由數(shù)學(xué)中的不定式性質(zhì)可知，若在相同的吸附量的條件下，未處理煤樣的解吸量和解吸速率小于處理后的煤樣，則表明處理后的煤樣解吸效果較好；而實(shí)際的吸附試驗(yàn)中，氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前煤樣的吸附量大于處理后煤樣的吸附量，則表明氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理后的煤樣解吸率更高、解吸效果更加顯著。為了定量的分析氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑對(duì)煤樣解吸效果的影響，在下述進(jìn)行的解吸量和解吸速率的比較中，均假定在相同的吸附量條件下進(jìn)行定量比較。

為了得到氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后干燥煤樣的解吸規(guī)律，根據(jù)2.4節(jié)試驗(yàn)步驟中的5)～7)，依次對(duì)不同吸附平衡壓力條件下的煤樣進(jìn)行解吸試驗(yàn)，如圖4所示。

由圖4a可知，隨著甲烷吸附平衡壓力的增加，3種處理方式的煤樣解吸量均逐漸增加，且增加量均呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。經(jīng)過氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑FC117和FC134處理后的煤樣解吸量始終大于未處理的煤樣。在甲烷吸附平衡壓力為0.5 MPa條件下，表面活性劑FC134的表現(xiàn)更加優(yōu)異；在其余的甲烷吸附平衡壓力，表面活性劑FC117的效果均更加顯著。

圖4在1 h內(nèi)干燥煤樣的解吸規(guī)律

對(duì)干燥煤樣進(jìn)行解吸試驗(yàn)的測(cè)定，其目的主要是從定量的角度分析氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑通過降低煤體表面自由能，增加游離瓦斯量，進(jìn)而促進(jìn)瓦斯解吸。其中，在不同吸附平衡條件下，氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理后的煤樣解吸量均有所增加，增長(zhǎng)率基本上呈先增加再降低的趨勢(shì)。在吸附平衡壓力達(dá)到1.5 MPa時(shí)，增長(zhǎng)率達(dá)到最大值，分別達(dá)到近48%和34%，見表3。

表3干燥煤樣解吸量的增長(zhǎng)率

低表面能是表面活性劑促進(jìn)甲烷解吸的重要特征，其作用原理為：具有低表面自由能的表面活性劑分子通過物理吸附的方式有序的吸附在煤體內(nèi)部的孔隙、裂隙表面，降低煤體表面對(duì)甲烷的吸附能力，增加游離瓦斯量。同時(shí)，煤體表面吸附能力的下降，減弱瓦斯流動(dòng)過程中的阻力，有利于甲烷的解吸和運(yùn)移。

甲烷氣體在煤體內(nèi)部孔隙、裂隙中解吸和運(yùn)移過程中，主要受到煤體表面自身產(chǎn)生的摩擦阻力和氣體本身解吸產(chǎn)生的動(dòng)力共同作用。當(dāng)甲烷吸附平衡壓力較小時(shí)，煤體表面的摩擦阻力占主導(dǎo)作用。表面活性劑通過物理吸附的方式吸附在煤體表面，降低了煤體表面的吸附能力，增加了游離瓦斯量和氣體在煤體表面運(yùn)移的流平性。因此，當(dāng)吸附平衡壓力處于0.5～1.5 MPa時(shí)，隨著平衡壓力的增加，表面活性劑處理后的煤樣解吸量增長(zhǎng)率呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。當(dāng)吸附平衡壓力處于1.5～2.5 MPa時(shí)，氣體本身產(chǎn)生的動(dòng)力占主導(dǎo)作用。隨著吸附平衡壓力的增加，甲烷解吸產(chǎn)生的動(dòng)力逐漸增強(qiáng)，未處理的煤樣受摩擦阻力產(chǎn)生的影響逐漸減小，因此，氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理后的煤樣解吸量增長(zhǎng)率呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

通過對(duì)干燥煤樣解吸量和解吸速率的分析，經(jīng)過氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑FC117和FC134處理后的煤樣解吸量和解吸速率均有所提升。定量地分析了氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑通過物理吸附的方式吸附在煤體表面，降低煤體表面自由能，增加煤樣解吸量，為氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑提高瓦斯抽采效果提供理論依據(jù)。

3.3含水煤樣解吸特征的結(jié)果與分析

根據(jù)2.4節(jié)試驗(yàn)步驟中的8)～9)，依次對(duì)氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后的含水煤樣進(jìn)行不同吸附平衡壓力條件下的吸附試驗(yàn)。利用式(2)—式(5)，通過計(jì)算得到氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后含水煤樣在不同吸附平衡壓力條件下的吸附量，如圖5所示。

圖5含水煤樣吸附量

由圖5可知，隨著甲烷吸附平衡壓力的增加，氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后煤樣的吸附量均逐漸增加，且增加量均呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。經(jīng)過氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑FC117和FC134處理后的煤樣吸附量始終小于未處理的煤樣，其變化規(guī)律與干燥煤樣的吸附量一致。其中，含水煤樣的吸附量略小于干燥煤樣的吸附量，其主要原因是在含水率為1%的煤樣中，少量的水滯留在煤體內(nèi)部。一方面，由于水的體積侵占了原本甲烷分子存在的空間；另一方面，由于煤樣自身的親水性，水在煤體表面的吸附能力強(qiáng)于甲烷氣體，使得部分吸附狀態(tài)的甲烷分子被置換和驅(qū)替。因此，含水煤樣的甲烷吸附量略小于干燥煤樣的吸附量。

為了得到氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后含水(1%含水率)煤樣的解吸規(guī)律，依次對(duì)不同吸附平衡壓力條件下的煤樣進(jìn)行解吸試驗(yàn)，通過對(duì)比干燥與含水煤樣的解吸量和解吸速率，進(jìn)而定量分析氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑消除水鎖效應(yīng)，如圖6所示。

由圖6a可知，隨著甲烷吸附平衡壓力的增加，3種處理方式的含水煤樣解吸量均逐漸增加，且增加量均呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。經(jīng)過氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑FC117和FC134處理后的含水煤樣解吸量始終大于未處理的煤樣，與干燥煤樣解吸量的規(guī)律基本一致。同時(shí)，在3種不同處理方式條件下，干燥煤樣的解吸量均大于含水條件下的解吸量，其結(jié)果表明在含水煤樣解吸過程中存在一定程度的水鎖效應(yīng)。

對(duì)含水煤樣進(jìn)行解吸試驗(yàn)的測(cè)定，其目的主要是從定量的角度分析氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑通過將煤體潤(rùn)濕性由親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷裕蛎?xì)管作用所引起的水鎖效應(yīng)，進(jìn)而提高甲烷解吸效果。

其中，在不同吸附平衡條件下，氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理后的含水煤樣解吸量均有所增加，增長(zhǎng)率基本上呈先增加再降低的趨勢(shì)。在吸附平衡壓力達(dá)到1.0 MPa時(shí)，水鎖損害程度最大，表面活性劑消除水鎖效果最好，表面活性劑增加煤樣解吸量最佳，增長(zhǎng)率達(dá)到最大值，分別達(dá)到近38%和25%，見表4。煤樣解吸量的變化規(guī)律與上述3.2節(jié)干燥煤樣解吸量的變化規(guī)律基本上是一致的，作用機(jī)理亦與之相同。

表4含水煤樣解吸量的增長(zhǎng)率

由圖6b可知，隨著甲烷吸附平衡壓力的增加，3種處理方式的含水煤樣解吸速率均有所增加。經(jīng)過氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑FC117和FC134處理后的煤樣解吸速率也始終大于未處理的煤樣。其中，表面活性劑FC117處理后的煤樣解吸速率始終保持著顯著的效果。同時(shí)，由于水鎖效應(yīng)產(chǎn)生的影響，不同處理方式的含水煤樣解吸速率均小于干燥煤樣的解吸速率。

圖6在1 h內(nèi)含水與干燥煤樣解吸規(guī)律的對(duì)比

通過對(duì)干燥與含水煤樣解吸量和解吸速率的分析，經(jīng)過氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑——FC117和FC134處理后的煤樣解吸量和解吸速率均有所提升，其中FC117的效果更加顯著。同時(shí)，經(jīng)過表面活性劑處理后，煤樣的潤(rùn)濕性發(fā)生轉(zhuǎn)變，水鎖效應(yīng)得到緩解和消除。含水煤樣的解吸量和解吸速率也均大于未處理的干燥煤樣。定量地分析了表面活性劑改變煤體表面潤(rùn)濕性，由親水性向疏水性轉(zhuǎn)變，緩解水鎖損害，進(jìn)而增加煤樣解吸量。

3.4氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)前后煤樣解吸量預(yù)測(cè)

通過上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，經(jīng)過氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理后，在1 h內(nèi)煤樣的解吸量和解吸速率均顯著提高。為預(yù)測(cè)煤樣的極限解吸量，可以根據(jù)煤樣解吸量隨時(shí)間的變化規(guī)律，利用擬合曲線得到最終的解吸量。

通過利用解吸公式——王佑安式對(duì)前1個(gè)小時(shí)的累計(jì)煤樣解吸量與時(shí)間的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，得到極限解吸量和擬合度，見表5和表6。

表5氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)前后煤樣解吸量

表6擬合度(R2)

由表5可知，利用王佑安式擬合不同平衡壓力條件下的解吸量與時(shí)間關(guān)系曲線，擬合得到累計(jì)解吸量。其中，干燥煤樣的解吸量大于對(duì)應(yīng)含水煤樣的解吸量，氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理后的煤樣解吸量大于處理前的煤樣解吸量，擬合結(jié)果與1 h內(nèi)解吸量的變化規(guī)律是一致的。同時(shí)，根據(jù)擬合結(jié)果可以預(yù)測(cè)氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后的極限解吸量。

由表6可知，利用王佑安式擬合不同平衡壓力條件下的解吸量與時(shí)間關(guān)系曲線，得到曲線的擬合度。其中，氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后含水煤樣的擬合效果最好，擬合度均大于0.99。在干燥煤樣中，F(xiàn)C134處理后的煤樣擬合度最好，不同吸附平衡壓力條件下的擬合度均大于0.99；其次是未處理和FC117，擬合度也比較好，除去未處理煤樣中吸附平衡壓力為1.0 MPa,其余均在0.98以上。

4結(jié)論

1)分別對(duì)FC117和FC134處理后的煤樣進(jìn)行接觸角和表面張力進(jìn)行測(cè)定。其中，接觸角從未處理的30°增加至90°以上，實(shí)現(xiàn)了煤體潤(rùn)濕性由親水性向疏水性轉(zhuǎn)變；表面活性劑溶液的表面張力由初始的72.8 mN/m下降至25 mN/m以下，較大幅度地降低了煤體表面張力。

2)通過接觸角和表面張力的測(cè)定，當(dāng)表面活性劑濃度為0.5%時(shí)，兩種表面活性劑處理后的煤樣可實(shí)現(xiàn)潤(rùn)濕性的轉(zhuǎn)變和表面張力大幅度地降低。將吸附解吸試驗(yàn)中所用的煤樣在該濃度下的表面活性劑溶液中進(jìn)行處理，并將其作為最佳使用濃度。

3)通過對(duì)氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后煤樣吸附量的計(jì)算，對(duì)比兩種表面活性劑處理前后的煤樣吸附量變化情況。其中，經(jīng)過FC117和FC134處理后的干燥/含水煤樣均小于未處理煤樣的吸附量。

4)對(duì)經(jīng)過FC117和FC134處理后的干燥/含水煤樣進(jìn)行解吸量和解吸速率的測(cè)定，兩種表面活性劑處理后煤樣的解吸效果均有顯著的效果。在氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理后的煤樣吸附量小于未處理的，而解吸量和解吸速率大于未處理的，則表明氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理后的煤樣可以消除水鎖效應(yīng)，增加解吸率，提高解吸效果。

5)利用解吸公式對(duì)解吸量進(jìn)行擬合，得到極限解吸量和擬合度。其中，采用王佑安式擬合的效果較好，擬合度基本上都在0.98以上。