煤炭学报

作者：岳基伟, 廖杰, 石必明, 张雷林, 韩奇峻, 李文琪, 马树俊, 王俏, 娄振,

关键词：微纳米CO₂气泡水, 润湿体系, 煤层注水, Hirshfeld表面分析, 吸附瓦斯,

煤尘严重影响矿井安全生产及矿工健康。煤层注水是一种常用的预湿减尘技术。然而，由于煤的表面能较低，普通水难以有效润湿煤体，常采用表面活性剂增强润湿效果。然而，表面活性剂存在成本高、难降解等问题。微纳米气泡水具有表面张力低的特性，且CO2作为一种易获取、无毒的气体，具有较好的应用前景。微纳米CO2气泡水对煤的润湿作用是一个多尺度过程，其在不同尺度上的作用特性及微观机制尚不明确，限制工程应用。基于此，系统研究了微纳米CO2气泡水对煤的多尺度作用特性及微观作用机制。结果表明：微纳米CO2气泡水的光强和ζ电位随循环制备时间呈先升高后降低的趋势，在10 min时达到最大值；而其表面张力和pH则呈现先下降后上升的趋势，表面张力相对于水的最大降幅达47.86%；在宏观尺度上，微纳米CO2气泡水与煤的接触角随循环制备时间的延长呈现先减小后增加的趋势；细观尺度上，微纳米CO2气泡水处理后的煤样呈现无机孔隙增多、吸附瓦斯量减小的现象；微观尺度上，处理后的煤中氧元素含量上升，羰基、羧基等亲水官能团含量增加；基于煤的工业分析、元素分析及微光谱表征结果，构建了微纳米CO2气泡水处理后的煤分子结构模型C110H68N2O7。结合煤分子模型、Hirshfeld表面分析及静电势分析发现，处理后煤表面的吡咯氮和羟基区域吸附水分子能力增强。在煤−水微观润湿体系中，微纳米CO2气泡水处理后，煤−水交界面下方水分子相对浓度较高，界面上方相对浓度较小；处理后煤对瓦斯的吸附分子数小于处理前，且处理前煤−瓦斯体系之间相互作用能的绝对值大于处理后体系，即抑制瓦斯吸附，说明微纳米CO2气泡水能够提高煤的润湿性。研究结果为微纳米CO2气泡水应用于煤层注水提供理论支撑。

来源：2026年第2期

《煤炭学报》期刊编辑部

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