煤炭資源為我國工業(yè)和經(jīng)濟社會的發(fā)展提供了基礎(chǔ)動力，但是其大規(guī)模的開采和利用帶來了一系列環(huán)境問題。普遍面臨固體廢棄物排放、環(huán)境污染等難題，同時礦業(yè)的大面積開采還帶來了礦震沖擊、含水層漏失、地面塌陷等地質(zhì)災害問題。現(xiàn)有許多尾礦處理、采礦區(qū)回填的技術(shù)，但如何更有效的綜合性解決這些問題，是目前一個火熱的研究課題[1]。

直接的尾礦回填采礦區(qū)雖然能夠在一定程度上緩解地質(zhì)災害問題，但直接的尾礦回填，對采礦區(qū)的地層支撐能力不足，與原被開采地礦相比，差異較大。于是出于多方面角度的考慮，將尾礦流態(tài)化作漿料用于回填礦區(qū)，由于漿料具備一定的流動性，可以滲透進入礦區(qū)裂縫中，固化后充分提高支撐作用，減輕或避免礦震、塌陷等地質(zhì)災害。同時漿料相比直接的尾礦具備低滲透性，可以有效鎖住地層水分，避免水分流失，防治地表荒漠化。

低場核磁共振技術(shù)是一種可以觀察巖樣微觀變化的技術(shù)，對于巖樣孔隙結(jié)構(gòu)的變化情況、以及水在巖樣中的滲流規(guī)律，能夠?qū)⑦@些微觀的變化通過馳豫譜定量的表征出來，同時通過成像技術(shù)可以將內(nèi)部微觀具象化，提供孔隙、流體的空間分布[2]。

以下帶來一個巖心注漿的經(jīng)典案例[3]：

在這項研究中，采用低場核磁共振（NMR）測試技術(shù)，實驗研究了不同溫度、壓力下注漿的滲流過程。定量分析了核磁共振參數(shù)的變化，以研究不同注水條件下的滲流特性。

實驗基本流程

首先，選擇灌漿材料，將制備的灌漿材料在不同溫度（φ=20℃、40℃、60℃和80℃）的水浴中預熱。

隨后，通過旋轉(zhuǎn)粘度計和核磁共振檢測設(shè)備測定所選灌漿材料在不同溫度下的粘度和水化過程。

然后，將含有單個裂縫的干燥砂巖樣品放入巖芯支架中。施加20 MPa圍壓和不同溫度（φ=20℃、40℃、60℃和80℃）作用在樣品上，并保持30 min以模擬深層地層環(huán)境。

最后，將漿料以不同注射壓力穩(wěn)定地注入的樣品中（0.5MPa、1.0MPa 和1.3MPa），同時相應(yīng)的 NMRT2以15秒的間隔測量孔隙率。

核磁結(jié)果

圖一 造縫巖心

圖一左為巖樣，中間為人造裂縫，用于填充注漿材料，圖一右為核磁表征的孔徑分布。

圖二 不同溫度下T2分布

圖二得知：不同溫度下核磁共振T₂譜面積隨溫度的變大而更加快速的減小，這意味滲透系數(shù)隨著溫度的升高呈現(xiàn)出下降的趨勢；同時溝槽中注漿材料在較高的溫度（＞40℃）下可以獲得較短的水化期。

圖三：不同注入壓力巖心T₂分布

最初，不同溫度下砂巖弛豫分布呈三峰分布（圖三（a））。然后，隨著注漿的繼續(xù)，T₂分布逐漸變化（圖三（b）和（c））。隨著注入時間從t=30s增加到60s，第二峰幾乎與第一峰合并，T₂弛豫分布從三峰分布轉(zhuǎn)換為雙峰分布（圖三（b）），其中新的第一峰（P1+P2）和第二峰（P3）分別分布在0.1ms–100ms和100ms–1000ms的范圍內(nèi)。此外，隨著注入時間的增加，不同溫度下新的第一峰（P1+P2）和第二峰（P3）均增大，意味著漿體同時滲透到微孔、大孔和裂縫中。此外，隨著溫度從20℃升高到80 ℃，t= 30s處新的第二峰（P3）面積減小，這代表了溫度升高對裂縫中漿體的流動有明顯阻礙作用。如圖三（c）所示，隨著進樣時間從t=30s增加到60s，新的第二峰（P3）變化不大，而新的第一峰（P1+P2）的面積和峰值明顯增加。這意味著此時的滲流過程主要發(fā)生在巖石孔隙中，漿體從裂縫滲透到微孔隙中。

更多有趣詳細內(nèi)容，請見參考文獻[3]。

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參考資料

[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.