2.2表面張力和接觸角的測(cè)試原理

采用芬蘭Kibron公司生產(chǎn)的Delta-8全自動(dòng)高通量表面張力儀對(duì)不同種類的水在室溫下進(jìn)行測(cè)定，鉑金環(huán)浸入到水中一定的位置，隨著鉑金環(huán)與水之間的膜被拉長(zhǎng)，使鉑金環(huán)受到一個(gè)向下的力，差動(dòng)變壓器的磁芯隨鉑金環(huán)的下降而上升，使差動(dòng)變壓器的線圈感應(yīng)出一定的電壓值，這樣將被拉伸的薄膜變形量轉(zhuǎn)化為電壓量，經(jīng)微機(jī)處理轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的張力值，并自動(dòng)顯示出來。隨薄膜逐漸被拉長(zhǎng)，張力值逐漸增大，直至薄膜破裂，記下的最大值即水的實(shí)時(shí)張力。

采用JY－PHb接觸角測(cè)定儀測(cè)定6種不同水對(duì)煤樣的接觸角，拍照后在照片上測(cè)量，觀測(cè)與固體平面相接觸液滴的外形，再用量角器直接量出三相交界處流動(dòng)界面與固體界面的夾角。

2.3測(cè)試結(jié)果及分析

室溫下，對(duì)6種不同水的表面張力分別測(cè)試4次，取平均值，結(jié)果見表1。每種水與煤的接觸角均測(cè)試4個(gè)不同位置的接觸角，煤樣不同位置處的平整度和粗糙度不同，測(cè)試結(jié)果也不同，見表2。結(jié)果表明，礦井水和自來水的表面張力接近，純凈水和蒸餾水的表面張力接近，這是因?yàn)榈V井水和自來水，純凈水和蒸餾水的主要成分相似。磁化水水分子鏈(團(tuán))的氫鍵發(fā)生畸變、斷裂，分子間的平衡距離變大，引力常數(shù)變小，水分子得到活化，導(dǎo)致磁化水的表面張力降低；肥皂是一種表面活性物質(zhì)，表面活性物質(zhì)通過減小液體表面自由能從而減小其表面張力系數(shù)，所以磁化水和肥皂水的表面張力較低，對(duì)應(yīng)的與煤的接觸角也較小。

表1表面張力測(cè)定結(jié)果

表2各種水與煤的接觸角測(cè)定結(jié)果

3臨界表面張力計(jì)算及其對(duì)煤層注水作用

固體表面可分低能固體表面與高能固體表面。區(qū)別高能固體表面與低能固體表面的主要依據(jù)是表面能的大小，一般以表面能0.001 J/m2為界，表面能高于此值的為高能表面，低于此值的為低能表面。為了分析固體表面潤(rùn)濕特征，經(jīng)常采用臨界表面張力來表征。由前述分析可知，煤的表面結(jié)構(gòu)對(duì)于煤吸附水的能力有重要的影響，煤表面結(jié)構(gòu)越不均勻，懸鍵越多，極性越大，表面能越高，對(duì)水的吸附能力也就越大。所以，影響煤吸附水能力有多種因素:煤的表面性質(zhì)、溫度、水中所含的表面活性劑的濃度、煤的表面性質(zhì)等。如何衡量煤表面潤(rùn)濕性質(zhì)，在此引入臨界表面張力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

文獻(xiàn)測(cè)定了一些具有不同表面張力的同系物液體對(duì)同一種固體表面的接觸角θ，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，將cosθ對(duì)液體表面張力σL作圖，對(duì)于同系物液體可得一直線;對(duì)于非同系物液體可得一窄帶，直線或窄帶下線，表達(dá)式為

cosθ=aσL+b(2)

式中:a、b為系數(shù)，其值與煤樣及試驗(yàn)測(cè)試位置有關(guān)。將直線或窄帶下線外推到cosθ=1，就可以得到一個(gè)表示該固體表面特征的數(shù)值，Zisman定義此值就為液體對(duì)固體潤(rùn)濕的臨界表面張力γc。

γc=(1－b)/a(3)

在該液體同系物中凡是表面張力小于γc的液體，都能以零度接觸角鋪展在該固體表面上。根據(jù)表1、表2，每個(gè)測(cè)點(diǎn)位置cosθ與液體表面張力σL的擬合情況(窄帶下線)如圖4所示。

圖2煤樣的潤(rùn)濕臨界表面張力

由圖2可知，煤樣不同位置處的臨界表面張力不同，按照式(3)計(jì)算得到位置1—4的臨界表面張力依次為:17.1、10.5、19.9、21.1 mN/m，分析其原因主要有2點(diǎn):一是系統(tǒng)本身所具有的人為誤差的可能;二是測(cè)點(diǎn)位置煤樣表面粗糙度不同。因此，成莊礦煤樣的總體臨界表面張力取4個(gè)不同位置臨界表面張力值的算術(shù)平均值為17.15mN/m。因此，凡是表面張力低于17.15 mN/m的水都能以零度接觸角潤(rùn)濕在成莊礦煤體表面上;表面張力大于17.15 mN/m的不同種類水，表面張力越逼近該值的，其對(duì)該煤樣的潤(rùn)濕效果越好，越有利于煤層注水。

臨界表面張力計(jì)算能夠?qū)γ簩幼⑺鸬街笇?dǎo)作用，在煤層注水前，可先在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定不同種類水溶液的表面張力及其與煤樣的接觸角，計(jì)算得到煤樣的臨界表面張力，評(píng)價(jià)煤的潤(rùn)濕特征。采用向水中加入粘塵棒、表面活性劑、將水磁化等方法調(diào)配較低表面張力的水，對(duì)水改性，使煤層注水達(dá)到最佳效果。

4結(jié)論

1)水對(duì)煤體的潤(rùn)濕能力可由水的表面張力和與煤的接觸角大小來體現(xiàn)，表面張力越小，與煤的接觸角越小，水對(duì)煤體的潤(rùn)濕能力越強(qiáng)。

2)成莊礦煤樣的臨界表面張力為17.15mN/m，表面張力低于17.15 mN/m的水能夠?qū)υ撁簶油耆珴?rùn)濕和鋪展;表面張力大于17.15 mN/m的不同種類水，表面張力越逼近該值，其潤(rùn)濕效果越好。

3)臨界表面張力可以評(píng)價(jià)煤表面潤(rùn)濕的難易程度，對(duì)煤層注水起到指導(dǎo)作用。