摘要:为了提高煤层注水效果，描述了水对煤的润湿过程，试验测试了6种水溶液的表面张力及其与成庄矿煤样的接触角，利用Zisman方法计算得到了成庄矿煤样的临界表面张力。结果表明，肥皂水的表面张力最低，成庄矿煤样的平均临界表面张力为17.15 mN/m，表面张力低于17.15mN/m的水能够对该煤样完全润湿和铺展;表面张力大于17.15 mN/m的不同种类水，表面张力越逼近该值，其润湿效果越好，并提出可以利用临界表面张力来评价矿井水润湿煤的效果。

煤层注水是煤矿防治多种灾害的一种重要技术手段。煤体湿润后，可以减少采矿过程中粉尘的产生，防止矿山工作人员吸尘导致的尘肺、矽肺职业病，防止煤尘引起的爆炸。同时煤层注水可以降低煤体强度和弹性模量，增加煤体的塑性，使应力分布比较均匀，减缓高应力集中，防止煤与瓦斯突出、冲击矿压等灾害的发生。另外，煤层注水软化坚硬煤体，使综采速度加快，提高产量和效率;还可以预防煤层自然发火。

由渗流理论和表面物理化学理论可知，水润湿煤体的程度主要取决于水和煤体本身的性质。研究表明，水与煤的相互作用表现在水对煤的润湿作用和煤对水的吸附作用2个方面。在煤层注水工艺中，煤体是不可改变的;在水的性能上，体现水润湿煤能力的主要参数是表面张力及其与煤的接触角。文献提出通过采用磁化水、在水中加入表面活性剂降低水的表面张力及其与煤的接触角，增加水润湿煤体的能力。笔者对不同种类水溶液的表面张力及其与煤的接触角进行试验研究，并计算临界表面张力，为提高煤层注水效果提供了科学依据。

1水对煤的润湿过程

水的表面张力是指存在于单位面积水上的Gibbs自由能，表面张力越小，液体越容易润湿固体。物理界面界面层模型认为，水所具有的表面层有自发收缩表面面积倾向，这是由于任何物质的表面张力总是正值;但水的界面层不一定有自发收缩界面面积倾向，这是由于任何物质的界面张力数值并不总是大于零，在表面外力大于表面内力时界面张力数值应小于零，这使水的界面层具有自发扩大其界面面积倾向。因而在如图1所示的界面张力时应该表示界面张力作用方向，正、负2种界面张力的作用方向应该相反。以传统方式表示的润湿系统中水的表面力系如图1所示。

图1润湿系统中水的表面力系

由图1可知，水只有水－空气和水－煤体2种界面，因此，作用在水上必定也只有这2种表面力。当水对煤体润湿时(图1a)，水相中表面张力σL会收缩水滴表面积，而水与煤的界面张力σS会扩大该水滴的界面，而水滴形状是处于稳定平衡状态，故可知这2个张力在某些作用点处必定存在着某种力学平衡状态，它们间的平衡式如下，这也是物理界面界面层模型润湿方程。

σS+σLcosθ=0(1)

式中，θ为水与煤表面的接触角，它是指在固、液、气三相交界处，自固－液界面经液体内部而到液－气界面的夹角。如果接触角θ＜90°属可湿润煤体，在相同的水表面张力系数条件下，θ角愈小，毛细作用力则愈大，增强了注水动力，润湿能力愈大;若湿润边角θ＞90°属于不可湿润煤体，θ角愈大，润湿能力愈小。

由物理界面界面层模型润湿方程可知，当水的表面张力σL减小时，其与煤体的接触角θ会通过降低来建立新的平衡状态，水能够更好地润湿煤体。因此，水对煤体的润湿能力可由水的表面张力和与煤的接触角大小来体现，表面张力越小，与煤的接触角越小，水对煤体的润湿能力越强。

2水的表面张力及水与煤表面接触角测试

2.1煤样、水样的采取与制备

为了研究成庄矿煤体的吸水性能，按国标的规定，在成庄矿4308综采工作面及5212综掘工作面采取有代表性的分层煤样，且不包含夹石层。按照接触角测定中的煤样要求加工成煤样薄片，用砂纸进行打磨，使其表面光滑。水样包括成庄矿煤层注水所用的矿井水、普通自来水、润田纯净饮用水、蒸馏水、肥皂水和用1 300 mT磁场对纯净水进行磁化10 min后的磁化水。