表面活性剂在煤体瓦斯吸附与解吸中的应用

表面活性剂在煤体瓦斯吸附与解吸中的应用

根据实际开采过程，从煤壁开采的一段时间（通常0.20分钟）是开采区域内msa的一部分，以及出于危险引起的磨损时期。同时根据对工作面瓦斯涌出量来源统计分析可知,落煤释放的瓦斯往往占采掘工作面瓦斯涌出量的30%～50%,是一般工作面瓦斯浓度超限的主要原因之一。因而如何降低该部分瓦斯涌出是防治采掘工作面超限和瓦斯爆炸的主要途径之一。根据采掘工作面瓦斯涌出情况以及煤矿普遍具有喷淋系统的特点,提出在喷淋系统中加入表面活性剂,喷洒落煤,阻止煤孔隙瓦斯释放,延缓落煤瓦斯涌出,降低采掘工作面瓦斯涌出强度的技术途径1阳离子和非离子表面活性剂表面活性剂(surfactant)是指具有固定的亲水亲油基团,在溶液的表面能定向排列,并能使表面张力显著下降的物质。表面活性剂的种类很多,阴离子、阳离子、非离子3大类型的表面活性剂都有降低水的表面张力,改变其接触角的特性。但由于阳离子表面活性剂起不到润湿煤体的作用,很显然不宜在煤层润湿过程中使用。另外,由于含有有机胺结构的阴离子和非离子表面活性剂能够降低表面活性剂所能起到的润湿效果。因而含有有机胺的表面活性剂不能在煤层润湿中使用。根据能够购置到的有关表面活性剂和了解的有关分子结构式,在前期的工作中,根据表面活性剂的润湿性、分散性、稳定性以及考察目的需要等性能,选择十二烷基苯磺酸钠和洗涤灵(配方比例为2∶1)进行实验。22.1毛细管口的检测任何液体表面上都存在表面张力,而且不同物质的表面张力各不相同,即使是同一物质在不同浓度下,其表面张力也是不同的。如何来测定液体的表面张力呢?以下介绍的测定方法是:气泡最大压力法将装有待测液体和毛细管的试管置于一恒温水溶槽,以保持测定温度恒定。让毛细管的下口与待测液体的表面刚好接触(刚好插入液面),此时毛细管中的液面会因表面张力而上升。慢慢打开抽气瓶上的旋钮,让水慢慢滴下,使封闭体系的体积增大,于是在体系内形成一个负压,即此时体系的压力降低。毛细管中的液体在外界大气压作用下,液面会逐渐下降,当毛细管中的液面下降到与外界大试管中液面一样高时,继续抽气,则在毛细管下端的口上会形成一个气泡,随着封闭体系压力的继续降低,毛细管口的气泡会慢慢变大,气泡内表面的曲率半径会逐渐由大变小。当气泡是半球形时,此时气泡液面的曲率半径刚好等于毛细管的管口半径,如图2所示。2.2煤体润湿效果试验结果液体在固体表面的湿润能力用湿润的接触角衡量。接触角(见图3)是指在液、固、气三相接触点测量接触角的方法有很多,此次试验采用的是长度测量法:通过测量长度来间接求算接触角的方法。尽管表面张力和接触角是衡量表面活性剂溶液润湿煤体的重要参数,但润湿煤体还与表面活性剂溶液与煤体之间的化学力、物理化学力和机械力有关。为此,在所选择的表面活性剂对煤样润湿效果考察的时候,还必须弄清楚所选的表面活性剂的分子结构与煤体物理化学性质之间的关系,基于篇幅关系,本文中的试验不着重分析这方面的内容。对本次实验表面活性剂十二烷基苯磺酸钠和洗涤灵多元相配(配方比例为2∶1)选取3种浓度,测定表面张力和接触角,如表1所示。从表1看出,加入活性剂后,水溶液表面张力有所减小,随着浓度增加,水溶液表面张力增加,接触角也发生了较大变化。从3种浓度分析,活性剂有一个最佳的浓度配比,此次实验,浓度在0.5%较好。3煤样的喷过方式为了考察所选表面活性剂溶液能否降低瓦斯涌出强度,实验分2组。一组为没有喷洒表面活性剂的煤样,另一组喷洒过表面活性剂。为了实验的科学性,每组中又设计了瓦斯压力在0.5MPa和1.0MPa不同压力值的情况下煤体瓦斯解吸速度。3.1吸收剂和溶液表面积的影响表面活性剂溶液对煤样的润湿情况还与所取煤样的形状有关,棱角越多,其表面积越大,与溶液接触的面积也越大,吸收量和吸收速度就会相应的增大。因而,需要测量煤样的粒径,进而更全面的说明表面活性剂溶液对煤的润湿情况实验用的煤样是采自A矿井已3.2煤样的吸附实验装置为了达到本次实验的要求,对于实验装置,经过了精心设计,自制了一套专门用于本次实验的煤样加压吸附装置。颗粒煤瓦斯吸附、解吸测定装置包括3部分:①真空脱气系统:包括真空泵、真空计和真空密封管路系统;②高压充气系统:包括高压瓦斯钢瓶、压力表和高压密封罐;③颗粒煤MD-3解吸指标测定仪。颗粒煤吸附测定装置示意图如图4所示。(1)煤对甲烷的吸附煤体中大量的微孔表面具有表面能,当气体与内表面间接触时,分子的作用力使甲烷气体分子在表面上浓集,称为吸附,煤对甲烷的吸附为物理吸附。气体分子浓集的数量渐趋增多,为吸附过程;气体分子复返回自由状态的气相中,表面上气体分子数量渐趋减少,为脱附过程,表面上气体分子维持一定数量,吸附速率和脱附速率相等,为吸附平衡(2)解吸装置的组成利用煤屑中瓦斯压力(瓦斯含量),向一密闭的空间释放(解吸)瓦斯,用该空间体积和压力(以水柱计压差表示)变化来表征煤样解吸出的瓦斯量。MD-3型煤钻屑瓦斯解吸仪主体为一整块有机玻璃加工而成。仪器由水柱计、解吸室、煤样瓶和二通旋塞、两通旋塞等组成。仪器配备有孔径1mm和3mm分样筛1套,秒表1块,煤样瓶8只。3.3煤样的生物活性测定(1)首先将采集的煤样粉碎,用孔径1mm和3mm的筛子筛分,将筛分好的直径1～3mm粒度的试样装入MD型解吸仪的煤样瓶中。试样装至煤样瓶刻度线水平(10g左右),把煤样编号为1号,2号。(2)试验时,把编号为1号,2号的煤样瓶上面盖上一层脱脂棉。然后对应放入图7所示的1号和2号密闭煤样罐中。(3)打开煤样罐1、2的脱气阀门,关闭充气阀门,启动真空泵,开始脱气,用脱气系统脱气24h。(4)关闭煤样罐1、煤样罐2的阀门,再关闭脱气阀,结束脱气。打开充气阀,向充气罐内充气后关闭充气阀,此时可手动由小到大地调节仪器背面的微调阀,使充气的速度不至于太快或太慢,打开煤样罐1阀,由充气罐向煤样罐1放气,其中充气控制甲烷的压力为0.5MPa。(5)向煤样罐2内充入1.0MPa的甲烷气体,方法同(4)。(6)2个煤样罐充气完成后,控制煤样吸附平衡时间在24h以上,本次实验用48h来让煤样完成对甲烷气体的吸附,以期达到充分吸附平衡。(7)在进行颗粒煤样解吸测定时,打开煤样罐,把1号,2号煤样瓶装入MD型瓦斯解吸仪中,这段操作时间控制在3min。然后,从第3min开始读取U管差值,根据仪器设计常数换算涌出的瓦斯量大小。(8)MD-3型瓦斯解吸仪中操作步骤:①首先打开两通旋塞,然后将1号,2号煤样瓶分别迅速放入2个解吸室中,拧紧解吸室上盖,打开三通旋塞,使解吸室与水柱计和大气均连通,煤样处于暴露状态;②当煤样暴露时间为3min时,迅速逆时针方向旋转三通旋塞捏手,使解吸室与大气隔绝,仅与水柱计连通,开始进行解吸测定,并重新开始计时;③每隔3min记录下解吸仪水柱计压差,连续测定21min。3.4表面活性剂实验同样将筛分好的直径1～3mm粒度的试样装入MD-3型解吸仪的煤样瓶中,试样装至煤样瓶刻度线水平(10g左右),对应放入煤样罐1,煤样罐2中后,喷洒配置好的浓度为0.5%的活性剂水溶液(配置好的2份十二烷基苯磺酸钠∶1份洗涤灵表面活性剂溶液),控制在1min中内完成。后续过程同3.3节(2)-(7)。先用脱气系统脱气24h后,按0.5、1.0MPa2个等级的压力充入甲烷气体。解吸测定时,煤样吸附平衡时间控制在48h,以期达到充分吸附平衡。从煤样罐取出煤样瓶,把1号,2号煤样瓶对应装入MD-3型瓦斯解吸仪中,这段操作时间控制在3min。然后,从第3min开始读取U管差值,根据仪器设计常数换算涌出的瓦斯量大小。3.5瓦斯挤出量的变化本次实验只是采用表面活性剂浓度为0.5%,颗粒煤在不同瓦斯压力吸附条件下进行的解吸实验。解吸测定结果如表2所示,变化趋势如图5所示。从图5看出,颗粒煤经0.5%活性剂溶液的喷洒后,和没有喷试剂的煤样相比,瓦斯涌出量确实有所降低。特别在初期,降低瓦斯涌出的效果非常明显。从表2可以看出在瓦斯压力1MPa条件下,加入表面活性剂溶液,在开始的3min内,最大可以降低瓦斯涌出量44.6%。随着解吸时间的增加,解吸瓦斯量都有不同程度的降低,其递减幅度在10%～40%之间。从递减趋势分析,由于活性剂的喷洒,抑止了瓦斯在解吸初期的势头,降低了瓦斯的涌出,后期降低幅度降低,一是由于活性物质进入毛细孔隙阻力增加,逐渐处于一种动态平衡,二是活性剂部分流失,无法对某些孔隙进行封堵,造成封堵效果降低。4表面活性剂对煤体瓦斯溢出量的影响(1)实验室验证和理论分析表明,利用表面活性剂降低瓦斯涌出强度,技术上是可行的。用表面活性剂溶液喷洒落煤,活性剂能较好的润湿煤体,进而渗透到煤孔隙内部,使煤体中孔隙和裂隙会变窄甚至闭合,大大降低煤层的透气系数(煤层的渗透能力控制着瓦斯解吸和运移),从而减缓瓦斯运移速度,降低了瓦斯涌出量;所有固态和液态物质中,水的比热最大,表面活性水剂溶液能够降低煤体温度,使煤体吸附瓦斯的能力增强了,减少了游离瓦斯的生成,即是减少了流动瓦斯的量。从这两方面降低了瓦斯涌出的强度。(2)实验数据分析表明,颗粒煤经过喷洒表面活性剂溶液,瓦斯涌出量可降低10%～40%。加入表面活性剂溶液,初期最大可以降低瓦斯涌出量44.6%。随着解吸时间的增加,解吸瓦斯量都有不同程度的降低,其递减幅度在10%～40%之间。从递减趋势分析,由于活性剂的喷洒,抑止了瓦斯在解吸初期的势头,降低了瓦斯的涌出,后期降低幅度降低,一是由于活性物质进入毛细孔隙阻力增加,逐渐处于一种动态平衡,二是活性剂部分流失,无法对某些孔隙进行封堵,造成封堵效果降低。根据煤矿井下普遍具有喷淋系统,