由數(shù)學(xué)中的不定式性質(zhì)可知，若在相同的吸附量的條件下，未處理煤樣的解吸量和解吸速率小于處理后的煤樣，則表明處理后的煤樣解吸效果較好；而實(shí)際的吸附試驗(yàn)中，氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前煤樣的吸附量大于處理后煤樣的吸附量，則表明氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理后的煤樣解吸率更高、解吸效果更加顯著。為了定量的分析氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑對(duì)煤樣解吸效果的影響，在下述進(jìn)行的解吸量和解吸速率的比較中，均假定在相同的吸附量條件下進(jìn)行定量比較。

為了得到氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后干燥煤樣的解吸規(guī)律，根據(jù)2.4節(jié)試驗(yàn)步驟中的5)～7)，依次對(duì)不同吸附平衡壓力條件下的煤樣進(jìn)行解吸試驗(yàn)，如圖4所示。

由圖4a可知，隨著甲烷吸附平衡壓力的增加，3種處理方式的煤樣解吸量均逐漸增加，且增加量均呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑FC117和FC134處理后的煤樣解吸量始終大于未處理的煤樣。在甲烷吸附平衡壓力為0.5 MPa條件下，表面活性劑FC134的表現(xiàn)更加優(yōu)異；在其余的甲烷吸附平衡壓力，表面活性劑FC117的效果均更加顯著。

圖4在1 h內(nèi)干燥煤樣的解吸規(guī)律

對(duì)干燥煤樣進(jìn)行解吸試驗(yàn)的測(cè)定，其目的主要是從定量的角度分析氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑通過(guò)降低煤體表面自由能，增加游離瓦斯量，進(jìn)而促進(jìn)瓦斯解吸。其中，在不同吸附平衡條件下，氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理后的煤樣解吸量均有所增加，增長(zhǎng)率基本上呈先增加再降低的趨勢(shì)。在吸附平衡壓力達(dá)到1.5 MPa時(shí)，增長(zhǎng)率達(dá)到最大值，分別達(dá)到近48%和34%，見(jiàn)表3。

表3干燥煤樣解吸量的增長(zhǎng)率

低表面能是表面活性劑促進(jìn)甲烷解吸的重要特征，其作用原理為：具有低表面自由能的表面活性劑分子通過(guò)物理吸附的方式有序的吸附在煤體內(nèi)部的孔隙、裂隙表面，降低煤體表面對(duì)甲烷的吸附能力，增加游離瓦斯量。同時(shí)，煤體表面吸附能力的下降，減弱瓦斯流動(dòng)過(guò)程中的阻力，有利于甲烷的解吸和運(yùn)移。

甲烷氣體在煤體內(nèi)部孔隙、裂隙中解吸和運(yùn)移過(guò)程中，主要受到煤體表面自身產(chǎn)生的摩擦阻力和氣體本身解吸產(chǎn)生的動(dòng)力共同作用。當(dāng)甲烷吸附平衡壓力較小時(shí)，煤體表面的摩擦阻力占主導(dǎo)作用。表面活性劑通過(guò)物理吸附的方式吸附在煤體表面，降低了煤體表面的吸附能力，增加了游離瓦斯量和氣體在煤體表面運(yùn)移的流平性。因此，當(dāng)吸附平衡壓力處于0.5～1.5 MPa時(shí)，隨著平衡壓力的增加，表面活性劑處理后的煤樣解吸量增長(zhǎng)率呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。當(dāng)吸附平衡壓力處于1.5～2.5 MPa時(shí)，氣體本身產(chǎn)生的動(dòng)力占主導(dǎo)作用。隨著吸附平衡壓力的增加，甲烷解吸產(chǎn)生的動(dòng)力逐漸增強(qiáng)，未處理的煤樣受摩擦阻力產(chǎn)生的影響逐漸減小，因此，氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理后的煤樣解吸量增長(zhǎng)率呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

通過(guò)對(duì)干燥煤樣解吸量和解吸速率的分析，經(jīng)過(guò)氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑FC117和FC134處理后的煤樣解吸量和解吸速率均有所提升。定量地分析了氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑通過(guò)物理吸附的方式吸附在煤體表面，降低煤體表面自由能，增加煤樣解吸量，為氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑提高瓦斯抽采效果提供理論依據(jù)。

3.3含水煤樣解吸特征的結(jié)果與分析

根據(jù)2.4節(jié)試驗(yàn)步驟中的8)～9)，依次對(duì)氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后的含水煤樣進(jìn)行不同吸附平衡壓力條件下的吸附試驗(yàn)。利用式(2)—式(5)，通過(guò)計(jì)算得到氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后含水煤樣在不同吸附平衡壓力條件下的吸附量，如圖5所示。

圖5含水煤樣吸附量

由圖5可知，隨著甲烷吸附平衡壓力的增加，氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后煤樣的吸附量均逐漸增加，且增加量均呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑FC117和FC134處理后的煤樣吸附量始終小于未處理的煤樣，其變化規(guī)律與干燥煤樣的吸附量一致。其中，含水煤樣的吸附量略小于干燥煤樣的吸附量，其主要原因是在含水率為1%的煤樣中，少量的水滯留在煤體內(nèi)部。一方面，由于水的體積侵占了原本甲烷分子存在的空間；另一方面，由于煤樣自身的親水性，水在煤體表面的吸附能力強(qiáng)于甲烷氣體，使得部分吸附狀態(tài)的甲烷分子被置換和驅(qū)替。因此，含水煤樣的甲烷吸附量略小于干燥煤樣的吸附量。

為了得到氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后含水(1%含水率)煤樣的解吸規(guī)律，依次對(duì)不同吸附平衡壓力條件下的煤樣進(jìn)行解吸試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比干燥與含水煤樣的解吸量和解吸速率，進(jìn)而定量分析氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑消除水鎖效應(yīng)，如圖6所示。

由圖6a可知，隨著甲烷吸附平衡壓力的增加，3種處理方式的含水煤樣解吸量均逐漸增加，且增加量均呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑FC117和FC134處理后的含水煤樣解吸量始終大于未處理的煤樣，與干燥煤樣解吸量的規(guī)律基本一致。同時(shí)，在3種不同處理方式條件下，干燥煤樣的解吸量均大于含水條件下的解吸量，其結(jié)果表明在含水煤樣解吸過(guò)程中存在一定程度的水鎖效應(yīng)。

對(duì)含水煤樣進(jìn)行解吸試驗(yàn)的測(cè)定，其目的主要是從定量的角度分析氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑通過(guò)將煤體潤(rùn)濕性由親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?，消除因毛?xì)管作用所引起的水鎖效應(yīng)，進(jìn)而提高甲烷解吸效果。

其中，在不同吸附平衡條件下，氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理后的含水煤樣解吸量均有所增加，增長(zhǎng)率基本上呈先增加再降低的趨勢(shì)。在吸附平衡壓力達(dá)到1.0 MPa時(shí)，水鎖損害程度最大，表面活性劑消除水鎖效果最好，表面活性劑增加煤樣解吸量最佳，增長(zhǎng)率達(dá)到最大值，分別達(dá)到近38%和25%，見(jiàn)表4。煤樣解吸量的變化規(guī)律與上述3.2節(jié)干燥煤樣解吸量的變化規(guī)律基本上是一致的，作用機(jī)理亦與之相同。

表4含水煤樣解吸量的增長(zhǎng)率

由圖6b可知，隨著甲烷吸附平衡壓力的增加，3種處理方式的含水煤樣解吸速率均有所增加。經(jīng)過(guò)氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑FC117和FC134處理后的煤樣解吸速率也始終大于未處理的煤樣。其中，表面活性劑FC117處理后的煤樣解吸速率始終保持著顯著的效果。同時(shí)，由于水鎖效應(yīng)產(chǎn)生的影響，不同處理方式的含水煤樣解吸速率均小于干燥煤樣的解吸速率。

圖6在1 h內(nèi)含水與干燥煤樣解吸規(guī)律的對(duì)比

通過(guò)對(duì)干燥與含水煤樣解吸量和解吸速率的分析，經(jīng)過(guò)氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑——FC117和FC134處理后的煤樣解吸量和解吸速率均有所提升，其中FC117的效果更加顯著。同時(shí)，經(jīng)過(guò)表面活性劑處理后，煤樣的潤(rùn)濕性發(fā)生轉(zhuǎn)變，水鎖效應(yīng)得到緩解和消除。含水煤樣的解吸量和解吸速率也均大于未處理的干燥煤樣。定量地分析了表面活性劑改變煤體表面潤(rùn)濕性，由親水性向疏水性轉(zhuǎn)變，緩解水鎖損害，進(jìn)而增加煤樣解吸量。

3.4氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)前后煤樣解吸量預(yù)測(cè)

通過(guò)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，經(jīng)過(guò)氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理后，在1 h內(nèi)煤樣的解吸量和解吸速率均顯著提高。為預(yù)測(cè)煤樣的極限解吸量，可以根據(jù)煤樣解吸量隨時(shí)間的變化規(guī)律，利用擬合曲線得到最終的解吸量。

通過(guò)利用解吸公式——王佑安式對(duì)前1個(gè)小時(shí)的累計(jì)煤樣解吸量與時(shí)間的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，得到極限解吸量和擬合度，見(jiàn)表5和表6。

表5氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)前后煤樣解吸量

表6擬合度(R2)

由表5可知，利用王佑安式擬合不同平衡壓力條件下的解吸量與時(shí)間關(guān)系曲線，擬合得到累計(jì)解吸量。其中，干燥煤樣的解吸量大于對(duì)應(yīng)含水煤樣的解吸量，氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理后的煤樣解吸量大于處理前的煤樣解吸量，擬合結(jié)果與1 h內(nèi)解吸量的變化規(guī)律是一致的。同時(shí)，根據(jù)擬合結(jié)果可以預(yù)測(cè)氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后的極限解吸量。

由表6可知，利用王佑安式擬合不同平衡壓力條件下的解吸量與時(shí)間關(guān)系曲線，得到曲線的擬合度。其中，氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后含水煤樣的擬合效果最好，擬合度均大于0.99。在干燥煤樣中，F(xiàn)C134處理后的煤樣擬合度最好，不同吸附平衡壓力條件下的擬合度均大于0.99；其次是未處理和FC117，擬合度也比較好，除去未處理煤樣中吸附平衡壓力為1.0 MPa,其余均在0.98以上。

4結(jié)論

1)分別對(duì)FC117和FC134處理后的煤樣進(jìn)行接觸角和表面張力進(jìn)行測(cè)定。其中，接觸角從未處理的30°增加至90°以上，實(shí)現(xiàn)了煤體潤(rùn)濕性由親水性向疏水性轉(zhuǎn)變；表面活性劑溶液的表面張力由初始的72.8 mN/m下降至25 mN/m以下，較大幅度地降低了煤體表面張力。

2)通過(guò)接觸角和表面張力的測(cè)定，當(dāng)表面活性劑濃度為0.5%時(shí)，兩種表面活性劑處理后的煤樣可實(shí)現(xiàn)潤(rùn)濕性的轉(zhuǎn)變和表面張力大幅度地降低。將吸附解吸試驗(yàn)中所用的煤樣在該濃度下的表面活性劑溶液中進(jìn)行處理，并將其作為最佳使用濃度。

3)通過(guò)對(duì)氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理前后煤樣吸附量的計(jì)算，對(duì)比兩種表面活性劑處理前后的煤樣吸附量變化情況。其中，經(jīng)過(guò)FC117和FC134處理后的干燥/含水煤樣均小于未處理煤樣的吸附量。

4)對(duì)經(jīng)過(guò)FC117和FC134處理后的干燥/含水煤樣進(jìn)行解吸量和解吸速率的測(cè)定，兩種表面活性劑處理后煤樣的解吸效果均有顯著的效果。在氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理后的煤樣吸附量小于未處理的，而解吸量和解吸速率大于未處理的，則表明氣潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑處理后的煤樣可以消除水鎖效應(yīng)，增加解吸率，提高解吸效果。

5)利用解吸公式對(duì)解吸量進(jìn)行擬合，得到極限解吸量和擬合度。其中，采用王佑安式擬合的效果較好，擬合度基本上都在0.98以上。