样品通过人工设置不同的裂缝开度条件进行制备。

1. 煤样与流体样品制备

首先，从温家梁煤矿采集的煤样被切割成圆柱形煤柱，并通过粘贴铂铝胶带形成不同开度的裂缝。另一部分煤样被研磨成不同粒径的煤粉，用于自吸实验。实验中使用的SDS溶液浓度为0.1%至1%，通过将SDS粉末加入蒸馏水中搅拌制备。

2. 渗流实验

渗流实验使用三轴渗流实验系统进行。实验设置了三种裂缝开度（0.06 mm、0.12 mm、0.18 mm）和三种注水压力（1 MPa、2 MPa、3 MPa），并分别测试了蒸馏水和不同浓度SDS溶液的渗流系数。实验通过监测液体流量，计算渗流系数，并引入残余渗流系数比（η）来比较SDS溶液与蒸馏水的渗流性能。

3. 自吸实验

自吸实验通过自下而上的自吸方法进行，研究了SDS对煤层注水润湿阶段的影响。实验设置了四种不同粒径的煤粉（297.5 μm、221.5 μm、181.5 μm、157.5 μm），并分别测试了蒸馏水和不同浓度SDS溶液的自吸高度和上升速率。

实验结果与分析

1. 渗流实验结果

实验结果表明，添加SDS后，渗流系数呈现先快速下降后逐渐稳定的趋势。在1 MPa的注水压力下，高浓度SDS溶液的渗流系数低于低浓度SDS溶液；而在2 MPa的注水压力下，高浓度SDS溶液的渗流系数则高于低浓度SDS溶液。总体而言，SDS的添加在低压条件下会阻碍煤层注水的渗流阶段，但在高压条件下则有助于渗流。

2. 自吸实验结果

自吸实验结果表明，SDS的添加显著提高了液体的自吸高度和上升速率。随着SDS浓度的增加，液体的润湿效果增强，表明SDS能够有效降低水的表面张力，改善煤层的润湿特性。

讨论与结论

研究结果表明，SDS的添加虽然能够增强煤层注水的润湿效果，但会对渗流阶段产生不利影响，尤其是在低压条件下，SDS的吸附会导致裂缝通道变窄，阻碍液体的渗流。然而，在高压条件下，SDS的减阻效应更为显著，有助于提高渗流系数。因此，在实际应用中，可以通过调整注水压力和SDS浓度来优化煤层注水效果。

研究的意义与价值

本研究通过系统的实验研究，揭示了SDS对煤层注水渗流和润湿阶段的影响机制，为煤层注水技术的改进提供了重要的科学依据。研究结果表明，表面活性剂的使用需要在渗流和润湿之间找到平衡，以最大化煤层注水的效果。此外，研究还提出了通过加热或改变表面活性剂类型来减少SDS对渗流阶段不利影响的建议，为实际生产中的技术应用提供了新的思路。

研究亮点

1. 创新性实验设计：本研究通过三轴渗流实验和自吸实验，系统地研究了SDS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. 多因素分析：研究考虑了裂缝开度、注水压力和SDS浓度等多个因素对渗流和润湿的影响，提供了全面的实验数据和分析。
3. 实际应用价值：研究结果为煤层注水技术的优化提供了科学依据，尤其是在表面活性剂的选择和使用方面具有重要的指导意义。

其他有价值的内容

研究还通过扫描电镜观察了渗流实验后煤样裂缝的表面形貌，发现SDS的吸附会导致裂缝通道变窄，进一步验证了SDS对渗流阶段的不利影响。此外，研究还提出了通过改变表面活性剂的吸附特性来优化煤层注水效果的建议，为未来的研究提供了新的方向。