采動(dòng)巖體裂隙自修復(fù)的水-CO2-巖相互作用試驗(yàn)研究

鞠金峰，李全生，許家林，楊 磊

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦山互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州 221008; 3.煤炭開采水資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100011; 4.國家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100011; 5.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116; 6.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

煤炭開采引起的覆巖導(dǎo)水裂隙是造成煤礦區(qū)地下水資源流失與地表生態(tài)退化的主要原因，科學(xué)控制采動(dòng)破壞巖體裂隙發(fā)育的程度與范圍、合理限制采動(dòng)裂隙的導(dǎo)水能力，是實(shí)現(xiàn)煤礦區(qū)保水采煤的重要途徑[1-2]。已有的研究多是通過降低采高或改變開采工藝(如充填開采)等方式來限制導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度[2-8]，從而避免含水層被破壞;然而這一對(duì)策在我國西北部的高產(chǎn)高效礦區(qū)卻難以適用。由于該區(qū)域煤層賦存普遍埋藏淺、厚度大、層數(shù)多，采煤引起的含水層破壞與地下水流失往往難以避免。因此，采取其他措施(如注漿封堵)限制采動(dòng)裂隙的導(dǎo)水能力、促進(jìn)裂隙的修復(fù)愈合，成為采動(dòng)破壞含水層生態(tài)再恢復(fù)的另一有效途徑[8-9]。

現(xiàn)場(chǎng)已有的工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，煤層開采引起的破壞覆巖，在一定條件下會(huì)產(chǎn)生一定程度的自我修復(fù)效應(yīng)，出現(xiàn)破碎巖塊的膠結(jié)成巖以及破斷裂隙的彌合、甚至尖滅等現(xiàn)象，從而使得覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育范圍減小、區(qū)域水源水位回升。如，厚煤層分層開采中利用“再生頂板”[10-11]進(jìn)行下分層頂板管理的開采實(shí)踐，即說明了上分層冒落巖塊的自膠結(jié)成巖現(xiàn)象。再如，神東礦區(qū)補(bǔ)連塔煤礦1-2煤四盤區(qū)開采時(shí)，覆巖導(dǎo)水裂隙直接發(fā)育至基巖頂界面，導(dǎo)致地表水文觀測(cè)鉆孔內(nèi)水全部漏失;而隨著工作面開采的繼續(xù)推進(jìn)，鉆孔內(nèi)水位又出現(xiàn)逐步恢復(fù)的現(xiàn)象[2]。顧大釗、張建民等利用物探方法開展的煤層開采前后覆巖含水性分布變化的結(jié)果也驗(yàn)證了采動(dòng)破壞巖體裂隙自修復(fù)的現(xiàn)象[12-13]。以神東礦區(qū)超大綜采工作面為地質(zhì)背景，采用高精度四維地震多屬性探測(cè)方法，獲得了采前、采中、采后直至穩(wěn)定狀態(tài)下地下水賦存環(huán)境變化特征，發(fā)現(xiàn)在應(yīng)力場(chǎng)作用下，裂隙帶原巖結(jié)構(gòu)具有自修復(fù)傾向，地下水漏失程度也隨之逐步減弱。由此可見，采動(dòng)破壞覆巖的自修復(fù)是現(xiàn)實(shí)存在的客觀現(xiàn)象，研究揭示此類自修復(fù)現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理與作用規(guī)律對(duì)于科學(xué)制定導(dǎo)水裂隙限流保水的生態(tài)修復(fù)措施具有重要的指導(dǎo)意義。

實(shí)際上，采動(dòng)覆巖破壞后的自修復(fù)是地下水、采空區(qū)氣體、破壞巖體3者的“水-氣-巖”物理、化學(xué)作用與地層采動(dòng)應(yīng)力共同影響的結(jié)果;現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐中經(jīng)常遇到的泥質(zhì)或黏土質(zhì)巖石遇水膨脹導(dǎo)致裂隙彌合的物理過程和現(xiàn)象[14-16]，即是其中的典型代表。在覆巖采動(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育過程中，受擾動(dòng)的地下水以及采空區(qū)的CO2,SO2,H2S等氣體將通過導(dǎo)水(氣)裂隙通道流散并與破壞原巖發(fā)生充分反應(yīng)，巖石中的元素受溶解和溶蝕等作用發(fā)生遷移與富集，導(dǎo)致原巖結(jié)構(gòu)被破壞而發(fā)生泥化、軟化，并生成次級(jí)礦物及新的結(jié)晶沉淀物[17-20]。如此，在采動(dòng)地層應(yīng)力的壓實(shí)和水平擠壓作用下，受軟化的破壞原巖發(fā)生流塑變形并壓密采動(dòng)裂隙;生成的次級(jí)礦物和結(jié)晶沉淀物則直接充填、封堵采動(dòng)裂隙、孔隙等缺陷。長時(shí)間的累積作用后，采動(dòng)覆巖一定范圍內(nèi)的裂隙將發(fā)生彌合與尖滅，最終降低裂隙巖體的水滲流能力，甚至可恢復(fù)至原巖的隔水狀態(tài)。也正因?yàn)檫@一過程，才出現(xiàn)了前面所述冒落巖塊的自膠結(jié)成巖以及地下水位的回升現(xiàn)象。因此，采動(dòng)破壞巖體的自修復(fù)與采空區(qū)不同巖性巖石的水-氣-巖相互作用過程密切相關(guān)，研究掌握裂隙巖體在水氣巖相互作用過程中的水滲流變化規(guī)律，對(duì)于科學(xué)揭示此類自修復(fù)現(xiàn)象的作用機(jī)理和規(guī)律具有重要參考意義。

基于此，筆者利用現(xiàn)場(chǎng)采集以及人工配置的具有不同化學(xué)特征的地下水樣，選取采空區(qū)廣泛賦存的CO2氣體，與含裂隙的砂質(zhì)泥巖試樣開展水-CO2-巖相互作用實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)過程中裂隙巖樣的水滲流變化規(guī)律以及裂隙面礦物組分，為揭示裂隙巖體自修復(fù)機(jī)理提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試樣的制備

實(shí)驗(yàn)巖樣選擇某煤礦采集的砂質(zhì)泥巖，通過X衍射測(cè)試得到該砂質(zhì)泥巖主要由石英、菱鐵礦、以及黏土礦物等礦物組成，具體成分占比詳見表1。首先將巖樣加工成直徑5 cm，高10 cm的圓柱形試件，然后將試件放入MTS壓力試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行人為加載破壞，從而形成含有裂隙的巖石試件，如圖1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)前后砂質(zhì)泥巖裂隙面各類礦物成分的變化
Table 1 Mineral composition changes on the fracture face of the sandy mudstone specimen before and after the experimentv

注:表中所列數(shù)據(jù)為各類礦物占巖石總礦物成分的相對(duì)百分比，而非絕對(duì)量;I/S間層比表示伊蒙間層中伊利石的占比。

1.2 水溶液配置

表2 實(shí)驗(yàn)前后水溶液主要離子成分與pH值
Table 2 Ionic composition changes and pH value of the aqueous solution before and after the experiment

方案離子質(zhì)量濃度/(mg·L-1)Na+HCO-3CO2-3Cl-NH4+Fe3+,Fe2+K+Ca2+Mg2+NO2-pH方案1實(shí)驗(yàn)前36.87162.740.054.330.840.090.0613.798.600.246.60(現(xiàn)場(chǎng)水樣)實(shí)驗(yàn)后88.96312.4214.409.57005.3824.7920.5508.12方案2實(shí)驗(yàn)前372.62899.5048.746.951.550.070.022.080.260.018.43(配置水樣)實(shí)驗(yàn)后465.051 126.1299.619.361.770.473.490.360.3710.58.83

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

將裂隙巖石試件的圓柱側(cè)面用硅膠涂抹密封，然后將其封裝至水-CO2-巖相互作用容器中，并用樹脂膠對(duì)試件與容器之間的空隙進(jìn)行填充，使得水溶液僅能通過試件的上下面滲流。向容器中倒入水溶液，并用氣管插入水溶液中持續(xù)供入CO2氣體，如圖2所示?？紤]到方案2水溶液呈堿性，持續(xù)通入CO2氣體會(huì)降低其pH值，影響實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)目標(biāo)。因此，僅對(duì)方案1的現(xiàn)場(chǎng)采集水樣通入CO2,CO2氣體的通入流量為4～6 mL/min。

圖2 水-CO2-巖相互作用實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental equipmens of the water-CO2-rock interaction

實(shí)驗(yàn)過程中間隔1～2周打開泄水閥進(jìn)行裂隙巖石試件水滲流特性的測(cè)試，測(cè)試完畢后將放出水溶液重新倒回容器中，繼續(xù)水-CO2-巖相互作用。具體實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先測(cè)試水溶液溫度并確定其黏度;其次打開泄水閥使水溶液在自重條件下沿裂隙巖樣滲流(考慮到裂隙巖樣的滲透性相對(duì)偏高，故未專門施加水壓)，根據(jù)水溶液滲流時(shí)其液面降低一定高度對(duì)應(yīng)的壓力梯度、流量和速度，計(jì)算巖樣的絕對(duì)滲透率值。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，從容器中取出巖石試件、放出水溶液，對(duì)裂隙面附近的巖石礦物成分和水溶液離子成分進(jìn)行測(cè)試，并與實(shí)驗(yàn)前巖樣的礦物成分和水溶液離子成分進(jìn)行對(duì)比，以評(píng)價(jià)長期水-CO2-巖相互作用對(duì)巖石礦物成分和水溶液離子成分的影響規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 裂隙巖石試件的水滲流變化

經(jīng)過近8個(gè)月的水-CO2-巖相互作用實(shí)驗(yàn)，測(cè)試得到了砂質(zhì)泥巖含裂隙試件分別在酸性和堿性溶液條件下的水滲流特征變化規(guī)律。圖3為裂隙巖石試件隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的絕對(duì)滲透率變化曲線，無論是在酸性溶液還是在堿性溶液條件下、無論水溶液中是否通入CO2氣體，裂隙巖石試件的絕對(duì)滲透率均呈逐步下降的現(xiàn)象。其中，方案1酸性溶液條件下，在實(shí)驗(yàn)的前120 d內(nèi)，裂隙巖石試件的絕對(duì)滲透率由4.32×10-12m2逐步降低至0.185×10-12m2;而后在后續(xù)的111 d時(shí)間內(nèi)又緩慢降低至5.58×10-15m2的最低值(僅為初始值的1.3×10-3倍);絕對(duì)滲透率的遞減呈現(xiàn)出明顯的分段變化特征。與此類似，方案2堿性溶液條件下裂隙巖石試件的絕對(duì)滲透率也呈現(xiàn)出類似的特征，但在分段變化趨勢(shì)上又與方案1表現(xiàn)出一定的差異。在實(shí)驗(yàn)開始的47 d內(nèi)，絕對(duì)滲透率由10.6×10-12m2呈波動(dòng)式快速降低至0.871×10-12m2，繼而在后續(xù)的45 d內(nèi)緩慢下降至0.076 9×10-12m2的最低值，而后又在實(shí)驗(yàn)?zāi)┢诘?23 d內(nèi)出現(xiàn)絕對(duì)滲透率小幅回升現(xiàn)象，其值在0.233×10-12～0.629×10-12m2波動(dòng)，約0.431×10-12m2，為初始值的4.1×10-2倍。由此可見，雖然兩方案對(duì)應(yīng)裂隙巖石均表現(xiàn)出明顯的自修復(fù)特征，但受水溶液酸堿度的影響，其自修復(fù)進(jìn)程又呈現(xiàn)出明顯差異。堿性條件下裂隙巖石的自修復(fù)進(jìn)程相對(duì)更快，但其最終的絕對(duì)滲透率卻明顯偏高，其相對(duì)初始值的下降幅度也明顯偏低;且在實(shí)驗(yàn)?zāi)┢谶€出現(xiàn)了水滲透率的反彈現(xiàn)象。這顯然是與不同酸堿度水溶液下水-CO2-巖的相互作用過程緊密相關(guān)的，同時(shí)也與兩者明顯不同的初始滲透率有關(guān)(方案2使用的巖石試件受人為破壞程度更大，裂隙更為發(fā)育)，具體將在后文討論分析。

圖3 裂隙巖石試件的絕對(duì)滲透率變化曲線Fig.3 Varying curves of absolute permeability of the fractured rock specimen

值得說明的是，在方案1實(shí)施過程中，為了探究CO2通入流量是否會(huì)對(duì)裂隙巖石的自修復(fù)進(jìn)程產(chǎn)生影響，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的第2個(gè)月(第32～63 d)，將CO2通入量加大至1～20 mL/min，由此造成裂隙巖石試件絕對(duì)滲透率明顯上升;而后當(dāng)將CO2通入量恢復(fù)至原來的4～6 mL/min時(shí)，裂隙巖石試件的絕對(duì)滲透率也相應(yīng)恢復(fù)為遞減趨勢(shì);可見CO2通入量提高對(duì)裂隙巖石自修復(fù)進(jìn)程會(huì)有明顯的抑制作用。

2.2 巖石試件裂隙面礦物組分變化

在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將裂隙巖石試件由反應(yīng)容器中取出后發(fā)現(xiàn)，無論是方案1還是方案2，試件表面及其裂隙面均附著了一些鐵銹或泥質(zhì)成分的物質(zhì)，如圖4所示。由此反映出水-CO2-巖相互作用過程中相關(guān)物理、化學(xué)作用導(dǎo)致的部分衍生礦物或沉淀物的生成。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)后裂隙面刮取部分巖樣進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)和X衍射(XRD)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)裂隙面礦物晶體的微觀結(jié)構(gòu)及其組分均發(fā)生了明顯變化。

圖4 實(shí)驗(yàn)后裂隙巖石試件表面附著的鐵、泥質(zhì)成分物質(zhì)Fig.4 Iron and argillaceous matter on the fracture face after experiment

2.2.1裂隙面礦物晶體的微觀結(jié)構(gòu)變化

通過對(duì)兩方案實(shí)驗(yàn)前后對(duì)應(yīng)裂隙面各類礦物的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行掃描電鏡測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，在長期的水-CO2-巖相互作用下，巖石試件裂隙面發(fā)生了原生礦物的溶解、溶蝕以及新的衍生礦物或沉淀物出現(xiàn)的現(xiàn)象。

無論是方案1酸性水溶液還是方案2堿性水溶液條件下，巖石試件裂隙面的菱鐵礦、綠泥石、伊利石或伊/蒙間層等礦物的微觀結(jié)構(gòu)形貌都發(fā)生了顯著改變，礦物晶體受溶解、溶蝕的現(xiàn)象十分明顯。如圖5、表3所示，根據(jù)其能譜分析的元素構(gòu)成及微觀形貌可判斷其為菱鐵礦晶體。由圖5、表3可知，實(shí)驗(yàn)前原巖中的菱鐵礦晶體表面光滑、棱角分明，但實(shí)驗(yàn)后的菱鐵礦晶體卻呈現(xiàn)出表面粗糙、棱角模糊且有明顯溶蝕缺口的現(xiàn)象。而綠泥石以及伊利石或伊/蒙間層礦物晶體也發(fā)生了類似的變化，如圖6，7、表4，5所示。實(shí)驗(yàn)后的綠泥石晶體形態(tài)破碎，不像原巖中呈現(xiàn)規(guī)整的片狀形態(tài);而實(shí)驗(yàn)后的伊利石或伊/蒙間層礦物晶體表面則變得明顯粗糙。

圖5 實(shí)驗(yàn)前后巖樣裂隙面菱鐵礦晶體微觀形貌的掃描電鏡測(cè)試結(jié)果Fig.5 SEM test results of the micromorphology of Siderite crystal on the fracture face before and after the experiment 注:圖中方框區(qū)域元素構(gòu)成的能譜分析是為了確認(rèn)所探測(cè)區(qū)域即為對(duì)應(yīng)礦物，下同。

表3 圖5能譜分析
Table 3 Spectrum analysis of Fig.5%

元素圖5(a)方框處質(zhì)量百分比原子百分比圖5(b)方框處質(zhì)量百分比原子百分比圖5(c)方框處質(zhì)量百分比原子百分比圖5(d)方框處質(zhì)量百分比原子百分比C,K14.5027.3716.6530.3614.0028.5713.3823.43O,K35.2649.9434.5447.2730.0346.0244.7958.90Fe,K42.7317.3439.8415.6253.5423.5136.3813.71Mg,K1.501.401.871.680.880.891.341.16Al,K1.361.142.612.121.080.85Si,K0.750.612.171.690.220.191.621.21Ca,K3.892.202.311.261.340.821.410.74

同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)后的裂隙面原生礦物晶體的間隙中，還出現(xiàn)了新的衍生礦物或沉淀物的充填或覆蓋現(xiàn)象。如圖8、表6所示，方案1實(shí)驗(yàn)后在裂隙面原生菱鐵礦和石英礦物晶體表面及間隙中發(fā)現(xiàn)了新的衍生礦物的存在，根據(jù)X射線能譜分析探測(cè)其元素構(gòu)成的分析結(jié)果，可推斷其為衍生高嶺石礦物(衍生高嶺石礦物形態(tài)不如原生的規(guī)則);同時(shí)，在原生高嶺石礦物表面發(fā)現(xiàn)含鐵物質(zhì)的存在，因其形態(tài)并非像菱鐵礦那樣呈規(guī)則六面體狀，故推斷其為新生成物質(zhì)，根據(jù)能譜分析結(jié)果，應(yīng)為鐵的氧化物(如鐵銹)。而圖9，表7所示的方案2實(shí)驗(yàn)后的裂隙面也出現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，在原生伊利石或伊/蒙間層礦物晶體表面及間隙中發(fā)現(xiàn)了充填的衍生高嶺石礦物，在原生片狀高嶺石礦物晶體表面發(fā)現(xiàn)覆蓋有含鐵沉淀物。

圖6 裂隙面綠泥石礦物在實(shí)驗(yàn)前后的微觀結(jié)構(gòu)變化Fig.6 Micromorphology change of Chlorite crystal on the fracture face before and after the experiment

圖7 裂隙面伊利石或伊/蒙間層礦物在實(shí)驗(yàn)前后的微觀結(jié)構(gòu)變化Fig.7 Micromorphology change of Illite and Illite/Smectite mixture layer on the fracture face before and after the experiment

表4 圖6能譜分析
Table 4 Spectrum analysis of Fig.6%

元素圖6(a)方框處質(zhì)量百分比原子百分比圖6(b)方框處質(zhì)量百分比原子百分比圖6(c)方框處質(zhì)量百分比原子百分比C,K9.5115.047.8912.679.1214.83O,K50.2559.6449.4159.5547.5958.08Al,K15.2510.7316.9012.0714.5510.53Si,K17.7512.0019.9413.6918.0512.55K,K0.830.40Fe,K6.402.185.862.029.453.30Mg,K0.320.72

表5 圖7能譜分析
Table 5 Spectrum analysis of Fig.7%

元素圖7(a)方框處質(zhì)量百分比原子百分比圖7(b)方框處質(zhì)量百分比原子百分比圖7(c)方框處質(zhì)量百分比原子百分比C,K11.6418.189.0314.648.5513.84O,K45.0952.8842.7752.0646.2956.27Na,K0.851.33Al,K18.2912.7219.4914.0714.5710.50Si,K22.4815.0225.2917.5321.8715.15K,K2.501.203.431.713.851.91

圖8 方案1實(shí)驗(yàn)后裂隙面原生礦物晶體間隙充填的新的衍生物或沉淀物Fig.8 Derivative and precipitate filling in the space between primary mineral on fracture face after the experiment of project No.1

表6 圖8能譜分析
Table 6 Spectrum analysis of Fig.8%

元素圖8(a)方框處(高嶺石)質(zhì)量百分比原子百分比圖8(b)方框1處(原生石英晶體SiO2)質(zhì)量百分比原子百分比圖8(b)方框2處(衍生高嶺石礦物)質(zhì)量百分比原子百分比圖8(c)方框1處(原生高嶺石礦物)質(zhì)量百分比原子百分比圖8(c)方框2處(含鐵沉淀物)質(zhì)量百分比原子百分比C,K13.9621.7710.9917.829.8115.3714.2820.819.0116.21O,K41.5248.6138.8848.3446.8555.1053.9058.9940.3254.44Al,K18.7213.002.440.7618.1212.6414.479.399.747.80Si,K24.0416.0347.6933.0825.2216.9017.3510.8210.147.11Fe,K1.750.5929.7014.45

表7 圖9能譜分析
Table 7 Spectrum analysis of Fig.9%

元素圖9(a)方框1處(原生伊利石或伊/蒙間層)重量百分比原子百分比圖9(a)方框2處(衍生高嶺石礦物)質(zhì)量百分比原子百分比圖9(b)方框1處(原生高嶺石礦物)質(zhì)量百分比原子百分比圖9(b)方框2處(含鐵沉淀物)質(zhì)量百分比原子百分比C,K8.5613.248.1513.2810.1416.1413.8127.11O,K53.8362.5046.1256.4647.2356.4233.1648.88Al,K14.079.6812.2810.8314.5610.991.221.07Si,K18.1812.0325.8018.0019.9315.571.341.13K,K3.712.153.470.744.630.26Fe,K1.960.691.810.6247.0119.85Mg,K0.711.03Mn,K2.170.93

2.2.2裂隙面礦物成分含量變化

為了進(jìn)一步探究裂隙面礦物成分的變化，采用X衍射測(cè)試方法對(duì)兩方案對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)前后裂隙面的礦物成分及其含量進(jìn)行了測(cè)定，表1所示的測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了上述礦物微觀結(jié)構(gòu)變化的現(xiàn)象?？梢?，兩方案對(duì)應(yīng)裂隙面各類礦物成分含量的占比均發(fā)生了顯著的變化;若以化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定的石英礦物(SiO2)的含量為基數(shù)，則實(shí)驗(yàn)前、實(shí)驗(yàn)后方案1、實(shí)驗(yàn)后方案2對(duì)應(yīng)裂隙面3類礦物(石英∶菱鐵礦∶黏土礦物)的組分比分別為1∶1.79∶0.66,1∶0.41∶0.55以及1∶1.7∶0.63;表明方案1裂隙面的菱鐵礦含量急劇減小，黏土礦物含量小幅降低;而方案2裂隙面菱鐵礦及黏土礦物的含量降幅相對(duì)較小。而若單純考量黏土礦物成分，兩方案裂隙面黏土礦物中各類組分的占比也發(fā)生了變化，具體表現(xiàn)為綠泥石的消失、伊/蒙間層或伊利石含量的降低、以及高嶺石含量的增高;類似地，方案1對(duì)應(yīng)這種變化程度較方案2更為顯著。

由此可見，根據(jù)前述掃描電鏡的微觀測(cè)試結(jié)果，X衍射測(cè)試得到的菱鐵礦、綠泥石、以及伊利石或伊/蒙間層等礦物含量的減少，主要是由于這些礦物受水-CO2-巖相互作用而發(fā)生的溶解、溶蝕過程造成的，而高嶺石礦物含量的增加以及裂隙面出現(xiàn)的鐵銹質(zhì)成分，主要是由于上述礦物溶解、溶蝕過程中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)、生成了新的物質(zhì)所造成的。

所以，根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果有理由相信，裂隙巖石試件在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的水滲透率下降的自修復(fù)現(xiàn)象，與此過程中發(fā)生的上述礦物的溶解、溶蝕與新物質(zhì)的生成密切相關(guān)。

2.3 水溶液化學(xué)成分變化

2.4 討 論

(1)無論是在酸性水溶液還是堿性水溶液條件下，砂質(zhì)泥巖含裂隙巖石試件在長期水-CO2-巖相互作用過程中均呈現(xiàn)出了水滲流能力逐步降低的自修復(fù)現(xiàn)象，這與引言中所述相關(guān)研究學(xué)者在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)的采后地下水位回升、采動(dòng)破壞巖體含水率下降等現(xiàn)象相符，體現(xiàn)了采動(dòng)導(dǎo)水裂隙自修復(fù)效應(yīng)的客觀存在。

(2)實(shí)驗(yàn)過程中巖樣絕對(duì)滲透率呈現(xiàn)出“先快后慢”的分區(qū)下降特征;這與水-CO2-巖相互作用過程中黏土礦物遇水膨脹的物理作用、以及新的衍生礦物或沉淀物生成的化學(xué)作用密切相關(guān)?？紤]到黏土礦物的遇水膨脹作用過程相比新物質(zhì)化學(xué)生成的進(jìn)程明顯偏快，因而可推斷前期階段水滲透率的快速下降現(xiàn)象主要是由伊/蒙間層等黏土礦物遇水膨脹引起的裂隙空間減少造成的;而隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的累積，巖石中一些礦物受溶解、溶蝕作用形成的離子與水溶液中的離子發(fā)生離子交換化學(xué)反應(yīng)，從而引起高嶺石衍生礦物或Fe(OH)3,Fe2O3等含鐵沉淀物的生成;這些新的物質(zhì)在裂隙面逐漸堆積充填，最終引起裂隙導(dǎo)水能力的降低。由于堿性條件下黏土礦物中鋁氧八面體的Al-O-H鍵更易電離出H+并造成其表面負(fù)電荷增加，會(huì)使得晶層間斥力增大、促使黏土礦物更易水化膨脹或分散[21]，所以在方案2堿性水溶液條件下，前期階段絕對(duì)滲透率的下降速度要明顯高于方案1酸性條件下。

(3)水溶液的酸堿度會(huì)直接影響裂隙巖體的自修復(fù)效果，這與不同酸堿度條件下巖石黏土礦物遇水膨脹量以及生成的衍生礦物或沉淀物的量都有緊密關(guān)系。從本文開展的砂質(zhì)泥巖的水-CO2-巖相互作用而言，酸性水溶液條件更有利于裂隙巖體的自修復(fù)，且自修復(fù)后期不易出現(xiàn)水滲流能力的“反彈”現(xiàn)象。

(4)方案2堿性水溶液條件下，實(shí)驗(yàn)后期出現(xiàn)的巖樣絕對(duì)滲透率的“反彈”現(xiàn)象應(yīng)該是裂隙面巖石礦物受溶解、溶蝕作用導(dǎo)致裂隙開度變大造成的。隨著水溶液對(duì)裂隙面礦物的溶解、溶蝕，裂隙面粗糙度會(huì)逐漸降低[22]，這將不利于衍生礦物或沉淀物在裂隙通道中的附著或充填。同時(shí)，由于本實(shí)驗(yàn)中未能對(duì)巖石試件實(shí)現(xiàn)加載，使得開度增大的裂隙不能進(jìn)一步貼合，從而造成滲透率的增大。這雖與采動(dòng)巖體處于應(yīng)力約束的實(shí)際條件不符，但這并不會(huì)影響本實(shí)驗(yàn)對(duì)裂隙巖體自修復(fù)機(jī)理的驗(yàn)證分析。

(5)CO2通入量增加會(huì)對(duì)酸性水條件下砂質(zhì)泥巖裂隙巖體的自修復(fù)效果產(chǎn)生負(fù)面影響(對(duì)于其他巖性巖石是否有影響尚待研究)，這可能與CO2參與化學(xué)反應(yīng)的過程及其礦物成分有關(guān)。CO2易與巖石中的原生鋁硅酸巖(如長石)發(fā)生這樣的反應(yīng)[17]:原生鋁硅酸巖+H2O+CO2黏土礦物+石英+碳酸鹽+OH-。由于本實(shí)驗(yàn)所用砂質(zhì)泥巖中僅有一些黏土礦物含有鋁硅酸鹽，鋁硅酸鹽含量較小，加大的CO2量無法充分反應(yīng)，而易以碳酸的形式對(duì)裂隙面礦物產(chǎn)生溶蝕作用，從而增大裂隙開度，提高水滲流能力，最終對(duì)裂隙巖石自修復(fù)進(jìn)程產(chǎn)生阻滯作用。

3 結(jié) 論

(1)開展了砂質(zhì)泥巖裂隙巖樣分別在酸性和堿性水溶液條件下的水-CO2-巖相互作用實(shí)驗(yàn)(為期近8個(gè)月)，獲得了裂隙巖樣實(shí)驗(yàn)過程中水滲流能力逐步降低的現(xiàn)象和規(guī)律，驗(yàn)證了現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐與實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)的采動(dòng)破壞巖體裂隙自修復(fù)的現(xiàn)象。

(2)利用X衍射和掃描電鏡測(cè)試手段，對(duì)裂隙巖樣的自修復(fù)過程進(jìn)行了合理解釋。裂隙巖樣的自修復(fù)與水-CO2-巖相互作用過程中發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)密切相關(guān);其中包括黏土礦物遇水膨脹的物理反應(yīng)對(duì)裂隙空間的壓縮，以及礦物溶解、溶蝕后與水溶液離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的衍生礦物或沉淀物對(duì)裂隙的充填封堵。堿性水條件更利于黏土礦物的遇水膨脹，而酸性水條件則更利于衍生礦物或沉淀物的生成?？傮w而言，酸性水溶液條件更有利于裂隙巖體的自修復(fù)。

(3)初步發(fā)現(xiàn)加大CO2通入量會(huì)對(duì)酸性水溶液條件下砂質(zhì)泥巖裂隙巖體的自修復(fù)效果產(chǎn)生負(fù)面影響。這可能是由于砂質(zhì)泥巖中鋁硅酸鹽含量較小，導(dǎo)致多余的CO2無法充分反應(yīng)，而易以碳酸的形式對(duì)裂隙面產(chǎn)生溶蝕作用，造成水滲透性的增高。

(4)本文的研究僅是選取砂質(zhì)泥巖樣品開展的水-CO2-巖相互作用實(shí)驗(yàn)，且尚未實(shí)現(xiàn)圍壓條件下的水滲透率測(cè)試。顯然，當(dāng)巖樣巖性、水溶液成分、圍壓大小等因素改變時(shí)，相應(yīng)裂隙巖樣的自修復(fù)規(guī)律也會(huì)發(fā)生變化，但其自修復(fù)機(jī)理和過程應(yīng)該是類似的。限于篇幅，本文未能一一詳述，后期將另撰他文開展更深入的研究。