采煤地裂縫MICP 修復(fù)規(guī)律及影響因素實(shí)驗(yàn)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(xué)院 礦業(yè)與機(jī)械工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004；2.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西西安 710065；3.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；4.陜煤集團(tuán)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(chǎn)生大量地裂縫，采煤產(chǎn)生的地裂縫是淺表水進(jìn)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(jìn)入礦井，導(dǎo)致礦井發(fā)生水害[1-4]。黃土覆蓋區(qū)煤礦防治水害的關(guān)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(zhì)災(zāi)害多發(fā)，水土流失加重。黃土覆蓋礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境治理的關(guān)鍵之一，就是提升采煤地裂縫的力學(xué)特性。綜上，采煤誘發(fā)黃土裂縫的修復(fù)意義重大，修復(fù)關(guān)鍵在于黃土力學(xué)和水理參數(shù)的改良。

關(guān)于采煤地裂縫修復(fù)的研究較為豐富，總體可以分為以下3 個(gè)方面。

第一，自修復(fù)。關(guān)于采煤地裂縫自修復(fù)目前認(rèn)為有2 方面的機(jī)理。一方面，多個(gè)學(xué)科綜合研究認(rèn)為隨著采煤工作面推進(jìn)部分采煤地裂縫會(huì)在采礦附加應(yīng)力下閉合[5-6]。閉合后采煤地裂縫跨度變小，此時(shí)對地裂縫周圍土壤含水率影響有限[7]，達(dá)到了保水自修復(fù)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(dāng)?shù)乇頌辄S(紅)土?xí)r，由于其含有豐富的膨脹性黏土礦物，可在吸水后膨脹，修復(fù)采煤地裂縫。

第二，機(jī)械修復(fù)。煤礦目前主流的處理措施是采用機(jī)械化設(shè)備對表土進(jìn)行土工作業(yè)填埋。這類修復(fù)技術(shù)也可分為3 方面。第一方面，針對地勢起伏的區(qū)域，結(jié)合地形地貌特征進(jìn)行坡體微地形修復(fù)，武強(qiáng)團(tuán)隊(duì)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(jī)械化統(tǒng)一修復(fù)，胡振琪團(tuán)隊(duì)在表土復(fù)墾過程中適量加入腐殖質(zhì)、河泥等對于生態(tài)復(fù)綠有益的物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合植被修復(fù)[12]。第三方面，在溝谷地貌處，侯恩科團(tuán)隊(duì)提出了“襯墊層+防滲層+頂封層”機(jī)械充填修復(fù)地裂縫方法[13]。

第三，固化修復(fù)。關(guān)于采煤地裂縫固化修復(fù)的研究大致可以分為化學(xué)材料固化修復(fù)和植物固化修復(fù)2 方面。一方面，有學(xué)者研發(fā)了超高水固化材料，這類材料由于較強(qiáng)的操作性而受到工程師青睞[14]；另一方面，畢銀麗團(tuán)隊(duì)基于微生物技術(shù)實(shí)現(xiàn)了采煤塌陷區(qū)植被的高效修復(fù)[15]。

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

關(guān)于MICP 技術(shù)的研究，國內(nèi)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(dǎo)CaCO3沉淀(MICP)現(xiàn)象。此后，國外開展了大量MICP 研究，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)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(jì)以來，我國開始進(jìn)行相關(guān)科學(xué)研究[20-25]。國內(nèi)研究在揭示MICP 規(guī)律及機(jī)理的基礎(chǔ)上，目前主要集中在地基處理、古建筑修復(fù)、風(fēng)化巖體加固、沙漠固沙、鉆探固井等方面[26-30]，在礦業(yè)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用少見報(bào)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(fù)研究有其獨(dú)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(jié)果，制作裂縫黃土樣品，開展MICP 修復(fù)裂縫黃土樣品力學(xué)和水理實(shí)驗(yàn)，揭示不同采煤裂縫修復(fù)規(guī)律，分析MICP 修復(fù)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(fù)提供實(shí)驗(yàn)參考。

1 研究區(qū)和地質(zhì)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(fēng)沙灘地貌。目前，檸條塔煤礦北翼已經(jīng)回采20 余個(gè)工作面，煤炭高強(qiáng)度開采與生態(tài)環(huán)境保護(hù)、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(fù)實(shí)驗(yàn)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(zhì)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(fēng)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(diǎn)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(zhì)構(gòu)造。依據(jù)鉆孔揭露及巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)可得研究區(qū)典型剖面的地層及其力學(xué)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(zhì)構(gòu)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(nèi)容包括區(qū)內(nèi)所有采煤地裂縫的寬度和充填物。寬度主要采用量尺進(jìn)行測量。地裂縫的充填物則進(jìn)行取樣、測試成分并稱重，計(jì)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(nèi)部裂縫各選1 條，即圖1a 中F1和F2裂縫)進(jìn)行采煤過程中的動(dòng)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(jìn)行觀測，液壓支架荷載有效峰值點(diǎn)即為周期來壓點(diǎn)。

2.3 觀測結(jié)果及分析

2.3.1 采煤地裂縫

采動(dòng)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(gè)類型，即邊界裂縫類型(圖1a 和圖1b)和內(nèi)部裂縫類型(圖1a 和圖1b)。內(nèi)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(lán)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(jié)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(nèi)部裂縫和F2邊界裂縫)進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測，結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可以看出：(1) 邊界地裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育過程可分為2 個(gè)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(jié)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(jié)束，地裂縫寬度保持0.31 m 穩(wěn)定。(2) 內(nèi)部地裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育過程分為3 個(gè)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(jié)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(jié)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(jié)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(dòng)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(jìn)距離的動(dòng)態(tài)變化結(jié)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(jìn)過程中液壓支架荷載動(dòng)態(tài)曲線Fig.3 Dynamic variation of hydraulic support load with advance distances

2.3.3 結(jié)果綜合分析

研究區(qū)采煤地裂縫可以分為采煤工作面內(nèi)部地裂縫和邊界地裂縫。綜合圖2 和圖3 分析：內(nèi)部地裂縫與采礦周期壓力有很好的相關(guān)性，這類地裂縫約超前1 個(gè)周期來壓開始快速張開(0～0.31 m)，推過約1 個(gè)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(gè)周期來壓內(nèi)張開(0～0.31 m)，然后在第4 個(gè)周期來壓時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定期(0.31 m)。

內(nèi)部地裂縫初期短時(shí)間張開(約1 個(gè)周期)，因此這類地裂縫無充填物。張開后受到采礦附加應(yīng)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(rèn)為研究區(qū)穩(wěn)定后附加應(yīng)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(fēng)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(nèi)部裂縫寬度的2.4 倍。此外，根據(jù)已有研究認(rèn)為，邊界裂縫深度為內(nèi)部裂縫深度的3.0 倍[13]。

3 MICP 修復(fù)黃土地裂縫實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)樣品制備及實(shí)驗(yàn)方法

3.1.1 菌種和膠結(jié)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(rèn)為，溫度由25℃下降到10℃時(shí)，巴氏芽孢桿菌加固試樣強(qiáng)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(yīng)更低的溫度，且通過低溫馴化可以更進(jìn)一步提升固化效果。因此，本次實(shí)驗(yàn)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(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)，用于后續(xù)的修復(fù)實(shí)驗(yàn)。為適應(yīng)當(dāng)?shù)氐膶?shí)驗(yàn)環(huán)境，對菌種進(jìn)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(jì)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(jié)果顯示隨著培養(yǎng)代數(shù)的增加，微生物能夠更好地適應(yīng)當(dāng)?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(shí)驗(yàn)菌液，進(jìn)行后續(xù)MICP 修復(fù)實(shí)驗(yàn)。

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(jié)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(shí)驗(yàn)方法

采煤地裂縫修復(fù)的目的包括2 個(gè)方面：一方面是為了提升破碎土體的強(qiáng)度，進(jìn)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(jìn)而控制礦井涌水量和突水潰沙問題。因此，本次修復(fù)實(shí)驗(yàn)效果用裂縫土體強(qiáng)度和抗?jié)B性的改良值來表征。裂縫土體強(qiáng)度和滲透性均受圍巖應(yīng)力條件控制，結(jié)合采煤地裂縫類型，本次實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度測試分為無側(cè)限抗壓實(shí)驗(yàn)(邊界地裂縫)和三軸抗壓實(shí)驗(yàn)(內(nèi)部地裂縫)2 種。滲透性測試分為變水頭滲透實(shí)驗(yàn)(邊界地裂縫)和三軸滲透實(shí)驗(yàn)(內(nèi)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(yīng)力特征，本次實(shí)驗(yàn)樣品邊界裂縫取內(nèi)部裂縫深度的3 倍，寬度的2 倍(這里結(jié)合樣品尺寸效應(yīng)，將2.4 倍調(diào)整到2 倍)。充填密度取實(shí)測值，即邊界裂縫樣品取1.51 g/cm3，內(nèi)部裂縫樣品取1.54～1.57 g/cm3。邊界裂縫樣品無圍壓施加，內(nèi)部裂縫樣品施加圍壓0.15 MPa。以裂縫充填物、修復(fù)液(菌液、膠結(jié)液)為變量，進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，具體的正交實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表3。

表3 實(shí)驗(yàn)裂縫土樣制備參數(shù)Table 3 Parameters of experimental crack soil samples

相關(guān)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(jié)液注入修復(fù)。表3 中，1 組-8組樣品以修復(fù)液為變量，進(jìn)行邊界裂縫黃土修復(fù)正交實(shí)驗(yàn)；9 組-16 組樣品以修復(fù)液為變量，進(jìn)行內(nèi)部裂縫黃土修復(fù)正交實(shí)驗(yàn)；17 組-24 組樣品以充填物為變量，開展內(nèi)部裂縫黃土修復(fù)正交實(shí)驗(yàn)；25 組-28 組樣品在最優(yōu)充填物條件下，進(jìn)行未修復(fù)樣品測試。每種類型制作3 個(gè)平行樣品，測量結(jié)果取平均值。所有樣品固化24 h 后進(jìn)行測試(對1 組-4 組樣品進(jìn)行6、12、18、24 和30 h 的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試，結(jié)果如圖6 所示。24 h 前強(qiáng)度持續(xù)增長，之后強(qiáng)度趨于平穩(wěn)，因此選擇24 h 為1 組-28 組樣品養(yǎng)護(hù)時(shí)間)。

圖6 隨修復(fù)時(shí)間變化邊界裂縫黃土的力學(xué)修復(fù)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(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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

圖7 菌液與膠結(jié)液比例對邊界裂縫型黃土MICP 修復(fù)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(jié)液比例的降低，修復(fù)后的樣品無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(jié)液=1.2∶1.0 為拐點(diǎn)。

(2) 菌液∶膠結(jié)液=1.2∶1.0 時(shí)，修復(fù)樣品的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大，且滲透系數(shù)最小。此時(shí)，MICP 修復(fù)內(nèi)部裂縫效果最佳。相比較對比組(未修復(fù))，修復(fù)樣品的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了112.84%，滲透系數(shù)下降了71.88%。

3.3 內(nèi)部裂縫MICP 修復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 修復(fù)液的影響

以菌液與膠結(jié)液構(gòu)成比例為變量的內(nèi)部裂縫型黃土樣品修復(fù)正交實(shí)驗(yàn)(9 組-16 組與25 組-26 組)的結(jié)果如圖8 所示，可以看出以下幾點(diǎn)：

圖8 菌液與膠結(jié)液比例對內(nèi)部裂縫型黃土MICP 修復(fù)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(jié)液比例的降低，修復(fù)后樣品的三軸抗壓強(qiáng)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(fù)液的比例(1.2∶1.0)，內(nèi)部裂縫型黃土最佳修復(fù)液比例為(1∶1)，菌液的構(gòu)成更少。

(2) 菌液∶膠結(jié)液=1∶1 時(shí)，樣品的三軸抗壓強(qiáng)度最大，且滲透系數(shù)最小。此時(shí)，MICP 修復(fù)內(nèi)部裂縫效果最佳。相比較對比組(未修復(fù))，修復(fù)樣品的三軸抗壓強(qiáng)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(gòu)成比例為變量的內(nèi)部裂縫型黃土修復(fù)正交實(shí)驗(yàn)(17 組-24 組)的結(jié)果如圖9 所示，可以看出以下幾點(diǎn)：

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

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

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

3.4 結(jié)果綜合分析

3.4.1 不同類型裂縫黃土的最佳修復(fù)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(fù)液比例不同。機(jī)理分析如下：邊界裂縫由于開度較內(nèi)部裂縫更大，因此修復(fù)液的擴(kuò)散范圍更大。已有的研究認(rèn)為，微生物固化常見的問題就是漿液擴(kuò)散不均勻，繼而導(dǎo)致后續(xù)的CaCO3產(chǎn)率下降[27]。對同一修復(fù)時(shí)間(24 h)，同一修復(fù)液(菌液∶膠結(jié)液為1∶1)，同一注入量(30 mL)，同一充填物(風(fēng)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(chǎn)量進(jìn)行了測試。結(jié)果顯示邊界裂縫黃土中CaCO3產(chǎn)量較內(nèi)部裂縫黃土中CaCO3產(chǎn)量大31.2%。因此，內(nèi)部裂縫較邊界裂縫的最佳修復(fù)液需要更多的膠結(jié)液比例。即邊界裂縫黃土最佳修復(fù)液構(gòu)成比例為菌液∶膠結(jié)液=1.2∶1.0，而內(nèi)部裂縫黃土最佳修復(fù)液構(gòu)成比例為菌液∶膠結(jié)液=1∶1。

3.4.2 充填物對裂縫黃土修復(fù)效果

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

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

圖10 MICP 修復(fù)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(dǎo)致微生物礦化效率差異[18]。對不同充填物與修復(fù)液混合后的滲濾液進(jìn)行了pH 測量，測定結(jié)果如圖11 所示。風(fēng)積沙與黃土充填比例為1∶1 和1.5∶1.0 時(shí)，充填物與修復(fù)液的pH 為9.2～9.7，是本次實(shí)驗(yàn)微生物工作活性較好的區(qū)間，此時(shí)CaCO3產(chǎn)率為86%～88%。已有研究認(rèn)為CaCO3產(chǎn)率的提升可有效提升修復(fù)體強(qiáng)度[28]，因此圖9 顯示出這類充填物構(gòu)成比例(沙土比1∶1 和1.5∶1.0)條件下修復(fù)體的強(qiáng)度為最大區(qū)間。

圖11 pH 和CaCO3 產(chǎn)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(fù)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(gè)方面。其中，充填物本身物理特性為關(guān)鍵影響因素，充填物pH 環(huán)境是次關(guān)鍵影響因素。

3.5 采煤地裂縫修復(fù)工程應(yīng)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(fù)的主要目標(biāo)包括兩方面。一方面是改善裂縫土體的物理力學(xué)和水理性能，另一方面是修復(fù)材料不影響淺表植被復(fù)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(chǔ)。此外，已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)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(rèn)為，MICP 技術(shù)可提升土體持水性[31]。綜上，本次研究的微生物修復(fù)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(fù)工程中有廣泛的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

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

b.當(dāng)菌液∶膠結(jié)液=1.2∶1.0 時(shí)，MICP 修復(fù)邊界裂縫的效果最好。相比較對比組(未修復(fù))，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了112.84%，滲透系數(shù)下降了71.88%。當(dāng)菌液∶膠結(jié)液=1∶1 時(shí)，MICP 修復(fù)內(nèi)部裂縫的效果最好。相比較對比組(未修復(fù))，三軸抗壓強(qiáng)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(shí)，MICP 修復(fù)后物理力學(xué)和水理特性可以兼顧，最適合內(nèi)部裂縫黃土的修復(fù)。在最佳修復(fù)液配比方面，邊界裂縫較內(nèi)部裂縫開度更大，漿液的擴(kuò)散范圍更大，MICP 過程中CaCO3產(chǎn)率較內(nèi)部裂縫更高。因此，相比較內(nèi)部裂縫MICP 修復(fù)需要更多的膠結(jié)液比例。