采動巖體裂隙自修復的水-CO2-巖相互作用試驗研究

鞠金峰，李全生，許家林，楊 磊

(1.中國礦業大學 礦山互聯網應用技術國家地方聯合工程實驗室，江蘇 徐州 221008; 2.中國礦業大學 物聯網(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州 221008; 3.煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京 100011; 4.國家能源投資集團有限責任公司，北京 100011; 5.中國礦業大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116; 6.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116)

煤炭開采引起的覆巖導水裂隙是造成煤礦區地下水資源流失與地表生態退化的主要原因，科學控制采動破壞巖體裂隙發育的程度與范圍、合理限制采動裂隙的導水能力，是實現煤礦區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)等方式來限制導水裂隙帶的發育高度[2-8]，從而避免含水層被破壞;然而這一對策在我國西北部的高產高效礦區卻難以適用。由于該區域煤層賦存普遍埋藏淺、厚度大、層數多，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)限制采動裂隙的導水能力、促進裂隙的修復愈合，成為采動破壞含水層生態再恢復的另一有效途徑[8-9]。

現場已有的工程實踐發現，煤層開采引起的破壞覆巖，在一定條件下會產生一定程度的自我修復效應，出現破碎巖塊的膠結成巖以及破斷裂隙的彌合、甚至尖滅等現象，從而使得覆巖導水裂隙發育范圍減小、區域水源水位回升。如，厚煤層分層開采中利用“再生頂板”[10-11]進行下分層頂板管理的開采實踐，即說明了上分層冒落巖塊的自膠結成巖現象。再如，神東礦區補連塔煤礦1-2煤四盤區開采時，覆巖導水裂隙直接發育至基巖頂界面，導致地表水文觀測鉆孔內水全部漏失;而隨著工作面開采的繼續推進，鉆孔內水位又出現逐步恢復的現象[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果也驗證了采動破壞巖體裂隙自修復的現象[12-13]。以神東礦區超大綜采工作面為地質背景，采用高精度四維地震多屬性探測方法，獲得了采前、采中、采后直至穩定狀態下地下水賦存環境變化特征，發現在應力場作用下，裂隙帶原巖結構具有自修復傾向，地下水漏失程度也隨之逐步減弱。由此可見，采動破壞覆巖的自修復是現實存在的客觀現象，研究揭示此類自修復現象的發生機理與作用規律對于科學制定導水裂隙限流保水的生態修復措施具有重要的指導意義。

實際上，采動覆巖破壞后的自修復是地下水、采空區氣體、破壞巖體3者的“水-氣-巖”物理、化學作用與地層采動應力共同影響的結果;現場工程實踐中經常遇到的泥質或黏土質巖石遇水膨脹導致裂隙彌合的物理過程和現象[14-16]，即是其中的典型代表。在覆巖采動裂隙動態發育過程中，受擾動的地下水以及采空區的CO2,SO2,H2S等氣體將通過導水(氣)裂隙通道流散并與破壞原巖發生充分反應，巖石中的元素受溶解和溶蝕等作用發生遷移與富集，導致原巖結構被破壞而發生泥化、軟化，并生成次級礦物及新的結晶沉淀物[17-20]。如此，在采動地層應力的壓實和水平擠壓作用下，受軟化的破壞原巖發生流塑變形并壓密采動裂隙;生成的次級礦物和結晶沉淀物則直接充填、封堵采動裂隙、孔隙等缺陷。長時間的累積作用后，采動覆巖一定范圍內的裂隙將發生彌合與尖滅，最終降低裂隙巖體的水滲流能力，甚至可恢復至原巖的隔水狀態。也正因為這一過程，才出現了前面所述冒落巖塊的自膠結成巖以及地下水位的回升現象。因此，采動破壞巖體的自修復與采空區不同巖性巖石的水-氣-巖相互作用過程密切相關，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律，對于科學揭示此類自修復現象的作用機理和規律具有重要參考意義。

基于此，筆者利用現場采集以及人工配置的具有不同化學特征的地下水樣，選取采空區廣泛賦存的CO2氣體，與含裂隙的砂質泥巖試樣開展水-CO2-巖相互作用實驗，分析實驗過程中裂隙巖樣的水滲流變化規律以及裂隙面礦物組分，為揭示裂隙巖體自修復機理提供依據。

1 實驗方案設計

1.1 試樣的制備

實驗巖樣選擇某煤礦采集的砂質泥巖，通過X衍射測試得到該砂質泥巖主要由石英、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壓力試驗機中進行人為加載破壞，從而形成含有裂隙的巖石試件，如圖1所示。

表1 實驗前后砂質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:表中所列數據為各類礦物占巖石總礦物成分的相對百分比，而非絕對量;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 實驗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

方案離子質量濃度/(mg·L-1)Na+HCO-3CO2-3Cl-NH4+Fe3+,Fe2+K+Ca2+Mg2+NO2-pH方案1實驗前36.87162.740.054.330.840.090.0613.798.600.246.60(現場水樣)實驗后88.96312.4214.409.57005.3824.7920.5508.12方案2實驗前372.62899.5048.746.951.550.070.022.080.260.018.43(配置水樣)實驗后465.051 126.1299.619.361.770.473.490.360.3710.58.83

1.3 實驗過程

將裂隙巖石試件的圓柱側面用硅膠涂抹密封，然后將其封裝至水-CO2-巖相互作用容器中，并用樹脂膠對試件與容器之間的空隙進行填充，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供入CO2氣體，如圖2所示。考慮到方案2水溶液呈堿性，持續通入CO2氣體會降低其pH值，影響實驗評價目標。因此，僅對方案1的現場采集水樣通入CO2,CO2氣體的通入流量為4～6 mL/min。

圖2 水-CO2-巖相互作用實驗裝置Fig.2 Experimental equipmens of the water-CO2-rock interaction

實驗過程中間隔1～2周打開泄水閥進行裂隙巖石試件水滲流特性的測試，測試完畢后將放出水溶液重新倒回容器中，繼續水-CO2-巖相互作用。具體實驗時，首先測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偏高，故未專門施加水壓)，根據水溶液滲流時其液面降低一定高度對應的壓力梯度、流量和速度，計算巖樣的絕對滲透率值。實驗結束后，從容器中取出巖石試件、放出水溶液，對裂隙面附近的巖石礦物成分和水溶液離子成分進行測試，并與實驗前巖樣的礦物成分和水溶液離子成分進行對比，以評價長期水-CO2-巖相互作用對巖石礦物成分和水溶液離子成分的影響規律。

2 實驗結果與分析

2.1 裂隙巖石試件的水滲流變化

經過近8個月的水-CO2-巖相互作用實驗，測試得到了砂質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律。圖3為裂隙巖石試件隨實驗時間的絕對滲透率變化曲線，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滲透率均呈逐步下降的現象。其中，方案1酸性溶液條件下，在實驗的前120 d內，裂隙巖石試件的絕對滲透率由4.32×10-12m2逐步降低至0.185×10-12m2;而后在后續的111 d時間內又緩慢降低至5.58×10-15m2的最低值(僅為初始值的1.3×10-3倍);絕對滲透率的遞減呈現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滲透率也呈現出類似的特征，但在分段變化趨勢上又與方案1表現出一定的差異。在實驗開始的47 d內，絕對滲透率由10.6×10-12m2呈波動式快速降低至0.871×10-12m2，繼而在后續的45 d內緩慢下降至0.076 9×10-12m2的最低值，而后又在實驗末期的123 d內出現絕對滲透率小幅回升現象，其值在0.233×10-12～0.629×10-12m2波動，約0.431×10-12m2，為初始值的4.1×10-2倍。由此可見，雖然兩方案對應裂隙巖石均表現出明顯的自修復特征，但受水溶液酸堿度的影響，其自修復進程又呈現出明顯差異。堿性條件下裂隙巖石的自修復進程相對更快，但其最終的絕對滲透率卻明顯偏高，其相對初始值的下降幅度也明顯偏低;且在實驗末期還出現了水滲透率的反彈現象。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的，同時也與兩者明顯不同的初始滲透率有關(方案2使用的巖石試件受人為破壞程度更大，裂隙更為發育)，具體將在后文討論分析。

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

值得說明的是，在方案1實施過程中，為了探究CO2通入流量是否會對裂隙巖石的自修復進程產生影響，在實驗進行的第2個月(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滲透率明顯上升;而后當將CO2通入量恢復至原來的4～6 mL/min時，裂隙巖石試件的絕對滲透率也相應恢復為遞減趨勢;可見CO2通入量提高對裂隙巖石自修復進程會有明顯的抑制作用。

2.2 巖石試件裂隙面礦物組分變化

在實驗結束后，將裂隙巖石試件由反應容器中取出后發現，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成分的物質，如圖4所示。由此反映出水-CO2-巖相互作用過程中相關物理、化學作用導致的部分衍生礦物或沉淀物的生成。通過對實驗后裂隙面刮取部分巖樣進行掃描電子顯微鏡(SEM)和X衍射(XRD)測試，發現裂隙面礦物晶體的微觀結構及其組分均發生了明顯變化。

圖4 實驗后裂隙巖石試件表面附著的鐵、泥質成分物質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構變化

通過對兩方案實驗前后對應裂隙面各類礦物的微觀結構形態進行掃描電鏡測試后發現，在長期的水-CO2-巖相互作用下，巖石試件裂隙面發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的現象。

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構形貌都發生了顯著改變，礦物晶體受溶解、溶蝕的現象十分明顯。如圖5、表3所示，根據其能譜分析的元素構成及微觀形貌可判斷其為菱鐵礦晶體。由圖5、表3可知，實驗前原巖中的菱鐵礦晶體表面光滑、棱角分明，但實驗后的菱鐵礦晶體卻呈現出表面粗糙、棱角模糊且有明顯溶蝕缺口的現象。而綠泥石以及伊利石或伊/蒙間層礦物晶體也發生了類似的變化，如圖6，7、表4，5所示。實驗后的綠泥石晶體形態破碎，不像原巖中呈現規整的片狀形態;而實驗后的伊利石或伊/蒙間層礦物晶體表面則變得明顯粗糙。

圖5 實驗前后巖樣裂隙面菱鐵礦晶體微觀形貌的掃描電鏡測試結果Fig.5 SEM test results of the micromorphology of Siderite crystal on the fracture face before and after the experiment 注:圖中方框區域元素構成的能譜分析是為了確認所探測區域即為對應礦物，下同。

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

元素圖5(a)方框處質量百分比原子百分比圖5(b)方框處質量百分比原子百分比圖5(c)方框處質量百分比原子百分比圖5(d)方框處質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

同時還發現，在實驗后的裂隙面原生礦物晶體的間隙中，還出現了新的衍生礦物或沉淀物的充填或覆蓋現象。如圖8、表6所示，方案1實驗后在裂隙面原生菱鐵礦和石英礦物晶體表面及間隙中發現了新的衍生礦物的存在，根據X射線能譜分析探測其元素構成的分析結果，可推斷其為衍生高嶺石礦物(衍生高嶺石礦物形態不如原生的規則);同時，在原生高嶺石礦物表面發現含鐵物質的存在，因其形態并非像菱鐵礦那樣呈規則六面體狀，故推斷其為新生成物質，根據能譜分析結果，應為鐵的氧化物(如鐵銹)。而圖9，表7所示的方案2實驗后的裂隙面也出現了類似的現象，在原生伊利石或伊/蒙間層礦物晶體表面及間隙中發現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現覆蓋有含鐵沉淀物。

圖6 裂隙面綠泥石礦物在實驗前后的微觀結構變化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/蒙間層礦物在實驗前后的微觀結構變化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)方框處質量百分比原子百分比圖6(b)方框處質量百分比原子百分比圖6(c)方框處質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)方框處質量百分比原子百分比圖7(b)方框處質量百分比原子百分比圖7(c)方框處質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實驗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)質量百分比原子百分比圖8(b)方框1處(原生石英晶體SiO2)質量百分比原子百分比圖8(b)方框2處(衍生高嶺石礦物)質量百分比原子百分比圖8(c)方框1處(原生高嶺石礦物)質量百分比原子百分比圖8(c)方框2處(含鐵沉淀物)質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)質量百分比原子百分比圖9(b)方框1處(原生高嶺石礦物)質量百分比原子百分比圖9(b)方框2處(含鐵沉淀物)質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

為了進一步探究裂隙面礦物成分的變化，采用X衍射測試方法對兩方案對應實驗前后裂隙面的礦物成分及其含量進行了測定，表1所示的測試結果驗證了上述礦物微觀結構變化的現象。可見，兩方案對應裂隙面各類礦物成分含量的占比均發生了顯著的變化;若以化學性質較為穩定的石英礦物(SiO2)的含量為基數，則實驗前、實驗后方案1、實驗后方案2對應裂隙面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生了變化，具體表現為綠泥石的消失、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對應這種變化程度較方案2更為顯著。

由此可見，根據前述掃描電鏡的微觀測試結果，X衍射測試得到的菱鐵礦、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的鐵銹質成分，主要是由于上述礦物溶解、溶蝕過程中發生了化學反應、生成了新的物質所造成的。

所以，根據上述測試結果有理由相信，裂隙巖石試件在實驗過程中出現的水滲透率下降的自修復現象，與此過程中發生的上述礦物的溶解、溶蝕與新物質的生成密切相關。

2.3 水溶液化學成分變化

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出了水滲流能力逐步降低的自修復現象，這與引言中所述相關研究學者在現場實測中發現的采后地下水位回升、采動破壞巖體含水率下降等現象相符，體現了采動導水裂隙自修復效應的客觀存在。

(2)實驗過程中巖樣絕對滲透率呈現出“先快后慢”的分區下降特征;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作用密切相關。考慮到黏土礦物的遇水膨脹作用過程相比新物質化學生成的進程明顯偏快，因而可推斷前期階段水滲透率的快速下降現象主要是由伊/蒙間層等黏土礦物遇水膨脹引起的裂隙空間減少造成的;而隨著實驗時間的累積，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生離子交換化學反應，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;這些新的物質在裂隙面逐漸堆積充填，最終引起裂隙導水能力的降低。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+并造成其表面負電荷增加，會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)水溶液的酸堿度會直接影響裂隙巖體的自修復效果，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系。從本文開展的砂質泥巖的水-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，且自修復后期不易出現水滲流能力的“反彈”現象。

(4)方案2堿性水溶液條件下，實驗后期出現的巖樣絕對滲透率的“反彈”現象應該是裂隙面巖石礦物受溶解、溶蝕作用導致裂隙開度變大造成的。隨著水溶液對裂隙面礦物的溶解、溶蝕，裂隙面粗糙度會逐漸降低[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，由于本實驗中未能對巖石試件實現加載，使得開度增大的裂隙不能進一步貼合，從而造成滲透率的增大。這雖與采動巖體處于應力約束的實際條件不符，但這并不會影響本實驗對裂隙巖體自修復機理的驗證分析。

(5)CO2通入量增加會對酸性水條件下砂質泥巖裂隙巖體的自修復效果產生負面影響(對于其他巖性巖石是否有影響尚待研究)，這可能與CO2參與化學反應的過程及其礦物成分有關。CO2易與巖石中的原生鋁硅酸巖(如長石)發生這樣的反應[17]:原生鋁硅酸巖+H2O+CO2黏土礦物+石英+碳酸鹽+OH-。由于本實驗所用砂質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，而易以碳酸的形式對裂隙面礦物產生溶蝕作用，從而增大裂隙開度，提高水滲流能力，最終對裂隙巖石自修復進程產生阻滯作用。

3 結 論

(1)開展了砂質泥巖裂隙巖樣分別在酸性和堿性水溶液條件下的水-CO2-巖相互作用實驗(為期近8個月)，獲得了裂隙巖樣實驗過程中水滲流能力逐步降低的現象和規律，驗證了現場工程實踐與實測中發現的采動破壞巖體裂隙自修復的現象。

(2)利用X衍射和掃描電鏡測試手段，對裂隙巖樣的自修復過程進行了合理解釋。裂隙巖樣的自修復與水-CO2-巖相互作用過程中發生的物理化學反應密切相關;其中包括黏土礦物遇水膨脹的物理反應對裂隙空間的壓縮，以及礦物溶解、溶蝕后與水溶液離子發生化學反應生成的衍生礦物或沉淀物對裂隙的充填封堵。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。總體而言，酸性水溶液條件更有利于裂隙巖體的自修復。

(3)初步發現加大CO2通入量會對酸性水溶液條件下砂質泥巖裂隙巖體的自修復效果產生負面影響。這可能是由于砂質泥巖中鋁硅酸鹽含量較小，導致多余的CO2無法充分反應，而易以碳酸的形式對裂隙面產生溶蝕作用，造成水滲透性的增高。

(4)本文的研究僅是選取砂質泥巖樣品開展的水-CO2-巖相互作用實驗，且尚未實現圍壓條件下的水滲透率測試。顯然，當巖樣巖性、水溶液成分、圍壓大小等因素改變時，相應裂隙巖樣的自修復規律也會發生變化，但其自修復機理和過程應該是類似的。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。