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煤层注水是一种常用的降低工作面粉尘、防止瓦斯突出的方法,但中国大部分煤层润湿性较差,用传统的注水方法很难取得理想的效果。已有研究成果表明电化学方法可以显著改善煤层注水效果,但鲜见以瘦煤作为研究对象,且较少涉及改性后煤孔隙特征和毛细作用等对吸水效果的影响。本文对采自山西汾西矿业集团高阳煤矿11号煤层的瘦煤样进行电化学改性实验,详细研究了电化学作用后瘦煤样吸水效果的改善情况,进一步分析了电化学影响瘦煤样吸水特性的机理。论文的主要工作和得出的主要结论如下:
(1)搭建了电化学改性实验装置,对瘦煤样进行了电化学改性实验。改性方案为:电极分别为铜、铝和石墨,电解液分别为0.05mol·L-1、0.10mol·L-1和0.15mol·L-1的Na2SO4溶液,电位梯度为2V·cm-1,改性作用时间为120h。改性过程中发现的主要现象为:电流随时间呈先增大后减小,逐渐趋于平缓的趋势,铜、铝和石墨电极电流峰值分别为1.13A、0.25A和0.46A,原因为铜电阻率远低于铝和石墨;电解液浓度越高,通过的电流越大;实验中温度的变化与电流相似,但阳极区域温度略高于中间区域和阴极区域,石墨电极的温度大于铜电极和铝电极的温度,高浓度电解液的温度大于低浓度电解液的温度。
(2)对改性前后瘦煤样的吸水率进行了测试与分析。结果表明,瘦煤样的吸水率随吸水时间的变化分为三个阶段:0~12h,煤样吸水率迅速增大,吸水量占总吸水量的64.77%;12~60h,吸水速率放缓,吸水量占总吸水量的29.44%;60~120h,煤样基本饱和,吸水量占总吸水量的5.79%。自然煤样的自然吸水率约为1.61%。改性煤样的自然吸水率均有不同程度的升高,在电位梯度为2V·cm-1,电解液为0.05mol·L-1Na2SO4溶液的条件下,经铜、铝和石墨电极改性后,阳极区域煤样自然吸水率分别增大至3.35%、2.17%和3.48%,中间区域煤样自然吸水率分别增大至2.63%、2.42%和2.77%,阴极区域煤样自然吸水率分别增大至2.04%、1.94%和2.24%;在电位梯度为2V·cm-1,电极为石墨电极的条件下,经0.05mol·L-1、0.10mol·L-1和0.15mol·L-1的Na2SO4溶液改性后,阳极区域煤样自然吸水率分别增大至3.48%、4.04%和4.78%,中间区域煤样自然吸水率分别增大至2.77%、2.55%和3.24%,阴极区域煤样自然吸水率别增大至2.24%、2.75%和3.42%。揭示了电化学改性使瘦煤样吸水率增大的机理为:一是电化学作用使煤内孔裂隙更为发育,大量水分进入并贮存在孔隙中;二是改性后煤表面吸附水能力显著提升。
(3)对电化学改性前后瘦煤样红外光谱的波峰强度进行了测试与分析。阳极区域和中间区域改性煤样在波数3750~3550cm-1处表示-OH的波峰强度、波数1610cm-1处表示C=O的波峰强度和波数1030~1000cm-1处表示C-O、C-O-C的波峰强度均出现升高,说明煤的亲水性能改善;阴极区域煤样2910cm-1和2860cm-1处表示-CH2和-CH3的波峰强度均出现升高,氧的相对含量增加,煤表面更易于和水中氢原子组合成氢键,说明煤的吸水能力增强。揭示了电化学改性使煤表面基团改变的机理为:电化学过程中的氧化还原反应使某些基团键位发生断裂重组,改变了原本的基团分布情况。
(4)对电化学改性前后瘦煤样的煤-水接触角进行了测试与分析。瘦煤自然煤样的煤-水接触角为93.0°,改性煤样的煤-水接触角均有不同程度降低。其中,在电位梯度为2V·cm-1,电解液为0.05mol·L-1Na2SO4溶液的条件下,经铜、铝和石墨电极改性后,阳极区域煤样接触角分别降至82.0°、83.0°和81.5°,中间区域煤样接触角分别降至84.5°、89.0°和84.5°,阴极区域煤样接触角分别降至90.5°、90.9°和89.5°;在电位梯度为2V·cm-1,电极为石墨电极的条件下,经0.05mol·L-1、0.10mol·L-1和0.15mol·L-1的Na2SO4溶液改性后,阳极区域煤样接触角分别降至81.5°、76.5°和71.0°,中间区域煤样接触角分别降至84.5°、83.5°和77.0°,阴极区域煤样接触角分别降至89.5°、88.0°和87.5°。揭示了电化学改性改善煤-水接触角机理为:改性煤表面亲水基团增多,表面润湿性能提高,接触角降低。
(5)对电化学改性前后瘦煤样的孔隙结构进行了测试与分析。改性后瘦煤样的孔径分布曲线显示波峰的位置发生了变化,波峰集中出现在较大孔径处,说明电化学改性后煤孔隙的最可几孔径呈现增大趋势,有利于水的渗入和储存。在电位梯度为2V·cm-1条件下,选用石墨电极,0.15mol·L-1Na2SO4电解液改性阴极区域煤样的孔径分布改善情况最好,微孔占比为16.73%,较改性前降幅为53.25%,中大孔占比为43.04%,较改性前增幅为65.62%。揭示了电化学改性使煤孔隙结构发生改变的机理为:电化学作用会溶蚀煤孔隙内部分矿物质,通过电泳的作用下孔内杂质运移,最终脱离煤体,使改性后煤孔裂隙更加发育,最可几孔径增大。
(6)对电化学改性前后瘦煤样的毛细作用强度进行了测试与分析。瘦煤自然煤样平均毛细作用强度为-0.20MPa(负值表示毛细效应对细微孔隙中的水分起抑制作用),电化学改性后瘦煤样的平均毛细强度值向正方向移动。其中,在电位梯度为2V·cm-1,电解液为0.05mol·L-1Na2SO4溶液的条件下,经铜、铝和石墨电极改性后,阳极区域煤样的平均毛细强度为0.37MPa、0.33MPa和0.48MPa,中间区域煤样的平均毛细强度为0.26MPa、0.06MPa和0.28MPa,阴极区域煤样的平均毛细强度为-0.02MPa、-0.05MPa和0.02MPa;在电位梯度为2V·cm-1,电极为石墨电极的条件下,经0.05mol·L-1、0.10mol·L-1和0.15mol·L-1的Na2SO4溶液改性后,阳极区域煤样的平均毛细强度为0.48MPa、0.65MPa和1.65MPa,中间区域煤样的平均毛细强度为0.28MPa、0.34MPa和0.62MPa,阴极区域煤样的平均毛细强度为0.02MPa、0.09MPa和0.11MPa。说明改性后毛细作用进一步促进了煤内细微孔隙对水分的吸入。揭示了电化学改性使瘦煤样毛细强度增强的机理为:改性煤样亲水性增强,毛细效应对细微孔隙的水分起促进作用。
(1)搭建了电化学改性实验装置,对瘦煤样进行了电化学改性实验。改性方案为:电极分别为铜、铝和石墨,电解液分别为0.05mol·L-1、0.10mol·L-1和0.15mol·L-1的Na2SO4溶液,电位梯度为2V·cm-1,改性作用时间为120h。改性过程中发现的主要现象为:电流随时间呈先增大后减小,逐渐趋于平缓的趋势,铜、铝和石墨电极电流峰值分别为1.13A、0.25A和0.46A,原因为铜电阻率远低于铝和石墨;电解液浓度越高,通过的电流越大;实验中温度的变化与电流相似,但阳极区域温度略高于中间区域和阴极区域,石墨电极的温度大于铜电极和铝电极的温度,高浓度电解液的温度大于低浓度电解液的温度。
(2)对改性前后瘦煤样的吸水率进行了测试与分析。结果表明,瘦煤样的吸水率随吸水时间的变化分为三个阶段:0~12h,煤样吸水率迅速增大,吸水量占总吸水量的64.77%;12~60h,吸水速率放缓,吸水量占总吸水量的29.44%;60~120h,煤样基本饱和,吸水量占总吸水量的5.79%。自然煤样的自然吸水率约为1.61%。改性煤样的自然吸水率均有不同程度的升高,在电位梯度为2V·cm-1,电解液为0.05mol·L-1Na2SO4溶液的条件下,经铜、铝和石墨电极改性后,阳极区域煤样自然吸水率分别增大至3.35%、2.17%和3.48%,中间区域煤样自然吸水率分别增大至2.63%、2.42%和2.77%,阴极区域煤样自然吸水率分别增大至2.04%、1.94%和2.24%;在电位梯度为2V·cm-1,电极为石墨电极的条件下,经0.05mol·L-1、0.10mol·L-1和0.15mol·L-1的Na2SO4溶液改性后,阳极区域煤样自然吸水率分别增大至3.48%、4.04%和4.78%,中间区域煤样自然吸水率分别增大至2.77%、2.55%和3.24%,阴极区域煤样自然吸水率别增大至2.24%、2.75%和3.42%。揭示了电化学改性使瘦煤样吸水率增大的机理为:一是电化学作用使煤内孔裂隙更为发育,大量水分进入并贮存在孔隙中;二是改性后煤表面吸附水能力显著提升。
(3)对电化学改性前后瘦煤样红外光谱的波峰强度进行了测试与分析。阳极区域和中间区域改性煤样在波数3750~3550cm-1处表示-OH的波峰强度、波数1610cm-1处表示C=O的波峰强度和波数1030~1000cm-1处表示C-O、C-O-C的波峰强度均出现升高,说明煤的亲水性能改善;阴极区域煤样2910cm-1和2860cm-1处表示-CH2和-CH3的波峰强度均出现升高,氧的相对含量增加,煤表面更易于和水中氢原子组合成氢键,说明煤的吸水能力增强。揭示了电化学改性使煤表面基团改变的机理为:电化学过程中的氧化还原反应使某些基团键位发生断裂重组,改变了原本的基团分布情况。
(4)对电化学改性前后瘦煤样的煤-水接触角进行了测试与分析。瘦煤自然煤样的煤-水接触角为93.0°,改性煤样的煤-水接触角均有不同程度降低。其中,在电位梯度为2V·cm-1,电解液为0.05mol·L-1Na2SO4溶液的条件下,经铜、铝和石墨电极改性后,阳极区域煤样接触角分别降至82.0°、83.0°和81.5°,中间区域煤样接触角分别降至84.5°、89.0°和84.5°,阴极区域煤样接触角分别降至90.5°、90.9°和89.5°;在电位梯度为2V·cm-1,电极为石墨电极的条件下,经0.05mol·L-1、0.10mol·L-1和0.15mol·L-1的Na2SO4溶液改性后,阳极区域煤样接触角分别降至81.5°、76.5°和71.0°,中间区域煤样接触角分别降至84.5°、83.5°和77.0°,阴极区域煤样接触角分别降至89.5°、88.0°和87.5°。揭示了电化学改性改善煤-水接触角机理为:改性煤表面亲水基团增多,表面润湿性能提高,接触角降低。
(5)对电化学改性前后瘦煤样的孔隙结构进行了测试与分析。改性后瘦煤样的孔径分布曲线显示波峰的位置发生了变化,波峰集中出现在较大孔径处,说明电化学改性后煤孔隙的最可几孔径呈现增大趋势,有利于水的渗入和储存。在电位梯度为2V·cm-1条件下,选用石墨电极,0.15mol·L-1Na2SO4电解液改性阴极区域煤样的孔径分布改善情况最好,微孔占比为16.73%,较改性前降幅为53.25%,中大孔占比为43.04%,较改性前增幅为65.62%。揭示了电化学改性使煤孔隙结构发生改变的机理为:电化学作用会溶蚀煤孔隙内部分矿物质,通过电泳的作用下孔内杂质运移,最终脱离煤体,使改性后煤孔裂隙更加发育,最可几孔径增大。
(6)对电化学改性前后瘦煤样的毛细作用强度进行了测试与分析。瘦煤自然煤样平均毛细作用强度为-0.20MPa(负值表示毛细效应对细微孔隙中的水分起抑制作用),电化学改性后瘦煤样的平均毛细强度值向正方向移动。其中,在电位梯度为2V·cm-1,电解液为0.05mol·L-1Na2SO4溶液的条件下,经铜、铝和石墨电极改性后,阳极区域煤样的平均毛细强度为0.37MPa、0.33MPa和0.48MPa,中间区域煤样的平均毛细强度为0.26MPa、0.06MPa和0.28MPa,阴极区域煤样的平均毛细强度为-0.02MPa、-0.05MPa和0.02MPa;在电位梯度为2V·cm-1,电极为石墨电极的条件下,经0.05mol·L-1、0.10mol·L-1和0.15mol·L-1的Na2SO4溶液改性后,阳极区域煤样的平均毛细强度为0.48MPa、0.65MPa和1.65MPa,中间区域煤样的平均毛细强度为0.28MPa、0.34MPa和0.62MPa,阴极区域煤样的平均毛细强度为0.02MPa、0.09MPa和0.11MPa。说明改性后毛细作用进一步促进了煤内细微孔隙对水分的吸入。揭示了电化学改性使瘦煤样毛细强度增强的机理为:改性煤样亲水性增强,毛细效应对细微孔隙的水分起促进作用。