我国以煤为主的能源资源禀赋，决定了煤炭仍将是我国能源安全的压舱石。因此，煤炭安全开采是保障国家能源安全的前提。近年来，随着煤矿开采深度及强度的增加，部分煤矿由低瓦斯向高瓦斯、突出矿井演变，瓦斯和煤尘两大灾害逐渐凸显，其严重威胁着煤炭工业的高质量发展及矿工的职业安全与健康。因此，进行瓦斯灾害和粉尘灾害的协同治理势在必行。

研究表明：煤层注水具有降尘、置换及驱替瓦斯的多种效果，被广泛用于煤层瓦斯治理及预湿减尘。煤层注水治理瓦斯及粉尘的效果关键在于煤中的含水率，煤中含水率与煤的润湿性直接相关，然而影响煤润湿性的因素有煤的化学组成、煤表面电荷及气体压力等，接触角是评价煤体润湿性能的重要指标之一。因此相关研究采用接触角评价煤的化学组成、煤表面电荷、孔隙结构及气体压力对润湿性的影响。

煤中灰分、水分和氧元素是亲水因素，固定碳含量与润湿性负相关，随着煤阶的增高，吸附在煤表面的含氧官能团减少，煤的亲水性能下降。程卫民等等获得了无机矿物含量与接触角的定量关系，发现了煤尘表面以灰分和无机硅酸盐为代表无机矿物质官能团、以芳香羟基为代表的含氧官能团及以芳香环C—H键为代表的有机大分子结构对煤尘润湿性有较大影响，含硅矿物是增强润湿性的根本原因。WANG等采用FTIR对5种不同类型的煤样(褐煤、气肥煤、焦煤、1/3焦煤、无烟煤)进行测试，发现以羟基和羧基为代表的含氧官能团、硅酸盐和碳酸盐矿物亲水，不同变质程度煤的呼吸性煤尘具有不同的润湿性。陈跃等研究获得灰分与煤的润湿性正相关，挥发分与煤的润湿性负相关，氢元素含量高，润湿性变差，碳和氧元素对润湿性的影响取决于含氧官能团的类型。LI等研究认为C/O(碳和氧的比率)和羟基是影响煤体润湿性的主要因素，随着变质程度增加，水分对煤的润湿性逐渐变差。WANG等基于接触角测试实验发现接触角大小分别与极性基团、自由基的比例呈负线性关系，但与Zeta电位呈正线性关系。李树刚等研究发现Zeta电位与煤体的接触角呈现正相关的关系，与自由基含量呈现负相关的关系。CHENG等、JIANG等、ZHOU等、WANG等研究发现随着煤体表面的Zeta电位越高，液体越容易在煤体表面铺展，煤体越容易被润湿。ZHU等、SUN等、KAVEH等通过实验发现煤吸附CO2后水对煤的润湿性能下降。魏建平等研究了煤体在瓦斯氛围中煤水之间的接触角，分析发现接触角随着气体压力的增加而增加。对于不含瓦斯煤的条件，水分与煤体之间的接触角演化特性已有相关研究。在含瓦斯的条件下，目前研究主要聚焦于水与煤接触后某一时刻接触角大小，水与煤接触后水在煤体表面发生铺展效应，对煤体形成一个动态的润湿过程。然而目前关于含瓦斯煤与水之间接触动态演化特性鲜有研究，其导致煤层注水润湿含瓦斯煤的机理不清楚，从而限制着煤层注水的应用。

为弄清含瓦斯煤与水之间接触动态演化特性，笔者首先采用自开发的水与瓦斯之间的表面张力分析软件计算了不同瓦斯压力条件下水的表面张力；其次采用开发的含瓦斯煤与水接触角实验设备测试了不同瓦斯压力、不同时间条件下的煤水接触角，理论分析了不同瓦斯压力条件下煤水界面能、煤的表面能、黏附功随接触角及时间的演化规律；再次，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，获得了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；最后，采用分子动力学模拟的方法，从微观角度揭示了含瓦斯煤与水之间的接触动态演化的微观机制。研究结果为揭示水分对含瓦斯煤的动态润湿机理及煤层注水的应用提供理论支撑。

1.含瓦斯煤与水之间接触角动态演化测试及水与瓦斯之间的表面张力计算方法

1.1含瓦斯煤与水之间接触角测试设备及步骤

含瓦斯煤与水之间接触角测试设备具备抽真空、充气吸附、恒温控制、滴水、光学成像及自动采集数据的功能，设备的实物图及原理分别如图1a—图1b所示。

图1含瓦斯煤与水之间接触角实验设备

含瓦斯煤与水之间接触角动态演化测试步骤如下：

1)试验煤样取自贵州金沙龙凤煤业公司9号煤(煤层瓦斯压力为1.46 MPa)，煤质为无烟煤，其水分为2.24%，灰分为9.45%，挥发分为5.77%，固定碳为82.54%。煤样的尺寸为ø50 mm×42 mm的煤样，将实验煤样在105℃条件下干燥，干燥结束后放置在干燥皿中。

2)向实验设备中分段充入氦气，观察传感器示数气体压力4～5 h不发生变化，认为装置气密性良好。

3)将实验煤样放置在透明釜体9中，将透明釜体密闭。依次打开真空泵4，阀门3再次对实验系统进行抽真空，当真空计5的示数小于20 Pa时抽真空结束，关闭阀门6；打开阀门1，向甲烷参考罐2充入一定压力的甲烷气体，关闭阀门1；打开阀门3，向透明釜体内充入甲烷气体，关闭阀门3。吸附一段时间后，当透明釜体内达到预定的吸附平衡压力值，结束充气；如果透明釜体内小于预定的吸附平衡压力值，继续向透明釜体充入甲烷气体，直至达到预定的吸附平衡压力。

4)打开摄像机10的连拍程序、冷光源11及恒速恒压泵7，当液滴脱离滴管8的下端口时，关闭恒速恒压泵；采用图像分析功能对不同瓦斯压力条件下的接触角进行测量，并记录时间，即可获得含瓦斯煤与水之间接触角动态演化的实验数据。

1.2水与瓦斯之间的表面张力计算方法

笔者采用悬滴法进行水与瓦斯之间表面张力的测试，当水滴被静止悬挂在毛细管的管口处时，液滴的外形主要取决于重力和表面张力的平衡，通过对水滴外形的测定获得水与瓦斯之间表面张力计算的相关参数。悬滴法原理图如图2所示，采用自开发的水与瓦斯之间界面张力分析软件获得式(1)中Ds、De，联合水、瓦斯的密度、修正后的形状因子(F)、重力加速度(g)，基于式(2)计算水与瓦斯之间的表面张力。

式中：γ为水与瓦斯之间的表面张力，N/m；g为重力加速度，m/s2；ρg为瓦斯气体的密度，kg/m3；ρ为水的密度，kg/m3；De为悬滴的最大直径，m；Ds为距顶点距离等于De处悬滴截面的直径，m；G为液滴形状因子；p为气体压力，MPa；M为甲烷的摩尔质量，16 g/mol；R为气体状态常数，8.314J/(mol·K)。