创新点

（1）将表面活性剂溶液直接应用于低渗透煤体结构损伤的研究中，探索了表面活性剂溶液对低渗透煤体孔隙结构、渗透性能、力学强度等宏观物理力学特性的改性规律。

（2）从分子动力学角度，探究表面活性剂对煤体结构损伤改性机理。

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作 者

安文博1,王来贵2

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单 位

1. 辽宁工程技术大学 土木工程学院；2. 辽宁工程技术大学 力学与工程学院

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研究背景

煤体具有结构致密、孔隙结构复杂、润湿性差的结构特征,在煤炭开采过程中,随着煤矿开采深度的增加,地应力、瓦斯压力和瓦斯含量不断增高,常常面临着瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、瓦斯中毒、冲击地压等矿井灾害事故。表面活性剂作为一种亲油亲水物质,由于其独特的两亲特性及其在溶液中的特殊存在方式,能够在煤体上形成定向的紧密吸附层,改变煤体物理力学性质。

已有研究发现,煤体自身带负电性,阴离子表面活性剂对其改性效果。因此,为了减少或避免矿井灾害事故的发生,并且能够从致密的煤层中抽采瓦斯,笔者采用阴离子表面活性剂对煤体进行改性,研究表面活性剂对煤体的改性规律。

前人关于表面活性剂对煤体的改性研究主要集中在利用表面活性剂来改变煤体润湿性,应用于煤的浮选、降尘等工作中,但关于表面活性剂改性煤体的物理力学特性,应用于煤矿开采工作中的研究较少。

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摘 要

为了提高煤层润湿性,降低煤体结构致密性,减少或避免瓦斯事故发生,采用阴离子表面活性剂(SDS)改性煤体。以阜新长焰煤为研究对象,采用接触角实验和单轴压缩实验测定表面活性剂改性后煤样接触角、峰值强度、峰值应变和弹性模量等宏观物理力学特性随改性条件变化规律,采用X射线衍射(XRD)和傅里叶红外光谱(FTIR)实验测定表面活性剂改性后煤样矿物质组成和表面官能团等微观结构随改性条件变化规律,利用量子化学密度泛函理论探讨表面活性剂对煤体的改性规律,分析表面活性剂改性后煤体结构损伤过程。

结果表明, 当SDS溶液质量分数为0.5%、改性时间为48h,改性温度为40℃时,煤体接触角达到最小,峰值强度和弹性模量降幅,峰值应变增幅。SDS溶液改性后,煤样中碳酸盐矿物含量减少,硅酸盐矿物含量增加,煤体的微晶结构完整性较差,煤分子内的官能团和各种桥键较为丰富,特别是脂肪类官能团较多,并且定向排列的有序性较低。

基于量子化学密度泛函理论探讨了表面活性剂对煤体的改性规律,即表面活性剂通过静电作用力吸附在煤体上,在煤体表面发生化学反应,使煤体中有机矿物的官能团和化学键发生断裂,部分无机矿物发生溶解并分散,这也是煤体结构产生损伤的主要原因。

煤表面的化学反应使煤体表面产生次生孔隙和裂隙,次生孔隙和裂隙相互连接形成裂纹,随着改性条件的变化,裂纹不断扩展延伸,直到裂纹贯穿整个煤体,导致煤体整体结构产生损伤,力学强度不断降低。

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部分图片

实验用标准煤样

表面活性剂改性条件对煤接触角的影响

煤样单轴压缩实验结果

煤样的X射线衍射结果

煤样的FTIR衍射结果

优化后的煤大分子结构和SDS分子结构

SDS分子在煤表面含氧官能团上吸附的平衡构型

SDS表面活性剂与煤体之间的化学反应

表面活性剂改性前后煤样的微观结构损伤示意

表面活性剂在有机矿物表面的吸附状态

表面活性剂作用下煤体微观结构损伤过程

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作者简介

安文博，女，1992年09月27日生，辽宁大连人，2020年6月毕业于辽宁工程技术大学，工程力学专业，获博士学位。现任辽宁工程技术大学，土木工程学院，给排水科学与工程专业，讲师。参与国家重点专项项目、国家自然科学基金项目等项目4项；在国际及国内核心期刊上发表学术论文18篇，其中SCI、EI收录2篇；申请授权国家发明专利2项。

研究方向

矿山灾害力学水污染控制理论与技术

主要成果

致力于煤矿开采—表面活性剂改性煤体结构的研究，取得创新性成果，获两项发明专利，为预防、治理冲击地压和瓦斯突出等灾害事故理论基础和新思路。