2.2表面張力和接觸角的測試原理

采用芬蘭Kibron公司生產(chǎn)的Delta-8全自動高通量表面張力儀對不同種類的水在室溫下進(jìn)行測定，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，使鉑金環(huán)受到一個向下的力，差動變壓器的磁芯隨鉑金環(huán)的下降而上升，使差動變壓器的線圈感應(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，并自動顯示出來。隨薄膜逐漸被拉長，張力值逐漸增大，直至薄膜破裂，記下的最大值即水的實(shí)時張力。

采用JY－PHb接觸角測定儀測定6種不同水對煤樣的接觸角，拍照后在照片上測量，觀測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界面與固體界面的夾角。

2.3測試結(jié)果及分析

室溫下，對6種不同水的表面張力分別測試4次，取平均值，結(jié)果見表1。每種水與煤的接觸角均測試4個不同位置的接觸角，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，對應(yīng)的與煤的接觸角也較小。

表1表面張力測定結(jié)果

表2各種水與煤的接觸角測定結(jié)果

3臨界表面張力計算及其對煤層注水作用

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。如何衡量煤表面潤濕性質(zhì)，在此引入臨界表面張力進(jìn)行評價。

文獻(xiàn)測定了一些具有不同表面張力的同系物液體對同一種固體表面的接觸角θ，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，將cosθ對液體表面張力σL作圖，對于同系物液體可得一直線;對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，就可以得到一個表示該固體表面特征的數(shù)值，Zisman定義此值就為液體對固體潤濕的臨界表面張力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，每個測點(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，其對該煤樣的潤濕效果越好，越有利于煤層注水。

臨界表面張力計算能夠?qū)γ簩幼⑺鸬街笇?dǎo)作用，在煤層注水前，可先在實(shí)驗(yàn)室測定不同種類水溶液的表面張力及其與煤樣的接觸角，計算得到煤樣的臨界表面張力，評價煤的潤濕特征。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，對水改性，使煤層注水達(dá)到最佳效果。

4結(jié)論

1)水對煤體的潤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，水對煤體的潤濕能力越強(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撁簶油耆珴櫇窈弯佌?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，其潤濕效果越好。

3)臨界表面張力可以評價煤表面潤濕的難易程度，對煤層注水起到指導(dǎo)作用。