NMR成像技術測試煤樣滲吸過程中水分變化規律研究*

王 彬，王兆豐,2，岳基偉，李皓偉，鄭夢浩，董家昕

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000；2. 煤礦災害預防與搶險救災教育部工程研究中心，河南 焦作 454000 )

0 引言

抽采是防治瓦斯災害的根本措施，但隨著煤層開采深度和地應力的增加，煤層滲透率急劇降低，瓦斯抽采難度大，導致瓦斯事故多發，安全高效開采難以實現[1]。煤層注水[2]是一種治理煤層瓦斯的主要技術方法，煤體是一種復雜的多孔介質，在多孔介質中，濕潤相流體依靠毛細管力的作用置換非濕潤相流體的過程稱為滲吸[3]。水分在煤體中的滲吸過程可以促進瓦斯的解吸[4]，減少煤層瓦斯含量，提高瓦斯抽采效果。國內外研究學者對滲吸機理做了大量研究，研究結果表明，注水滲吸是裂縫性油藏驅油的機理[5-6]，毛細管力[7]為其提供動力。陳金生、岳基偉等[7-9]通過研究水分對含瓦斯煤的滲吸效應，認為含瓦斯煤外加水分的滲吸作用機理是以毛細管力為滲吸動力，水分置換吸附態瓦斯。但在滲吸效應[10]發生后，水分在煤體中的運移過程及分布規律鮮有研究。

目前常見的水分測定方法[11-13]可分為2大類：即直接法和間接法，其中，直接法主要是通過技術手段直接檢測水分含量的變化，主要包括：烘干稱重法、碳化鈣法等；間接法則是通過測量跟含水量相關的電量、非電量的變化，來檢測物質的含水率，主要包含電阻法、射線法、電容法、中子成像法等。

上述方法是比較常規的水分含量測定方法，各有其優劣，但對于不含瓦斯型煤的水分含量測定存在一些問題。直接法破壞煤體，測試時間長，無法實現實時監測等，并且以上方法只能得到樣品的總體含水量，并不能獲得各相態中水分含量的信息，更無法實現對樣品水分的動態監測過程。針對上述檢測方法存在的不足，本文提出利用核磁共振成像技術測定煤體的水分分布規律[14-15]，該方法具有不破壞煤體、測試方法便捷、能夠呈現水分的運移過程與在煤體中分布情況的特點，可以彌補上述不含瓦斯煤水分分布測定方法的不足。

1 煤樣制備及實驗方案

1.1 煤樣制備

實驗煤樣選自貴州六龍煤礦，該煤層屬于煤與瓦斯突出煤層，煤種屬于高變質程度貧瘦煤。采用型煤進行實驗，篩選出粒徑為0.25 mm以下及0.25～0.5 mm的煤粉，并按照1∶2的比例進行均勻混合，添加5%的蒸餾水，均勻攪拌。設計并加工特制型煤模具，采用伺服萬能機進行型煤的壓制，設置負荷為90 kN，穩壓30 min，制取型煤尺寸為Φ100 mm×100 mm，在距離截面圓心27.5 mm處預留偏心孔洞，偏心孔洞尺寸為14 mm×65 mm，如圖1所示。

圖1 型煤實物Fig.1 Physical diagram of shape coal

1.2 實驗方案

實驗設備采用核磁共振成像分析儀MacroMR12-150H-I。

實驗將型煤橫置，分為2組，分別是自下向上吸水(即型煤橫置狀態下，孔洞位于型煤中心軸線下方位置)和自上向下吸水(即型煤橫置狀態下，孔洞位于型煤中心軸線上方位置)2個方向，按照5%的含水率加水。實驗流程如下：

1)將型煤放入烘干箱內，在105℃的溫度下烘干；

2)采用醫用輸液管改造為加水裝置，為了將溶液與液態石蠟分離，將輸液管路末端穿過中心帶孔眼的塑料紐扣，并預留5 cm管路用以加水；配制濃度為0.4%的表面活性劑快滲T溶液(磺化琥珀酸二辛酯鈉鹽溶液)，其可降低溶液的表面張力及接觸角，從而使煤體吸水性能升高，如圖2所示；

圖2 實驗加水裝置Fig.2 Water adding device used in the laboratory

3)準備足量固態石蠟放置于耐高溫容器中，采用高溫風槍融化固態石蠟至液態；

4)由于液態石蠟不溶于水，孔洞中預留溶液可以將液態石蠟封堵在孔洞上部，防止液態石蠟凝固堵塞加水裝置。量取濃度為0.4%的快滲T溶液，使用膠頭滴管滴入型煤孔洞中，將加水裝置末端管路伸入孔洞底部，使塑料紐扣處于液面上方，也可起到一定的隔離作用，倒入液態石蠟對型煤孔洞進行密封，直至液態石蠟凝固，并對凝固時間進行記錄；

5)將石蠟凝固好的型煤放入核磁共振成像分析儀MacroMR12-150H-I進行實驗。實驗期間，為防止石蠟沒有凝固完全被外加水沖開，前1.5 h暫時不加水，之后開啟輸液管路中的閥門均勻不間斷加水。前6 h，每間隔0.5 h測試1次，之后每間隔1 h測試1次，直至沒有明顯變化為止。

2 不含瓦斯煤水分分布測試分析

2.1 自下向上吸水實驗

2.1.1 橫向弛豫時間T2譜測試

實驗總時長為20 h，首先使用CPMG脈沖序列測定橫向弛豫時間T2譜，得到了自下向上吸水型煤的20 h的橫向弛豫時間T2分布曲線，主要分為加水階段和停止加水階段，前6 h為加水階段，從6 h之后至20 h實驗結束停止加水階段。如圖3所示。

圖3 自下向上吸水型煤核磁共振T2弛豫譜Fig.3 Nuclear magnetic resonance T2 relaxation spectrum of briquette from bottom to top water absorbing

橫軸與縱軸積分面積代表信號量。樣品中的水含量越多，則積分面積就越大。由圖3可以看出，型煤中的水分主要分為3種相態，弛豫時間0.05～2 ms的T21代表結合水，弛豫時間2～100 ms的T22代表游離水，弛豫時間100 ms之后代表型煤外部水分。

由T2數據可以看出，游離水和結合水具有轉化關系，定量加水后，游離水隨著時間的推移會呈現降低趨勢，部分轉化為結合水，結合水呈現上升趨勢，在其過程中，水分信號會有部分弛豫損失。

2.1.2 三軸方向成像測試

為對型煤樣品三向進行成像，分別從X，Y，Z三軸方向切割測試型煤樣品吸水效果。設定X，Y，Z三軸，成像測試中，分別選擇切割X，Y，Z三軸成像，如圖4所示。

自下向上吸水型煤在120，240，360，480，600，720，840，960及1 080 min成像效果如圖5～7所示。

圖5 自下向上吸水型煤沿孔洞圓心切割X軸成像效果Fig.5 Image effect map of X axis cutting along hole center of briquette from bottom to top water absorbing

由圖5可知，隨著時間的增加，Y方向及Z方向上的水分向周圍擴散。加水階段停止之后，隨著時間的增加，水分信號強度存在逐漸變弱的趨勢，由于定量加水結束之后，隨著時間的增加，部分游離水轉化為結合水，核磁共振成像只能檢測弛豫時間大于5.885 ms以上的數據，對于弛豫時間小于5.885 ms的數據無法檢測，所以成像圖中可以看出明顯信號強度減弱趨勢。

由圖6可以看出，隨著時間的增加，型煤內部X方向及Z方向上的水分逐漸擴散，下部邊界優先濕潤，之后水分向周圍及上部擴散，整體呈現均勻滲吸效果。加水階段，型煤內部水分信號較強，停止加水階段之后游離水部分轉化為結合水，成像圖中可以看出明顯信號強度減弱趨勢。

圖6 自下向上吸水型煤沿孔洞圓心切割Y軸成像效果Fig.6 Image effect map of Y axis cutting along hole center of briquette from bottom to top water absorbing

圖7 自下向上吸水型煤沿孔洞圓心切割Z軸成像效果Fig.7 Image effect map of Z axis cutting along hole center of briquette from bottom to top water absorbing

從圖7可以看出，隨著時間的增加，型煤內部X方向及Y方向上的水分逐漸擴散，加水階段，型煤內部水分信號較強，停止加水階段之后游離水部分轉化為結合水。

為了分析水分擴散規律，針對水分影響半徑隨時間的變化曲線進行擬合，由于部分游離水轉換為結合水導致信號量監測降低，影響半徑減小，變小之后的數據不參與擬合，擬合曲線如圖8所示，擬合公式為：Rl=AlBlt/(1+Blt)，相關參數如表1所示。

表1 擬合公式及參數Table 1 Fitting curve data

由圖8可知，隨著時間的變化，X，Y，Z三軸方向，水分在型煤煤體中的影響半徑前期逐漸擴大，后期會有少許降低，原因是游離水信號部分轉化為結合水，MacroMR12-150H-I型核磁共振成像只能檢測弛豫時間大于5.885 ms以上的數據，對于弛豫時間小于5.885 ms的數據無法檢測。Z方向水分的擴散效果弱于X方向水分的擴散效果，即軸向效果弱于徑向效果，其原因是Z方向上水分受到重力和毛細管力作用影響，其中重力作為阻力，阻止水分在Z方向上的運移。

圖8 自下向上吸水型煤三向影響半徑隨著時間變化的擬合曲線Fig.8 The fitting curve of the three direction influence radius that changes with time of briquette from bottom to top water absorbing

2.2 自上向下吸水實驗

2.2.1 橫向弛豫時間T2譜測試

自上向下吸水型煤的橫向弛豫時間T2譜測試，如圖9所示。

圖9 自上向下吸水型煤核磁共振T2弛豫譜Fig.9 Nuclear magnetic resonance T2 relaxation spectrum of briquette from top to bottom water absorbing

由圖9可以看出，型煤中的水分主要分為3種相態，弛豫時間0.05～2 ms的T21代表結合水，弛豫時間2～80 ms的T22代表游離水，弛豫時間80 ms之后代表型煤外部水分。結合水與游離水之間存在轉化關系，成像測試針對游離水進行。

2.2.2 三軸方向成像測試

自上向下吸水成像測試方法與自下向上相同，如圖10所示。

圖10 自上向下吸水型煤成像截面選取Fig.10 Selection of imaging section of briquette from upper to bottom water absorption

自上向下吸水型煤在120，240，360，480，600，720，840，960及1 080 min成像效果如圖11～13所示。

圖11 自上向下吸水型煤沿孔洞圓心切割X軸成像效果Fig.11 Image effect map of X axis cutting along hole center of briquette from top to bottom water absorbing

由圖11可知，由于水分信號強烈及蠟封孔段影響，孔段形態并不明顯，隨著時間的增加，Y方向及Z方向上的水分向周圍擴散，游離水存在部分向結合水轉化的趨勢，MacroMR12-150H-I型核磁共振成像只能檢測弛豫時間大于5.885 ms以上的數據，對于弛豫時間小于5.885 ms的數據無法檢測，所以成像圖中可以看出明顯信號強度減弱趨勢。

由圖12可知，隨著時間的增加，型煤內部X方向及Z方向上的水分逐漸擴散，加水階段，型煤內部水分信號較強，停止加水階段之后游離水部分轉化為結合水，成像圖中可以看出明顯信號強度減弱趨勢。

由圖13可以看出，隨著時間的變化，型煤內部X方向及Y方向上的水分逐漸擴散，加水階段，型煤內部水分信號較強，停止加水階段之后游離水部分轉化為結合水，成像圖中可以看出明顯信號強度減弱趨勢。

圖12 自上向下吸水型煤沿孔洞圓心切割Y軸成像效果Fig.12 Image effect map of Y axis cutting along hole center of briquette from top to bottom water absorbing

圖13 自上向下吸水型煤沿孔洞圓心切割Z軸成像效果Fig.13 Image effect map of Z axis cutting along hole center of briquette from top to bottom water absorbing

為了分析水分擴散規律，針對水分影響半徑隨時間的變化曲線進行擬合，由于部分游離水轉換為結合水導致信號量監測降低，影響半徑減小，變小之后的數據不參與擬合，擬合曲線如圖14所示，擬合公式及參數如表2所示。

圖14 自上向下吸水型煤三向影響半徑隨著時間變化Fig.14 A curve that affects the radius of three directions that changes with time of briquette from top to bottom water absorbing

表2 擬合曲線數據Table 2 Fitting curve data

由圖14可知，隨著時間的增加，X，Y，Z三軸方向，水分在型煤煤體中的影響半徑前期逐漸擴大，后期會有少許降低，原因是MacroMR12-150H-I型核磁共振成像只能檢測弛豫時間大于5.885 ms以上的數據，對于弛豫時間小于5.885 ms的數據無法檢測。對于自上向下滲吸，Z方向水分的擴散效果強于X和Y方向水分的擴散效果，即軸向效果強于徑向效果，原因是Z方向上水分受到重力和毛細管力作用影響，其中重力促進水分在Z方向上的運移。

2.3 自下向上及自上向下成像對比分析

針對自下向上吸水和自上向下吸水的X，Y，Z三向位置水分影響半徑分別進行對比，如圖15～17所示。

圖15 X軸方向影響半徑對比Fig.15 Comparison of the influence radius on the direction of X axis

由圖15可知，X軸方向，自上向下吸水影響半徑大于自下向上吸水影響半徑，但兩者相差較小且整體變化穩定，說明在X軸方向上，水分運移受力近似，兩者的極限值相差小于5 mm，在X軸方向上，水分的運移主要受到毛細管力的作用影響。

由圖16可知，Y軸方向，自上向下吸水影響半徑要遠大于自下向上吸水影響半徑，兩者差距較大。兩者的極值相差近20 mm，差值較大，Y軸和X軸同為水平方向，型煤本身屬于均質，兩者受毛細管力和重力影響作用應當相近，但2組X軸方向和Y軸方向的影響半徑比較卻出現較大偏差。由于在自上向下吸水實驗中，切割X軸進行成像，圖像中Y軸方向上水分信號較強覆蓋了部分孔段，難以辨別清楚完整孔段，所以Y軸方向的影響半徑數據存在誤差，涵蓋了部分孔段數據，由于圖像無法將孔段部分從Y軸方向數據中剝離出來，所以使得Y軸影響半徑數據存在誤差。

圖16 Y軸方向影響半徑對比Fig.16 Comparison of the influence radius on the direction of Y axis

由圖17可知，Z軸方向，自上向下吸水影響半徑要遠大于自下向上吸水影響半徑，兩者差距較大，兩者極值相差近20 mm，差值較大，Z軸方向主要是受到毛細管力和重力作用的影響，其中重力作用由于孔洞位置的不同所起的作用不同，自下向上吸水實驗中，重力起抑制作用，自上向下吸水實驗中，重力起促進作用。

圖17 Z軸方向影響半徑對比Fig.17 Comparison of the influence radius on the direction of Z axis

3 結論

1)水分在型煤中主要以3種相態存在，分別是結合水、游離水和自由水。其中結合水由于設備原因，實驗中主要通過T2測定總量變化，對于水分分布的具體檢測，主要是針對游離水進行。

2)游離水和結合水具有轉化關系，定量加水后，游離水隨著時間的推移會呈現降低趨勢，部分轉化為結合水，結合水呈現上升趨勢，在其過程中，水分信號會有部分弛豫損失。

3)水分在煤體中隨著時間的增加逐漸擴散，其三向擴散半徑與時間滿足朗格繆爾函數關系。

4)水分在煤體內運移主要受毛細管力和重力作用的影響，自下向上吸水和自上向下吸水，毛細管力作用相同，重力在軸向方向分別產生抑制和促進作用，軸向方向的擴散半徑存在明顯差異，徑向方向的擴散半徑差值不大。