SDS溶液改变无烟煤润湿性与冲击产尘粒径分布的实验研究_汪李龙.pdf

第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．1 Jan． 2020 SDS 溶液改变无烟煤润湿性 与冲击产尘粒径分布的实验研究 汪李龙， 康健婷， 康天合， 殷瑞斌 （太原理工大学 原位改性采矿教育部重点实验室， 山西 太原 030024） 摘要 为了提高无烟煤层注水效果， 采用不同浓度的十二烷基硫酸钠 （SDS ） 溶液对无烟煤样进 行了浸泡改性， 并对浸泡改性前后煤样的表面基团、 煤/水动态接触角、 自然吸水率以及冲击产尘 粒径分布规律进行了测试和分析。 结果表明 SDS 溶液浸泡改性使无烟煤样润湿性增强， 煤/水动 态接触角随 SDS 溶液浓度的增加呈指数规律降低； 改性煤样的自然吸水率随着 SDS 溶液浓度的 增加呈指数规律增加。自然煤样和改性煤样在饱水状态下的冲击破碎产尘粒径-质量分布具有分 形特征， 煤样的自然饱水率越高， 受冲击产尘粒径-质量分布的分形维数越小； 随着 SDS 溶液浓 度的增大， 其改性煤样的冲击产尘粒径-质量分布分形维数减小， 即产生的微细粉尘总量减少。 关键词 无烟煤； 润湿性； SDS； 粉尘； 粒径分布 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 01-0030-08 Experimental Study on Influence of SDS Solution on Wettability and Grain Size Distribution of Impact Crushing Dust Production in Anthracite WANG Lilong, KANG Jianting, KANG Tianhe, YIN Ruibin （Key Laboratory of In-situ Modified Mining Education, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China） Abstract To improve the water injection effect of anthracite coal seam, the anthracite sample was modified by soaking with sodium dodecyl sulfate （SDS）of different concentrations, and the surface groups, coal/water dynamic contact angle, natural water absorption and particle size distribution of impact dust production before and after immersion modification were tested and analyzed． The results show that the wettability of anthracite is enhanced by immersion modification of SDS solution, the dynamic contact angle of coal/water decreases exponentially with the increase of SDS solution concentration, and the natural water absorption of modified coal increases exponentially with the increase of SDS solution concentration． The particle size - mass distribution of natural coal samples and modified coal samples under saturated water has fractal characteristics． The higher the natural saturation rate of coal samples, the smaller the fractal dimension of particle size-mass distribution of impact crushing dust． With the increase of SDS solution concentration, the fractal dimension of particle size-mass distribution of impact crushing dust of modified coal samples decreases, that is, the total amount of fine dust produced decreases． Key words anthracite; wettability; SDS; dust; particle size distribution 煤层注水是硬煤软化[1]， 提高顶煤冒放性和防 治冲击地压[2]、 煤与瓦斯突出[3]以及降尘[4]的主要工 业措施之一。影响煤层注水效果的直接因素是煤表 面的润湿性，煤的润湿性强则注水效果好，为增强 煤层注水效率， 添加剂被广泛应用于煤层注水中[5-6]。 在煤炭浮选、 水煤浆制备等领域的研究表明， 添加剂 溶液在低变质煤表面存在物理吸附和特性吸附[7]。低 渗透性煤层以高变质煤为主， 其具有微孔发育、 表面 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．01．008 汪李龙， 康健婷， 康天合， 等．SDS 溶液改变无烟煤润湿性与冲击产尘粒径分布的实验研究 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （1） 30-37． WANG Lilong, KANG Jianting, KANG Tianhe, et al． Experimental Study on Influence of SDS Solution on Wettability and Grain Size Distribution of Impact Crushing Dust Production in Anthracite ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （1） 30-37． 基金项目 国家自然科学基金煤炭联合基金资助项目 （U1810102） 移动扫码阅读 30 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol．51No．1 Jan． 2020 性质稳定的特点。在煤层注水过程中， 外液的侵入会 对煤中的微、 小孔裂隙产生一定的水堵效应[8]， 但 Lu[6] 发现，黏弹性表面活性剂能有效减少煤基质孔隙裂 隙中黏土矿物的含量，疏通水气运移通道，从而影 响最终的注水效率。此外，现有研究多采用光学法 测量煤岩的接触角[9]， 因煤岩类材料属具有组分和 结构的双重非均质性，使得测量结果存在较大偏 差， 不能准确表征试样的整体润湿性。 郑钢镖[10]等开 展了不同冲击形式对无烟煤产尘粒径分布规律的研 究， 得出冲击力度越大， 冲击次数越多， 产生细微粉 尘的总量越多的结论。但是表面活性剂作为添加剂 对煤冲击产尘粒径分布规律的影响，尚未见研究分 析的报道。鉴此，采用 5 种浓度的阴离子表面活性 剂 SDS 溶液对高变质无烟煤试样进行浸泡改性实 验， 并采用力学法测试改性前后煤样的煤/水动态接 触角、采用红外光谱仪测试改性对煤样表面基团的 改变、采用自然吸水法测试改性对煤样自然吸水率 的改变，运用分形理论分析改性煤样冲击产尘粒 径-质量分布规律的改变，以期为采用 SDS 添加剂 提高无烟煤注水效果和降低煤炭开采过程中呼吸性 粉尘的生产量提供依据。 1实验煤样与溶液 1．1煤样特性 实验煤样为无烟煤，取自山西晋城无烟煤矿业 有限公司寺河煤矿二号井 15 号煤层 15303 工作面。 采用 MSP UV-VIS 2000 型显微光度计测定煤样的 镜质组最大反射率 Ro， max＝3．385，属于高变质无烟 煤。 采用 Zeiss Axioskop 40A 型反射偏光显微镜测定 煤样的显微组分， 测试结果为镜质组占 79．1， 惰质 组占 19．0， 壳质组占 0， 矿物质占 1．9。通过测 定自然煤样原始状态和烘干状态的质量得出自然煤 样的原始含水率为 2．78。采用 Rigaku D/Max2500 型 X 射线衍射仪测得煤样的矿物成分主要由高岭 石 23．2、 方解石 2．6、 黄铁矿 3．1和非晶态氧化 物 71．1构成。 采用中国 Beishide 公司生产的 3H-2000PS 型液 氮物理吸附仪和美国 Quantachrome 公司生产的 PoreMaster 33G 型压汞仪分别对煤中的微孔 （孔径＜ 10 nm） 、 过渡孔 （孔径 10～100 nm） 和中孔 （孔径 0．1～ 1 μm） 与大孔 （孔径＞1 μm） 的孔隙结构进行测试， 无烟煤孔隙结构测试结果见表 1。 1．2煤样制备 将现场采集的新鲜块煤经切割及粉碎分别加工 成边长为 5 cm 的立方体煤样、尺寸为 20 mm10 mm5 mm 的长方体煤样、 直径为 20～30 mm 的块状 煤样和粒径 200 目 （75 μm） 的粉样。清除立方体煤 样表面上的黏着物和易掉落的煤屑，用于吸水性测 试。用 1 200 目 （11 μm） 水砂纸将长方体煤样各侧 面抛光， 用超声波清洗表面残留煤粉， 用于煤/水动 态接触角测试。块状煤样用于冲击产尘测试。用磁 力搅拌器将粉样搅拌 0．5 h 以确保粉体粒度与成分 均匀，用于煤样表面基团的测试。然后将制备好的 煤样放在 105 ℃的真空干燥箱中干燥 12 h 以上， 直 到质量不变后将其置于硅胶干燥剂瓶内密封保存。 1．3溶液 考虑煤表面一般带负电，阴离子表面活性剂电 离出的带负电荷的离子会增加煤表面的负电性， 负 电性增强将导致煤的润湿性增强[11]， 所以选择阴离 子表面活性剂 SDS 作为煤层注水的添加剂。SDS 的 化学式为 C12H25OSO3Na， 分子结构同时含有疏水基团 十二烷基 （C12H25-）和亲水基团硫酸钠 （-OSO3Na） ， 因其分子结构特点， 使 SDS 具有微量添加即可改变 水溶液的表面张力的能力。实验用水为去离子水。 采用电导法对 SDS 的 CMC 进行测定，测试仪 器为 DDS-307 型电导率仪，测得 25 ℃时 SDS 的 CMC 为 0．008 mol/L。考虑到只有溶液浓度稍高于 CMC 时，才能充分发挥表面活性剂的润湿作用[12]， 因此实验配置 5 种浓度分别为 0、 0．01、 0．05、 0．25、 0．5 mol/L 的 SDS 溶液作为实验溶液。 2实验 2．1实验方案 6 个实验方案见表 2。 其中， 方案 1 为自然煤样， 作为对照实验； 方案 2 至方案 6 的浸泡溶液为 25 ℃ 下不同浓度的 SDS 溶液， 0 mol/L 的 SDS 溶液即为 去离子水。未改性的原煤样称为自然煤样，浸泡改 性后的煤样称为改性煤样， 浸泡改性时间为 120 h， 表 1无烟煤孔隙结构测试结果 Table 1Results of pore structure parameters of anthracite 孔隙类型 微孔 小孔 中孔 大孔 比表面积 / （m2 g-1） 比例 / 孔容 / （cm3 g-1） 比例 / 7．610 0 0．250 0 0．036 4 0．018 2 96．15 3．16 0．46 0．23 0．006 3 0．002 6 0．001 0 0．258 6 2．35 0．97 0．37 96．31 31 ChaoXing 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.1 Jan. 2020 温度为 25 ℃。 2.2测试方法与过程 2.2.1表面基团的测试 采用傅里叶变换红外光谱法测试自然煤样与改 性煤样的表面基团。测试仪器为 Nicolet iS5 型傅里 叶红外光谱仪。 测试过程为 称取 0.5 mg 待测煤样， 与 KBr 按质量比 1∶160 在玛瑙中充分混合研磨至均 匀后装入磨具， 在 10 MPa 压力下压片。将压制好的 片放入红外光谱仪内进行测定， 经 16 次扫描后产生 最终的红外光谱，对其进行自动基线校正消除颗粒 散射影响后进行表面基团分析。 2.2.2浸泡改性溶液表面张力的测试 采用吊环法[13]测试 5 种浓度 SDS 溶液的表面张 力， 测试仪器为瑞典 Biolin 公司生产的 Sigma700 型 表界面张力测试仪。由于温度对溶液表面张力影响 较大，所以测试时在表面张力仪外接中国北京生产 的 HX-2012 型恒温循环水浴槽， 使测试时样品池中 的溶液温度维持在 25 ℃。不同浓度下 SDS 溶液的 表面张力如图 1。 在 CMC 范围内随着 SDS 浓度的增 大，表面张力先减小后增大；当 SDS 的浓度大于 CMC 时， 随着 SDS 浓度的增大， 表面张力呈缓慢降 低并趋于稳定的趋势。 2.2.3煤/水动态接触角的测试 采用吊板法[14]测试煤样煤/水动态接触角的测 试过程如图 2。采用瑞典 Biolin 公司生产的 Sig－ ma700 型表界面张力仪，外接中国北京生产的 HX- 105 型可调节温度的恒温水浴进行测试。 以自然煤样为例，量取 100 mL 去离子水置于 样品池中，设置张力测试仪的相关参数，将试样悬 挂于高精度天平下方的吊钩上。测试前，试样位于 液面上方时， 将高精度天平受力归 0， 以消除重力影 响； 测试开始后， 煤样按设定的速度下降， 达到设定 浸没深度后， 再将其拉出液面， 系统自动记录测量过 程中高精度微天平所测得的力，此时微天平上所测 得的力为试样所受润湿力与所受浮力的合力， 即 F＝γ0Pcosθ-ρshg（1） 式中 F 为润湿力与浮力的合力， mN； γ0为去离 子水表面张力，去离子水在 25 ℃时表面张力为 72.026 mN/m； P 为煤样在去离子水中的润湿周长， mm； θ 为煤/水动态接触角，（） ； ρ 为去离子水密度， g/cm3； s 为煤样横截面积， mm2； h 为浸没深度， mm； g 为重力加速度， mN/g。 煤样单位润湿周长受力随浸没深度的变化曲线 如图 3。图 3 中任一给定深度所对应的力就是该深度 试样单位润湿周长所受润湿力与浮力的合力 F， 即 F＝γ0cosθ-ρshg/P（2） 图 3 中曲线的直线段延伸与 h0 时的 F 轴的 交点所对应纵坐标的值即为试样单位润湿周长所受 的润湿力 FW， 即 FW＝γ0cosθ（3 ） 图 3 中下部曲线为试样浸没过程，上部曲线为 试样退出过程。浸入过程对应的单位润湿周长所受 润湿力为 FWa， 对应的接触角为前进接触角 θa； 退出 过程对应的单位润湿周长所受润湿力为 FWr， 对应的 表 2实验方案 Table 2Experimental scheme 方案溶液浓度/ （mol L-1） 1 2 3 4 5 6 - SDS SDS SDS SDS SDS - 0 0.01 0.05 0.25 0.50 图 1不同浓度下 SDS 溶液的表面张力 Fig.1Surface Tension of SDS Solution at Different Concentrations 图 2煤/液动态接触角的测试过程 Fig.2Coal/liquid dynamic contact angle test process 32 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol．51No．1 Jan． 2020 接触角为后退接触角 θr。 无烟煤属低能物质， 因此采 用具有较好的再现性的前进接触角 θa作为煤样的 煤/水动态接触角[15]。由于煤表面存在孔隙结构， 所 以煤样在动态接触角实验后，表面含水率发生变 化，使得重复测量结果与第 1 次不同。因此对每个 煤样的煤/水动态接触角测量实验只做 1 次循环。 由 图 3 和式 （3） 可得到自然煤样的煤/水动态接触角为 98．36。 2．2．4吸水性的测试 对自然煤样与改性煤样烘干至恒重后进行称 重， 记为 M。将煤样分别吊置在盛水的容器中， 水面 高出试件 1～2 cm。 用精度为 1/10 000 的光学天平进 行间隔称重记录， 直至前后 2 次质量差不超过 0．01 g。最后 1 次的称重为煤样吸水饱和后的质量， 此时 煤样的含水率为煤样自然吸水饱水率， 计算如下 W＝ M1 M - （） 1100％ （4） 式中 W 为煤样的含水率， ； M1为煤样吸水后 的质量， g； M 为煤样烘干后的质量， g。 每组 3 份煤样测试的平均值为每组的测试结果。 2．2．5冲击产尘粒径分布测试 采用自动落锤装置进行冲击破碎实验。将每组 块状煤样分成 6 份， 每份 50 g。以第 1 组自然煤样 为例， 将 50 g 煤样放入捣碎桶中摇匀， 将 2．4 kg 重 锤提升到 600 mm 高度使其自由落下冲击煤样， 每 份冲击 3 次，将 6 份受冲击后的破碎煤样放在一起 依次经过孔径为 0．064、 0．074、 0．088、 0．097、 0．105、 0．125、 0．150、 0．200、 0．300、 0．450、 0．900 mm 的 筛 子 筛分，分出依次通过各孔径下的粉尘，采用精度为 1/10 000 的光学天平称重并记录。 3实验结果及分析 3．1煤样表面基团的改变 方案 1 至方案 6 的自然煤样和改性煤样的红外 光谱如图 4。可以看出， 在自然煤样的图谱中， 在波 数 3 600 cm-1和 3 400 cm-1处的特征吸收峰说明煤 样中含有羟基 （－OH） ， 羟基与煤的润湿性强弱有关； 波数 2 920 cm－1和 2 850 cm－1附近的特征吸收峰表 明自然煤样中含有少量亚甲基 （－CH2） 、 甲基 （－CH3） 等脂肪烃；波数 1 600 cm－1的特征吸收峰代表了羧 酸或酚醛酯，表明自然煤样中含有酮和醛等基团； 波数 1 430 cm－1处的特征吸收峰代表了甲基 （－CH3） 和碳酸盐。 对比去离子水改性煤样和自然煤样的图谱可看 出， 2 个图谱的出峰位置基本相同， 只是峰强度变化 不同， 在去离子水改性煤样图谱中， 波数 3 400 cm-1 处的吸收峰呈减弱趋势， 而其余吸收峰强度并无显著 的变化， 这是因为去离子水去除了离子物质， 其氧化 性弱。而对比 SDS 改性煤样和自然煤样图谱的可看 出， SDS 的强氧化性导致波数 1 600 cm-1和 1 030 cm-1处的吸收峰减弱，在 1 200 cm-1处产生新的吸 收峰， 即酯、 醚的-C-O 与 O-H 和环氧基的特征吸收 峰， 且随着 SDS 溶液浓度的增加， 改性煤样在波数 2 920 cm-1和 2 850 cm-1处吸收峰强度越强。这是 因为 SDS 分子中含有大量的甲基 （－CH3） 和亚甲基 （－CH2） ， 其在煤表面存在物理化学吸附， 形成定向 吸附层， 这是导致其吸收峰增强的根本原因， 因此此 处吸收峰可作为 SDS 在煤表面吸附的特征峰。 3．2煤/水动态接触角的改变 25 ℃条件下， 6 个方案煤样的煤/水动态接触角 随 SDS 溶液浓度变化如图 5。 可见， 经去离子水浸泡 图 3煤样单位润湿周长受力随浸没深度的变化曲线 Fig．3The variation curve of the force per unit wetting perimeter on the coal sample with the depthof immersion 图 4煤样的红外光谱 Fig．4Infrared spectrum of coal sample 33 ChaoXing 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.1 Jan. 2020 后煤样的煤/水动态接触角较自然煤样有略微的减 小。 经 SDS 溶液浸泡改性煤样的煤/水动态接触角随 SDS 溶液浓度的增加呈指数规律降低。当溶液浓度 从 0 mol/L 增加到 0.5 mol/L， SDS 溶液改性煤样的 动态接触角从 97.82降低到 63.91。对于 SDS 溶液 而言， 浓度小于 0.1 mol/L 为影响变化剧烈区， 浓度 大于 0.1 mol/L 为影响变化平缓区。 3.3煤样吸水性的改变 方案 1 至方案 6 煤样的吸水率随时间的变化曲 线如图 6。可以看出， 曲线的斜率在开始时最大， 吸 水速率最快， 随时间增加， 吸水速率逐渐减小。不论 自然煤样，还是不同浓度 SDS 溶液浸泡改性煤样， 吸水率随时间的变化趋势相同， 吸水率的大小不同。 煤样吸水率随 SDS 溶液浓度的变化如图 7。随 着 SDS 溶液浓度增大， 浸泡改性煤样的自然吸水率 呈指数规律增加。 自然煤样的饱和吸水率为 4.75， 0.5 mol/L 的 SDS 溶液改性煤样的饱和吸水率为 7.58， 比自然煤样增加了 59.58。 3.4煤样冲击产尘粒径分布的改变 文献[10, 16]认为煤样受冲击产尘粒径-质量分 布具有分形特征， 但是没有考虑水和 SDS 溶液改性 对煤样冲击产尘规律的影响。若改性煤样冲击产尘 粒径-质量分布为分形， 则应符合 lnw＝ （3-D） lnda0（5） 式中 w 为筛下粉尘的累积质量， g； D 为分形维 数； d 为分样筛的孔径尺寸， mm； a0为常数。 方案 1 自然煤样和方案 2～方案 6 饱水改性煤 样经冲击破碎后，得到的双对数 lnd-lnw 坐标下的 煤样粒径-质量关系曲线如图 8。 结合式 （5） ， 自然煤 样和饱水改性煤样的冲击产尘粒径-质量分布分形 维数和含水率随 SDS 溶液浓度的变化曲线如图 9。 由图 8 和图 9 可以得出 ①自然煤样、 去离子水 浸泡改性煤样和不同浓度 SDS 溶液改性煤样的冲 击产尘粒径-质量分布均符合分形规律； ②随着 SDS 浸泡溶液浓度的增大， 煤样含水率提高； ③煤样的自 然饱水率越高，受冲击产尘粒径-质量分布的分形 维数越小； ④随着 SDS 浸泡溶液浓度的增大， 其浸 泡改性煤样的冲击产尘粒径-质量分布分形维数降 低， 即产生的微细粉尘总量减少； ⑤在煤层注水时， 采用 SDS 作为添加剂能够显著提高煤层含水率， 降 低煤炭开采中产生的呼吸性粉尘量。 4机理分析 4.1SDS 溶液改变煤润湿性的机理 1） 经过 SDS 溶液的浸泡， 煤样基本结构单元中 的桥键和芳香烃发生断裂，煤样表面生成了新的含 氧官能团， 导致煤表面亲水性增强。即 SDS 溶液与 图 5煤/水动态接触角随 SDS 溶液浓度的变化 Fig.5Dynamic contact angle of coal/water with changes in SDS solution concentration 图 6煤样吸水率随时间的变化曲线 Fig.6The curve of water absorption of coal sample with time 图 7煤样吸水率随 SDS 溶液浓度的变化 Fig.7The water absorption rate of coal sample changes with the concentration of SDS solution 34 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol.51No.1 Jan. 2020 煤表面产生了化学改性作用，使煤芳香大分子间的 氢键发生变化，削弱了范德华力，但对煤结构破坏 很小。煤表面氧化过程是一个化学吸附过程也是氧 含量增加的过程。氧原子攻击煤表面的环烷烃和芳 烃，将其氧化生成羰基和羟基，随着氧化反应程度 加深，进一步生成稳定的羧基结构和酸酐基团以及 CO、 CO2和 H2O 等气体，煤表面以前存在的羟基也 会向羧基转变。煤表面的有机质中含有羟基、羧基 和羰基等形式的氧，与水溶液相互接触时其表面发 生氧化反应， 生成稳定的络合物[17]， 如氧化物基团和 少量的酸性基团， 致使煤表面亲水官能团增多， 疏水 官能团减少[18]， 从而增加了煤样润湿性。 2） 在浸泡改性过程中， SDS 分子自发吸附于煤表 面的疏水位点，在煤样表面形成包覆层并发生物理 图 8双对数 lnd-lnw 坐标下煤样粒径-质量关系曲线 Fig.8Particle size-mass relationship curve of coal sample with double logarithm lnd-lnW coordinates 35 ChaoXing 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.1 Jan. 2020 图 9煤样的粒径-质量分布分形维数和含水率随 SDS 溶 液浓度的变化曲线 Fig.9The variation of fractal dimension and water content of particle size-mass distribution of coal sample with concentration of SDS solution 化学吸附作用， 吸附过程是自发放热过程[19]。 吸附导 致的温度升高促进了 SDS 分子与煤的接触， 加强了 SDS 分子在煤孔隙裂隙中的分散程度，使 SDS 分子 在对煤表面的包覆作用增强。在测试过程中，去离 子水与改性煤样的表面接触时，煤表面及孔隙裂隙 中的 SDS 分子存在自发溶解于水的过程， SDS 溶液 的表面张力小， 增加了煤表面的润湿性。另一方面， 从动力学角度来说，化学吸附首先必须对原有化学 键进行改组，使分子或原子成为活化状态，才能进 行键合作用，因此需要一定的活化能。吸附放热过 程使温度升高，煤分子的热运动增强，分子间的吸 引力减弱，使其中的弱键，如 EDA 键 （Electronic Donor Accepter Bonds） 和氢键， 以及各种桥键断裂， 更多的水分子进入煤的大分子网状结构，致使煤分 子中氢键断裂， 煤体膨胀变形， 孔隙结构增大。温度 升高增强了溶液对煤表面的氧化作用，使煤表面的 亲水基团增多， 润湿性增强。 3） 在煤基质中含有黏土、 方解石等矿物质， SDS 溶 液的浸泡改性过程使煤基质中的黏土矿物质发生溶 蚀、 分散， 甚至被迁移出煤基质， 这导致煤孔隙裂隙结 构发生变化， 如出现新增的孔隙、 微小孔隙连通成为 较大的孔隙团及原有孔隙闭合的现象[20]。常温下， 自 然煤样的表面能为 25.38 mJ/m2， 煤/水动态接触角为 98.36， 煤表面润湿性差， 在微小孔隙中极易发生水 堵。 SDS 溶液相较于水能有效增加煤的表面能， 改变 煤的润湿性， 分散、 溶蚀孔隙裂隙中的黏土矿物， 增 大煤表面的孔隙率， 疏通运移通道。所以 SDS 溶液 浸泡改性过程改变了煤样的表面性质，使煤样润湿 性增加， 煤/水动态接触角减小， 自然吸水率增加。 4.2SDS 溶液改变煤样冲击产尘粒径分布的机理 由于无烟煤煤样润湿性差，去离子水的表面张 力较大，水分子依靠自身的张力以及毛细管力仅能 进入煤体中的大孔裂隙中，所以饱和含水自然煤样 内部的大孔隙裂隙表面仍是原有的气体分子，水分 子不能进入小孔和微孔内与煤体充分接触，也就无 法改变煤体的物理力学性质。而 SDS 溶液表面张力 小， 对煤的润湿性极强， 在毛细作用力下可以进入煤 体内微小孔隙中，水分子更易沿着孔裂隙缓慢渗透 流动进入煤体内部将气体驱替，并在煤体的孔隙裂 隙表面铺展。SDS 增加了分子之间的短程相互作用 力和长程作用力[21]， 从而使煤分子和水分子间产生 吸引力， 水分子进入煤体的小孔和微孔后， 煤分子与 水分子间的距离不断减小，煤分子与水分子间作用 力不断增大，当煤分子与水分子间作用力大于水分 子间作用力时，水分子就会侵入煤分子与煤分子之 间， 使煤分子间距增大， 吸引力减弱， 进而导致水分 子不断侵入煤体内部分子之中，直至水分子间、 煤 分子与水分子间和煤分子间达到作用力的平衡。此 时， 煤体的每个部分均被侵入的水分子充分包覆， 并 在煤分子间形成水分子层， 使煤分子更易分层滑动， 煤体塑性增强。另一方面，水分子的入侵使煤分子 间的间距增大， 煤分子间的范德华力减小， 煤体抗压 强度降低， 弹性减小。宏观上表现为 SDS 溶液增强 了水的楔入作用，水在煤体裂隙尖端的楔入作用使 材料内部裂隙周围的应力集中区失稳，应力超过煤 体的抗拉强度， 裂隙发生破裂扩展， 从而产生新的裂 隙， 水又继续侵入新的裂隙中产生楔入作用， 最终使 煤体强度降低， 塑性增加。改性煤体表面的压力， 煤 基质中矿物质的膨化作用以及溶液对煤表面的物理 化学作用，均导致煤的力学性质发生变化。改性煤 的润湿性提高， 煤体的硬度、 抗压强度、 黏聚力、 内 摩擦角以及弹性均不同程度降低，且煤样含水率越 高， 抗压强度越低。因此， 饱和含水煤体在受到外力 冲击时许多的脆性破碎向塑性形变转化，而发生塑 性形变破坏的能量释放较为平缓，降低了煤体的破 碎程度，因而降低了煤体破碎后产生细微颗粒的可 能性。所以， 经 SDS 溶液浸泡改性后煤样的冲击产 尘粒径-质量分布的分形维数显著降低， 煤体破碎后 细微粉尘特别是呼吸性粉尘的产量降低。 5结论 1） 去离子水和 SDS 溶液对无烟煤的浸泡改性作 36 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol．51No．1 Jan． 2020 用， 使煤样主要发生物理溶蚀、 物理包覆改性和化学 氧化等物理化学改性作用， 导致煤样润湿性增强。 2） 通过对改性煤样的红外光谱测试， 得出随着 SDS 溶液浓度的增加，改性煤样在红外光谱中波数 2 920 cm-1和 2 850 cm-1处的吸收峰增强。 3） 采用测试煤样在溶液中浸没/退出过程中单 位周长润湿力确定无烟煤煤／水动态接触角的力学 方法，弥补了采用光学法通过测量煤的静态接触角 只代表测试点的润湿性，不能准确表征试样整体的 润湿性，导致测试结果存在较大偏差的缺陷。通过 测试， 得出经了 SDS 溶液浸泡改性煤样的煤／水动态 接触角随 SDS 溶液浓度的增加呈指数规律降低， 。 4） 随着 SDS 溶液浓度增大， 浸泡改性煤样的自 然吸水率呈指数规律增加。 0．5 mol/L 的 SDS 溶液改 性煤样的自然吸水率比自然煤样增加了 59．58。 5） 通过煤样的冲击破碎产尘实验， 得出自然煤 样和改性煤样的冲击破碎产尘粒径-质量分布均符 合分形规律。煤样的自然饱水率越高，受冲击产尘 粒径-质量分布的分形维数越小；随着 SDS 浸泡溶 液浓度的增大，其浸泡改性煤样的冲击产尘粒径- 质量分布分形维数降低，即产生的微细粉尘总量减 少。为采用 SDS 作为添加剂提高煤层注水效果， 减 少煤炭开采过程中细微粉尘特别是呼吸性粉尘的产 生量提供了实验及理论依据。 参考文献 ［1］ 康天合， 张建平， 白世伟．综放开采预注水弱化顶煤的 理论研究及其工程应用 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2004 （15） 2615-2621． ［2］ 王超．煤层注水防治冲击地压效果分析及可注性鉴定 研究 ［J］ ．煤炭工程， 2018， 50 （1） 92-95． ［3］Peiling Z, Yinghua Z, Zhian H, et al． Coal and gas outburst prevention using new high water content ce- ment slurry for injection into the coal seam ［J］ ． Inter- national Journal of Mining Science and Technology, 2017, 27 （4） 669-673． ［4］ 谢建林， 庞杰文， 菅洁， 等．综采工作面煤层注水降尘 试验研究 ［J］ ．中国安全科学学报， 2017， 27 （6） 151． ［5］Dou G, Xu C． Comparison of effects of sodium car- boxymethylcelluloseandsuperabsorbentpolymeron coal dust wettability by surfactants ［J］ ． Journal of Dis- persion Science ＆ Technology, 2016, 38 （11） 1-5． ［6］Lu Y, Yang F, Ge Z, et al． Influence of viscoelastic surfactant fracturing fluid on permeability of coal seams ［J］ ． Fuel, 2017, 194 1-6． ［7］ 郭梦熊， 余强．新型煤泥浮选促进剂的研究 ［J］ ．煤炭学 报， 1989 （1） 101-112． ［8］Ni G, Cheng W, Lin B, et al． Experimental study on removing water blocking effect （WBE） from two as- pects of the pore negative pressure and surfactants ［J］ ． Journal of natural gas science and engineering, 2016, 31 596-602． ［9］ 李娇阳， 李凯琦．煤表面润湿性的影响因素 ［J］ ．煤炭学 报， 2016， 41 （S2） 448-453． ［10］ 郑钢镖， 康天合， 翟德元， 等．无烟煤冲击产尘粒径分 布规律的试验研究 ［J］ ．煤炭学报， 2007 （6） 596． ［11］ Arif M, Jones F, Barifcani A, et al． Influence of sur- face chemistry on interfacial properties of low to high rank coal seams ［J］ ． Fuel, 2017, 194 211-221． ［12］ 苏育志．基础化学实验 （Ⅲ）-物理化学实验 ［M］ ．北 京 化学工业出版社， 2010． ［13］Lunkenheimer K, Wantke K D． Determination of the surface tension of surfactant solutions applying the of Lecomte du Noy （ring tensiometer） ［J］ ． Colloid ＆ Polymer Science, 1981, 259 （3） 354-366． ［14］Al-Shareef A, Neogi P, Bai B． Force based dyna