煤是我国的主要能源之一，含瓦斯煤体在开采过程中容易出现瓦斯异常涌出现象，不仅会造成经济损失，人员伤亡，大量瓦斯排放到大气中还会加重温室效应。诸多专家学者提出向煤层注表面活性剂溶液解决瓦斯异常涌出等问题。通过瓦斯解吸试验研究了煤层注入表面活性剂溶液后对煤层瓦斯瓦斯解吸效果的影响，结果表明添加表面活性剂可大幅度降低水的表面张力，提高煤体的润湿效果，抑制煤体瓦斯解吸。研究发现煤层注水过程中添加表面活性剂能够抑制煤体瓦斯解吸速率。表面活性剂溶液注入煤层可促进生成甲烷水合物，从而起到防治瓦斯涌出效果，并利用自制高压釜反应器对表面活性剂溶液促进甲烷水合物的效果进行研究。研究表明烷烃−表面活性剂体系对甲烷有较好的溶解效果，可起到抑制瓦斯解吸效果。研究结果表明阴离子表面活性剂溶液可加快瓦斯水合物形成速率。张志增等研究认为胶束分子大的溶液对甲烷吸收效果较好。

诸多专家研究了表面活性剂溶液对煤的作用机理。采用体积法进行甲烷解吸试验，结果显示润湿性越好，越有利于甲烷解吸。YUE等研制了一种集等压加水、等压解吸及自吸高度测量为一体的装置，研究结果认为自发吸胀是充分润湿煤体的关键。朱锴等利用自制瓦斯解吸测试系统进行试验，对表面活性剂抑制瓦斯解吸进行机理解释，研究认为由于毛细作用力，表面活性剂溶液可封堵甲烷。HUANG等研究结果认为表面活性剂可堵塞煤中孔隙结构进而抑制瓦斯解吸。LI等研究结果表明润湿性改性对煤层甲烷吸附解吸有较大影响。WANG等研究结果表明十二烷基硫酸钠可降低煤体渗透性。JIN、李树刚、ZHOU、GUO等采用分子动力学模拟方法研究了离子表面活性剂对低阶煤润湿性影响。林海飞等研究认为液体润湿性越好，对煤体瓦斯解吸效应越好。李树刚等的红外光谱检测结果表明表面活性剂可增加煤样亲水性官能团，增强煤的亲水性。WU等研究结果显示酶促碳酸盐沉淀与表面活性剂协同作用可增加对煤的润湿性。杨兆中等利用分子模拟软件Materials Studio（MS）研究泡沫压裂液添加剂对煤层甲烷扩散影响，结果显示起泡剂是降低含水煤层中甲烷扩散能力的主要因素，稳泡剂会进一步降低甲烷扩散能力。

向煤层注入表面活性剂溶液的作用效果及作用机理已有较多研究，大多认为表面活性剂溶液对煤中瓦斯有封堵作用，然而表面活性剂溶液与气体混合易发泡，形成的泡沫液膜不易消散，也会影响瓦斯流动及解吸。目前有关于表面活性剂泡沫对瓦斯影响作用研究较少。为了实现对瓦斯释放速率的有效控制，探索表面活性剂溶液泡沫特性对甲烷缓释作用效果尤为重要。本研究从表面活性剂溶液性质、表面活性剂泡沫特性角度，测定了溶液表面张力、黏度、发泡率、泡沫稳定性及甲烷缓释率等参数，对表面活性剂溶液泡沫特性与甲烷缓释效应之间的变化规律开展了试验研究及数据分析。本文为表面活性剂抑制瓦斯解吸的机理研究提供一个新角度，为矿井瓦斯防治，煤炭绿色开采提供一定的理论支撑。

1.试验方案

文章通过表面活性剂溶液基础性质检测、泡沫性质检测试验、泡沫性质对气体缓释效应试验，对表面活性剂溶液的泡沫特性以及泡沫对甲烷缓释效应进行研究。

1.1试验材料及流程

相关研究表明十二烷基苯磺酸钠（SDBS）和辛癸基葡糖苷（APG0810）对煤体瓦斯解吸抑制效果较好，故试验选取上述两种表面活性剂进行试验。阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠（SDBS），分子式为C18H29NaO3S，非离子表面活性剂为辛癸基葡糖苷（APG0810），分子式为C16H32O6，使用去离子水配置不同浓度表面活性剂溶液。使用99.9%纯度甲烷、氮气、二氧化碳气体进行泡沫性质检测及气体缓释试验。

试验流程如图1所示。将两种表面活性剂配置质量分数为0.01%、0.02%、0.05%、0.1%、0.15%的溶液，使用QBZY全自动表面张力仪对不同质量分数表面活性剂溶液以及去离子水进行表面张力测量，NDJ-9S数显粘度计测表面活性剂溶液黏度，注气法检测溶液泡沫性质，蔡司stemi508体式显微镜观察泡沫形态。上述基础参数测定结束后，使用自行研制的表面活性剂溶液对甲烷缓释试验装置进行泡沫对甲烷缓释效应影响试验，并采用Trace300气相色谱仪定量检测分析。

图1试验流程

1.2表面活性剂溶液物化特性

1.2.1表面活性剂溶液基础物化参数测定

表面活性剂溶液基础物化特性包括表面张力和溶液黏度。相关研究表明当2种表面活性剂质量分数超过0.15%后表面张力下降不明显，故本研究将2种表面活性剂分别配置质量分数为0.01%、0.02%、0.05%、0.1%、0.15%的溶液，使用QBZY全自动表面张力仪采用铂金环法对不同质量分数表面活性剂溶液以及去离子水进行表面张力测量。试验温度设定为25℃室温，环境湿度为56%。为减少试验误差，每个表面活性剂溶液测试3次，求取平均值作为最终表面张力值。使用NDJ-9S数显粘度计测表面活性剂溶液黏度，每组试验测5次，求其平均值作为最终黏度。

1.2.2表面活性剂泡沫形态测定

利用蔡司stemi508体式显微镜观察泡沫液膜厚度。向观察皿内表面活性剂溶液中分别注入甲烷、空气、氮气、二氧化碳气体产生泡沫，在注入气体10 s时拍照记录气泡形态。最后测量不同溶液产生泡沫液膜的厚度。

1.2.3表面活性剂泡沫性质测定

本试验检测表面活性剂溶液泡沫性质，包括溶液发泡性和泡沫稳定性。表面活性剂发泡高度表征发泡性，泡沫半衰期表征泡沫稳定性。注完气体后泡沫最高高度为发泡高度，泡沫高度下降为最高高度一半所用时间为泡沫半衰期。

向容量为100 mL的比色管中注入30 mL表面活性剂溶液，分别将50 mL甲烷、空气、氮气、二氧化碳以300 mL/min的速率通入液体中。利用相机全程采集发泡高度和半衰期参数，每组溶液测3次，取算数平均值作为最终数据。

1.3表面活性剂对气体缓释效应

采取自主研发的泡沫对气体缓释效应试验装置进行试验，试验装置如图2所示。将250 mL表面活性剂溶液置于密闭锥形瓶，使用微型流量计控制甲烷气体匀速向表面活性剂溶液中以300 mL/min速度通入50 mL气体。试验具体步骤如下：

图2试验装置示意

1）试验前进行气密性检测，检测无漏气情况再进行试验。每次试验前将先向导气管通入待测气体，将导气管中空气排净，防止管路中空气对试验造成误差。

2）将待测250 mL表面活性剂溶液置于锥形瓶中，打开阀门2、阀门3，打开微型流量计，通过微型流量计控制气体以300 mL/min的速度通入锥形瓶液体中，每次试验通入50 mL气体。

3）进气结束后关闭阀门2、阀门3，从通入气体开始计时，10 min后从导气管2处使用进样器抽取10 mL上层气体进行气相色谱试验，得到气相色谱图，通过归一法计算上层气体中甲烷占比。气相色谱定量分析归一化法其计算见式（1）：

式中：Pi为被测组分i的百分含量；A1、A2、···、An为1~n的峰面积；f1、f2、···、fn为组分1~n的相对校正因子。

计算表面活性剂泡沫对气体的缓释效应时，应考虑到空气中本来就含有气体占比。假设锥形瓶上方由于注入气体释放出的组分含量为Xi；原有大气中注入气体占比为ai；通入气体体积为Vg，泡沫层体积Vf=Vg−Xi，锥形瓶上方除去泡沫的气体空间体积为V−Vf。推理计算公式如（2）所示。计算模型图如图3所示。

图3表面活性剂溶液泡沫中气体体积计算模型示意

整理式（2），得出表面活性剂溶液泡沫中气体体积计算公式：

式中：Vi为泡沫中被阻碍气体体积，mL。

锥形瓶上方总体积V为340 mL，通入气体体积为50 mL，整理式（3），得出表面活性剂溶液泡沫中气体体积计算公式：

矿井瓦斯防治：表面活性剂溶液表面张力、泡沫特性及对甲烷缓释效应（一）

矿井瓦斯防治：表面活性剂溶液表面张力、泡沫特性及对甲烷缓释效应（二）

矿井瓦斯防治：表面活性剂溶液表面张力、泡沫特性及对甲烷缓释效应（三）