摘要:為了提高煤層注水效果，描述了水對煤的潤濕過程，試驗測試了6種水溶液的表麵張力及其與成莊礦煤樣的接觸角，利用Zisman方法計算得到了成莊礦煤樣的臨界表麵張力。結果表明，肥皂水的表麵張力最低，成莊礦煤樣的平均臨界表麵張力為17.15 mN/m，表麵張力低於17.15mN/m的水能夠對該煤樣完全潤濕和鋪展;表麵張力大於17.15 mN/m的不同種類水，表麵張力越逼近該值，其潤濕效果越好，並提出可以利用臨界表麵張力來評價礦井水潤濕煤的效果。

煤層注水是煤礦防治多種災害的一種重要技術手段。煤體濕潤後，可以減少采礦過程中粉塵的產生，防止礦山工作人員吸塵導致的塵肺、矽肺職業病，防止煤塵引起的爆炸。同時煤層注水可以降低煤體強度和彈性模量，增加煤體的塑性，使應力分布比較均勻，減緩高應力集中，防止煤與瓦斯突出、衝擊礦壓等災害的發生。另外，煤層注水軟化堅硬煤體，使綜采速度加快，提高產量和效率;還可以預防煤層自然發火。

由滲流理論和表麵物理化學理論可知，水潤濕煤體的程度主要取決於水和煤體本身的性質。研究表明，水與煤的相互作用表現在水對煤的潤濕作用和煤對水的吸附作用2個方麵。在煤層注水工藝中，煤體是不可改變的;在水的性能上，體現水潤濕煤能力的主要參數是表麵張力及其與煤的接觸角。文獻提出通過采用磁化水、在水中加入表麵活性劑降低水的表麵張力及其與煤的接觸角，增加水潤濕煤體的能力。筆者對不同種類水溶液的表麵張力及其與煤的接觸角進行試驗研究，並計算臨界表麵張力，為提高煤層注水效果提供了科學依據。

1水對煤的潤濕過程

水的表麵張力是指存在於單位麵積水上的Gibbs自由能，表麵張力越小，液體越容易潤濕固體。物理界麵界麵層模型認為，水所具有的表麵層有自發收縮表麵麵積傾向，這是由於任何物質的表麵張力總是正值;但水的界麵層不一定有自發收縮界麵麵積傾向，這是由於任何物質的界麵張力數值並不總是大於零，在表麵外力大於表麵內力時界麵張力數值應小於零，這使水的界麵層具有自發擴大其界麵麵積傾向。因而在如圖1所示的界麵張力時應該表示界麵張力作用方向，正、負2種界麵張力的作用方向應該相反。以傳統方式表示的潤濕係統中水的表麵力係如圖1所示。

圖1潤濕係統中水的表麵力係

由圖1可知，水隻有水－空氣和水－煤體2種界麵，因此，作用在水上必定也隻有這2種表麵力。當水對煤體潤濕時(圖1a)，水相中表麵張力σL會收縮水滴表麵積，而水與煤的界麵張力σS會擴大該水滴的界麵，而水滴形狀是處於穩定平衡狀態，故可知這2個張力在某些作用點處必定存在著某種力學平衡狀態，它們間的平衡式如下，這也是物理界麵界麵層模型潤濕方程。

σS+σLcosθ=0(1)

式中，θ為水與煤表麵的接觸角，它是指在固、液、氣三相交界處，自固－液界麵經液體內部而到液－氣界麵的夾角。如果接觸角θ＜90°屬可濕潤煤體，在相同的水表麵張力係數條件下，θ角愈小，毛細作用力則愈大，增強了注水動力，潤濕能力愈大;若濕潤邊角θ＞90°屬於不可濕潤煤體，θ角愈大，潤濕能力愈小。

由物理界麵界麵層模型潤濕方程可知，當水的表麵張力σL減小時，其與煤體的接觸角θ會通過降低來建立新的平衡狀態，水能夠更好地潤濕煤體。因此，水對煤體的潤濕能力可由水的表麵張力和與煤的接觸角大小來體現，表麵張力越小，與煤的接觸角越小，水對煤體的潤濕能力越強。

2水的表麵張力及水與煤表麵接觸角測試

2.1煤樣、水樣的采取與製備

為了研究成莊礦煤體的吸水性能，按國標的規定，在成莊礦4308綜采工作麵及5212綜掘工作麵采取有代表性的分層煤樣，且不包含夾石層。按照接觸角測定中的煤樣要求加工成煤樣薄片，用砂紙進行打磨，使其表麵光滑。水樣包括成莊礦煤層注水所用的礦井水、普通自來水、潤田純淨飲用水、蒸餾水、肥皂水和用1 300 mT磁場對純淨水進行磁化10 min後的磁化水。