随着煤矿开采深度的增加，煤与瓦斯赋存环境“三高”特征愈加突出，煤层瓦斯压力和瓦斯含量增大、瓦斯涌出量增加，导致瓦斯浓度超限等问题变得突出，严重制约着煤矿持续稳定健康地发展[1-2]。我国以低渗透性煤层为主，除利用煤储层改造技术提升瓦斯抽采效果外，煤层注水技术也是降低瓦斯解吸速率、减缓采动煤体瓦斯快速涌出的有效方法。然而，利用煤层注水技术抑制煤体瓦斯解吸效果与注入外来水的性质密切相关[3-5]。表面活性剂是重要的精细化学品，具有润湿、乳化、分散、抗静电等一系列作用。一些学者[6-10]研究发现，添加表面活性剂能有效改善水溶液性质、降低表面张力并增强煤体润湿效果，达到封堵瓦斯气体、降低瓦斯逸散能力的目的。部分学者[11-13]通过在现场进行喷洒或深钻孔注纯水、表面活性剂水溶液对比发现，利用表面活性剂水溶液比纯水能够更有效降低和延缓瓦斯涌出。本文采用文献调查法，整理了近年来用于抑制煤体瓦斯解吸的多种表面活性剂，分析其物理化学特性，并探究了表面活性剂水溶液抑制煤体瓦斯解吸机理。研究工作可为表面活性剂的优选和复配提供科学依据，对于预防开采工作面瓦斯浓度超限、保障煤矿安全生产具有重要意义。

1.表面活性剂分类及性质

当前市面上常用的表面活性剂产品种类丰富、物理化学性能及用途各有不同。针对表面活性剂水溶液在提高煤体润湿效果、抑制瓦斯解吸的应用现状，从安全性、温和性、稳定性、复配条件及生物降解性5个方面考虑，以中国知网(CNKI)收录的文献资料为基础，搜集到46种常见表面活性剂及其性质见表1。

表1常见表面活性剂及其性质

化学合成表面活性剂从结构上按亲水基可分为阳离子、阴离子、非离子和两性4种表面活性剂[14]。其中，两性表面活性剂是指在不同条件下呈现出阴离子、阳离子或非离子性质的表面活性剂。例如，CAB在酸性条件下呈阳离子性、在碱性条件下呈阴离子性。此外，还有由细菌、酵母、真菌等微生物所产生的生物型表面活性剂。基于抑制煤体瓦斯解吸的考虑，挑选表面活性剂应遵循以下原则：

(1)绿色环保，对人体和环境无毒无刺激性，价格低廉，购买方便。

(2)表面张力、接触角的降低幅度大，能提高煤体表面的润湿效果。

(3)易溶于水且稳定性强，能与其他表面活性剂进行二次浓度复配。

由表1可知，阳离子表面活性剂(季铵盐类)、阴离子表面活性剂的(重金属盐类)具有毒性和刺激性，这是由于其优异的杀菌性，并且杀菌能力越强毒性越大；非离子表面活性剂在溶液中不带电荷，不易与蛋白质结合，所以毒性和刺激性较小；而大多数的两性和生物型表面活性剂毒性和刺激性较低并具有优秀的降解能力。因此，表面活性剂的安全性排序为：两性、生物型表面活性剂>非离子表面活性剂>阴离子表面活性剂>阳离子表面活性剂。就润湿性而言，阳离子表面活性剂和含铵结构的阴离子、非离子表面活性剂容易吸附于固体表面，使煤体表面呈现“疏水”状态而无法起到润湿煤体的作用[15-17]。就稳定性而言，离子型表面活性剂对硬水较为敏感，而非离子表面活性剂不能在溶液中离解为离子，其稳定性高，具有较强的耐酸、碱、盐性和抗硬水性能。在复配特性方面，阴离子与阳离子表面活性剂只是在特定条件下复配可以提高表面活性[18]，而大多数的非离子和两性表面活性剂均具有良好的复配性能。

2.常见表面活性剂水溶液的润湿性分析

2.1表面张力

采用文献调查法，汇总分析了82组不同类型表面活性剂水溶液浓度与表面张力的对应关系[19-34]，如图1~图4所示。

图1阳离子表面活性剂水溶液浓度与表面张力间的关系

图2阴离子表面活性剂水溶液浓度与表面张力间的关系

图3非离子表面活性剂水溶液浓度与表面张力间的关系

图4其他表面活性剂水溶液浓度与表面张力间的关系

表面张力是液体表面垂直于单位分界线相互作用的一种力，其大小直接影响溶液的性质。由图1至图3可知，当表面活性剂水溶液浓度小于0.1%时，表面张力随浓度的增大而迅速降低。例如，图3(b)的非离子表面活性剂AEO大约从75 mN/m降至30 mN/m；当表面活性剂水溶液浓度在0.1%~0.2%之间，表面张力的下降幅度明显减缓；当表面活性剂水溶液浓度大于0.2%时，不同表面活性剂水溶液的表面张力变化均趋于平缓并且基本无变化。如图4(a)所示，两性表面活性剂也呈现出与阳(阴)离子及非离子表面活性剂的相同趋势。表面活性剂水溶液的表面张力均存在一个浓度拐点；阳离子、阴离子以及两性表面活性剂水溶液的浓度拐点大约为0.1%。当浓度超过这个拐点后，水溶液的表面张力基本不再下降，称之为临界胶束浓度(CMC)。CMC越低，降低表面张力的效率越高[35]。特别的是，图4(c)所示的生物型表面活性剂水溶液表面张力随溶液浓度升高表现出降低趋势，然而在试验浓度范围内并未出现显著的浓度拐点。

纯水溶液的表面张力约为72.8 mN/m，5种不同类型表面活性剂溶液浓度为0.1%时的表面张力统计结果见表2。由表2可知，当活性剂浓度为0.1%时，阴离子表面活性剂快T的水溶液表面张力最小为24.87 mN/m。将活性剂溶液浓度0.1%的表面张力进行均值化处理并与纯水对比可发现，阴离子表面活性剂水溶液的表面张力为36.74 mN/m，降低幅度为51.01%。整体而言，所有类型表面活性剂水溶液表面张力均随溶液浓度增大呈减小趋势，并且在试验浓度范围内，表面张力均大于20 mN/m。经对比，添加表面活性剂导致水溶液表面张力降低效果的排序为：阴离子表面活性剂>非离子表面活性剂>两性表面活性剂>阳离子表面活性剂>生物表面活性剂。

表2表面活性剂浓度为0.1%时的表面张力

2.2接触角

根据中国煤炭分类的挥发分分级标准[36]，煤炭被分为褐煤、高挥发分烟煤(Vdaf>37%)、中高挥发分烟煤(Vdaf=28%~37%)、中挥发分烟煤(Vdaf=20%~28%)、低挥发分烟煤(Vdaf=10%~20%)、无烟煤。采用文献调查法汇总分析了91组不同煤样的不同类型表面活性剂水溶液浓度与煤岩接触角的对应关系，如图5~图10所示。

图5褐煤接触角随表面活性剂水溶液的变化

图6高挥发分烟煤接触角随表面活性剂水溶液的变化

图7中高挥发分烟煤接触角随表面活性剂水溶液的变化

图8中挥发分烟煤接触角随表面活性剂水溶液的变化

图9低挥发分烟煤接触角随表面活性剂水溶液的变化

图10无烟煤接触角随表面活性剂水溶液的变化

固体表面的润湿性可用接触角表征，反映了液体与固体表面相互作用的程度，接触角随液体表面张力的降低而不断减小。由图5至图10可知，对于不同变质程度煤，离子、非离子和两性型表面活性剂水溶液浓度小于0.1%时，接触角随浓度的增加而迅速降低。例如，图7(b)所示的CDEA与中高挥发分烟煤间的接触角从38.8°降低至21.2°。当表面活性剂水溶液浓度在0.1%~0.2%之间，接触角的下降幅度明显减缓；当浓度大于0.2%时，接触角逐渐趋于稳定。整体而言，离子、非离子和两性型表面活性剂水溶液在煤表面的接触角随溶液浓度的升高表现出降低趋势，在浓度0.1%会出现明显的拐点。而生物型表面活性剂水溶液与高挥发分烟煤间的接触角随浓度增大呈降低趋势，且在试验浓度0~0.1%范围内的接触角均大于25°。

以接触角作为判断润湿的标准，接触角越小则润湿性能越好。表面活性剂浓度为0.1%时，煤岩接触角统计结果见表3。当活性剂水溶液浓度为0.1%时，阴离子表面活性剂AES水溶液与煤的接触角最小为9.11°。进一步将不同类型表面活性剂水溶液在浓度为0.1%时与煤的接触角进行均值化处理可发现，阳离子、阴离子、非离子、两性及生物表面活性剂水溶液与煤的接触角平均值分别为34.4°、27.37°、29.72°、29.82°和50.03°。因此，表面活性剂润湿性效果排序为：阴离子表面活性剂>非离子表面活性剂>两性表面活性剂>阳离子表面活性剂>生物表面活性剂。