表面活性剂调控烟煤微观结构与润湿性对煤层气吸附特性的影响机制研究

为解决深部煤层注水效果差、瓦斯解吸效率低等问题，研究人员以神木烟煤为对象，采用SLES（C14H29O5NaS）表面活性剂，通过XRD、Zeta电位、NMR等技术揭示了表面活性剂通过破坏芳香烃结构（d002↑，Lc↓）、增强表面负电荷（-30.83→-65.8 mV）和改善润湿性（接触角96.26°→33.64°），显著降低甲烷吸附常数a值（26.75→22.19 cm3/g），为煤层气高效开采提供理论依据。

　　

随着浅部煤炭资源日益枯竭，深部开采已成为保障能源供应的关键。然而，煤层瓦斯突出风险随之加剧，传统注水技术因煤体疏水性导致润湿深度不足，瓦斯解吸效率低下。更棘手的是，高压注水易引发"水锁效应"，反而阻碍瓦斯扩散。如何破解这一"注水-解吸"矛盾，成为煤矿安全领域的卡脖子难题。

在这一背景下，中国矿业大学的研究团队独辟蹊径，选择环保经济的十二烷基醚硫酸钠（SLES）作为表面活性剂，以神木烟煤为研究对象，在《Powder Technology》发表了一项突破性研究。他们创新性地将微观结构演变与宏观吸附特性相关联，首次系统阐明了表面活性剂通过分子级改造实现"润湿增强-吸附抑制"的双重调控机制。

研究团队运用四大关键技术：X射线衍射（XRD）解析煤体微晶结构变化，Zeta电位仪量化表面电荷特性，核磁共振（NMR）表征孔隙水分布，以及等温吸附实验测定甲烷吸附容量。通过多尺度表征技术，构建了从纳米级结构变化到宏观工程效应的完整证据链。

【微观结构变化】XRD分析揭示，SLES使芳香层间距d₀₀₂增大0.12 nm，堆叠高度L_c减少1.84 nm，芳香层平均数量N_ave从7.2降至4.3。这种"解聚效应"导致煤体内部形成更松散的多孔结构，为水分渗透创造通道。

【表面特性改变】Zeta电位从-30.83 mV骤降至-65.8 mV，证明SLES在煤表面形成带负电的吸附层。这种静电排斥作用不仅增强水分子铺展能力，还通过电荷作用抑制甲烷吸附位点的活性。

【润湿性调控】接触角测试显示，煤体从疏水（96.26°）转变为亲水（33.64°），且与微晶参数、Zeta电位呈现强相关性（Pearson系数>0.9）。NMR进一步证实，结合水孔隙率下降12.7%，自由水孔隙率提升9.3%，形成更利于瓦斯迁移的水网络。

【吸附特性演变】等温吸附实验显示，吸附常数a值降低17%，表明SLES通过占据吸附位点和改变表面能，有效削弱煤体对甲烷的捕获能力。这种"润湿增强-吸附抑制"的协同效应，使瓦斯解吸效率提升23%。

该研究首次建立表面活性剂浓度-微结构参数-润湿性-吸附特性的定量关系模型，为智能调控煤层气解吸提供了精准的分子设计指南。工程应用显示，采用SLES处理的煤层注水效率提升40%，瓦斯抽采周期缩短25%。更重要的是，这项研究开创了通过表面化学修饰调控多孔介质流体行为的新思路，不仅适用于煤层气开发，对页岩气、致密气等非常规能源开采同样具有重要借鉴价值。研究提出的"微晶解聚-电荷调控-孔隙重构"三级作用机制，为深部资源绿色开发提供了颠覆性技术路径。