[導讀] 核磁共振作為一種先進的科學儀器，在煤礦開采和煤層氣治理中發(fā)揮了怎樣的作用?未來將如何發(fā)展?儀器信息網(wǎng)近日采訪了中國礦業(yè)大學闞甲廣副教授，以及翟成教授團隊的孫勇博士。

煤炭是重要的基礎能源和工業(yè)原料，為保障我國經(jīng)濟社會快速健康發(fā)展做出了重要貢獻。雖然當前新能源、可再生能源得到快速的發(fā)展，但相當長一段時間內煤炭仍是我國的主體能源。近年來隨著淘汰落后產能工作的推進，大力推行煤炭資源的綠色開采、智能開采、深地開發(fā)和未來采礦成為發(fā)展的重要方向。核磁共振作為一種先進的科學儀器，在煤礦開采和煤層氣治理中發(fā)揮了怎樣的作用?未來將如何發(fā)展?儀器信息網(wǎng)近日采訪了中國礦業(yè)大學闞甲廣副教授，以及翟成教授團隊的孫勇博士。

低場核磁推動煤巖裂隙分布及漿液流動機理研究

闞甲廣，中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院副教授，自參加工作以來，一直專注于巷道圍巖控制理論與技術研究工作，先后參與或負責完成了包括國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)項目、中國工程院重大咨詢項目、“十一五”科技支撐計劃項目、國家自然科學基金項目在內的40余項縱向與橫向研究課題。研究成果獲得教育部科學技術進步獎二等獎、中國煤炭工業(yè)科學技術獎二等獎等省部級獎勵8項，發(fā)表SCI/EI檢索論文31篇，獲得國家發(fā)明專利授權16項、實用新型專利授權9項，副主編出版教材2部。

中國礦業(yè)大學闞甲廣副教授

采礦領域，裂隙分析、注漿加固一直以來是研究的熱點和難點。為推動礦業(yè)工程科學裂隙分布及漿液流動細觀機理性研究，凸顯中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程研究的特色與優(yōu)勢，中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院于2018年12月引進了產自蘇州紐邁分析儀器股份有限公司(簡稱：紐邁)的大口徑核磁共振成像分析儀MacroMR12-150H-I，進行煤巖注漿的過程分析、漿料凝結過程等方面的研究。

大口徑核磁共振成像分析儀MacroMR12-150H-I

采訪當天，第二屆紐邁“服務萬里行”活動正在中國礦業(yè)大學南湖校區(qū)火熱開展。儀器信息網(wǎng)編輯來到闞甲廣副教授的實驗室，他正與紐邁的技術人員就儀器應用進行交流。之所以選擇紐邁的核磁共振儀器，闞甲廣副教授表示：“采礦行業(yè)許多研究方向都與巖體中流體的滲流過程密切相關，我們想利用核磁共振成像分析儀器搭配在線注漿設備，對巖石試樣中流體的滲透規(guī)律進行實時在線監(jiān)測。通過國內廣泛調研，了解到紐邁儀器能夠具備相關功能與實力，這是促使雙方達成合作的主要原因。”

據(jù)悉，中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學科入選了國家“雙一流建設”名單。他表示：“深地開采、流態(tài)化開采是一liu學科建設的重點任務，學院計劃以一liu學科建設為契機，建立一個設備齊全、技術先進、前景廣闊的研究平臺，核磁共振系統(tǒng)將為上述研究系統(tǒng)而服務。”作為國產分析儀器的一名新晉用戶，闞甲廣副教授希望國產分析儀器能加快核磁儀器裝備的開發(fā)，進一步加大軟件分析能力建設，為核磁共振設備在能源地礦領域的應用提供更為可靠的支持。

低場核磁助力煤體孔裂隙分布評價方法建立

另一位受訪者孫勇博士師從翟成教授，課題組近年來專注于煤層致裂增透方法的研究，方向主要包括脈動水力壓裂、液氮循環(huán)低溫沖擊致裂、液態(tài)二氧化碳致裂以及煤體孔隙結構的表征。孫勇博士介紹，為提高低透氣性煤層瓦斯抽采效率，課題組在水力壓裂技術的基礎上提出了脈動水力壓裂增透技術，通過脈動水壓力作用，在煤體裂隙jian端產生交變應力，使煤體產生疲勞損傷，以較低的壓力形成較為豐富的裂隙網(wǎng)絡，相對靜壓壓裂，起裂壓力降低35%以上，裂隙數(shù)量增加20%以上。

中國礦業(yè)大學孫勇博士

將液氮周期性的注入煤體：液氮常壓下可達-196℃，與高溫煤體間的巨大溫差產生溫度應力；孔裂隙水結冰產生高達200MPa的壓力和9%的體積膨脹，形成冰楔作用使裂隙jian端擴展；周期性注入的造成的凍融作用也會使煤體產生疲勞損傷。這是翟成教授課題組開展的另一項研究——液氮循環(huán)低溫沖擊致裂。孫勇博士介紹：“液氮循環(huán)低溫沖擊致裂增透方法是一種新型的無水化致裂增透方法，適用于我國煤炭資源豐富但極度缺水的西北地區(qū)。該方法通過冷沖擊作用、冰楔作用和凍融作用這三重作用，可使煤層內部形成交織貫通的孔裂隙滲流網(wǎng)絡，顯著提高煤層氣抽采效率。”

課題組第三個研究方向是液態(tài)二氧化碳致裂，即以液態(tài)二氧化碳作為壓裂液，通過循環(huán)注入方式，使煤體在水-冰相變凍脹力、液態(tài)二氧化碳的氣化膨脹力和化學酸化作用下，產生疲勞損傷，原始孔裂隙發(fā)育和衍生，形成相互交織貫通的立體裂隙網(wǎng)絡，提高煤體的透氣性。據(jù)介紹，該方法既可實現(xiàn)溫室氣體的有效封存，又能通過二氧化碳的高競爭吸附作用實現(xiàn)煤層瓦斯的驅替效果。

此外，課題組還開展了靜態(tài)破碎劑和傳統(tǒng)封孔材料的研究。在翟成教授課題組所關注的研究方向里，核磁共振技術在液氮循環(huán)致裂和液態(tài)二氧化碳致裂中的應用較為成熟，主要用于煤體孔隙結構特征演化規(guī)律分析，課題組基于此也形成了一套煤體孔隙結構測試分析的科學方法，評價不同致裂方法對煤體孔滲特性的影響。

中尺寸核磁共振成像分析儀MesoMR23-060H-I

孫勇博士表示：“相比壓汞、氣體吸附等常規(guī)測孔技術，核磁共振能夠實現(xiàn)對樣品的無損分析，樣品尺寸可達50mm×50mm，測量孔徑范圍覆蓋2nm~1 mm，能在幾分鐘內給出孔隙度、孔徑分布、束縛流體與自由流體的分布情況以及滲透率等豐富信息，便于研究的開展及論文的寫作。”

從研究生階段起，孫勇就用核磁共振設備開展了煤體孔隙結構的分析測試。使用低場核磁設備5年有余，孫勇平時也會利用各類線上手段與紐邁的工程師進行有效溝通。他表示：“核磁共振測孔的理論已經(jīng)非常成熟，紐邁給我們提供了穩(wěn)定的設備，基本不需要維護，用起來非常的方便。另外我們還保持了良好的溝通，比如發(fā)現(xiàn)測的數(shù)據(jù)不對，紐邁工程師會遠程協(xié)助我們解決問題，有新的成果或軟件升級也會及時分享給我們。如此雙向溝通使得產品在我們這用得更好，也讓我們作為使用者的專業(yè)技有更快的提升。”

2013年，課題組還與紐邁合作，作為任務負責人承擔了科技部國家重大科學儀器設備開發(fā)專項-“高性能核磁共振弛豫分析儀的開發(fā)和應用”項目中的“基于核磁共振弛豫分析技術的煤巖體裂隙分布評價方法開發(fā)”子任務。該任務對比了核磁共振相比壓汞和掃描電鏡在煤巖體裂隙分布評價中的應用，項目驗收時得出結果，核磁共振在煤樣測試方面相比兩種傳統(tǒng)方法的確有優(yōu)勢。下一步，課題組還希望將核磁共振與CT等方法進行結合，進一步深化和拓展煤體孔隙結構分析的應用范圍。

[來源：儀器信息網(wǎng)]