煤炭資源為我國工業和經濟社會的發展提供了基礎動力，但是其大規模的開采和利用帶來了一系列環境問題。普遍面臨固體廢棄物排放、環境污染等難題，同時礦業的大面積開采還帶來了礦震沖擊、含水層漏失、地面塌陷等地質災害問題?，F有許多尾礦處理、采礦區回填的技術，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雖然能夠在一定程度上緩解地質災害問題，但直接的尾礦回填，對采礦區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，將尾礦流態化作漿料用于回填礦區，由于漿料具備一定的流動性，可以滲透進入礦區裂縫中，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。

低場核磁共振技術是一種可以觀察巖樣微觀變化的技術，對于巖樣孔隙結構的變化情況、以及水在巖樣中的滲流規律，能夠將這些微觀的變化通過馳豫譜定量的表征出來，同時通過成像技術可以將內部微觀具象化，提供孔隙、流體的空間分布[2]。

以下帶來一個巖心注漿的經典案例[3]：

在這項研究中，采用低場核磁共振（NMR）測試技術，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，通過旋轉粘度計和核磁共振檢測設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以模擬深層地層環境。

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

核磁結果

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，這意味滲透系數隨著溫度的升高呈現出下降的趨勢；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，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。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.