前沿应用|低场核磁共振技术在尾矿注浆回填中的应用

煤炭资源为我国工业和经济社会的发展提供了基础动力，但是其大规模的开采和利用带来了一系列环境问题。普遍面临固体废弃物排放、环境污染等难题，同时矿业的大面积开采还带来了矿震冲击、含水层漏失、地面塌陷等地质灾害问题。现有许多尾矿处理、采矿区回填的技术，但如何更有效的综合性解决这些问题，是目前一个火热的研究课题[1]。

直接的尾矿回填采矿区虽然能够在一定程度上缓解地质灾害问题，但直接的尾矿回填，对采矿区的地层支撑能力不足，与原被开采地矿相比，差异较大。于是出于多方面角度的考虑，将尾矿流态化作浆料用于回填矿区，由于浆料具备一定的流动性，可以渗透进入矿区裂缝中，固化后充分提高支撑作用，减轻或避免矿震、塌陷等地质灾害。同时浆料相比直接的尾矿具备低渗透性，可以有效锁住地层水分，避免水分流失，防治地表荒漠化。

低场核磁共振技术是一种可以观察岩样微观变化的技术，对于岩样孔隙结构的变化情况、以及水在岩样中的渗流规律，能够将这些微观的变化通过驰豫谱定量的表征出来，同时通过成像技术可以将内部微观具象化，提供孔隙、流体的空间分布[2]。

以下带来一个岩心注浆的经典案例[3]：

在这项研究中，采用低场核磁共振（NMR）测试技术，实验研究了不同温度、压力下注浆的渗流过程。定量分析了核磁共振参数的变化，以研究不同注水条件下的渗流特性。

实验基本流程

首先，选择灌浆材料，将制备的灌浆材料在不同温度（φ=20℃、40℃、60℃和80℃）的水浴中预热。

随后，通过旋转粘度计和核磁共振检测设备测定所选灌浆材料在不同温度下的粘度和水化过程。

然后，将含有单个裂缝的干燥砂岩样品放入岩芯支架中。施加20 MPa围压和不同温度（φ=20℃、40℃、60℃和80℃）作用在样品上，并保持30 min以模拟深层地层环境。

最后，将浆料以不同注射压力稳定地注入的样品中（0.5MPa、1.0MPa 和1.3MPa），同时相应的 NMRT2以15秒的间隔测量孔隙率。

核磁结果

图一 造缝岩心

图一左为岩样，中间为人造裂缝，用于填充注浆材料，图一右为核磁表征的孔径分布。

图二 不同温度下T2分布

图二得知：不同温度下核磁共振T₂谱面积随温度的变大而更加快速的减小，这意味渗透系数随着温度的升高呈现出下降的趋势；同时沟槽中注浆材料在较高的温度（＞40℃）下可以获得较短的水化期。

图三：不同注入压力岩心T₂分布

最初，不同温度下砂岩弛豫分布呈三峰分布（图三（a））。然后，随着注浆的继续，T₂分布逐渐变化（图三（b）和（c））。随着注入时间从t=30s增加到60s，第二峰几乎与第一峰合并，T₂弛豫分布从三峰分布转换为双峰分布（图三（b）），其中新的第一峰（P1+P2）和第二峰（P3）分别分布在0.1ms–100ms和100ms–1000ms的范围内。此外，随着注入时间的增加，不同温度下新的第一峰（P1+P2）和第二峰（P3）均增大，意味着浆体同时渗透到微孔、大孔和裂缝中。此外，随着温度从20℃升高到80 ℃，t= 30s处新的第二峰（P3）面积减小，这代表了温度升高对裂缝中浆体的流动有明显阻碍作用。如图三（c）所示，随着进样时间从t=30s增加到60s，新的第二峰（P3）变化不大，而新的第一峰（P1+P2）的面积和峰值明显增加。这意味着此时的渗流过程主要发生在岩石孔隙中，浆体从裂缝渗透到微孔隙中。

更多有趣详细内容，请见参考文献[3]。

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参考资料

[1] Asadizadeh M, Hedayat A, Tunstall L, et al. The impact of slag on the process of geopolymerization and the mechanical performance of mine-tailings-based alkali-activated lightweight aggregates[J].Construction & Building Materials, 2024(Jan.12):411.

[2] Guo F, Xie Z, Zhang N, et al. Study on the Pore-throat structure characterization and nano grouting law of the Low-permeability mudstone based on NMR-RSM methods[J].Construction and Building Materials, 2022.

[3] Wu Z, Yuan Z, Weng L, et al. Seepage characteristics of chemical grout flow in porous sandstone with a fracture under different temperature conditions: An NMR based experimental investigation[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2021, 142(10):104764.