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，不僅會造成經(jīng)濟(jì)損失，人員傷亡，大量瓦斯排放到大氣中還會加重溫室效應(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。通過瓦斯解吸試驗研究了煤層注入表面活性劑溶液后對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甲烷吸收效果較好。

諸多專家研究了表面活性劑溶液對煤的作用機(jī)理。采用體積法進(jìn)行甲烷解吸試驗，結(jié)果顯示潤濕性越好，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量為一體的裝置，研究結(jié)果認(rèn)為自發(fā)吸脹是充分潤濕煤體的關(guān)鍵。朱鍇等利用自制瓦斯解吸測試系統(tǒng)進(jìn)行試驗，對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)果表明潤濕性改性對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等采用分子動力學(xué)模擬方法研究了離子表面活性劑對低階煤潤濕性影響。林海飛等研究認(rèn)為液體潤濕性越好，對煤體瓦斯解吸效應(yīng)越好。李樹剛等的紅外光譜檢測結(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)同作用可增加對煤的潤濕性。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，也會影響瓦斯流動及解吸。目前有關(guān)于表面活性劑泡沫對瓦斯影響作用研究較少。為了實現(xiàn)對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.試驗方案

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

1.1試驗材料及流程

相關(guān)研究表明十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）和辛癸基葡糖苷（APG0810）對煤體瓦斯解吸抑制效果較好，故試驗選取上述兩種表面活性劑進(jìn)行試驗。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)檢測及氣體緩釋試驗。

試驗流程如圖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全自動表面張力儀對不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)表面活性劑溶液以及去離子水進(jìn)行表面張力測量，NDJ-9S數(shù)顯粘度計測表面活性劑溶液黏度，注氣法檢測溶液泡沫性質(zhì)，蔡司stemi508體式顯微鏡觀察泡沫形態(tài)。上述基礎(chǔ)參數(shù)測定結(jié)束后，使用自行研制的表面活性劑溶液對甲烷緩釋試驗裝置進(jìn)行泡沫對甲烷緩釋效應(yīng)影響試驗，并采用Trace300氣相色譜儀定量檢測分析。

圖1試驗流程

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全自動表面張力儀采用鉑金環(huán)法對不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)表面活性劑溶液以及去離子水進(jìn)行表面張力測量。試驗溫度設(shè)定為25℃室溫，環(huán)境濕度為56%。為減少試驗誤差，每個表面活性劑溶液測試3次，求取平均值作為最終表面張力值。使用NDJ-9S數(shù)顯粘度計測表面活性劑溶液黏度，每組試驗測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時拍照記錄氣泡形態(tài)。最后測量不同溶液產(chǎn)生泡沫液膜的厚度。

1.2.3表面活性劑泡沫性質(zhì)測定

本試驗檢測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表面活性劑對氣體緩釋效應(yīng)

采取自主研發(fā)的泡沫對氣體緩釋效應(yīng)試驗裝置進(jìn)行試驗，試驗裝置如圖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。試驗具體步驟如下：

圖2試驗裝置示意

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

2）將待測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，通過微型流量計控制氣體以300 mL/min的速度通入錐形瓶液體中，每次試驗通入50 mL氣體。

3）進(jìn)氣結(jié)束后關(guān)閉閥門2、閥門3，從通入氣體開始計時，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，得到氣相色譜圖，通過歸一法計算上層氣體中甲烷占比。氣相色譜定量分析歸一化法其計算見式（1）：

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

計算表面活性劑泡沫對氣體的緩釋效應(yīng)時，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。推理計算公式如（2）所示。計算模型圖如圖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、泡沫特性及對甲烷緩釋效應(yīng)（三）