采煤地裂縫MICP 修復規(guī)律及影響因素實驗研究

李 濤，高 穎，閆敬旺，張嘉睿，寇規(guī)規(guī)，馬騰飛，梅奧然

(1.六盤水師范學院 礦業(yè)與機械工程學院，貴州 六盤水 553004；2.西安科技大學 地質與環(huán)境學院，陜西西安 710065；3.貴州大學 資源與環(huán)境工程學院，貴州 貴陽 550025；4.陜煤集團神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719300)

煤炭開采使地面產生大量地裂縫，采煤產生的地裂縫是淺表水進入礦井的重要通道。在煤層埋深較淺的黃土覆蓋地區(qū)更為突出。陜北是典型的黃土覆蓋區(qū)，7-9 月的降雨量約占全年的70%。大范圍的降雨通過采煤地裂縫進入礦井，導致礦井發(fā)生水害[1-4]。黃土覆蓋區(qū)煤礦防治水害的關鍵之一，就是提升采煤地裂縫的水理特性。此外，采煤造成的地裂縫破壞了黃土的穩(wěn)定性，造成地質災害多發(fā)，水土流失加重。黃土覆蓋礦區(qū)地質環(huán)境治理的關鍵之一，就是提升采煤地裂縫的力學特性。綜上，采煤誘發(fā)黃土裂縫的修復意義重大，修復關鍵在于黃土力學和水理參數(shù)的改良。

關于采煤地裂縫修復的研究較為豐富，總體可以分為以下3 個方面。

第一，自修復。關于采煤地裂縫自修復目前認為有2 方面的機理。一方面，多個學科綜合研究認為隨著采煤工作面推進部分采煤地裂縫會在采礦附加應力下閉合[5-6]。閉合后采煤地裂縫跨度變小，此時對地裂縫周圍土壤含水率影響有限[7]，達到了保水自修復效果；另一方面，李文平[8]、黃慶享[9]、劉瑜[10]等研究發(fā)現(xiàn)當?shù)乇頌辄S(紅)土時，由于其含有豐富的膨脹性黏土礦物，可在吸水后膨脹，修復采煤地裂縫。

第二，機械修復。煤礦目前主流的處理措施是采用機械化設備對表土進行土工作業(yè)填埋。這類修復技術也可分為3 方面。第一方面，針對地勢起伏的區(qū)域，結合地形地貌特征進行坡體微地形修復，武強團隊在這方面取得了突出的成果[11]；第二方面，在地勢較為平緩的區(qū)域，適合大規(guī)模機械化統(tǒng)一修復，胡振琪團隊在表土復墾過程中適量加入腐殖質、河泥等對于生態(tài)復綠有益的物質，實現(xiàn)了聯(lián)合植被修復[12]。第三方面，在溝谷地貌處，侯恩科團隊提出了“襯墊層+防滲層+頂封層”機械充填修復地裂縫方法[13]。

第三，固化修復。關于采煤地裂縫固化修復的研究大致可以分為化學材料固化修復和植物固化修復2 方面。一方面，有學者研發(fā)了超高水固化材料，這類材料由于較強的操作性而受到工程師青睞[14]；另一方面，畢銀麗團隊基于微生物技術實現(xiàn)了采煤塌陷區(qū)植被的高效修復[15]。

綜上，采煤地裂縫修復技術呈現(xiàn)多元化發(fā)展，并在不同采礦地質條件下取得了較好的效果，但如何精準、綠色、高效修復仍面臨挑戰(zhàn)。微生物誘導碳酸鈣(CaCO3)沉淀技術(microbial induced carbonate precipitation，MICP)通過土著微生物代謝形成方解石等礦物膠結材料，對松散體和裂縫體進行修復。MICP 過程中無有毒有害添加劑，并可促進植被生長。相比較水泥、高分子等化學反應膠凝技術，MICP 技術更加綠色環(huán)保，在采煤地裂縫綠色修復方面值得探索。

關于MICP 技術的研究，國內外已有豐富的研究成果。1973 年，E.Boquet 等[16]首次發(fā)現(xiàn)自然界中微生物誘導CaCO3沉淀(MICP)現(xiàn)象。此后，國外開展了大量MICP 研究，室內實驗研究主要集中在影響MICP 效率的因素分析，主要包括菌種類型、菌液濃度、pH 環(huán)境、鈣源、制樣方法、溫度等。原位研究則主要集中在地基處理、沙漠治理、松散體加固等方面[17-19]。21 世紀以來，我國開始進行相關科學研究[20-25]。國內研究在揭示MICP 規(guī)律及機理的基礎上，目前主要集中在地基處理、古建筑修復、風化巖體加固、沙漠固沙、鉆探固井等方面[26-30]，在礦業(yè)領域的研究和應用少見報道。相比較，其他微生物礦化研究主要針對單一松散體的礦化，采煤誘發(fā)的充填型裂縫土體的固化修復研究有其獨有特色。

筆者以陜北神南礦區(qū)檸條塔煤礦為研究背景，基于采煤地裂縫特征觀測結果，制作裂縫黃土樣品，開展MICP 修復裂縫黃土樣品力學和水理實驗，揭示不同采煤裂縫修復規(guī)律，分析MICP 修復采煤地裂縫的影響因素，旨在為黃土覆蓋區(qū)采煤誘發(fā)黃土裂縫MICP綠色修復提供實驗參考。

1 研究區(qū)和地質條件

1.1 研究區(qū)范圍

本次研究區(qū)域位于陜北榆神府礦區(qū)檸條塔煤礦(圖1)，檸條塔煤礦以考考烏素溝為界分為南北兩翼，北翼屬黃土地貌，南翼屬風沙灘地貌。目前，檸條塔煤礦北翼已經(jīng)回采20 余個工作面，煤炭高強度開采與生態(tài)環(huán)境保護、水害防治矛盾已十分突出。因此，以檸條塔煤礦北翼典型工作面為具體的研究區(qū)(圖1a)，開展地裂縫觀測及MICP 修復實驗研究。

圖1 研究區(qū)位置及典型地裂縫Fig.1 Location of the study area and typical ground fissures

1.2 地質條件

檸條塔煤礦北翼首采煤層為1-2煤，采高平均1.7 m，1-2煤上覆地層由下向上依次為侏羅系延安組(煤系)、直羅組(風化地層)、安定組(大部分缺失地層)、新近系保德組和第四系離石組(保德組和離石組均為黃土層)，本次研究的對象為淺表的離石組黃土。

本研究區(qū)最典型的特點是：(1) 地表覆蓋很厚的黃土層(保德組和離石組總厚集中在50～160 m)。(2) 煤層埋深較淺，正在開采的1-2煤埋深在120～180 m。(3) 無顯著的地質構造。依據(jù)鉆孔揭露及巖石力學實驗可得研究區(qū)典型剖面的地層及其力學特征見表1。

表1 研究區(qū)典型地層參數(shù)Table 1 Typical stratigraphic parameters in the study area

2 研究區(qū)采煤地裂縫特征

2.1 觀測工作面概況

研究區(qū)檸條塔煤礦北翼工作面開采1-2煤層平均厚度1.7 m(表1)。煤層傾角1°左右，埋深53～109 m，地表松散層平均厚度70 m，基巖平均厚度40 m，地質構造簡單。

2.2 觀測對象及方法

1) 觀測方式

選取觀測工作面的中間500 m 寬度范圍為觀測區(qū)(圖1a)。主要開展兩方面的觀測工作：

(1) 采煤完成后地裂縫特征觀測。觀測內容包括區(qū)內所有采煤地裂縫的寬度和充填物。寬度主要采用量尺進行測量。地裂縫的充填物則進行取樣、測試成分并稱重，計算密度。

(2) 采煤過程中地裂縫特征觀測。特別對研究區(qū)的2 條采煤地裂縫(邊界裂縫和內部裂縫各選1 條，即圖1a 中F1和F2裂縫)進行采煤過程中的動態(tài)變化觀測。

2) 煤礦井下周期來壓觀測

隨著煤炭開采，對采煤工作面的中段液壓支架荷載進行觀測，液壓支架荷載有效峰值點即為周期來壓點。

2.3 觀測結果及分析

2.3.1 采煤地裂縫

采動穩(wěn)定后觀測到的采煤地裂縫空間分布如圖1所示。圖1 可以看出采煤地裂縫在空間上可以分為2 個類型，即邊界裂縫類型(圖1a 和圖1b)和內部裂縫類型(圖1a 和圖1b)。內部裂縫近乎垂直于煤炭開采方向(圖1a 中綠色裂縫)；邊界裂縫近乎平行于采煤工作面邊緣(圖1a 中藍色裂縫)，2 種類型地裂縫的幾何和充填特征見表2，與已有的研究結果相符合[13]。

表2 研究區(qū)兩類地裂縫特征Table 2 Characteristics of two types of ground fissures in the study area

兩類地裂縫各選擇1 條(F1內部裂縫和F2邊界裂縫)進行動態(tài)觀測，結果如圖2 所示。由圖2 可以看出：(1) 邊界地裂縫動態(tài)發(fā)育過程可分為2 個階段，即快速增大階段和穩(wěn)定階段。第1 階段(快速增大階段)：自采煤超前裂縫25 m 處開始至采煤推過裂縫5 m 處結束，地裂縫寬度由0 m 持續(xù)增大至0.31 m；第2 階段(穩(wěn)定階段)：自采煤推過裂縫5 m 開始至采煤推過裂縫20 m 結束，地裂縫寬度保持0.31 m 穩(wěn)定。(2) 內部地裂縫動態(tài)發(fā)育過程分為3 個階段，即快速增大階段、快速閉合階段和穩(wěn)定階段。第1 階段(快速增大階段)：自采煤超前裂縫10 m 處開始至采煤到裂縫處結束，地裂縫寬度由0 m 快速變大至0.31 m；第2 階段(快速閉合階段)：自采煤推過裂縫0 m 處開始至采煤推過裂縫10 m 處結束，地裂縫寬度由0.31 m 快速減小至0.14 m；第3 階段(穩(wěn)定階段)：自采煤推過裂縫10 m 處開始至采煤推過裂縫20 m 處結束，地裂縫寬度穩(wěn)定在0.11～0.14 m。

圖2 采煤地裂縫寬度動態(tài)曲線Fig.2 Dynamic curves of mining ground fissures width

2.3.2 煤礦井下周期來壓

液壓支架荷載隨著采煤工作面推進距離的動態(tài)變化結果如圖3 所示。圖3 可以看出井下周期來壓步距為8.6～12.2 m，平均值為10.8 m。

圖3 采煤推進過程中液壓支架荷載動態(tài)曲線Fig.3 Dynamic variation of hydraulic support load with advance distances

2.3.3 結果綜合分析

研究區(qū)采煤地裂縫可以分為采煤工作面內部地裂縫和邊界地裂縫。綜合圖2 和圖3 分析：內部地裂縫與采礦周期壓力有很好的相關性，這類地裂縫約超前1 個周期來壓開始快速張開(0～0.31 m)，推過約1 個周期來壓后快速閉合(0.31～0.14 m)，之后穩(wěn)定在0.14 m；邊界地裂縫在約3 個周期來壓內張開(0～0.31 m)，然后在第4 個周期來壓時進入穩(wěn)定期(0.31 m)。

內部地裂縫初期短時間張開(約1 個周期)，因此這類地裂縫無充填物。張開后受到采礦附加應力作用，裂縫開始閉合，因此穩(wěn)定后裂縫尺寸較小(平均寬度0.14 m)。依據(jù)其他專家研究成果[8]，認為研究區(qū)穩(wěn)定后附加應力約為0.15 MPa。

邊界地裂縫在周期來壓作用下持續(xù)變大，因此這類地裂縫中存在風積沙充填物。張開后始終處于卸載狀態(tài)，因此邊界裂縫寬度為內部裂縫寬度的2.4 倍。此外，根據(jù)已有研究認為，邊界裂縫深度為內部裂縫深度的3.0 倍[13]。

3 MICP 修復黃土地裂縫實驗研究

3.1 實驗樣品制備及實驗方法

3.1.1 菌種和膠結液制備

目前，MICP 過程的主流研究思路是通過尿素水解獲取碳酸根，而這一過程中常用的菌種為芽孢桿菌屬，特別是巴氏芽孢桿菌的研究最多[20-25]。本次研究區(qū)域淺部土壤溫度對巴氏芽孢桿菌存在一定的制約性，已有的研究認為，溫度由25℃下降到10℃時，巴氏芽孢桿菌加固試樣強度下降67.22%[31]。孫瀟昊等[32]研究發(fā)現(xiàn)巨大芽孢桿菌可以適應更低的溫度，且通過低溫馴化可以更進一步提升固化效果。因此，本次實驗選用的菌種為巨大芽孢桿菌(Bacillus Megaterium de Bary)，來自中國普通微生物菌種保藏管理中心(China General Microbiological Culture Collection Center)。巨大芽孢桿菌活化后進行擴大培養(yǎng)，用于后續(xù)的修復實驗。為適應當?shù)氐膶嶒灜h(huán)境，對菌種進行了3 次接種(即低溫馴化)，接種后測定微生物OD600 生長曲線(即紫外分光光度計測定的600 nm 波長處的吸光值，用來表征菌液濃度)[22]，如圖4 所示。測試結果顯示隨著培養(yǎng)代數(shù)的增加，微生物能夠更好地適應當?shù)氐沫h(huán)境，有更好的生長曲線。因此，選用第3 代菌種配制的菌液作為實驗菌液，進行后續(xù)MICP 修復實驗。

圖4 不同代數(shù)下微生物OD600 曲線Fig.4 Curves of microorganism OD600 under different algebra

膠結溶液為MICP 過程提供氮源與鈣源，本次研究選用的氮源和鈣源為目前MICP 研究主流的氮源和鈣源，即尿素和CaCl2各0.25 mol/L 配制而成[25]。

3.1.2 土樣制備及實驗方法

采煤地裂縫修復的目的包括2 個方面：一方面是為了提升破碎土體的強度，進而減少淺表土體失穩(wěn)和生態(tài)退化問題；另一方面是為了減少地表水、地下水等大量滲入礦井，進而控制礦井涌水量和突水潰沙問題。因此，本次修復實驗效果用裂縫土體強度和抗?jié)B性的改良值來表征。裂縫土體強度和滲透性均受圍巖應力條件控制，結合采煤地裂縫類型，本次實驗強度測試分為無側限抗壓實驗(邊界地裂縫)和三軸抗壓實驗(內部地裂縫)2 種。滲透性測試分為變水頭滲透實驗(邊界地裂縫)和三軸滲透實驗(內部地裂縫)2 種。

基于第2 章揭示的采煤地裂縫的幾何、充填和應力特征，本次實驗樣品邊界裂縫取內部裂縫深度的3 倍，寬度的2 倍(這里結合樣品尺寸效應，將2.4 倍調整到2 倍)。充填密度取實測值，即邊界裂縫樣品取1.51 g/cm3，內部裂縫樣品取1.54～1.57 g/cm3。邊界裂縫樣品無圍壓施加，內部裂縫樣品施加圍壓0.15 MPa。以裂縫充填物、修復液(菌液、膠結液)為變量，進行正交實驗，具體的正交實驗參數(shù)見表3。

表3 實驗裂縫土樣制備參數(shù)Table 3 Parameters of experimental crack soil samples

相關的樣品制作過程如圖5 所示：土樣開縫—充填物充填—菌液+膠結液注入修復。表3 中，1 組-8組樣品以修復液為變量，進行邊界裂縫黃土修復正交實驗；9 組-16 組樣品以修復液為變量，進行內部裂縫黃土修復正交實驗；17 組-24 組樣品以充填物為變量，開展內部裂縫黃土修復正交實驗；25 組-28 組樣品在最優(yōu)充填物條件下，進行未修復樣品測試。每種類型制作3 個平行樣品，測量結果取平均值。所有樣品固化24 h 后進行測試(對1 組-4 組樣品進行6、12、18、24 和30 h 的無側限抗壓強度測試，結果如圖6 所示。24 h 前強度持續(xù)增長，之后強度趨于平穩(wěn)，因此選擇24 h 為1 組-28 組樣品養(yǎng)護時間)。

圖6 隨修復時間變化邊界裂縫黃土的力學修復效果變化曲線Fig.6 Repair results of boundary fissure loess with different repair times

3.2 邊界裂縫MICP 修復實驗結果

以菌液與膠結液構成比例為變量的邊界裂縫型黃土樣品修復正交實驗(1 組-8 組與27 組-28 組)的結果如圖7 所示，可以看出以下幾點：

圖7 菌液與膠結液比例對邊界裂縫型黃土MICP 修復的影響Fig.7 Effect of the ratio of bacterial solution to cementition solution on MICP repair of boundary fractured loess

(1) 隨著菌液與膠結液比例的降低，修復后的樣品無側限抗壓強度先變大后變小，而滲透系數(shù)先變小后變大，均以菌液∶膠結液=1.2∶1.0 為拐點。

(2) 菌液∶膠結液=1.2∶1.0 時，修復樣品的無側限抗壓強度最大，且滲透系數(shù)最小。此時，MICP 修復內部裂縫效果最佳。相比較對比組(未修復)，修復樣品的無側限抗壓強度提高了112.84%，滲透系數(shù)下降了71.88%。

3.3 內部裂縫MICP 修復實驗結果

3.3.1 修復液的影響

以菌液與膠結液構成比例為變量的內部裂縫型黃土樣品修復正交實驗(9 組-16 組與25 組-26 組)的結果如圖8 所示，可以看出以下幾點：

圖8 菌液與膠結液比例對內部裂縫型黃土MICP 修復的影響Fig.8 Effect of the ratio of bacterial solution to cementition solution on MICP repair of internally fractured loess

(1) 隨著菌液與膠結液比例的降低，修復后樣品的三軸抗壓強度先變大后變小，滲透系數(shù)先變小后變大。相比較邊界裂縫型黃土最佳修復液的比例(1.2∶1.0)，內部裂縫型黃土最佳修復液比例為(1∶1)，菌液的構成更少。

(2) 菌液∶膠結液=1∶1 時，樣品的三軸抗壓強度最大，且滲透系數(shù)最小。此時，MICP 修復內部裂縫效果最佳。相比較對比組(未修復)，修復樣品的三軸抗壓強度提高了94.70%，滲透系數(shù)下降了85.68%。

3.3.2 充填物的影響

以充填物中沙土構成比例為變量的內部裂縫型黃土修復正交實驗(17 組-24 組)的結果如圖9 所示，可以看出以下幾點：

圖9 充填物比例對內部裂縫黃土MICP 修復的影響Fig.9 Effect of filling ratio on MICP restoration of internally fractured loess

(1) 隨著充填物中風積沙含量的增加，修復后樣品的三軸抗壓強度先變大后變小。而三軸滲透系數(shù)則隨著風積沙含量的提升持續(xù)變大。

(2) 風積沙∶黃土為1∶1 和1.5∶1.0 時，樣品的三軸抗壓強度均較大，且差距非常小，但1∶1 時的滲透系數(shù)明顯小于1.5∶1.0 時的結果。因此，風積沙∶黃土=1∶1 時，物理力學和水理特性可以兼顧，最適合內部裂縫黃土的修復。

3.4 結果綜合分析

3.4.1 不同類型裂縫黃土的最佳修復液對比

對比圖7 和圖8 可以看出，不同裂縫類型的最佳修復液比例不同。機理分析如下：邊界裂縫由于開度較內部裂縫更大，因此修復液的擴散范圍更大。已有的研究認為，微生物固化常見的問題就是漿液擴散不均勻，繼而導致后續(xù)的CaCO3產率下降[27]。對同一修復時間(24 h)，同一修復液(菌液∶膠結液為1∶1)，同一注入量(30 mL)，同一充填物(風積沙∶黃土=1∶1)，不同裂縫開度(0.4 和0.2 cm)和不同圍壓(0 和0.15 MPa)條件下2 組試樣CaCO3產量進行了測試。結果顯示邊界裂縫黃土中CaCO3產量較內部裂縫黃土中CaCO3產量大31.2%。因此，內部裂縫較邊界裂縫的最佳修復液需要更多的膠結液比例。即邊界裂縫黃土最佳修復液構成比例為菌液∶膠結液=1.2∶1.0，而內部裂縫黃土最佳修復液構成比例為菌液∶膠結液=1∶1。

3.4.2 充填物對裂縫黃土修復效果

內部裂縫型黃土的充填物對修復效果的影響是復雜的，從充填物物理特性和充填物pH 環(huán)境2 個方面分析如下。

一方面是充填物本身特征導致的修復體的差異。風積沙可以起到骨架作用，微生物誘導產生的方解石起到膠結作用(圖10)，所以隨著風積沙充填量的提升，圖9 所顯示的修復體的強度整體增加(除沙土比2∶1時受其他因素影響略有降低)。另外，黃土相比風積沙含有更多的膨脹性礦物，所以隨著風積沙充填量的提升，圖9 所顯示的修復體的滲透系數(shù)整體增加。

圖10 MICP 修復充填物的SEM 圖像Fig.10 SEM images of MICP restorative fillings

另一方面是充填物的pH 環(huán)境導致微生物礦化效率差異[18]。對不同充填物與修復液混合后的滲濾液進行了pH 測量，測定結果如圖11 所示。風積沙與黃土充填比例為1∶1 和1.5∶1.0 時，充填物與修復液的pH 為9.2～9.7，是本次實驗微生物工作活性較好的區(qū)間，此時CaCO3產率為86%～88%。已有研究認為CaCO3產率的提升可有效提升修復體強度[28]，因此圖9 顯示出這類充填物構成比例(沙土比1∶1 和1.5∶1.0)條件下修復體的強度為最大區(qū)間。

圖11 pH 和CaCO3 產率隨充填物變化曲線Fig.11 Variation curves of pH value and CaCO3 yield with filling

綜上，充填物對MICP 修復效果的影響表現(xiàn)為充填物本身物理特性和充填物pH 環(huán)境2 個方面。其中，充填物本身物理特性為關鍵影響因素，充填物pH 環(huán)境是次關鍵影響因素。

3.5 采煤地裂縫修復工程應用展望

黃土覆蓋區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，采煤誘發(fā)土體裂縫修復的主要目標包括兩方面。一方面是改善裂縫土體的物理力學和水理性能，另一方面是修復材料不影響淺表植被復綠。

本次研究成果得到的MICP 材料配比可有效改善各類采煤裂縫土體物理特性，為采煤塌陷區(qū)治理提供了水土保持基礎。此外，已經(jīng)大規(guī)模應用于農業(yè)領域的巨大芽孢桿菌被證明可釋放土體中磷肥和鉀肥，MICP 過程殘余氮肥[32]，并且已有研究認為，MICP 技術可提升土體持水性[31]。綜上，本次研究的微生物修復材料為植被生長提供了必需的氮磷鉀肥和水分，在礦山塌陷區(qū)生態(tài)修復工程中有廣泛的應用前景。

4 結論

a.研究區(qū)采煤地裂縫可分為邊界地裂縫和內部地裂縫2 種類型。內部地裂縫是采煤周期來壓作用下的產物，一般無充填物。邊界地裂縫處于卸載狀態(tài)，充填物為風積沙，裂縫深度約為內部裂縫的3.0 倍，寬度約為內部裂縫的2.4 倍。

b.當菌液∶膠結液=1.2∶1.0 時，MICP 修復邊界裂縫的效果最好。相比較對比組(未修復)，無側限抗壓強度提高了112.84%，滲透系數(shù)下降了71.88%。當菌液∶膠結液=1∶1 時，MICP 修復內部裂縫的效果最好。相比較對比組(未修復)，三軸抗壓強度提高了94.70%，三軸滲透系數(shù)下降了85.68%。

c.在裂縫充填物配比方面，綜合考慮充填物特性和pH 環(huán)境，以沙土比1∶1 充填時，MICP 修復后物理力學和水理特性可以兼顧，最適合內部裂縫黃土的修復。在最佳修復液配比方面，邊界裂縫較內部裂縫開度更大，漿液的擴散范圍更大，MICP 過程中CaCO3產率較內部裂縫更高。因此，相比較內部裂縫MICP 修復需要更多的膠結液比例。