魏建平教授瓦斯氛围下煤水固液接触特征

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　　创新点
　　（1）搭建了瓦斯氛围下煤水润湿角测试系统，实验研究了不同甲烷及氦气压力条件下的煤水润湿角变化规律，发现甲烷吸附作用及环境压力会造成煤润湿角增大。
　　（2）测试了不同煤表面微观结构变化规律，对比分析了煤表面结构对甲烷吸附能力的影响，从煤吸附甲烷自由能变化、气体吸附膜变化、气液竞争吸附及环境压力作用等角度全方位分析了含瓦斯煤与水溶液的固液接触机制。
　　瓦斯氛围下煤水固液接触特征
　　作者：魏建平1,2,3，王洪洋1,2，司磊磊1,2，席宇君1,2
　　单位：1. 河南理工大学 安全科学与工程学院；2. 河南理工大学 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地；3. 河南理工大学 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心
　　研究背景
　　瓦斯灾害和粉尘灾害严重影响着我国煤矿的安全生产，在煤层回采之前，通常需要对高瓦斯煤层进行预抽，但是伴随着瓦斯含量的降低，煤层中水分也会逐渐减少，反而不利于粉尘灾害的防治。煤层注水是一种综合性灾害防治措施，水进入煤体后，将煤体预先润湿，从而抑制粉尘的产生。同时，含水率的增加还可以抑制瓦斯解吸，降低煤层突出危险性。虽然煤层预抽会显著降低煤层瓦斯含量，但孔隙中残余的瓦斯仍会影响水对煤表面的润湿特性，一方面瓦斯会与水分子形成竞争吸附，减少水分子的吸附位点，使得煤的润湿性减弱，另一方面孔隙中的瓦斯会影响水溶液的流动性能，进一步降低了注水润湿煤体的效果。因此，为了提高含瓦斯煤的注水润湿效果，需对瓦斯氛围下煤水固液接触特征进行深入探索。
　　针对气相环境对煤水润湿特性的影响已经开展了相关研究，且取得了一定的成果，普遍将煤水接触角的变化归结于环境压力的影响。然而，煤是一种复杂的多孔介质，煤中大量的微小孔隙为煤表面提供了较高的表面自由能，使其对瓦斯具有很强的吸附特性，在瓦斯氛围下，除了气相压力会对三相接触角产生影响以外，煤对瓦斯的吸附也会降低煤表面自由能，并使煤的表面特性发生改变，进而影响煤水固液接触特征。但关于瓦斯吸附特性对煤水接触角的影响仍缺乏深入认识，需进一步探索水溶液对含瓦斯煤的固液接触特征，掌握瓦斯吸附特性及环境压力对煤水固液接触角的影响，为进一步提高煤层注水润湿效果奠定理论基础。
　　摘 要
　　为了探明瓦斯氛围下煤水固液接触机制，搭建了瓦斯氛围下煤水润湿角测试系统，测试了CZ（山西成庄矿无烟煤）及DW（陕西大湾矿烟煤）2种煤样在不同甲烷及氦气压力条件下的润湿角变化，结合煤表面形貌测试、低压CO2吸附试验及XRD试验分析了瓦斯氛围下煤水接触角的变化规律。
　　结果表明，随着气体压力的增加，煤润湿角逐渐增加，但在吸附性气体环境中，煤润湿角增加幅度更为明显，在0 2MPa，CZ煤样的润湿角由72.99 增加到106.90 ，从亲水性润湿过渡为中性润湿，最终转变为疏水性润湿，而DW煤样的润湿角由61.23 增加到85.14 ，始终为亲水性润湿。
　　分析认为，煤对甲烷的吸附能力是影响煤润湿角的主要原因。煤吸附甲烷后，在煤表面形成气膜，特别是在高压条件下，煤孔隙中的游离气体也会阻碍水对煤的润湿。而且吸附甲烷后，煤表面自由能降低，表面状态更加稳定，致使润湿性进一步减弱。气液竞争吸附也是影响煤水润湿性减弱的原因之一。
　　进一步的，无烟煤的表面更加粗糙且具有更加发育的微孔结构，致使其具有较高的表面自由能，对甲烷的吸附能力更强，这是造成无烟煤在甲烷氛围下其润湿角变化更为明显的重要因素。此外，煤中矿物质可以影响煤的瓦斯吸附能力及表面润湿特性，也是影响含瓦斯煤润湿角的重要因素。
　　部分图片
　　瓦斯氛围下煤水接触角测试试验装置
　　不同气体压力条件下煤水接触角测试
　　不同气体压力条件下煤水接触角
　　不同变质程度煤样表面照片及三维形貌
　　CZ煤样和DW煤样的微孔孔径分布和累积微孔体积
　　CZ煤样和DW煤样的XRD图谱
　　气液竞争吸附分子动力学模拟
　　煤孔隙内气液竞争吸附示意
　　吸附甲烷前后煤表面接触角变化
　　作者简介
　　魏建平，男，1971年5月生，河南驻马店人，河南省特聘教授，二级教授，博士生导师，教育部创新团队带头人，河南省高校黄大年式教师团队带头人，入选国家百千万人才工程并授予＂有突出贡献中青年专家＂、国务院特殊津贴专家、教育部新世纪优秀人才、国家安全生产专家、中原英才科技创新领军人才、河南省优秀专家等。获国家科技进步二等奖、中国专利奖优秀奖及其他省部级科技奖励10余项，发表学术论文160余篇，授权发明专利40余项。
　　研究方向
　　煤岩瓦斯动力灾害防控、矿井瓦斯高效抽采
　　主要成果
　　长期致力于煤岩瓦斯动力灾害防控、矿井瓦斯高效抽采等基础理论及成套技术研究，取得多项创新性成果。提出了采用水射流射孔控制水力压裂裂缝扩展、延缓裂缝闭合的技术工艺，开发了多级破煤二级冲孔技术装备及配套工艺，形成了破碎围岩区立体加固-多级破煤二级冲孔-高效瓦斯抽采一体化技术体系；明晰了高应力、高瓦斯条件下围岩复合型动力灾害的孕育、演化、发生、发展的基本规律和条件，揭示了围岩复合型动力灾害的发生机制，构建了复合型动力灾害的工作面预测指标体系，形成了复合动力灾害防治工程措施；揭示了注浆封孔堵漏降渗机制，研制了绿色煤基浆液封孔材料，研发了抽采钻孔合理封孔深度原位测定装备、多级承压钻屑回填封孔装备及配套工艺；研究了多因素控制下受载含瓦斯煤的瓦斯渗流特性，明晰了受载含瓦斯煤的多尺度-多机制渗流特性，完善了受载含瓦斯煤岩体瓦斯运移规律和理论。研究成果在河南、山西、安徽、陕西等多个矿区推广应用，为我国矿井瓦斯灾害防治工作提供了有力的理论与技术支撑。
　　来源：
　　魏建平,王洪洋,司磊磊,等. 瓦斯氛围下煤水固液接触特征［J］. 煤炭学报,2022,47(1):323-332.
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