[導(dǎo)讀] 核磁共振作為一種先進(jìn)的科學(xué)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(guó)礦業(yè)大學(xué)闞甲廣副教授，以及翟成教授團(tuán)隊(duì)的孫勇博士。

煤炭是重要的基礎(chǔ)能源和工業(yè)原料，為保障我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速健康發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。雖然當(dāng)前新能源、可再生能源得到快速的發(fā)展，但相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)煤炭仍是我國(guó)的主體能源。近年來隨著淘汰落后產(chǎn)能工作的推進(jìn)，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(jìn)的科學(xué)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(guó)礦業(yè)大學(xué)闞甲廣副教授，以及翟成教授團(tuán)隊(duì)的孫勇博士。

低場(chǎng)核磁推動(dòng)煤巖裂隙分布及漿液流動(dòng)機(jī)理研究

闞甲廣，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)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(shù)研究工作，先后參與或負(fù)責(zé)完成了包括國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目、中國(guó)工程院重大咨詢項(xiàng)目、“十一五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目在內(nèi)的40余項(xiàng)縱向與橫向研究課題。研究成果獲得教育部科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、中國(guó)煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)等省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)8項(xiàng)，發(fā)表SCI/EI檢索論文31篇，獲得國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)16項(xiàng)、實(shí)用新型專利授權(quán)9項(xiàng)，副主編出版教材2部。

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)闞甲廣副教授

采礦領(lǐng)域，裂隙分析、注漿加固一直以來是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。為推動(dòng)礦業(yè)工程科學(xué)裂隙分布及漿液流動(dòng)細(xì)觀機(jī)理性研究，凸顯中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程研究的特色與優(yōu)勢(shì)，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院于2018年12月引進(jìn)了產(chǎn)自蘇州紐邁分析儀器股份有限公司(簡(jiǎn)稱：紐邁)的大口徑核磁共振成像分析儀MacroMR12-150H-I，進(jìn)行煤巖注漿的過程分析、漿料凝結(jié)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(dāng)天，第二屆紐邁“服務(wù)萬里行”活動(dòng)正在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)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(shí)驗(yàn)室，他正與紐邁的技術(shù)人員就儀器應(yīng)用進(jìn)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(guān)，我們想利用核磁共振成像分析儀器搭配在線注漿設(shè)備，對(duì)巖石試樣中流體的滲透規(guī)律進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。通過國(guó)內(nèi)廣泛調(diào)研，了解到紐邁儀器能夠具備相關(guān)功能與實(shí)力，這是促使雙方達(dá)成合作的主要原因。”

據(jù)悉，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)科入選了國(guó)家“雙一流建設(shè)”名單。他表示：“深地開采、流態(tài)化開采是一liu學(xué)科建設(shè)的重點(diǎn)任務(wù)，學(xué)院計(jì)劃以一liu學(xué)科建設(shè)為契機(jī)，建立一個(gè)設(shè)備齊全、技術(shù)先進(jìn)、前景廣闊的研究平臺(tái)，核磁共振系統(tǒng)將為上述研究系統(tǒng)而服務(wù)。”作為國(guó)產(chǎn)分析儀器的一名新晉用戶，闞甲廣副教授希望國(guó)產(chǎn)分析儀器能加快核磁儀器裝備的開發(fā)，進(jìn)一步加大軟件分析能力建設(shè)，為核磁共振設(shè)備在能源地礦領(lǐng)域的應(yīng)用提供更為可靠的支持。

低場(chǎng)核磁助力煤體孔裂隙分布評(píng)價(jià)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(dòng)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(jié)構(gòu)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(shù)的基礎(chǔ)上提出了脈動(dòng)水力壓裂增透技術(shù)，通過脈動(dòng)水壓力作用，在煤體裂隙jian端產(chǎn)生交變應(yīng)力，使煤體產(chǎn)生疲勞損傷，以較低的壓力形成較為豐富的裂隙網(wǎng)絡(luò)，相對(duì)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(guó)礦業(yè)大學(xué)孫勇博士

將液氮周期性的注入煤體：液氮常壓下可達(dá)-196℃，與高溫煤體間的巨大溫差產(chǎn)生溫度應(yīng)力；孔裂隙水結(jié)冰產(chǎn)生高達(dá)200MPa的壓力和9%的體積膨脹，形成冰楔作用使裂隙jian端擴(kuò)展；周期性注入的造成的凍融作用也會(huì)使煤體產(chǎn)生疲勞損傷。這是翟成教授課題組開展的另一項(xiàng)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(guó)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(nèi)部形成交織貫通的孔裂隙滲流網(wǎng)絡(luò)，顯著提高煤層氣抽采效率。”

課題組第三個(gè)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(xué)酸化作用下，產(chǎn)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(luò)，提高煤體的透氣性。據(jù)介紹，該方法既可實(shí)現(xiàn)溫室氣體的有效封存，又能通過二氧化碳的高競(jìng)爭(zhēng)吸附作用實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯的驅(qū)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(guān)注的研究方向里，核磁共振技術(shù)在液氮循環(huán)致裂和液態(tài)二氧化碳致裂中的應(yīng)用較為成熟，主要用于煤體孔隙結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)測(cè)試分析的科學(xué)方法，評(píng)價(jià)不同致裂方法對(duì)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(cè)孔技術(shù)，核磁共振能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)樣品的無損分析，樣品尺寸可達(dá)50mm×50mm，測(cè)量孔徑范圍覆蓋2nm~1 mm，能在幾分鐘內(nèi)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(shè)備開展了煤體孔隙結(jié)構(gòu)的分析測(cè)試。使用低場(chǎng)核磁設(shè)備5年有余，孫勇平時(shí)也會(huì)利用各類線上手段與紐邁的工程師進(jìn)行有效溝通。他表示：“核磁共振測(cè)孔的理論已經(jīng)非常成熟，紐邁給我們提供了穩(wěn)定的設(shè)備，基本不需要維護(hù)，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(cè)的數(shù)據(jù)不對(duì)，紐邁工程師會(huì)遠(yuǎn)程協(xié)助我們解決問題，有新的成果或軟件升級(jí)也會(huì)及時(shí)分享給我們。如此雙向溝通使得產(chǎn)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(wù)負(fù)責(zé)人承擔(dān)了科技部國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)-“高性能核磁共振弛豫分析儀的開發(fā)和應(yīng)用”項(xiàng)目中的“基于核磁共振弛豫分析技術(shù)的煤巖體裂隙分布評(píng)價(jià)方法開發(fā)”子任務(wù)。該任務(wù)對(duì)比了核磁共振相比壓汞和掃描電鏡在煤巖體裂隙分布評(píng)價(jià)中的應(yīng)用，項(xiàng)目驗(yàn)收時(shí)得出結(jié)果，核磁共振在煤樣測(cè)試方面相比兩種傳統(tǒng)方法的確有優(yōu)勢(shì)。下一步，課題組還希望將核磁共振與CT等方法進(jìn)行結(jié)合，進(jìn)一步深化和拓展煤體孔隙結(jié)構(gòu)分析的應(yīng)用范圍。

[來源：儀器信息網(wǎng)]