2.水与瓦斯之间的表面张力

采用团队自开发的水与瓦斯之间的表面张力分析软件对不同瓦斯压力条件下的水滴形貌(图3)进行分析，即可获得式(1)中的Ds及De。F为G修正后的形状因子，F通过查表及插值法获得，式(1)中的参数见表1，将表1中的参数带入式(1)及式(2)，即可获得不同瓦斯压力条件下水与瓦斯之间的表面张力(图4)。

图3不同瓦斯压力条件下的水滴形貌

表1式(1)及式(2)中的参数

图4不同瓦斯压力条件下水的表面张力

由图4可知，水与瓦斯之间的表面张力随着瓦斯压力的增加而减小，表面张力与瓦斯压力满足负指数的关系，如式(3)所示。在水与瓦斯的界面，水分子两侧分别与瓦斯分子、液体分子接触，表面分子受到的朝向液体内部的吸引力大于气体分子的吸引力。随着瓦斯压力的增加，水与瓦斯接触表面之间的密度差逐渐减小，瓦斯分子对水分子的引力逐渐变大，抑制了液体表面分子向液体内部的运动，使系统的能量趋向于平衡状态。因此，水与瓦斯之间的表面张力随着瓦斯压力的增加而减小。

3.含瓦斯煤与水之间接触动态演化特性

3.1含瓦斯煤与水之间接触角动态演化特性

按照“含瓦斯煤与水之间接触角测试实验流程”对含瓦斯煤与水之间的动态接触角进行测试。不同瓦斯压力下煤与水之间动态接触角测试结果如图5所示。

图5不同瓦斯压力下煤与水之间动态接触角

由图5可知，同一瓦斯压力下，接触角随着时间的增加而逐渐减小，说明水分在含瓦斯煤表面发生了浸润现象。接触角θ与时间t满足的关系，参数a和b的值如图6所示。参数a与压力p满足的关系，参数b与压力p满足的关系。接触角与压力及时间的关系如式(4)所示。

3.2煤水界面能、煤的表面能及黏附功的动态演化规律

同一时刻，随着瓦斯压力的增加，煤与水之间的接触角变大，由于水与瓦斯之间的表面张力随着瓦斯压力的增加而减小，无法定性的判断水分对含瓦斯煤的润湿特性。判断润湿性能的指标有煤水界面能、煤的表面能及黏附功，其计算公式分别如式(5)—式(7)所示。不同瓦斯压力条件下的煤水界面能、煤的表面能及黏附功的计算结果，如图7a—图7c所示。

图7不同瓦斯压力条件下煤水界面能、煤的表面能及黏附功的动态演化规律

式中：γlg为水的表面张力，N/m；θ为接触角，(°)；为煤水界面能，N/m；γsg为煤的表面能，N/m；Wa为黏附功，N/m。

由图7a可知，同一瓦斯压力条件下，煤水界面能随着润湿时间的增加而减小，随着接触角的减小而减小。因为煤水界面能越小，水分越容易在煤体表面铺展。同一时刻，瓦斯压力越大，煤水接触角越大，煤水界面能越大，水分越不容易在煤体表面铺展；由图7b可知，同一瓦斯压力条件下，煤的表面能随着润湿时间的增加而增加，随着接触角的减小而增大。因为煤的表面能越高，越容易被水润湿。同一时刻，瓦斯压力越大，煤水接触角越大，煤的表面能越小，水分越不容易在煤体表面铺展；由图7c可知，同一瓦斯压力条件下，黏附功随润湿时间的增加而增加，随着接触角的减小而增大。黏附功越大，越容易被水润湿。同一时刻，瓦斯压力越大，煤水接触角越大，黏附功越小，水分越不容易在煤体表面铺展。因此，降低瓦斯压力及延长润湿时间有助于减小煤水界面能、增加煤的表面能及增加黏附功，进而有助于提高水对煤的润湿效果。因此，采用煤层注水措施治理瓦斯及预湿减尘时，应给予煤体充分的润湿时间。

3.3水滴在含瓦斯煤表面的演化特性

水滴与含瓦斯煤表面接触后，水分逐渐浸润含瓦斯煤表面。采用开发的水滴轮廓线提取软件对不同时间及不同瓦斯压力条件下的水滴轮廓进行提取，提取后的水滴轮廓如图8所示。

图8不同时间及不同瓦斯压力条件下的水滴轮廓

由图8可知，在一定的瓦斯压力条件下，随着时间的增加，水滴逐渐趋向于扁平，水滴与含瓦斯煤的接触面宽度逐渐增加，即润湿的宽度逐渐增加，水滴的高度逐渐减小。通过图8可以获得，不同瓦斯压力、不同时间水滴轮廓最高点的坐标，将不同瓦斯压力、不同时间水滴轮廓的最高点与不同瓦斯压力、初始时刻水滴轮廓的最高点做差，可以获得水滴轮廓最高点随时间的演化规律(图9a)。通过图8可以获得不同瓦斯压力、不同时间水滴与含瓦斯煤接触面的宽度，采用不同瓦斯压力、不同时间水滴与含瓦斯煤接触面的宽度减去不同瓦斯压力、初始时刻水滴与含瓦斯煤接触面的宽度，即可获得水滴与含瓦斯煤接触面的宽度演化规律(图9b)。

图9水滴轮廓最高点及水滴与含瓦斯煤接触面的宽度演化规律

由图9a可知，同一瓦斯压力条件下，水滴轮廓最高点下降的高度逐渐增加，然而增加的速率逐渐减小，其主要是因为水分在煤中孔隙流动所受的黏滞力所致。同一时间，瓦斯压力越大，水滴轮廓最高点下降的高度越小。由前述分析可知，瓦斯压力越大，水分对煤体润湿的难度越大，水分越难浸润含瓦斯煤体，因此呈现出瓦斯压力越大，水滴轮廓最高点下降的高度越小的规律。由图9b可知，同一瓦斯压力条件下，水滴与含瓦斯煤接触面的宽度逐渐增加，然而增加的速率逐渐减小，其主要也是因为水分在煤中孔隙流动所受的黏滞力所致。同一时间，瓦斯压力越大，水滴与含瓦斯煤接触面宽度增加的越小，其说明瓦斯压力越高，水分越不容易在含瓦斯煤表面铺展。水滴与含瓦斯煤表面的接触是一个动态润湿的过程，基于对图9a—图9b的分析可知，瓦斯压力的增加一方面不利于水分浸润到煤体中，另一方面不利于水分对煤体表面润湿范围的增加。