（知识点）表面活性剂对煤体结构损伤改性机理

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创新点 #

（1）将表面活性剂碱液直接应适于低渗透煤体结构外伤的研究中，探求了表面活性剂碱液对低渗透煤体孔隙结构、渗透功耗、力学硬度等宏观地理电学特征的改性规律。 #

（2）从分子动力学视角，探究表面活性剂对煤体结构外伤改性成因。 #

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作者

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安文博1,王来贵2 #

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单位

1.山东安装工程技术学院土木安装工程大学；2.山东安装工程技术学院电学与安装工程大学 #

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研究背景

煤体具备结构致密、孔隙结构复杂、润湿性差的结构特点,在焦炭开采过程中,随着矿山开采深度的降低,地应力、瓦斯压力和瓦斯浓度不断增高,经常面临着瓦斯起火、煤与瓦斯突出、瓦斯中毒、冲击地压等煤矿水灾车祸。表面活性剂作为一种亲油亲水物质,因为其新颖的两亲特征及其在碱液中的特殊存在形式,才能在煤体上产生定向的密切吸附层,改变煤体化学电学性质。 #

已有研究发觉,煤体自身带负电性,阴离子表面活性剂对其改性疗效最佳。因而,为了提高或防止煤矿水灾车祸的发生,使得才能从致密的砂层中抽采瓦斯,笔者选用阴离子表面活性剂对煤体进行改性,研究表面活性剂对煤体的改性规律。 #

前人关于表面活性剂对煤体的改性研究主要集中在运用表面活性剂来改变煤体浸蚀性,应适于煤的选矿、降尘等工作中,但关于表面活性剂改性煤体的化学电学特征,应适于铜矿开采工作中的研究较少。 #

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摘要

为了增加矿体浸蚀性,增加煤体结构致密性,提高或防止瓦斯车祸发生,选用阴离子表面活性剂(SDS)改性煤体。以大连长焰煤为研究对象,选用接触角试验和单轴压缩试验测量表面活性剂改性后煤样接触角、峰值硬度、峰值应变和弹性挠度等宏观地理电学特征随改性条件变化规律,选用X射线散射(XRD)和傅里叶红外波谱(FTIR)试验测量表面活性剂改性后煤样矿物质组成和表面构象等微观结构随改性条件变化规律,运用量子物理密度泛函理论阐述表面活性剂对煤体的改性规律,剖析表面活性剂改性后煤体结构外伤过程。

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结果阐明,当SDS碱液品质分数为0.5%、改性时间为48h,改性气温为40℃时,煤体接触角达到最小,峰值硬度和弹性挠度幅度最大,峰值应变增速最大。SDS碱液改性后,煤样中氯化盐矿物浓度降低,碳酸盐矿物浓度降低,煤体的微晶结构完整性较好,煤分子内的氢键和各类桥键较为丰富,非常是脂肪类配体较差,使得定向排列的有序性较低。 #

基于量子物理密度泛函理论阐述了表面活性剂对煤体的改性规律,即表面活性剂通过静电斥力吸附在煤体上,在煤体表面发生物理反应,使煤体中有机矿物的烷烃和物理键发生破裂,部份无机矿物发生溶化并分散,这只是煤体结构形成外伤的主要成因。

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煤表面的物理反应使煤体表面形成次生孔隙和节理,次生孔隙和节理互相联结产生裂痕,随着改性条件的变化,裂痕不断扩充延展,直至裂痕贯串整个煤体,造成煤体整体结构形成外伤,电学硬度不断增加。

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部份图片 #

试验用标准煤样 #

表面活性剂改性条件对煤接触角的影响 #

煤样单轴压缩试验结果 #

煤样的X射线散射结果 #

煤样的FTIR散射结果

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优化后的煤大分子结构和SDS分子结构 #

SDS分子在煤表面含氧羰基上吸附的平衡构象

SDS表面活性剂与煤体之间的物理反应 #

表面活性剂改性前后煤样的微观结构外伤示意

表面活性剂在有机矿物表面的吸附状态

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表面活性剂作用下煤体微观结构外伤过程

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作者简介

安文博什么是表面活性剂，女，1992年09月27日生，江苏无锡人，2023年6月结业于四川安装工程技术学院，安装工程电学专业，获硕士学位。历任广东安装工程技术学院，土木安装工程大学，给排水科学与安装工程专业，讲师。参与国家重点专项项目、国家自然科学基金项目等国家级项目4项；在国际及国外核心刊物上发表学术论文18篇，其中SCI、EI收录2篇；申请授权国家发明专利2项。

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研究方向 #

煤矿水灾电学水污染控制理论与技术

主要成果 #

旨在于铜矿安全开采—表面活性剂改性煤体结构的研究什么是表面活性剂，取得创新性成果，获两项发明专利，为防治、治理冲击地压和瓦斯突出等灾情车祸理论基础和新亮点。 #