煤是我國的主要能源之一，含瓦斯煤體在開采過程中容易出現(xiàn)瓦斯異常涌出現(xiàn)象，不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，人員傷亡，大量瓦斯排放到大氣中還會(huì)加重溫室效應(yīng)。諸多專家學(xué)者提出向煤層注表面活性劑溶液解決瓦斯異常涌出等問題。通過瓦斯解吸試驗(yàn)研究了煤層注入表面活性劑溶液后對(duì)煤層瓦斯瓦斯解吸效果的影響，結(jié)果表明添加表面活性劑可大幅度降低水的表面張力，提高煤體的潤(rùn)濕效果，抑制煤體瓦斯解吸。研究發(fā)現(xiàn)煤層注水過程中添加表面活性劑能夠抑制煤體瓦斯解吸速率。表面活性劑溶液注入煤層可促進(jìn)生成甲烷水合物，從而起到防治瓦斯涌出效果，并利用自制高壓釜反應(yīng)器對(duì)表面活性劑溶液促進(jìn)甲烷水合物的效果進(jìn)行研究。研究表明烷烴?表面活性劑體系對(duì)甲烷有較好的溶解效果，可起到抑制瓦斯解吸效果。研究結(jié)果表明陰離子表面活性劑溶液可加快瓦斯水合物形成速率。張志增等研究認(rèn)為膠束分子大的溶液對(duì)甲烷吸收效果較好。

諸多專家研究了表面活性劑溶液對(duì)煤的作用機(jī)理。采用體積法進(jìn)行甲烷解吸試驗(yàn)，結(jié)果顯示潤(rùn)濕性越好，越有利于甲烷解吸。YUE等研制了一種集等壓加水、等壓解吸及自吸高度測(cè)量為一體的裝置，研究結(jié)果認(rèn)為自發(fā)吸脹是充分潤(rùn)濕煤體的關(guān)鍵。朱鍇等利用自制瓦斯解吸測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)表面活性劑抑制瓦斯解吸進(jìn)行機(jī)理解釋，研究認(rèn)為由于毛細(xì)作用力，表面活性劑溶液可封堵甲烷。HUANG等研究結(jié)果認(rèn)為表面活性劑可堵塞煤中孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)而抑制瓦斯解吸。LI等研究結(jié)果表明潤(rùn)濕性改性對(duì)煤層甲烷吸附解吸有較大影響。WANG等研究結(jié)果表明十二烷基硫酸鈉可降低煤體滲透性。JIN、李樹剛、ZHOU、GUO等采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了離子表面活性劑對(duì)低階煤潤(rùn)濕性影響。林海飛等研究認(rèn)為液體潤(rùn)濕性越好，對(duì)煤體瓦斯解吸效應(yīng)越好。李樹剛等的紅外光譜檢測(cè)結(jié)果表明表面活性劑可增加煤樣親水性官能團(tuán)，增強(qiáng)煤的親水性。WU等研究結(jié)果顯示酶促碳酸鹽沉淀與表面活性劑協(xié)同作用可增加對(duì)煤的潤(rùn)濕性。楊兆中等利用分子模擬軟件Materials Studio（MS）研究泡沫壓裂液添加劑對(duì)煤層甲烷擴(kuò)散影響，結(jié)果顯示起泡劑是降低含水煤層中甲烷擴(kuò)散能力的主要因素，穩(wěn)泡劑會(huì)進(jìn)一步降低甲烷擴(kuò)散能力。

向煤層注入表面活性劑溶液的作用效果及作用機(jī)理已有較多研究，大多認(rèn)為表面活性劑溶液對(duì)煤中瓦斯有封堵作用，然而表面活性劑溶液與氣體混合易發(fā)泡，形成的泡沫液膜不易消散，也會(huì)影響瓦斯流動(dòng)及解吸。目前有關(guān)于表面活性劑泡沫對(duì)瓦斯影響作用研究較少。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯釋放速率的有效控制，探索表面活性劑溶液泡沫特性對(duì)甲烷緩釋作用效果尤為重要。本研究從表面活性劑溶液性質(zhì)、表面活性劑泡沫特性角度，測(cè)定了溶液表面張力、黏度、發(fā)泡率、泡沫穩(wěn)定性及甲烷緩釋率等參數(shù)，對(duì)表面活性劑溶液泡沫特性與甲烷緩釋效應(yīng)之間的變化規(guī)律開展了試驗(yàn)研究及數(shù)據(jù)分析。本文為表面活性劑抑制瓦斯解吸的機(jī)理研究提供一個(gè)新角度，為礦井瓦斯防治，煤炭綠色開采提供一定的理論支撐。

1.試驗(yàn)方案

文章通過表面活性劑溶液基礎(chǔ)性質(zhì)檢測(cè)、泡沫性質(zhì)檢測(cè)試驗(yàn)、泡沫性質(zhì)對(duì)氣體緩釋效應(yīng)試驗(yàn)，對(duì)表面活性劑溶液的泡沫特性以及泡沫對(duì)甲烷緩釋效應(yīng)進(jìn)行研究。

1.1試驗(yàn)材料及流程

相關(guān)研究表明十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）和辛癸基葡糖苷（APG0810）對(duì)煤體瓦斯解吸抑制效果較好，故試驗(yàn)選取上述兩種表面活性劑進(jìn)行試驗(yàn)。陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉（SDBS），分子式為C18H29NaO3S，非離子表面活性劑為辛癸基葡糖苷（APG0810），分子式為C16H32O6，使用去離子水配置不同濃度表面活性劑溶液。使用99.9%純度甲烷、氮?dú)?、二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行泡沫性質(zhì)檢測(cè)及氣體緩釋試驗(yàn)。

試驗(yàn)流程如圖1所示。將兩種表面活性劑配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%、0.02%、0.05%、0.1%、0.15%的溶液，使用QBZY全自動(dòng)表面張力儀對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)表面活性劑溶液以及去離子水進(jìn)行表面張力測(cè)量，NDJ-9S數(shù)顯粘度計(jì)測(cè)表面活性劑溶液黏度，注氣法檢測(cè)溶液泡沫性質(zhì)，蔡司stemi508體式顯微鏡觀察泡沫形態(tài)。上述基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)定結(jié)束后，使用自行研制的表面活性劑溶液對(duì)甲烷緩釋試驗(yàn)裝置進(jìn)行泡沫對(duì)甲烷緩釋效應(yīng)影響試驗(yàn)，并采用Trace300氣相色譜儀定量檢測(cè)分析。

圖1試驗(yàn)流程

1.2表面活性劑溶液物化特性

1.2.1表面活性劑溶液基礎(chǔ)物化參數(shù)測(cè)定

表面活性劑溶液基礎(chǔ)物化特性包括表面張力和溶液黏度。相關(guān)研究表明當(dāng)2種表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.15%后表面張力下降不明顯，故本研究將2種表面活性劑分別配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%、0.02%、0.05%、0.1%、0.15%的溶液，使用QBZY全自動(dòng)表面張力儀采用鉑金環(huán)法對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)表面活性劑溶液以及去離子水進(jìn)行表面張力測(cè)量。試驗(yàn)溫度設(shè)定為25℃室溫，環(huán)境濕度為56%。為減少試驗(yàn)誤差，每個(gè)表面活性劑溶液測(cè)試3次，求取平均值作為最終表面張力值。使用NDJ-9S數(shù)顯粘度計(jì)測(cè)表面活性劑溶液黏度，每組試驗(yàn)測(cè)5次，求其平均值作為最終黏度。

1.2.2表面活性劑泡沫形態(tài)測(cè)定

利用蔡司stemi508體式顯微鏡觀察泡沫液膜厚度。向觀察皿內(nèi)表面活性劑溶液中分別注入甲烷、空氣、氮?dú)?、二氧化碳?xì)怏w產(chǎn)生泡沫，在注入氣體10 s時(shí)拍照記錄氣泡形態(tài)。最后測(cè)量不同溶液產(chǎn)生泡沫液膜的厚度。

1.2.3表面活性劑泡沫性質(zhì)測(cè)定

本試驗(yàn)檢測(cè)表面活性劑溶液泡沫性質(zhì)，包括溶液發(fā)泡性和泡沫穩(wěn)定性。表面活性劑發(fā)泡高度表征發(fā)泡性，泡沫半衰期表征泡沫穩(wěn)定性。注完氣體后泡沫最高高度為發(fā)泡高度，泡沫高度下降為最高高度一半所用時(shí)間為泡沫半衰期。

向容量為100 mL的比色管中注入30 mL表面活性劑溶液，分別將50 mL甲烷、空氣、氮?dú)?、二氧化碳?00 mL/min的速率通入液體中。利用相機(jī)全程采集發(fā)泡高度和半衰期參數(shù)，每組溶液測(cè)3次，取算數(shù)平均值作為最終數(shù)據(jù)。

1.3表面活性劑對(duì)氣體緩釋效應(yīng)

采取自主研發(fā)的泡沫對(duì)氣體緩釋效應(yīng)試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖2所示。將250 mL表面活性劑溶液置于密閉錐形瓶，使用微型流量計(jì)控制甲烷氣體勻速向表面活性劑溶液中以300 mL/min速度通入50 mL氣體。試驗(yàn)具體步驟如下：

圖2試驗(yàn)裝置示意

1）試驗(yàn)前進(jìn)行氣密性檢測(cè)，檢測(cè)無漏氣情況再進(jìn)行試驗(yàn)。每次試驗(yàn)前將先向?qū)夤芡ㄈ氪郎y(cè)氣體，將導(dǎo)氣管中空氣排凈，防止管路中空氣對(duì)試驗(yàn)造成誤差。

2）將待測(cè)250 mL表面活性劑溶液置于錐形瓶中，打開閥門2、閥門3，打開微型流量計(jì)，通過微型流量計(jì)控制氣體以300 mL/min的速度通入錐形瓶液體中，每次試驗(yàn)通入50 mL氣體。

3）進(jìn)氣結(jié)束后關(guān)閉閥門2、閥門3，從通入氣體開始計(jì)時(shí)，10 min后從導(dǎo)氣管2處使用進(jìn)樣器抽取10 mL上層氣體進(jìn)行氣相色譜試驗(yàn)，得到氣相色譜圖，通過歸一法計(jì)算上層氣體中甲烷占比。氣相色譜定量分析歸一化法其計(jì)算見式（1）：

式中：Pi為被測(cè)組分i的百分含量；A1、A2、···、An為1~n的峰面積；f1、f2、···、fn為組分1~n的相對(duì)校正因子。

計(jì)算表面活性劑泡沫對(duì)氣體的緩釋效應(yīng)時(shí)，應(yīng)考慮到空氣中本來就含有氣體占比。假設(shè)錐形瓶上方由于注入氣體釋放出的組分含量為Xi；原有大氣中注入氣體占比為ai；通入氣體體積為Vg，泡沫層體積Vf=Vg?Xi，錐形瓶上方除去泡沫的氣體空間體積為V?Vf。推理計(jì)算公式如（2）所示。計(jì)算模型圖如圖3所示。

圖3表面活性劑溶液泡沫中氣體體積計(jì)算模型示意

整理式（2），得出表面活性劑溶液泡沫中氣體體積計(jì)算公式：

式中：Vi為泡沫中被阻礙氣體體積，mL。

錐形瓶上方總體積V為340 mL，通入氣體體積為50 mL，整理式（3），得出表面活性劑溶液泡沫中氣體體積計(jì)算公式：

礦井瓦斯防治：表面活性劑溶液表面張力、泡沫特性及對(duì)甲烷緩釋效應(yīng)（一）

礦井瓦斯防治：表面活性劑溶液表面張力、泡沫特性及對(duì)甲烷緩釋效應(yīng)（二）

礦井瓦斯防治：表面活性劑溶液表面張力、泡沫特性及對(duì)甲烷緩釋效應(yīng)（三）