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試實(shí)驗(yàn)流程”對含瓦斯煤與水之間的動(dòng)態(tài)接觸角進(jìn)行測試。不同瓦斯壓力下煤與水之間動(dòng)態(tài)接觸角測試結(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含瓦斯煤的潤濕特性。判斷潤濕性能的指標(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?，越容易被水潤濕。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潤濕時(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)而有助于提高水對煤的潤濕效果。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，水分逐漸浸潤含瓦斯煤表面。采用開發(fā)的水滴輪廓線提取軟件對不同時(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，水分對煤體潤濕的難度越大，水分越難浸潤含瓦斯煤體，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)潤濕的過程，基于對圖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到煤體中，另一方面不利于水分對煤體表面潤濕范圍的增加。