聚乙二醇在水力压裂中的应用（烷基糖苷活性剂对煤体结构改性及甲烷解吸特性的影响）

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创新点

（1）揭示了烷基糖苷活性剂对煤体化学结构影响规律。利用红外光谱仪、顺磁共振波谱仪及微电泳仪，研究了烷基糖苷活性剂对煤体改性前后官能团、自由基及Zeta电位等影响的变化规律，从煤化学角度考虑烷基糖苷活性剂对煤体改性影响。

（2）研究了外加烷基糖苷活性剂对卸压后煤体瓦斯解吸影响规律。利用自主研发外侵溶液抑制瓦斯解吸动态试验系统，在煤样吸附平衡后注入表面活性剂，研究煤样在干燥、注水和注烷基糖苷表面活性剂等条件下瓦斯解吸规律，可有效指导工程实践。

（3）分析了烷基糖苷表面活性剂对煤体瓦斯解吸动态抑制机理。从煤化学结构角度分析烷基糖苷表面活性剂对煤体瓦斯解吸动态抑制的机理。研究发现煤体接触角、最大解吸量、解吸速率与含氧官能团总峰面积及自由基相对含量呈负相关关系，与Zeta电位呈正相关关系，烷基糖苷活性剂与煤体接触发生物理化学反应，使煤体表面含氧官能团、氢键等增多，煤体表面负电性增加，自由基相对含量增大，接触角降低，改善了煤体润湿特性，从而减缓瓦斯解吸速率。

烷基糖苷活性剂对煤体结构改性及甲烷解吸特性的影响

作者：李树刚^1,2,3，闫冬洁^1,2,3，严 敏^1,2,3，白 杨^1,2,3，岳 敏^1,2,3

单位：1.西安科技大学 安全科学与工程学院；2. 西安科技大学 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室；3. 煤炭行业西部矿井瓦斯智能抽采工程研究中心

研究背景

煤体采动后瓦斯快速解吸涌出易诱发瓦斯超限或煤与瓦斯突出，煤层注水是减缓瓦斯解吸速率、降低工作面甲烷体积分数超限的有效方法之一。煤体结构是影响工作面瓦斯体积分数的重要因素，利用表面活性剂是改变煤体结构，增强瓦斯解吸抑制效应的重要途径。综合前人研究结果可知，关于表面活性剂对煤体的改性研究主要从煤体宏观物理结构角度分析活性剂对煤体改性或对甲烷解吸规律的影响。但从煤化学结构出发，分析表面活性剂对煤体甲烷解吸影响研究较少。因此，笔者拟选择表面活性剂中常见且无污染、绿色的烷基糖苷活性剂（APG0810），从煤化学结构角度分析烷基糖苷表面活性剂对煤体甲烷解吸动态抑制的影响。

摘 要

煤层注水是减缓瓦斯解吸速率、降低煤体采动后瓦斯快速解吸涌出的有效方法之一，添加表面活性剂可改变煤体化学结构并增强瓦斯解吸抑制效应。选用典型高瓦斯矿井煤样，配制了不同质量分数烷基糖苷（APG0810）表面活性剂，利用红外光谱仪（FTIR）、顺磁共振波谱仪（EPR）及微电泳仪等，研究了烷基糖苷活性剂对煤体改性前后官能团、自由基及Zeta电位等影响规律，采用接触角测定试验台分析了烷基糖苷表面活性剂对煤体接触角的影响，利用自主研发的外侵溶液抑制甲烷解吸动态试验系统，研究煤样在干燥、注水和注烷基糖苷表面活性剂等条件下甲烷解吸规律。试验结果表明：

煤体含氧官能团总量与APG0810质量分数呈指数函数关系，煤样Zeta电位与APG0810质量分数呈负指数函数关系；自由基相对含量（Ng）随APG0810质量分数先增大后趋于平缓，样品中不成对电子摩尔浓度增加4.18倍。

煤体接触角与APG0810质量分数呈负指数函数关系，接触角由79.15°降至25.63°，降幅为67.62%；甲烷最大解吸量、解吸速率与APG0810质量分数均呈负指数关系，甲烷解吸量最大降幅为31.59%，最大解吸速率降幅为78.23%；煤体接触角、甲烷最大解吸量、解吸速率与含氧官能团总面积、自由基相对含量呈负相关关系，与Zeta电位呈正相关关系。

烷基糖苷活性剂与煤体接触发生物理化学反应，使煤体表面含氧官能团、氢键等增多，煤体表面负电性增加，自由基相对含量增大，接触角减小，改善了煤体润湿特性，从而减缓甲烷解吸速率，以期为预防甲烷超限或煤与瓦斯突出等灾害事故提供依据。

部分图片

外侵溶液影响下甲烷解吸试验系统

APG0810改性后煤体红外光谱

APG0810改性前后含氧官能团分峰拟合示意

含氧官能团峰面积随APG0810质量分数变化

不同质量分数APG0810作用煤体电子自旋共振谱

EPR参数随APG0810质量分数变化规律

Zeta电位随APG0810质量分数变化规律

不同质量分数APG0810对煤体接触角影响

甲烷解吸量随时间的变化规律

甲烷解吸速率随时间的变化规律

解吸参数随APG0810质量分数变化规律

解吸参数/润湿参数随结构参数变化关系

APG0810抑制甲烷解吸机理示意

作者简介

李树刚，男，1963年4月24日生，甘肃会宁人，博士，教授，博士生导师，主要从事矿井瓦斯灾害防治理论和技术的教学与科研工作。百千万人才工程国家级人选，国家有突出贡献中青年专家，享受国务院政府特殊津贴。长期从事矿井瓦斯防治、采场矿山压力与岩层控制的教学与科研工作。主持国家自然科学基金重点项目、科学仪器专项、面上项目等国家级项目7项，省部级项目10余项，企业合作项目30余项，获国家科技进步二等奖1项，国家级教学成果二等奖2项，省部级一等奖、二等奖10余项。发表科技学术论文300余篇，被SCI、EI等收录60余篇，获国家发明专利20余项。出版《煤与甲烷共采学导论》等专著5部，主编《灾害学》《安全科学原理》等教材11部。

研究方向

矿井瓦斯灾害防治

主要成果

创新了采动裂隙椭抛带理论，提出椭抛带瓦斯抽采技术，揭示出煤岩瓦斯非线性失稳机理，创立了基于采动裂隙椭抛带的煤与瓦斯安全共采理论与技术体系。成果在十余个矿区应用，为煤矿瓦斯高效抽采、安全生产提供了有力支撑。

来源：

李树刚，闫冬洁，严敏，等. 烷基糖苷活性剂对煤体结构改性及甲烷解吸特性的影响［J］. 煤炭学报,2022,47(1):286-296.

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