2.2表面张力和接触角的测试原理

采用芬兰Kibron公司生产的Delta-8全自动高通量黄瓜视频APP污对不同种类的水在室温下进行测定，铂金环浸入到水中一定的位置，随着铂金环与水之间的膜被拉长，使铂金环受到一个向下的力，差动变压器的磁芯随铂金环的下降而上升，使差动变压器的线圈感应出一定的电压值，这样将被拉伸的薄膜变形量转化为电压量，经微机处理转化为相应的张力值，并自动显示出来。随薄膜逐渐被拉长，张力值逐渐增大，直至薄膜破裂，记下的最大值即水的实时张力。

采用JY－PHb接触角测定仪测定6种不同水对煤样的接触角，拍照后在照片上测量，观测与固体平面相接触液滴的外形，再用量角器直接量出三相交界处流动界面与固体界面的夹角。

2.3测试结果及分析

室温下，对6种不同水的表面张力分别测试4次，取平均值，结果见表1。每种水与煤的接触角均测试4个不同位置的接触角，煤样不同位置处的平整度和粗糙度不同，测试结果也不同，见表2。结果表明，矿井水和自来水的表面张力接近，纯净水和蒸馏水的表面张力接近，这是因为矿井水和自来水，纯净水和蒸馏水的主要成分相似。磁化水水分子链(团)的氢键发生畸变、断裂，分子间的平衡距离变大，引力常数变小，水分子得到活化，导致磁化水的表面张力降低；肥皂是一种表面活性物质，表面活性物质通过减小液体表面自由能从而减小其表面张力系数，所以磁化水和肥皂水的表面张力较低，对应的与煤的接触角也较小。

表1表面张力测定结果

表2各种水与煤的接触角测定结果

3临界表面张力计算及其对煤层注水作用

固体表面可分低能固体表面与高能固体表面。区别高能固体表面与低能固体表面的主要依据是表面能的大小，一般以表面能0.001 J/m2为界，表面能高于此值的为高能表面，低于此值的为低能表面。为了分析固体表面润湿特征，经常采用临界表面张力来表征。由前述分析可知，煤的表面结构对于煤吸附水的能力有重要的影响，煤表面结构越不均匀，悬键越多，极性越大，表面能越高，对水的吸附能力也就越大。所以，影响煤吸附水能力有多种因素:煤的表面性质、温度、水中所含的表面活性剂的浓度、煤的表面性质等。如何衡量煤表面润湿性质，在此引入临界表面张力进行评价。

文献测定了一些具有不同表面张力的同系物液体对同一种固体表面的接触角θ，结果发现，将cosθ对液体表面张力σL作图，对于同系物液体可得一直线;对于非同系物液体可得一窄带，直线或窄带下线，表达式为

cosθ=aσL+b(2)

式中:a、b为系数，其值与煤样及试验测试位置有关。将直线或窄带下线外推到cosθ=1，就可以得到一个表示该固体表面特征的数值，Zisman定义此值就为液体对固体润湿的临界表面张力γc。

γc=(1－b)/a(3)

在该液体同系物中凡是表面张力小于γc的液体，都能以零度接触角铺展在该固体表面上。根据表1、表2，每个测点位置cosθ与液体表面张力σL的拟合情况(窄带下线)如图4所示。

图2煤样的润湿临界表面张力

由图2可知，煤样不同位置处的临界表面张力不同，按照式(3)计算得到位置1—4的临界表面张力依次为:17.1、10.5、19.9、21.1 mN/m，分析其原因主要有2点:一是系统本身所具有的人为误差的可能;二是测点位置煤样表面粗糙度不同。因此，成庄矿煤样的总体临界表面张力取4个不同位置临界表面张力值的算术平均值为17.15mN/m。因此，凡是表面张力低于17.15 mN/m的水都能以零度接触角润湿在成庄矿煤体表面上;表面张力大于17.15 mN/m的不同种类水，表面张力越逼近该值的，其对该煤样的润湿效果越好，越有利于煤层注水。

临界表面张力计算能够对煤层注水起到指导作用，在煤层注水前，可先在实验室测定不同种类水溶液的表面张力及其与煤样的接触角，计算得到煤样的临界表面张力，评价煤的润湿特征。采用向水中加入粘尘棒、表面活性剂、将水磁化等方法调配较低表面张力的水，对水改性，使煤层注水达到最佳效果。

4结论

1)水对煤体的润湿能力可由水的表面张力和与煤的接触角大小来体现，表面张力越小，与煤的接触角越小，水对煤体的润湿能力越强。

2)成庄矿煤样的临界表面张力为17.15mN/m，表面张力低于17.15 mN/m的水能够对该煤样完全润湿和铺展;表面张力大于17.15 mN/m的不同种类水，表面张力越逼近该值，其润湿效果越好。

3)临界表面张力可以评价煤表面润湿的难易程度，对煤层注水起到指导作用。