唐安煤矿3[#]煤综放工作面煤层注水参数与施工工艺研究.pdf

太原理工大学 硕士学位论文 唐安煤矿3煤综放工作面煤层注水参数与施工工艺研究 姓名刘忠锋 申请学位级别硕士 专业 指导教师康天合 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 唐安煤矿唐安煤矿3煤综放工作面煤层注水参数与施工工艺研究煤综放工作面煤层注水参数与施工工艺研究 摘 要 摘 要 煤层注水作为煤矿防尘、防治冲击地压、预防煤与瓦斯突出、软化顶 煤，提高顶煤冒放性等方面较为有效的工业措施已成为采矿界共识，但是 由于煤变质程度和赋存条件的千差万别，使得煤层注水效果相差很大。 本文以山西兰花集团唐安煤矿 3煤层为研究对象，首先测定了该煤层 的基本物理力学性质、镜质组最大反射率和显微组分，接着对 3煤的水润 湿性、裂隙特性、孔隙特性、导水系数及其变化规律进行实验研究，并对 3煤注水渗透性进行综合评价。通过分析确定了对 3煤层进行注水渗透性 评价的 4 个主要评价指标，即导水系数、孔隙率、裂隙分形维数、裂隙条 数。并且在大量实验数据的基础上，应用模糊数学理论，得出 3煤渗透性 评价指标的测定结果，进而根据煤层注水渗透性评价方法，确定 3煤层渗 透性的评价得分为 59.63，属于Ⅲ类 1 级煤层，即 3煤层属于渗透性中等煤 层。所以在注水过程中，只要选好注水区域，保证注水时间，在注水中不 添加润湿剂，也可以达到较好的注水效果。根据评价结果，建议采用长钻 孔动压预注水，注水终压在 5MPa 以内，注水钻孔间距 15m。 通过对3煤样在不同冲击形式落锤高度和冲击次数下的煤样粉尘粒 径分布规律和常压浸泡水时间与煤样含水率对粉尘粒径分布规律影响的试 验研究，得出了3煤产尘粒径分布的规律，并且进一步得出煤层注水可以 有效减少生产过程中割煤、爆破和钻眼等产生的粉尘量，但注水一定要超 前工作面开采20d以上，以增加煤的含水率和水对煤的作用时间。 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 最后在上述基本研究和前人工作的基础上对3煤层综放工作面煤层注 水的基本参数和注水工艺进行了设计，以及对注水设备进行了选择，并对 3410综放工作面给予了具体的注水和监测设计。 关键词关键词煤层注水，产尘粒径，注水参数，注水工艺，注水设备 太原理工大学硕士研究生学位论文 III THE RESEARCH ON WATER INFUSION PARAMETERS AND CONSTRUCTION TECHNOLOGY FOR LONGWALL TOP COAL CAVING FACE USED FOR TANG’AN NO.3 COAL ABSTRACT Water infusion is not only widely used for guarding against mine disaster such as coal dust blast, pressure bump, gas and coal outburst, but also used for softening top coal, and improving the caving ability of top coal. But Chinese coal embedding condition is multi, this does not always receive ideal effect. The thesis takes LanHua Tang’ An No.3 coal seam for example. Firstly, the basic physic and mechanical property, reflectance of vitrinite, and the maceral are determined, then wetting property, crack property, pore size distributing, water conduction coefficient, and its changing rule are experimentally studied, finally the permeability of No.3 coal seam is comprehensively appraised. After analysis, 4 main appraising inds of permeability of water infusion are chosen. They are water conduction coefficient, porosity ratio, cranny fractal dimension, the quantity of cranny. Based on numbers of experimental datum, the appraising inds of permeability of No.3 coal is determined with fuzzy mathematical theory, and with the permeability appraising , the permeability appraising index of No.3 coal is concluded as 59.63, which belongs to the first grade of Ⅲ 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV class coal which is classification as the medium coal seam from the permeability view. So in the process of water infusion, only if you choose the proper area for infusion, ensure the infusion time the infusion effect will be won with no wetting agent. According to the appraising result, long drilled hole with moving pressure is advised for water pre-infusion, and the final infusion should be within 5MPa, while the distance between the holes should be 15m. After studying the dust particle size distribution rates of the sample caused different impacting with different hammer dropping height and impacting frequency, and by different soaking time with normal pressure and the moisture content, the dust particle size distribution rule of No.3 coal is got, and it is furtherly concluded that infusing water into coal seam can efficiently reduce the dust produced by cutting coal, blast, and drilling in the process of producing coal. But in order to increase moisture content of coal and time of water affecting coal, water infusion must be taken 20 days before caving work surface. Finally, based on the above study and other er studies, the basic parameter and technology of infusing water into long-wall top coal caving work surface of No.3 coal seam are designed, the water infusion equipment is chosen, and the specific steps of water infusion and determination are designed for 3410 long-wall top coal caving work surface. KEY WORDS water infusion，particle size of produced dust，water infusion parameter，water infusion technology，water infusion equipment 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 问题的提出问题的提出 新中国成立以来， 我国煤炭生产发展成就巨大。 煤炭生产基础设施和装备极大改善， 科技水平显著提高，形成了以煤炭为主体的能源供应格局，建立了较为完善的煤炭生产 和供应体系。煤炭产量大幅度增加，煤炭的生产和供应保障能力得到极大增强，供给状 况得到极大改善，供需矛盾也得到了极大缓解。然而伴随着煤炭产量的不断增加，许多 安全问题也随之产生，如瓦斯、火灾、粉尘等问题一直困扰着煤矿的正常生产与发展， 成为制约煤炭生产的一个很重要的因素。 煤矿安全是煤炭生产的保证， 煤矿粉尘、 瓦斯的防治是煤矿安全工作中的重要环节， 而煤层注水是一项最积极有效的措施之一， 近年来在各个煤矿中得到了越来越广泛的应 用。国内外不少专家和学者通过对煤层注水技术进行广泛的研究，取得了许多成果，煤 层注水技术在国内外得到了广泛的应用，但同时也存在着许多的不足，例如对添加润湿 剂时的润湿过程认识的不足；在实现工艺上，大多是先配备添加剂溶液，再将其注入煤 层中，这种添加方法工艺复杂，不易推广应用等。因此，有必要进一步研究煤层注水技 术，使得这项技术更加完善、更加成熟，更好地为煤炭生产服务。 近年来， 山西兰花集团唐安煤矿随着其产量的不断提高， 开始对 3煤层进行综放开 采，但在综放开采的过程中 3煤形成了大量的粉尘，对安全生产造成了很大的隐患，同 时对工人的健康也构成了严重的威胁。 正因如此， 本文将对唐安煤矿 3煤综放工作面进 行煤层注水研究，以解决唐安煤矿 3煤层综放开采中遇到的粉尘问题。 1.2 煤层注水在工程中的应用及其意义煤层注水在工程中的应用及其意义 煤层注水刚开始是用来解决采煤工作面煤尘问题的，后来逐渐应用于预防冲击地 压、提高瓦斯抽放率、预防煤与瓦斯突出等方面。现在煤层注水已成为矿井防尘、防治 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 冲击地压、 防治煤与瓦斯突出、 软化顶煤， 提高顶煤冒放性等方面的综合性技术措施[12]。 1.2.1 煤层注水防尘煤层注水防尘 煤矿井下粉尘是影响煤炭安全生产的一大因素。 一方面， 它不仅污染井下工作场所， 降低空气能见度，容易造成工伤事故，并且工人长期吸入煤尘将会引起尘肺病，危害工 人生命健康。另一方面，粉尘加速机械的磨损，在一定条件下发生爆炸，造成重大的井 下事故[3]。而通过煤层注水，可以降低井下粉尘的产生[4]。近年来，我国煤矿中采用煤 层注水防尘的工作面越来越多，也取得了较好的效果。 煤层注水是通过在煤体中打钻孔，然后将水压入煤体，使水能够均匀分布于煤层中 大量的细微裂隙和孔隙中。水的降尘作用有三方面[59] （1）润湿煤体内的原生煤尘。 原生煤尘存在于煤体内的各类裂隙中， 它们随着煤体破碎而进入矿井空气中。 当注水后， 水进入未破碎的煤体裂隙将原生煤尘预先润湿，使其丧失飞扬能力，从而有效消除这一 尘源。 （2）有效包裹了煤体的每一微小部分。水进入煤体各类裂隙和孔隙之中多使整个 煤体有效地被水包裹起来，当煤体被破碎时，在大多数破碎面上都有水的存在，进而消 除了细粒煤尘的飞扬。即使煤体破碎的极细，渗入细微孔隙的水也能使之预先湿润，达 到预防浮游煤尘的目的。 （3）改变了煤体的物理力学性质。水进入煤体后，煤体由于被 湿润而使塑性增强、脆性减弱，当煤体受外力作用时，许多脆性破碎变为塑性形变，大 量地减少了煤体被破碎为微小尘粒的可能性，降低了有害煤尘的产生。 1.2.2 防治煤与瓦斯突出防治煤与瓦斯突出 煤层注水后，水进入煤体裂隙、孔隙封闭了吸附瓦斯解吸的通道，阻止了与瓦斯的 释放，使瓦斯不能显现其压能，进而降低了瓦斯释放时产生的能量，减少了瓦斯破碎煤 体的可能性[1720]。 人们把煤层注水防突的因素归纳为以下几点 （1）驱逐瓦斯，把游离瓦斯和部分吸 附瓦斯驱赶到煤层注水范围外。 （2）水进入裂隙、孔隙，封闭了吸附瓦斯解吸的通道， 降低了瓦斯解吸速度，进而降低了瓦斯释放时产生的能量。 （3）湿润煤体，改善了煤体 的力学性质，使煤体的塑性增强、脆性减弱，使压力集中程度减弱，缓和了煤体压力潜 能的积累[21]。 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 1.2.3 防治冲击地压防治冲击地压 用煤层注水作为防治冲击地压的措施，早已得到世界各个采煤国家的重视应用。前 苏联、波兰等主要采煤国家都进行了煤体注水的试验，并取得了显著的效果。我国的门 头沟、城子、唐山等矿区也进行了煤体压力注水防治冲击地压的试验研究工作。实践证 明，合理的煤体注水是防治冲击地压的一种有效手段[1011]。 煤体注水后能够使其性质发生重大变化， 防止冲击地压的作用主要表现在以下几方 面 （1）煤体注水能够显著减弱或消除煤的冲击倾向。在实验室对非注水煤样、注水煤 样、不同浸水时间煤样进行的冲击倾向对比试验表明，非注水煤样冲击倾向强烈，而注 水煤样基本丧失了冲击能力，随着浸水时间的增加，煤的冲击倾向逐渐减弱。当煤样浸 水时间超过 4 周后，基本上已经丧失了冲击能力。 （2）煤层注水能够显著降低开采过程 中煤体应力集中程度，且使顶板断裂位置向煤壁前方转移，从而降低周期来压对工作面 煤壁的影响，减少顶板来压诱发冲击地压的可能性。 （3）注水显著改善了煤层开采中的 能量释放在时间上的突发性和空间上的集中性[1216]。 1.2.4 软化顶煤，提高顶煤冒放性软化顶煤，提高顶煤冒放性 在放顶煤开采中，对于中硬以上的煤层，顶煤难以冒落是一个较常见的问题。采用 煤层预注水软化顶煤可以提高顶煤的冒放，进而可以提高煤的回收率。 煤体注水后，煤体颗粒间的内聚力和内摩擦角降低，煤体的单轴抗压强度随着注水 含水率的增加而减小，煤体的杨氏模量随着注水压力的增加而减小。另外，注水对煤体 抗剪强度有降低的影响。 运用预注水方法处理硬或中硬煤层， 可以达到弱化煤体的目的, 使顶煤具有更好的冒放性[2224]。 1.2.5 有利于瓦斯的提前排放有利于瓦斯的提前排放 煤层注水后，对瓦斯的物理作用是很复杂的。由于煤层瓦斯含量、瓦斯压力及煤层 透气性的不同，水对瓦斯的作用也不同。在透气性较好而瓦斯压力不大的煤层中，游离 瓦斯是瓦斯存在的主要形式。水从煤体的裂隙、孔隙中驱赶游离瓦斯，同时使吸附状态 的瓦斯延迟了解吸释放的时间，这就使煤层的游离瓦斯在开采前提前泄出，而吸附瓦斯 又推迟了释放，因而大大降低了落煤时瓦斯涌出的高峰值，进而避免了瓦斯超限[25]。游 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 离瓦斯驱赶作用表现为 （1）注水过程中瓦斯向排放钻孔的泄出速度加快。 （2）向煤体 注水后，提高了邻近瓦斯抽放钻孔的抽放效率。 （3）注水结束后，开采中的瓦斯涌出量 显著降低[26]。 1.3 国内外研究现状国内外研究现状 1.3.1 国外煤层注水研究现状国外煤层注水研究现状 在国外，煤层注水技术的产生与发展着有很长的历史。1890年德国首次在萨尔煤田 进行实验[27]，随后煤体预注水降尘方法逐步引起了各国的重视，尤其是20世纪50年代开 始在世界各国推广应用后，得到了迅猛发展。法国从1943年开始短孔煤层注水的试验研 究和应用。1960年前后，德国、英国、前苏联、美国和比利时等几个主要产煤国家对煤 层注水做了大量的试验研究，并将实验结果在井下推广应用。1943年德国鲁尔煤田开始 使用短钻孔注水，发现降尘效果显著，1948年在该煤田的所有矿井推广使用。但由于短 钻孔存在一些难以克服的困难，后又改用长钻孔注水[28]。 波兰从1950年开始试用煤层注水[29]，到1963年己有75％的工作面采用了煤层注水。 目前， 几乎所有的矿井都采用了煤层注水。 注水压力为1.63MPa， 水中加入硫酸铜溶液， 孔深24米，封孔深1米，注水时间215分钟。这种方法不仅能降尘，而且还能有效的防 治瓦斯突出等问题。 英国西南的产煤区从1961年开始使用煤层长钻孔注水的方法，发现注水压力达到 350kg/cm 2方能克服煤层的原始阻力。高压注水压力为420kg/cm2，注水后采煤工作面的 降尘效果比较理想[1]。 为了使煤层注水状况适应于被湿润煤体的渗透特点， 前苏联乌克兰科学院矿山力学 研究所等研制出能自动调节注水参数的0F型注水泵， 它能根据煤层的渗透性和注水压力 自动调整注水量，实现最佳的煤层注水参数，提高了液体在煤体中分布的均匀性[30]。法 国煤炭中心研制了流量控制器和连续注水装置，使煤层注水实现了自动化。 煤层注水技术的广泛使用，有效的控制了井下粉尘浓度。根据日内瓦国际防尘会议 的资料[31]，在条件合适的煤层里，正确使用煤层注水会使空气中的含尘量比综合使用所 有其它防尘措施不包括煤层注水时要低34倍，而且利用煤层注水时，落煤的生产效 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 率还可以提高25％ [32]。 1.3.2 国内煤层注水研究现状国内煤层注水研究现状 我国虽然从很早就开始煤炭开采，但由于煤炭开采量小，产生的粉尘量也较小，没 有引起足够大的重视。随着煤炭需求量急剧增加，逐渐实现采掘机械化，工作面粉尘大 量增加，逐渐引起工程技术人员的关注。因此一些大的矿务局就用煤层注水的方法来降 低工作面粉尘浓度。 我国于1956年在辽宁本溪的彩屯煤矿首次试验煤体预注水防尘技术， 从此越来越多 的采煤工作面开始煤层注水防尘技术。 1965年抚顺煤科院、北票矿务局采用煤层注水防治瓦斯突出，历时十年，先后进行 了石门煤层注水、巷道煤层注水、区域煤层注水等的试验研究。并且于1976年进行了全 面总结，自行研制了胶塞封孔器进行封孔和用水泥封孔方法进行封孔，至今仍在我国煤 层注水中应用[33]。通过试验，研究了注水时的注水压力、注水流量、单孔注水时间及总 流量对瓦斯突出、煤体变形的影响，并得出了注水后如不能达到使煤层均匀湿润反而更 有利于发生突出的结论，经鉴定认为研究是成功的。 20世纪80年代后期，北京煤科院通过国家原煤炭部立项，将注水技术应用于坚硬顶 板下煤层的开采，解决了由于顶板坚硬不易冒落、形成大面积塌顶而产生的大面积顶板 垮落的问题。 20世纪90年代，原山西矿业学院在晋城煤业集团采用注水技术软化煤层，解决了放 顶煤开采中，煤层大块冒落、影响生产甚至大块煤压死支架的问题，因而得以实现放顶 煤的高产高效开采[34]。 由于注水技术在煤炭开采中得到广泛应用，1992年原煤炭部制定了煤层注水的标 准，用以指导煤层注水预防冲击地压、煤和瓦斯突出。 目前，注水工艺逐步得到了完善，如专用注水泵、钻机、恒流阀、高压水表、封孔 器等注水装备现已基本配套，并掌握了静压注水、动压注水以及注水压力由低压至高压 的注水技术。 此外， 为了监视注水情况， 有些煤矿在集中泵站还安装了远距离传送装置， 实现了将注水压力、流量及漏水关闭注水水源等信号集中控制。在不断完善注水装备的 同时，还对煤体注水的机理及其综合效应、注水参数、水在煤体中的渗透规律及注水中 的添加剂等方面进行了广泛的研究[34]。 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 1.4 本文研究的主要内容本文研究的主要内容 1.4.1 研究内容研究内容 本文拟研究内容主要包括以下几方面 （1） 在阅读查询大量文献资料的基础上， 归纳总结目前煤层注水的研究方法和现状。 （2）对唐安煤矿3煤的物理力学性质、镜质组最大反射率以及显微组分进行测定。 （3）对唐安煤矿3煤的水润湿性、裂隙特性、孔隙特性、渗透系数及其变化规律进 行实验研究，并且对3煤注水渗透性进行综合评价。 （4）对3煤产尘粒径分布规律进行冲击试验研究。 （5）根据上述（2）（4）的研究，对唐安煤矿3煤综放工作面煤层注水参数、注 水工艺及注水设备进行选择。 （6）根据（5）的研究设计，对唐安煤矿3410综放工作面进行注水施工与监测设计。 1.4.2 研究方法研究方法 （1）查询检索国内外最新文献资料，调研收集依托工程的有关资料。 （2）根据已有资料和前人的研究成果，结合唐安煤矿现场的资料，对唐安煤矿 3 煤的注水相关参数进行测试；运用在原煤抛光表面上测定平衡接触角的方法测定煤-水 接触角，以确定 3煤的润湿性；运用网格尺度-裂隙视条数的分形测量方法测定 3煤的 裂隙尺度分布的分形规律；用密度法测定 3煤的总孔隙率，压汞法测定孔径-孔容分布； 用煤岩三轴应力渗透试验仪测定 3煤导水系数； 通过上述的测定， 运用模糊数学理论对 3煤的渗透性及注水工程效果进行分类研究。 （3）对唐安煤矿 3煤产尘粒径分布规律进行冲击试验研究对不同冲击条件（改变 落锤高度与冲击次数）和不同浸泡水煤样等条件下 3煤冲击产尘粒径分布的试验分析， 运用粉尘粒径分布的分形维数 D 的变化规律，探讨 3煤层冲击产尘特性和注水对改善 3煤冲击产尘粒径分布的影响规律。 （4）通过煤层注水渗透运动机理分析，确定出注水参数，根据注水参数以及现场实 际情况确定出注水工艺，并且对注水设备进行选择。 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 第二章第二章 唐安煤矿唐安煤矿 3煤的注水相关参数测试煤的注水相关参数测试 在本章中，将对唐安煤矿 3煤的基本物理力学性质、镜质组最大反射率和显微组分 进行测定，对 3煤水润湿性、裂隙特性、孔隙特性、导水系数及其变化规律进行实验研 究，并且对 3煤注水渗透性进行综合评价研究。 2.1 基本物理力学性质基本物理力学性质 试验煤样取至唐安煤矿 3煤 3408 综放工作面煤壁 02m 高度处和 3408 工作面后部 溜上分别采取 3煤下分层和上分层块样。对所取 3煤样进行测定的基本物理力学性质 参数包括容重、比重、孔隙率、天然含水率、常压浸泡含水率、加压 3MPa 浸泡含水 率、泊松比、单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、弹性模量、内聚力、内摩擦角、软 化系数等。3煤样各种物理力学性质具体测定结果见表 2-1。 表 2-1 唐安煤矿 3煤物理力学参数测定结果 Tab2-1 The basic physical and mechanical parameter of Tang’an No.3 coal 序号 参数 单位 上分层下分层 平均 1 容重 g/cm3 1.41 1.43 1.42 2 比重 g/cm3 1.48181.5792 1.5305 3 孔隙率 4.93 9.40 7.23 4 天然含水率 2.60 2.29 2.45 5 常压浸泡含水率* 3.35792.8586 3.1133 6 加压 3MPa 浸泡含水率* 3.41512.9083 3.1667 7 泊松比 0.26 0.28 0.27 8 单轴抗压强度 MPa 7.20 7.83 7.52 9 抗拉强度 MPa 0.73 0.74 0.74 10 抗剪强度 MPa 9.18 5.96 7.57 11 弹性模量 MPa 1257 1104 1181 12 内聚力 MPa 2.18 2.35 2.27 13 内摩擦角 27.40 28.67 28.04 14 软化系数 0.846 0.795 0.821 注*表示浸泡时间为 20d 太原理工大学硕士研究生学位论文 8 2.2 镜质组最大反射率和显微组分镜质组最大反射率和显微组分 煤的镜质组反射率是表征煤阶的重要指标，各种煤岩显微组分反射率都随煤阶的 增高而增大，但各煤岩显微组分的反射率随煤阶变化的速度有差别，其中镜质组的变化 快而且规律性强。镜质组是煤的主要组分，其反射率易于测定，是公认的较理想的煤阶 指标。 在用煤样制好的样片中选择以均质镜质体为主，包括基质镜质体、结构镜质体、团 块镜质体作为反射率测定对象，按单个测值计算最大反射率。其中上分层测 65 个点， 下分层测 60 个点，表 2-2 为煤样测点反射率统计表，表 2-3 为镜质体反射率和煤岩显微 组分定量统计测定结果。 表 2-2 3煤样测点反射率统计表 Tab2-2 The reflectance of vitrinite statistical datum of determing point in No.3 coal 上分层 下分层 反射率 Rmax/ 测点数 测点百分比/测点数 测点百分比/ 2.50～2.54 1 1.54 0 0.00 2.55～2.59 4 6.15 4 6.67 2.60～2.64 9 13.85 2 3.33 2.65～2.69 15 23.08 10 16.67 2.70～2.74 17 26.15 4 6.67 2.75～2.79 6 9.23 15 25.00 2.80～2.84 5 7.69 12 20.00 2.85～2.89 4 6.15 7 11.67 2.90～2.94 4 6.15 6 10.00 表 2-3 3煤镜质组最大反射率及显微组分定量测定结果 Tab2-3 Determining microscopically the reflectance of vitrinite and the maceral in No.3 coal 层位 镜质组/ 惰质组/ 壳质组/ 粘土矿物/煤种 反射率/ 上分层 89.2 8.5 － 2.3 无烟煤 2.72 下分层 64.4 29.0 － 6.6 无烟煤 2.77 全层平均 76.8 18.75 － 4.45 无烟煤 2.745 2.3 水润湿性水润湿性 煤润湿性的大小在很大程度上影响着注水效果。因此，注水前测定煤的润湿性对注 太原理工大学硕士研究生学位论文 9 水参数的确定有指导作用。液体对固体的润湿表现在两个方面，即接触润湿行为和毛细 管效应[35]。前者用接触角 θ 来表征，后者用毛细作用力 Pm来衡量。根据固体表面润湿 理论，液体在固体表面形成液滴，达到平衡时，液体滴呈现一定的形状，如图 2-1 所示。 图 2-1 中 A 点是平衡时气、液、固三相交界点。AN 是液-固界面，过 A 点作液滴表面 切线 AM，则 AM 与 AN 之间的夹角 θ 称为接触角。从表面张力的角度来看，AN 是作 用于 A 点的液-固界面张力 ls σ，AM 是作用于 A 点的气-液界面张力 gl σ，因此接触角实 际上是 ls σ与 gl σ之间的夹角。接触角 θ 的大小与三种界面张力的相对大小有关，之间的 关系式为 Young杨氏方程 gllsgs σσσθ/ cos− （2-1） 式（2-1）是描述润湿过程的基本方程，从此方程得出①如果 gllsgs σσσ− ，则 0θ，为完全润湿；②如果 gllsgs σσσ− ，则1cos0θ，090θ，为固体能被 图2-1 液体在固体表面上接触角示意图 Fig2-1 The contact angle of liquid gutta on solid 固体 液体 气体 Ａ Ｍ Ｎ σ ls glσ σgs 液体所润湿；③如果 lsgs σσ，则0cos 90θ，为固体不能被液体所润湿。由此 可以看出，固体与液体的接触角直接反映出了该固体界面的润湿性。 煤作为一种固体，与液体间的润湿性（主要是煤与水间的润湿性）也满足Young方 程。由Young方程可以看出，固-液间的接触角是一种很好的表征固液间润湿性能大小 的方法。因此，对煤的润湿性的测定，可以通过测定煤与水的接触角来得到。 毛细作用力Pm的大小为 dCPm/cosθσ （2-2） 式中，σ为水的表面张力系数；θ为水对煤的接触角；d为毛细管直径；C为只与毛细 管界面的几何形状有关的无量纲常数，称为克泽尼常数，对于圆形C0.50，正方形 C0.5619，等边三角形C0.5974。 θ 太原理工大学硕士研究生学位论文 10 由式（2-2）可知，Pm除了与水的表面张力系数σ、孔隙截面形状系数C和孔隙直 径d相关外，还主要与润湿接触角θ有关。因此，煤的水润湿性不仅决定煤水接触润湿 行为， 而且决定煤的毛细管效应。 若θ≥90， 说明此种煤难于被该液体润湿， 则Pm0， 在这种情况下，水将不能进入煤的微孔，因而将影响煤的润湿效果。 2.3.1 水水-煤接触角的测定方法煤接触角的测定方法 接触角对于研究固体的润湿性、液体在固体孔隙中的渗透性等有着重要意义，但接 触角的精确测定难度较大。目前可用的方法有 （1）在粉煤成型体压光表面上测定平衡 接触角； （2）用透过高度法测定粉煤柱中水上升高度法测定润湿角； （3）在原煤抛光表 面上测定平衡接触角等三种方法。 2.3.1.1 在粉煤成型体压光表面上测定平衡接触角测定法 2.3.1.1 在粉煤成型体压光表面上测定平衡接触角测定法 在温度为25℃的恒温室内，将25℃蒸馏水用注射器往制好的试片压光平面上滴落 不足4mg（为忽略重力影响，水滴越小越好） ，其水滴表面是球形的一部分。为避免蒸 发，用快速照相机立刻将其照下来，从照片上测量水滴的底半径r和最大高度h，用公 式（2-3）可计算出平衡视接触角θ′。无论是成型粉煤压缩面，还是块煤的研磨面，在 微观上都是不平滑的。因此，在这个面上直接观察的液体间的接触角，不是真正的接触 角，而是视接触角 /2 1 rhtg − ′θ （2-3） 应用上述方法，文献[36，37]测定的几个矿区煤样的煤水平衡接触角见表2-4所示。 表 2-4 用粉煤成型法测定的部分煤-水平衡接触角θ′ Tab2-4 The coal-water touching angle determined by dust shaping 煤样矿区 晋城 郑州 西山兖州大同平顶山淮南 峰峰 接触角/ 68.5 64.2 53.548.743.7 54.1 40.4 50.3 2.3.1.2 用透过高度法测定粉煤柱中水上升高度测定法 2.3.1.2 用透过高度法测定粉煤柱中水上升高度测定法 （1）测试原理 据Washburn方程可知[38]，若液体由于毛细作用渗入半径为a的毛细管中，在t时 间内液体流过的长度h可用方程（2-4）表示 太原理工大学硕士研究生学位论文 11 tah2/cos 2 ηθσ （2-4） 式中，σ为液体的表面张力，dyncm；θ为润湿接触角， ；η为液体的粘性系数，dynscm-2。 作出h2-t的关系图， 将得到一条近似的线性直线， 求出斜率k， 得到cos/2kaσθη。 从而可知 /2arccosσηθak （2-5） 式中的η和σ可以查得，k可以通过作图求得，关键是确定a值。一般是用一种对 样品润湿接触角为零度的液体，先确定出a值，再反过来测定在同等条件下其他液体的 θ值[39]。 （2）测试方法 实验仪器有长150mm，内径8mm，并带有刻度的硼硅酸耐热玻璃主管、秒表、 烧杯等。实验时，将样品置于玻璃管中，并均匀振实，一端用半透膜与液体相隔。每间 隔一段时间t测量一次液体在粉末柱中上升的高度h， 查出相关的表面张力和粘度数值， 并拟合出h2-t的近似线性直线的斜率k。 在实际中，往往不容易找到使粉末完全润湿的液体，a值就很难确定，因此仅使用 相对润湿角 [40]。 2.3.1.3 在原煤抛光表面上测定平衡接触角测定法 2.3.1.3 在原煤抛光表面上测定平衡接触角测定法 除了试件制作法不同外， 测定方法与在粉煤成型体压光表面上测定平衡接触角的测 定法相同。研究煤的水润湿性，最好的方法是测定水在原煤抛光表面上的接触角，但由 于磨光工艺难以保证样品的磨光程度完全相同，导致接触角测定值重现性不好，误差较 大，因而较少采用。 在本次实验中，由于采用了煤岩学的制片方法，能够确保块煤表面的磨光程度，因 此选择在原煤抛光表面上测定平衡接触角的测定方法。 2.3.2 实验结果及其分析实验结果及其分析 图2-2示出测试唐安矿3煤层部分煤样水-煤润湿视接触角θ′的照片。 根据式 （2-3） 计算3煤的水润湿视接触角θ′，可以得出，3煤层上部煤样的水-煤接触角最大值为 97.63，最小值为54.43，平均值75.33；下部煤样的水-煤接触角大值为83.38，最小 值为54.58，平均值70.81；全层平均接触角为73.07。 太原理工大学硕士研究生学位论文 12 2.3.2.1 煤水平衡接触角的影响因素及其相关性分析 2.3.2.1 煤水平衡接触角的影响因素及其相关性分析 文献[35,36]对煤水平衡接触角的影响因素及其相关性进行过分析，文献[35]的测试 结果见表 2-5，文献[36]的测试结果见表 2-6。 表 2-5 煤-水接触角及其相关因素测定结果[35] Tab2-5 The determined result of the coal-water touching angle and other related factors 工业分析/ad，wt 元素分析/daf， 显微组分分析/ 煤样 M V A FC C H O J S W K 接触角 / 平庄煤 16.71 40.77 8.09 34.43 68.45.0 21.783.159.8 0.9 6.25 17.0 安阳 无烟煤 1.29 15.80 16.34 66.57 89.45.9 0.8 64.1725.630 10.2 35.1 大同煤 3.63 30.90 6.03 59.44 83.65.8 6.3 59.036.81.4 2.85 40.2 兖州煤 2.79 36.6 6.95 53.61 78.55.5 11.367.6719.679.43 3.23 48.7 平顶 山煤 0.97 25.61 11.80 61.62 85.55.8 4.6 58.3532.852.85 5.95 54.1 郑州煤 0.69 25.96 27.17 46.18 81.65.8 8.3 44.336.770 18.93 57