2.水與瓦斯之間的表面張力

采用團(tuán)隊(duì)自開發(fā)的水與瓦斯之間的表面張力分析軟件對(duì)不同瓦斯壓力條件下的水滴形貌(圖3)進(jìn)行分析，即可獲得式(1)中的Ds及De。F為G修正后的形狀因子，F(xiàn)通過查表及插值法獲得，式(1)中的參數(shù)見表1，將表1中的參數(shù)帶入式(1)及式(2)，即可獲得不同瓦斯壓力條件下水與瓦斯之間的表面張力(圖4)。

圖3不同瓦斯壓力條件下的水滴形貌

表1式(1)及式(2)中的參數(shù)

圖4不同瓦斯壓力條件下水的表面張力

由圖4可知，水與瓦斯之間的表面張力隨著瓦斯壓力的增加而減小，表面張力與瓦斯壓力滿足負(fù)指數(shù)的關(guān)系，如式(3)所示。在水與瓦斯的界面，水分子兩側(cè)分別與瓦斯分子、液體分子接觸，表面分子受到的朝向液體內(nèi)部的吸引力大于氣體分子的吸引力。隨著瓦斯壓力的增加，水與瓦斯接觸表面之間的密度差逐漸減小，瓦斯分子對(duì)水分子的引力逐漸變大，抑制了液體表面分子向液體內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)，使系統(tǒng)的能量趨向于平衡狀態(tài)。因此，水與瓦斯之間的表面張力隨著瓦斯壓力的增加而減小。

3.含瓦斯煤與水之間接觸動(dòng)態(tài)演化特性

3.1含瓦斯煤與水之間接觸角動(dòng)態(tài)演化特性

按照“含瓦斯煤與水之間接觸角測(cè)試實(shí)驗(yàn)流程”對(duì)含瓦斯煤與水之間的動(dòng)態(tài)接觸角進(jìn)行測(cè)試。不同瓦斯壓力下煤與水之間動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5不同瓦斯壓力下煤與水之間動(dòng)態(tài)接觸角

由圖5可知，同一瓦斯壓力下，接觸角隨著時(shí)間的增加而逐漸減小，說明水分在含瓦斯煤表面發(fā)生了浸潤(rùn)現(xiàn)象。接觸角θ與時(shí)間t滿足的關(guān)系，參數(shù)a和b的值如圖6所示。參數(shù)a與壓力p滿足的關(guān)系，參數(shù)b與壓力p滿足的關(guān)系。接觸角與壓力及時(shí)間的關(guān)系如式(4)所示。

3.2煤水界面能、煤的表面能及黏附功的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律

同一時(shí)刻，隨著瓦斯壓力的增加，煤與水之間的接觸角變大，由于水與瓦斯之間的表面張力隨著瓦斯壓力的增加而減小，無法定性的判斷水分對(duì)含瓦斯煤的潤(rùn)濕特性。判斷潤(rùn)濕性能的指標(biāo)有煤水界面能、煤的表面能及黏附功，其計(jì)算公式分別如式(5)—式(7)所示。不同瓦斯壓力條件下的煤水界面能、煤的表面能及黏附功的計(jì)算結(jié)果，如圖7a—圖7c所示。

圖7不同瓦斯壓力條件下煤水界面能、煤的表面能及黏附功的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律

式中：γlg為水的表面張力，N/m；θ為接觸角，(°)；為煤水界面能，N/m；γsg為煤的表面能，N/m；Wa為黏附功，N/m。

由圖7a可知，同一瓦斯壓力條件下，煤水界面能隨著潤(rùn)濕時(shí)間的增加而減小，隨著接觸角的減小而減小。因?yàn)槊核缑婺茉叫?，水分越容易在煤體表面鋪展。同一時(shí)刻，瓦斯壓力越大，煤水接觸角越大，煤水界面能越大，水分越不容易在煤體表面鋪展；由圖7b可知，同一瓦斯壓力條件下，煤的表面能隨著潤(rùn)濕時(shí)間的增加而增加，隨著接觸角的減小而增大。因?yàn)槊旱谋砻婺茉礁?，越容易被水?rùn)濕。同一時(shí)刻，瓦斯壓力越大，煤水接觸角越大，煤的表面能越小，水分越不容易在煤體表面鋪展；由圖7c可知，同一瓦斯壓力條件下，黏附功隨潤(rùn)濕時(shí)間的增加而增加，隨著接觸角的減小而增大。黏附功越大，越容易被水潤(rùn)濕。同一時(shí)刻，瓦斯壓力越大，煤水接觸角越大，黏附功越小，水分越不容易在煤體表面鋪展。因此，降低瓦斯壓力及延長(zhǎng)潤(rùn)濕時(shí)間有助于減小煤水界面能、增加煤的表面能及增加黏附功，進(jìn)而有助于提高水對(duì)煤的潤(rùn)濕效果。因此，采用煤層注水措施治理瓦斯及預(yù)濕減塵時(shí)，應(yīng)給予煤體充分的潤(rùn)濕時(shí)間。

3.3水滴在含瓦斯煤表面的演化特性

水滴與含瓦斯煤表面接觸后，水分逐漸浸潤(rùn)含瓦斯煤表面。采用開發(fā)的水滴輪廓線提取軟件對(duì)不同時(shí)間及不同瓦斯壓力條件下的水滴輪廓進(jìn)行提取，提取后的水滴輪廓如圖8所示。

圖8不同時(shí)間及不同瓦斯壓力條件下的水滴輪廓

由圖8可知，在一定的瓦斯壓力條件下，隨著時(shí)間的增加，水滴逐漸趨向于扁平，水滴與含瓦斯煤的接觸面寬度逐漸增加，即潤(rùn)濕的寬度逐漸增加，水滴的高度逐漸減小。通過圖8可以獲得，不同瓦斯壓力、不同時(shí)間水滴輪廓最高點(diǎn)的坐標(biāo)，將不同瓦斯壓力、不同時(shí)間水滴輪廓的最高點(diǎn)與不同瓦斯壓力、初始時(shí)刻水滴輪廓的最高點(diǎn)做差，可以獲得水滴輪廓最高點(diǎn)隨時(shí)間的演化規(guī)律(圖9a)。通過圖8可以獲得不同瓦斯壓力、不同時(shí)間水滴與含瓦斯煤接觸面的寬度，采用不同瓦斯壓力、不同時(shí)間水滴與含瓦斯煤接觸面的寬度減去不同瓦斯壓力、初始時(shí)刻水滴與含瓦斯煤接觸面的寬度，即可獲得水滴與含瓦斯煤接觸面的寬度演化規(guī)律(圖9b)。

圖9水滴輪廓最高點(diǎn)及水滴與含瓦斯煤接觸面的寬度演化規(guī)律

由圖9a可知，同一瓦斯壓力條件下，水滴輪廓最高點(diǎn)下降的高度逐漸增加，然而增加的速率逐漸減小，其主要是因?yàn)樗衷诿褐锌紫读鲃?dòng)所受的黏滯力所致。同一時(shí)間，瓦斯壓力越大，水滴輪廓最高點(diǎn)下降的高度越小。由前述分析可知，瓦斯壓力越大，水分對(duì)煤體潤(rùn)濕的難度越大，水分越難浸潤(rùn)含瓦斯煤體，因此呈現(xiàn)出瓦斯壓力越大，水滴輪廓最高點(diǎn)下降的高度越小的規(guī)律。由圖9b可知，同一瓦斯壓力條件下，水滴與含瓦斯煤接觸面的寬度逐漸增加，然而增加的速率逐漸減小，其主要也是因?yàn)樗衷诿褐锌紫读鲃?dòng)所受的黏滯力所致。同一時(shí)間，瓦斯壓力越大，水滴與含瓦斯煤接觸面寬度增加的越小，其說明瓦斯壓力越高，水分越不容易在含瓦斯煤表面鋪展。水滴與含瓦斯煤表面的接觸是一個(gè)動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕的過程，基于對(duì)圖9a—圖9b的分析可知，瓦斯壓力的增加一方面不利于水分浸潤(rùn)到煤體中，另一方面不利于水分對(duì)煤體表面潤(rùn)濕范圍的增加。