電化學(xué)強(qiáng)化無煙煤吸水性的實(shí)驗(yàn)研究

侯鳴曉，張曉雨，康天合，康健婷，汪李龍，郭俊慶，李立功

(太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

煤層注水可以有效降低開采過程中浮游煤塵的產(chǎn)生、防治煤與瓦斯突出、增強(qiáng)頂煤冒放性以及預(yù)防煤層自燃[1-4]，但我國65%以上的煤層都較難被水潤濕[5]。目前，學(xué)者們主要從兩方面來研究強(qiáng)化煤層注水的方法：一是改善水對(duì)煤的潤濕性，普遍做法為在所注水中添加表面活性劑或?qū)λM(jìn)行磁化處理[6-7]，這種方法雖然可以降低水的表面張力從而增強(qiáng)煤對(duì)水的吸附能力，但大量使用表面活性劑導(dǎo)致使用成本過高[8]，也容易造成水源污染，僅通過磁場磁化來改善水潤濕特性的能力較為有限[9];二是增加煤孔裂隙數(shù)，如采取高壓注水措施壓裂、溝通煤層內(nèi)的裂隙使水可以滲透到煤體內(nèi)部[10]，但是已有研究表明煤中的水僅存在于煤的大孔和割理裂隙系統(tǒng)中，煤基質(zhì)中的微孔隙極小，水難以進(jìn)入其中[11]，而無煙煤孔隙以微孔為主，傳統(tǒng)的注水方式無法有效地進(jìn)入微孔，注水效果有限。

煤層吸收注水本質(zhì)上是煤表面與水分子相互吸引的結(jié)果[12]，同時(shí)煤內(nèi)孔裂隙是壓力水滲透流動(dòng)的主要通道[13]，二者共同影響煤層注水效果。電化學(xué)方法在改善煤潤濕性和孔裂隙結(jié)構(gòu)方面均有較好的表現(xiàn)，康健婷在電化學(xué)改性無煙煤的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，改性后煤樣的動(dòng)態(tài)接觸角從98.3°降低至73.9°[14]，KONG等基于顯微CT發(fā)現(xiàn)經(jīng)電化學(xué)改性后，陽極區(qū)域煤樣的孔隙率由11.88%提高到31.65%，陰極區(qū)域煤樣的孔隙率由12.13%提高到36.71%[15]，郭俊慶也研究發(fā)現(xiàn)電化學(xué)可以溶蝕疏通無煙煤內(nèi)部裂隙中所充填的方解石和碳酸鹽礦物等礦物質(zhì)，使得煤基質(zhì)出現(xiàn)龜裂或解體[16]。綜上所述，電化學(xué)作用能夠增強(qiáng)煤的表面潤濕能力，提高煤內(nèi)孔裂隙的發(fā)育程度，說明電化學(xué)在強(qiáng)化無煙煤吸水特性方面具有可行性，但電化學(xué)改性后無煙煤在不同改性區(qū)域的吸水性具體改善情況及其機(jī)理尚不清楚。

鑒此，筆者在對(duì)無煙煤進(jìn)行電化學(xué)改性實(shí)驗(yàn)，采用自然吸水法測試改性后各區(qū)域無煙煤自然吸水率的變化，研究電化學(xué)對(duì)無煙煤吸水效果的影響，通過傅里葉變換紅外光譜法、Wilhelmy吊片法、電泳法和液氮吸附法對(duì)改性前后煤樣的表面基團(tuán)、煤-水動(dòng)態(tài)接觸角、電動(dòng)電位和煤內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，研究電化學(xué)改性影響無煙煤吸水特性的機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 煤 樣

實(shí)驗(yàn)無煙煤樣取自山西晉城寺河煤礦二號(hào)井15303工作面，屬于沁水煤田南部石炭系上統(tǒng)太原組煤層。按照國標(biāo)GB/T 6948—2008、GB/T 212—2008和GB/T 1574—2007，采用MSP UV-VIS 2000型顯微光度計(jì)測定煤樣的鏡質(zhì)組最大反射率Ro,max=3.385%，屬于高變質(zhì)無煙煤，通過Zeiss Axioskop 40A型反射偏光顯微鏡測定煤樣的顯微組分為鏡質(zhì)組占79.1%，惰質(zhì)組占19.0%，殼質(zhì)組為0，礦物質(zhì)占1.9%。通過中國開元儀器公司生產(chǎn)的5E-MAG6600B型工業(yè)分析儀對(duì)煤樣的水分、灰分和揮發(fā)分進(jìn)行檢測分析，通過德國Elementar公司生產(chǎn)的vario M-CUBE型元素分析儀對(duì)煤樣的常規(guī)元素進(jìn)行檢測分析，具體分析結(jié)果見表1。采集后的原煤經(jīng)鉆取切割加工為φ50 mm×50 mm左右的柱狀無煙煤煤樣，并在溫度為373.15～378.15 K的真空干燥箱中烘干，直至達(dá)到恒定的質(zhì)量。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為自主研制的電化學(xué)改性實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置主要由直流電源、電流表、電解槽、電解液、電極板和電勢探針等組成?；趤喛肆Σ牧暇哂袃?yōu)良的電絕緣性和透光性，同時(shí)耐化學(xué)藥品性和耐高溫性較強(qiáng)，滿足電化學(xué)實(shí)驗(yàn)的條件，因此本次實(shí)驗(yàn)電解槽選用亞克力材質(zhì)，電解槽內(nèi)部尺寸為長150 mm×寬60 mm×高80 mm，按照陰、陽極電極板間距將電解槽均等劃分為陽極區(qū)域、中間區(qū)域和陰極區(qū)域3部分;電極板采用石墨電極，尺寸為長100 mm×寬60 mm×厚5 mm;直流電源選用北京大華無線電儀器廠生產(chǎn)的DH1722A-2型直流電源，輸出電壓為0～110 V，輸出電流為0～3 A;萬用表選用華誼儀表生產(chǎn)的PM18型萬用表;探針選用導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性較好的銅探針，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測電化學(xué)作用過程中不同區(qū)域的電勢和溫度變化。

表1 實(shí)驗(yàn)煤樣煤質(zhì)特征分析結(jié)果Table 1 Characteristic analysis of anthracite samples %

圖1 電化學(xué)改性實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Diagram of electrochemical modification device

1.3 實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)步驟

本次改性實(shí)驗(yàn)的電解液選用0.05 mol/L的Na2SO4溶液，電位梯度設(shè)定為4 V/cm，實(shí)驗(yàn)改性時(shí)間設(shè)定為120 h，電極選用石墨電極。

將加工好的無煙煤樣置于真空干燥箱烘干至恒重后取出，在0.05 mol/L的Na2SO4溶液中飽和，放置在圖1所示的電化學(xué)改性裝置中，煤樣兩側(cè)放置電極板，接通直流電源開始改性。在改性過程中，實(shí)時(shí)記錄電流表示數(shù)及不同區(qū)域測試探針的電勢值和溫度值，持續(xù)加電120 h后取出試樣，并將煤樣再次烘干。

1.4 改性結(jié)果測試

改性結(jié)果測試包括改性前后煤樣吸水性、表面基團(tuán)、動(dòng)態(tài)接觸角、電動(dòng)電位和孔隙特征的測試。

(1)煤樣吸水性的測試。用于測試改性前后無煙煤自然吸水率，研究各改性區(qū)域煤樣吸水效果較改性前的提高程度。測試方法為自然吸水法，測試所用水為去離子水。根據(jù)GB/T 23561.5—2009在盛水槽中等間距放置玻璃棒，將真空干燥后的改性前后煤樣架在玻璃棒上，每隔2 h向水槽中注入水，使水槽中的液面保持在試件的1/4高度處，每隔8 h將煤樣取出，用濕布擦拭掉表面殘留水分后進(jìn)行稱重，稱重后繼續(xù)放回水槽中，直至前后2次質(zhì)量差不超過0.01 g為止。測試得出改性前后煤樣的含水率隨吸水時(shí)間的變化曲線，通過計(jì)算得出改性前后煤樣的自然吸水率，計(jì)算公式為

(1)

式中,ωz為煤樣的自然吸水率，%;M1為煤樣自然飽和吸水后的質(zhì)量，g;M為煤樣烘干后的質(zhì)量，g。

(2)煤樣表面基團(tuán)的測試。用于研究改性后各區(qū)域煤樣官能基團(tuán)的變化情況，分析表面基團(tuán)的改變對(duì)改性效果的影響。選用美國Thermo Fisher公司生產(chǎn)的Nicolet iS5型傅里葉變換紅外光譜儀，儀器光譜監(jiān)測范圍7 800～350 cm-1，光譜分辨率優(yōu)于0.5 cm-1，波數(shù)精度優(yōu)于0.01 cm-1，信噪比40 000∶1。在干燥環(huán)境下將改性前后煤樣分別和KBr按照質(zhì)量比1∶150在瑪瑙研缽中充分研磨，之后裝入模具在10 MPa的壓力下進(jìn)行壓片，把壓好的片放入該儀器中進(jìn)行測試。測試得出改性前后煤樣的紅外光譜圖。

(3)煤-水動(dòng)態(tài)接觸角的測試。用于測試改性前后無煙煤的接觸角值，研究各改性區(qū)域煤樣的表面潤濕能力較改性前的提高程度。圖2選用瑞典百歐林公司生產(chǎn)的Sigma700型表面張力儀，并外接HX-105型恒溫水浴，其測試原理為Wilhelmy吊片法，將改性前后的煤樣分別懸掛于樣品池上方的吊鉤上，將煤樣按照所設(shè)定的恒定速度浸入到樣品池內(nèi)去離子水中，精密天平實(shí)時(shí)記錄液體對(duì)于煤樣所施加的外力，此時(shí)清零后的天平拉力F，煤樣所受的浮力ρgsh和潤濕力Pγ0cosθ滿足:

F=Pγ0cosθ-ρgsh

(2)

其中,P為煤樣在去離子水中的潤濕周長，mm;γ0為表面張力，mN/m;θ為煤-水動(dòng)態(tài)接觸角，(°);ρ為去離子水密度，g/cm3;s為煤樣橫截面積，mm2;h為浸沒深度，mm;g為重力加速度，m/s2。本次實(shí)驗(yàn)選用的去離子水在25 ℃時(shí)表面張力為72.026 mN/m，即γ0和h已知，可得煤樣的動(dòng)態(tài)接觸角為

(3)

圖2 Sigma700型表面張力儀Fig.2 Sigma700 surface tension meter

(4)煤樣表面電動(dòng)電位的測試。用于測試改性前后無煙煤表面ζ電位，研究各改性區(qū)域煤樣在水中的吸附能力變化情況。采用電泳法測試煤樣表面的電動(dòng)電位，選用中國Powereach公司生產(chǎn)的JS94H型微電泳儀，儀器膠粒粒徑測試范圍為0.5～20.0 μm;測試溶液的pH值輸入范圍為1.6～13.0，步長0.1;測試電極為鉑電極，切換時(shí)間為700 ms。在干燥環(huán)境下將改性前后煤樣充分研磨并分篩出200目粒徑，用超聲波分散器將待測煤粉和去離子水的混合液分散2 min，將配制完成煤/水分散系靜置24 h，取0.5 mL的分散液至電泳杯中，通過調(diào)整焦距，使十字標(biāo)清晰保持在屏幕中心，之后將鉑電極插入電泳杯中，輸入溫度、電壓和pH值等參數(shù)進(jìn)行測試，確定懸浮液中煤粒在電場下的電泳速度，據(jù)式(4)計(jì)算出煤樣的電動(dòng)電位(ζ電位)，方程式為

(4)

式中,V為電泳遷移速率，m/s;D為介電常數(shù);E為電場強(qiáng)度，V/m;μ為介質(zhì)的黏度，Pa·s。

(5)煤樣孔隙特征的測試。用于測試改性前后無煙煤孔隙比表面積、孔容和平均孔徑等參數(shù)值，研究各改性區(qū)域煤內(nèi)孔隙分布較改性前的變化情況。選用中國貝士德公司生產(chǎn)的3H-2000PS4型比表面積及孔徑分布儀，儀器測試范圍為孔徑0.35～400 nm,比表面積0.01 m2/g以上，壓力測試范圍0～1.6 bar(0～160 kPa)，精度誤差≤0.15，將改性前后煤樣在低溫液氮中進(jìn)行吸附，分析煤樣的氮?dú)獾葴匚矫摳角€，采用BET理論和BJH法分別測定煤樣的比表面積和孔徑分布。

圖3 電化學(xué)改性前后煤樣的含水率隨吸水時(shí)間的變化曲線Fig.3 Water content of coal sample before and after electrochemical modification with water absorption time

2 結(jié)果與分析

2.1 電化學(xué)改性對(duì)無煙煤吸水性的影響

圖3為未改性原煤和電化學(xué)改性各區(qū)域煤樣的含水率隨吸水時(shí)間的變化曲線?？梢姡男郧昂鬅o煙煤吸水變化趨勢基本保持一致且大致分為3個(gè)階段，首先在0～8 h煤表面的吸附點(diǎn)位迅速被水分子占據(jù)，同時(shí)水不斷進(jìn)入煤體并在大孔徑裂隙中貯留，煤內(nèi)含水率快速增大，隨后在8～32 h煤內(nèi)較發(fā)育的孔裂隙逐漸被水充實(shí)，并在表面作用力的作用下吸附于煤內(nèi)孔裂隙表面，此時(shí)吸水速率放緩，最后在32～48 h煤內(nèi)各類細(xì)微孔裂隙(孔隙直徑<10 nm)緩慢吸附滲流通道的水分[17]，在宏觀上含水率增加并不明顯，煤樣吸水基本飽和。

改性前后吸水情況差距較為明顯，通過式(1)計(jì)算得出原煤的自然吸水率為3.50%，經(jīng)電化學(xué)改性后，陽極區(qū)域煤樣自然吸水率增大至6.04%，中間區(qū)域煤樣自然吸水率增大至6.55%，陰極區(qū)域煤樣自然吸水率增大至7.08%。實(shí)驗(yàn)表明，無煙煤進(jìn)行電化學(xué)改性后陽極區(qū)域、中間區(qū)域和陰極區(qū)域的自然吸水率均有不同程度的升高，升高程度為陰極區(qū)域>中間區(qū)域>陽極區(qū)域。

圖4為電化學(xué)改性后煤樣的含水率較原煤的增長幅度隨吸水時(shí)間的變化曲線。可見，電化學(xué)改性后煤樣的含水率較原煤的增幅隨吸水時(shí)間呈現(xiàn)先增大后減小，最后逐漸趨于穩(wěn)定。在0～8 h時(shí)增長幅度迅速增大，其中陽極區(qū)域煤樣含水率增幅在7 h左右達(dá)到峰值，中間和陰極區(qū)域煤樣含水率增幅在4 h左右達(dá)到峰值，之后開始逐漸下降并在32～48 h基本保持恒定。改性后煤樣自然吸水率較未改性原煤的提高率為二者的差值和原煤自然吸水率之間的百分比，通過計(jì)算可得，與無煙煤自然煤樣相比，電化學(xué)改性陽極區(qū)域煤樣的自然吸水率提高了72.57%，中間區(qū)域煤樣的自然吸水率提高了87.14%，陰極區(qū)域煤樣的改性效果最為明顯，自然吸水率提高了102.29%。

圖4 電化學(xué)改性后煤樣的含水率增幅隨吸水時(shí)間的變化曲線Fig.4 Increase of water content of coal sample after electr-ochemical modification with water absorption time

2.2 電化學(xué)改性對(duì)無煙煤表面特性的影響

2.2.1煤樣表面基團(tuán)的改變

圖5 電化學(xué)改性前后煤樣紅外光譜圖Fig.5 Infrared spectrum of coal sample before and after electrochemical modification

(5)

2.2.2煤-水動(dòng)態(tài)接觸角的改變

圖6為未改性原煤和電化學(xué)改性后的煤樣的動(dòng)態(tài)接觸角值對(duì)比。可見，無煙煤自然煤樣的煤-水動(dòng)態(tài)接觸角為92.46°，說明無煙煤具有較強(qiáng)的疏水性，改性后陽極區(qū)域煤樣煤-水動(dòng)態(tài)接觸角降低至66.50°，中間區(qū)域煤樣煤-水動(dòng)態(tài)接觸角降低至72.06°，陰極區(qū)域煤樣煤-水動(dòng)態(tài)接觸角降低至77.25°。實(shí)驗(yàn)表明，與自然煤樣相比無煙煤進(jìn)行電化學(xué)改性后陽極區(qū)域、中間區(qū)域和陰極區(qū)域的潤濕性能均有不同程度增強(qiáng)，增強(qiáng)程度為陽極區(qū)域>中間區(qū)域>陰極區(qū)域。

2.2.3煤樣表面電動(dòng)電位的改變

圖7為未改性原煤和電化學(xué)改性后的煤樣的ζ電位對(duì)比?？梢?，無煙煤自然煤樣的ζ電位為-19.24 mV，說明煤及煤中的礦物在水溶液中呈負(fù)電性，改性后陽極區(qū)域煤樣ζ電位為21.38 mV，這是由于陽極氧化反應(yīng)產(chǎn)生了大量的H+，并被吸附在煤樣表面，從而使煤樣帶正電荷，表現(xiàn)為正ζ電位。中間區(qū)域煤樣ζ電位為-68.47 mV，陰極區(qū)域煤樣ζ電位為-80.01 mV，這是由于還原反應(yīng)生成的OH-被煤樣吸附，使煤樣的負(fù)電性更強(qiáng)。與無煙煤自然煤樣相比，電化學(xué)改性后各區(qū)域煤樣ζ電位絕對(duì)值都出現(xiàn)提高，說明煤表面電荷量增多，吸附能力均有所增強(qiáng)。

圖6 電化學(xué)改性前后煤-水動(dòng)態(tài)接觸角柱狀圖Fig.6 Histogram of coal-water contact angle before and after electrochemical modification

圖7 電化學(xué)改性前后煤樣ζ電位柱狀圖Fig.7 Histogram of ζ-potential before and after electrochemical modification

2.3 電化學(xué)改性對(duì)無煙煤孔隙結(jié)構(gòu)的影響

無煙煤自然煤樣中孔隙主要以孔徑<10 nm的微孔為主,未改性原煤和電化學(xué)改性后各區(qū)域煤樣孔隙參數(shù)的測試結(jié)果見表2，孔隙分布情況如圖8所示，可以看出，電化學(xué)改性后煤樣孔隙的比表面積和孔容較自然煤樣均有不同程度的降低，孔徑分布變化也較為明顯，與無煙煤自然煤樣相比，陽極區(qū)域的改性煤樣孔徑<10 nm的孔隙占比為24.32%，孔徑≥10 nm的孔隙占比為75.68%，平均孔徑增大了3.77倍，中間區(qū)域的改性煤樣孔徑<10 nm的孔隙占比為25.81%，孔徑≥10 nm的孔隙占比為74.19%，平均孔徑增大了3.67倍，陰極區(qū)域的改性煤樣孔徑<10 nm的孔隙占比為13.89%，孔徑≥10 nm的孔隙占比為86.11%，平均孔徑增大了5.02倍，出現(xiàn)上述變化的原因?yàn)楸敬螌?shí)驗(yàn)的外加電場電位要遠(yuǎn)高于水分解電壓為1.23 V[24]，陽極和陰極區(qū)域會(huì)發(fā)生電解水的氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)方程為

(6)

(7)

通常情況下煤及煤中的礦物在水溶液中呈負(fù)電性，因此電化學(xué)過程中H+向陰極的運(yùn)移要?jiǎng)龠^電滲流的平流傳遞，使整個(gè)煤樣處于酸性環(huán)境[25]，煤孔隙中的灰分會(huì)被酸溶蝕，同時(shí)煤中的黃鐵礦等礦物也會(huì)被氧化并與陰極產(chǎn)生的OH-結(jié)合生成沉淀，陰極區(qū)域的電滲作用和電泳作用也會(huì)驅(qū)使孔隙中的煤及黏土礦物等帶電顆粒運(yùn)移，實(shí)現(xiàn)煤孔隙中礦物質(zhì)的脫離，使無煙煤中微孔向大孔徑孔隙轉(zhuǎn)化，比表面積減小，平均孔徑增大。

表2 電化學(xué)改性前后煤樣孔隙結(jié)構(gòu)測試結(jié)果Table 2 Pore structure test results of coal samples before and after electrochemical modification

圖8 電化學(xué)改性前后孔隙分布柱狀圖Fig.8 Histogram of pore distribution before and after electrochemical modification

3 討 論

電化學(xué)改性增強(qiáng)無煙煤層注水效果的主要機(jī)理有2方面:① 經(jīng)過電化學(xué)改性，無煙煤的表面基團(tuán)發(fā)生變化，陽極區(qū)域因深度氧化反應(yīng)使芳烴和脂肪烴氧化為含氧官能基團(tuán)，中間和陰極區(qū)域因深度還原反應(yīng)使烷基支鏈脫落，芳環(huán)發(fā)生裂解反而增加了氧的相對(duì)含量，因此導(dǎo)致改性各區(qū)域煤表面親水性增強(qiáng)，煤-水動(dòng)態(tài)接觸角降低;② 無煙煤孔裂隙內(nèi)部和顆粒間隙通常被礦物質(zhì)充填，電化學(xué)改性使煤樣處于酸性環(huán)境中，大量的H+溶蝕孔隙中的灰分，并在電滲作用和電泳作用下使孔隙中的帶電顆粒伴隨液體向所帶電荷相反方向發(fā)生定向移動(dòng)，從而提升了孔隙間的連通程度，同時(shí)電解液對(duì)微小毛細(xì)孔也有沖蝕擴(kuò)容的作用，增大了無煙煤的平均孔徑，更有利于增強(qiáng)水的滲透性。

本次實(shí)驗(yàn)中改性陽極區(qū)域的煤-水動(dòng)態(tài)接觸角比陰極區(qū)域小，說明改性陽極區(qū)域的表面潤濕性要優(yōu)于陰極區(qū)域，但從結(jié)果來看電化學(xué)改性陰極區(qū)域煤樣的自然吸水率高于陽極區(qū)域，原因在于改性陰極區(qū)域煤樣的微孔占比要明顯<陽極區(qū)域，而煤層注水首先是水沿煤體內(nèi)發(fā)育孔裂隙的滲透過程，之后才是水在毛細(xì)管力和表面現(xiàn)象等物理化學(xué)作用下的濕潤過程[26]。李楠等通過縱波波速分析發(fā)現(xiàn)水在非均勻進(jìn)入煤內(nèi)孔裂隙中這一階段，煤樣的含水飽和率已達(dá)到70%左右[27]，水分在這些裂隙中存留后再逐漸向被包圍的煤體作親潤擴(kuò)散，使注水水分潤濕煤體。因此煤內(nèi)孔裂隙發(fā)育程度影響著煤體的潤濕效果，只有煤體的孔裂隙發(fā)育情況好，才更有利于所注水進(jìn)入煤內(nèi)孔裂隙潤濕煤體，改性陰極區(qū)域煤樣的孔裂隙更為發(fā)育，因此吸水效果也更好。

對(duì)于高瓦斯的煤層中，較大的瓦斯壓力是不可忽略的注水阻力。王青松等研究發(fā)現(xiàn)水在煤層裂隙、孔隙中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力是由注水壓力，孔裂隙毛細(xì)作用力和瓦斯壓力共同決定，因此煤層注水時(shí)水的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力是這3種力的合力[17]，即

ΔP=Pz+Pm-Pw

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式中,ΔP為煤層孔隙的總壓力差，kPa;Pz為注水壓力，kPa;Pm為孔隙的毛細(xì)作用力，kPa;Pw為孔隙內(nèi)的瓦斯壓力;Pa。已有研究表明，電化學(xué)作用能夠顯著強(qiáng)化煤瓦斯解吸和滲流特性，電化學(xué)方法可以解除瓦斯的水鎖效應(yīng)，使無煙煤解吸率由60.84%增至87.26%，平均解吸速率提高了5.59倍[28]。因此電化學(xué)改性瓦斯壓力大的煤層時(shí)，不僅可以提高煤層潤濕性和孔裂隙發(fā)育程度，還能強(qiáng)化煤層瓦斯解吸能力，降低煤層內(nèi)的瓦斯壓力，更有利于改善煤層注水效果。

圖9為本次實(shí)驗(yàn)的陰、陽極電極板改性前后的對(duì)比圖，陽極電極板在改性實(shí)驗(yàn)前的質(zhì)量為74.48 g，改性實(shí)驗(yàn)后質(zhì)量為28.68 g，電極損耗率定義為改性前后電極板質(zhì)量差和改性前質(zhì)量的百分比，陽極電極板損耗率達(dá)到61.49%，說明在通電時(shí)間為120 h，電位梯度為4 V/cm的情況下，石墨陽極電極板損耗嚴(yán)重，原因在于一方面電極端的碳素在電弧超高溫下直接升華，另一方面石墨為惰性電極，陽極只會(huì)發(fā)生水的氧化反應(yīng)生成大量的O2，而石墨會(huì)在高溫下與O2反應(yīng)生成CO2氣體。陰極電極板改性前后差別并不大，陰極處都發(fā)生水的還原反應(yīng)生成H2，陰極電極材料不會(huì)受到腐蝕?？梢圆捎迷陉枠O電極表面涂刷防止氧化的高溫涂料的方法使電極材料和氧化性腐蝕環(huán)境相互隔離[29]，從而能夠緩解陽極電極板腐蝕。

圖9 電化學(xué)改性前后電極板對(duì)比Fig.9 Comparison of electrode plates before and after electrochemical modification

4 結(jié) 論

(1)與無煙煤自然煤樣相比，電化學(xué)改性后各區(qū)域無煙煤樣的自然吸水率均有不同程度的增加，陽極區(qū)域改性煤樣自然吸水率增大至6.04%，較原煤提高了72.57%，中間區(qū)域改性煤樣自然吸水率增大至6.55%，較原煤提高了87.14%，陰極區(qū)域煤樣改性效果最為明顯，自然吸水率增大至7.08%，較原煤提高了102.29%。

(3)無煙煤在電化學(xué)改性過程中被電解產(chǎn)生的H+溶蝕掉孔隙中的灰分，并通過電泳作用驅(qū)使孔隙中堵塞礦物從孔隙中運(yùn)移脫離，使無煙煤中大量微孔轉(zhuǎn)化為大孔徑孔隙，與自然煤樣相比，陽極區(qū)域的改性煤樣孔徑<10 nm的孔隙占比為24.32%，平均孔徑增大了3.77倍，中間區(qū)域的改性煤樣孔徑<10 nm的孔隙占比為25.81%，平均孔徑增大了3.67倍，陰極區(qū)域的改性煤樣孔徑<10 nm的孔隙占比為13.89%，平均孔徑增大了5.02倍，更有利于增強(qiáng)無煙煤透水效果。