瓦斯抽采钻孔密封浆液流动轨迹纳米磁性粒子示踪机理研究

In this research, as an attempt to improve the existing problems of the flow trajectory and monitoring method of seal slurry for gas drainage borehole, the physical tests (including magnetic particles physical properties tests, similar material simulation test in magnetic nanoparticles seepage flow, three dimension magnetic imaging test in Seal slurry)，mathematical analysis are employed to carry out the above research. Using the Teslameter, Viscometer，multi-factor analysis software , the suitable types of magnetic particles and the mix ratio of sealing carrier liquid will be obtained. similar material simulation test in magnetic nanoparticles seepage flow will be started at the same time, the coal/rock similar materials will be full-scale scanned to discover the dispersion mechanism between seal slurry and magnetic particles under multi-factor and multi-level conditions. By using image processing and mathematical analysis software, a three dimension (3D) magnetic imaging system of seal slurry will be designed and built up independently, a reconstruction algorithm model in magnetic field strength will be established to solve the magnetic field strength of element nodes in the model. Eventually, a new monitoring and imaging method will be put forward to monitor the spatial distribution of magnetic strength of flow trajectory based on reconstruction algorithm and 3D magnetic imaging system, which will magnetize imaging the flow trajectory. It is expected that the research result could provide some theoretical guides for the design and evaluation of borehole sealing technique for gas drainage.

针对瓦斯抽采钻孔密封浆液流动规律及其监测方法研究存在的问题，本课题拟通过实验研究（磁性粒子物理性质测试实验、纳米磁性粒子渗流相似材料模拟实验、密封浆液三维磁性成像实验）及数理分析相结合的方式，运用特斯拉计、粘度计、多因素分析软件等手段，获得磁性粒子的适合类型及其与密封基液最佳配合比。同时，开展纳米磁性粒子渗流相似材料模拟研究，借助于三维磁性成像系统、声发射测试系统、电子显微镜等设备，对胶结后的煤岩相似材料进行全尺度的监测，探寻多因素多水平下密封浆液与磁性粒子的溶散机制。自主搭建密封浆液三维磁性成像实验系统，利用图像处理、数理分析软件，建立密封浆液纳米磁性粒子强度重建算法模型，并求解模型内单元节点的磁性强度。在磁性成像监测、磁性强度重建算法分析的基础上，提出密封浆液流动轨迹磁性空间分布特征及其成像方法，实现对密封浆液流动轨迹的“磁性化”成像。尝试为瓦斯抽采封孔的设计与效果评价提供理论依据。

针对瓦斯抽采钻孔密封浆液流动轨迹磁性成像问题，建立含裂隙相似材料单元磁性强度解算模型，研发多维磁场监测-成像软件，通过相似材料磁性浆液配合比实验、相似材料磁性浆液密封实验，并借助于自主搭建的三维磁性监测系统，揭示相似材料内部破裂特征、浆液胶结位置的磁性分布规律，为密封浆液成像技术提供参考，主要研究内容及成果如下：.1）通过不同磁性粒子类型、不同磁性粒子粒度以及不同磁性粒子质量分数，进行多因素、多水平下的密封浆液配合比实验，并根据浆液流动特性、沉降率，剔选出适合含裂隙相似材料的密封浆液配合比。.2）通过控制单因素和多因素正交试验设计，选定了12组不同配合比，利用万能试验仪、渗透率测试系统，测试了不同配合比下泡沫混凝土的抗压强度和渗透率，分析了不同配合比条件下泡沫混凝土的性能变化，剔选出一组抗压强度和渗透性能俱佳的配合比。.3）基于反投影重建算法以及线性方程组的基本原理，以立方体为数学模型，建立X轴、Y轴、Z轴及对角线方向的线性方程组，构建含裂隙相似材料单元磁性强度解算模型，研发多维磁磁场监测-成像软件，实现精度范围内试样某一点的磁性强度大小求解、成像。.4）借助于三维磁性监测系统对密封后含裂隙相似材料进行三维监测，分析了试样不同监测面的磁性强度分布，获得了相似材料破裂特征的磁性表征规律。根据物理实验的研究结果，采用MATLAB软件对试样典型截面的磁性监测结果进行分析，得到了相似材料破裂特征的磁性变化规律，并通过建立的单元磁性强度解算模型对典型截面进行求解，获得了试样截面内三维磁性强度分布规律。.研究结果最终验证了以磁性粒子为示踪剂，密封浆液流动轨迹磁性成像的可行性，并建立了精度范围内相似材料单元磁性强度解算模型，研发了多维磁场强度监测-成像软件，为密封浆液流动轨迹磁性成像提供了指导和参考。