不同气体环境下煤水润湿动态铺展变化规律及微观作用机制
司磊磊
谷一涵
魏建平
丁楠
姜婉
姚邦华
温志辉
河南理工大学安全科学与工程学院,河南 焦作 454003;河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地,河南 焦作 454003
摘要：煤层注水是一种矿井综合性灾害防治措施,而水溶液在煤表面的润湿铺展是一个动态变化的过程.特别是煤层中含有一定量的瓦斯气体,其环境压力及吸附作用会进一步影响煤水动态润湿变化规律,因此有必要深入分析含瓦斯煤动态润湿机制,为煤层注水提供理论指导.搭建了含瓦斯煤润湿角实验系统,开展了不同气体环境下(吸附性气体CO2、CH4 及非吸附性气体He)的煤水润湿角动态变化规律实验,采用分子动力学模拟的方法从微观尺度分析了不同气体环境下的煤水润湿角变化规律,分析了常压及 3种不同气体条件下的煤水润湿动态铺展过程.结果表明,煤水润湿动态铺展过程可分为 3个阶段:容易铺展阶段、缓慢铺展阶段及稳定平衡阶段.随着气体压力及气体吸附性能的提高,液体铺展速率降低,煤润湿难度增加.实验与分子动力学模拟结果均显示,在常压条件下,水分子形状较为扁平,随着气体压力及吸附能力的增加,水溶液铺展难度增加,液滴形状逐渐接近椭圆形或半球形.在吸附性气体环境下,煤表面会形成气体吸附层,且随着气体压力及吸附能力增大,吸附层厚度变大,水溶液难以突破气体吸附层,进而无法对微小孔隙润湿.通过分析不同气体环境下煤表面自由能变化规律发现,随着气体吸附性能及环境压力的增大,煤分子通过捕获气体分子以降低自身能量而趋于稳定,即表面自由能逐渐降低,煤表面系统相对越稳定,水溶液难以在煤表面铺展润湿,从而使煤水润湿效果减弱.研究成果可为含瓦斯煤注水润湿提供一定的理论指导.
关键词：煤层注水动态铺展润湿角含瓦斯煤表面自由能
分类号：TD712(矿山安全与劳动保护)
资助基金：国家重点研发计划(2023YFC3009002)国家自然科学基金(52374194)河南省优秀青年科学基金资助项目(242300421071)
论文发表日期：2025-07-31
在线出版日期：2025-08-22（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：16( 3322-3337 )
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