陜北保水采煤背景下MICP再造隔水土層的試驗研究

李 濤，高 穎，張嘉睿，李殿鑫，陳 偉，張 鵬，李 博，梅奧然

(1.六盤水師范學院 礦業與土木工程學院，貴州 六盤水 553004; 2.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安 710065; 3.貴州大學 資源與環境工程學院，貴州 貴陽 550000)

我國目前煤炭開采的中心在西北地區，該地區大規模的煤炭開采造成生態水位下降、水土流失加劇、生態環境退化。相關研究已經成為研究熱點[1-3]，王雙明等[4]提出了基于生態適生水位的保水采煤技術，顧大釗等[5]提出了采空區儲水理論和技術體系，彭蘇萍等[6]提出了黃河流域生態修復關鍵技術，李文平等[7]提出了保水采煤礦區等級類型，靳德武等[8]提出了頂板含水層水量損失動力學過程，畢銀麗等[9]提出了采煤塌陷區微生物復墾技術，黃慶享[10]認為下行裂隙和上行裂隙的貫通是水資源漏失、生態環境退化的關鍵，范立民等[11-13]提出了保水采煤的內涵和保水采煤面臨的問題，認為隔水層再造是保水采煤關鍵技術之一。

目前，隔水層再造技術的研究主要有3個大的方向。第1個方向，有學者認為通過設計和控制采煤技術來達成隔水層再造的目的，即采用快速采煤的方法利用礦山壓力使采動裂隙閉合[14]，或者通過特殊的采煤方法如充填開采來達成再造隔水層的目的[15]。第2個方向，也有學者認為隔水層再造的關鍵在于關鍵隔水土層，黃慶享教授提出了隔水土層自我彌合[16]，并認為其是隔水層再造的關鍵。李濤等也在實驗中發現了隔水土層的彌合特性[17]。李文平團隊則結合應力恢復和土層彌合深入闡釋了隔水土層再造的內在機理[18]。第3個方向，還有學者認為人為主動修復是隔水層再造的關鍵。主要的修復方法有離層注漿減沉[19]，還有化學漿液修復采動裂隙等[20]。綜合以上，隔水層再造技術雖然已有大量的研究成果，但研究空間仍然巨大，需要更多的研究成果來支撐保水采煤工程。

MICP(Microbially Induced Carbonate Precipitation，微生物誘導碳酸鹽沉淀，以下簡稱MICP)技術是近年來在國內巖土加固領域的研究熱點[21-23]。該技術通過微生物驅動尿素分解出碳酸根，再與鈣源結合，產出天然礦物方解石來達成松散體膠結的目的。整個過程相比傳統的化學凝膠，更加綠色，是前景廣闊的綠色加固技術[24]。該技術早在1973年國內外就在開展研究，而近10 a有顯著的突破[25]。已有的室內研究主要集中在影響微生物固化的因素和效果[26-28]，因素包括溫度、鈣源種類、微生物類型、無機鹽參與等，效果包括單軸抗壓強度、滲透系數、抗沖刷性等[29-31]。該技術的研究領域主要在地基處理、砂體膠結、風化巖體加固、大壩表層加固等方面[32-34]，在采煤裂隙修復領域鮮有論文報道[35]。相比較采煤裂隙的修復與松散體直接膠結不同，裂隙修復更受裂隙面的粗糙度、充填體特征等因素的影響，需要開展進一步的研究。另外，為盡早達成MICP技術的工業化應用，應在室內實驗中積極應對灌注成本及微生物環境適應性問題。降低成本方面，一般需要控制昂貴的化學試劑的大規模使用，廢棄物特別是煤炭產業鏈產生的廢棄物的利用是一條值得探索的技術路線。環境適應性問題的挑戰，則應積極探討微生物在各類地質環境的固化效果，確保其在特定地質環境中可以達成工程需求效果或某些彌補效果不足的技術的研究，而不是一味堅守微生物活性的最大化。

綜上，筆者基于降低成本和保水采煤工程背景的考慮，積極探索MICP技術在煤炭采動破壞的隔水層再造方面的室內試驗研究。

1 研究背景

本次研究以陜北神南礦區(近)淺埋煤層開采造成的隔水土層裂隙為再造對象。區別于其他常規的MICP技術修復土體研究，本次重點突出采動裂隙的特征和采用煤炭產業鏈廢棄物利用的特征。采動土層裂隙特征分析和廢棄物利用的特征分析如下。

1.1 研究區采動裂隙土體特性

已有研究表明煤炭開采會造成上行裂隙和下行裂隙[7]，其中上行裂隙即傳統意義上的導水裂隙，其開口向下且距離地表有一定的深度，因此本次研究主要針對修復易達到的淺部下行裂隙。下行裂隙一方面包括傳統意義上的地表裂縫，另一方面還包括地表裂縫向深部的延伸。

針對傳統的地表裂隙，通過采煤1 a后的野外地質調查發現其有以下特征(圖1):地表裂隙主要可以分為兩大組：第一大組為垂直于煤炭推采方向的裂隙，該組裂隙的發育寬度集中在0.1～0.4 m，發育深度也集中在0.1～0.4 m；第二大組為邊界裂縫，沿著采煤邊界延伸，發育的寬度和深度較第1組裂隙明顯較大，最大寬度可達1 m，最大深度可達1.5 m。這兩類裂隙主要屬于受拉張破壞類型，少量為其他破壞類型。拉張裂隙均有明顯的開口，且開口破壞處較為粗糙斷面不平整，土體裂隙中有一定的充填特征。

圖1 研究區采煤地表裂縫Fig.1 Coal mining surface crack in study area

相比較傳統的地表裂隙，其下還存在一段隱伏的下行裂隙，受制于土體的極限裂隙發育深度，上覆的地表裂隙沒有直接與之溝通。為查明隱伏裂隙的特征，在同一采煤工作面的3個鉆孔中通過微電阻率掃描成像測井探測隱伏下行裂隙，探測結果具體見表1。由表1可以看出，巖層與土層中的裂隙傾角有明顯差異，土層中裂隙傾角均大于80°，而巖層中的傾角集中在50°～70°。土層中探測到的隱伏裂隙整體上走向與煤層推采方向(63°)近似垂直(圖2)，局部有一定偏差(最大差距36.1°，其余差距在18°以內)，而基巖中探測到的裂隙走向與地表裂隙走向有明顯的差異，且雜亂無章。

圖2 研究區隱伏下行裂隙與地表裂隙對比Fig.2 Comparison of concealed downward fissures and surface fissures in the study area

表1 微電阻率掃描成像探測的隱伏裂隙特征Table 1 Characteristics of insidious fractures detected by microresistivity scanning imaging

綜合以上，研究區采動破壞的土體發育出的裂隙有以下特征:

(1)下行裂隙由地表裂隙和下伏隱伏裂隙構成;

(2)下行裂隙均為高角度裂隙，裂隙角度大于80°;

(3)下行裂隙主要是受拉破壞，表現出拉張破壞的開口和裂隙面粗糙等特性;

(4)下行裂隙除邊界裂隙類型外，其他裂隙與煤炭開采方向近似垂直。

因此，后續試驗所用裂隙土體均采用高角度、向下尖滅的多段斷續連接的裂隙構成，且裂隙中有一定的充填物，如圖3所示。

圖3 采煤裂隙土體示意Fig.3 Schematic diagram of mining fissure soil

1.2 MICP技術加固裂隙土體概況

已有的研究認為可以誘導碳酸鹽沉淀的微生物有幾十種，但目前最主要利用的微生物是芽孢桿菌屬。其中，巴氏芽孢桿菌用于MICP實驗的研究最多，但已有研究認為巨大芽孢桿菌有更好的固化效果。因此，本次實驗選用中科院微生物研究所的巨大芽孢桿菌(BacillusmegateriumdeBary)作為實驗用菌。

本次實驗首先利用微生物制取試驗樣品，具體的步驟包括:① 菌粉的激活。激活所用的培養基為:牛肉蛋白胨 10 g/L、酵母提取物5 g/L、NaCl 10 g/L，pH值調至7.0左右，溶劑為去離子水，培養基采用高壓滅菌鍋高溫滅菌處理，并在無菌操作臺激活，激活后放入生化培養箱，培養溫度為30 ℃;② 菌種激活后進行多次接種富集(即分出上一代菌液到新的培養基中)，在微生物密度提升到高峰值區間備用;③ 將步驟②的菌液注入土體裂隙后，按照設計的溫度進行土樣養護，用于相關指標測試，試驗測試詳細見本文第3,4部分。

MICP技術是通過微生物分解尿素產生碳酸根，與鈣源中鈣離子結合形成沉淀，進而膠結松散砂體。其中，傳統的MICP技術是采用氯化鈣、醋酸鈣、硝酸鈣等一種或多種化學試劑作為鈣源，價格較高且有一定的環境影響。此外，傳統試驗固化體多以松散砂體為主，但砂體的抗滲性較差。相比較傳統試驗，本次采煤裂隙土體修復的試驗具體特色如圖4所示。本次利用高鈣潔凈礦井水來提供鈣源和無機鹽(微生物固化過程中保持活性需要補充營養液)，氮源仍采用傳統的尿素，充填物為矸石、黏土(黏土為研究區保德組紅土)和砂的混合物。這有效降低修復成本的同時達到煤炭產業鏈廢棄物循環利用的目的。

圖4 微生物修復土體裂隙特色Fig.4 Characteristics of microbial remediation of soil fissures

2 基于保水采煤工程應用的菌種適應性分析

傳統微生物實驗研究主要通過調整最優的環境來培養出最有活力的微生物菌群，但實際工程中很難達保障最優環境。因此，本次研究重在探討巨大芽孢桿菌對各類不同環境的適應性，為工程應用提供更寬泛的參數選擇。

2.1 微生物保種試驗分析

根據以往研究認為巨大芽孢桿菌菌液可以在3 ℃的冷藏室有效保種約3個月，即3個月后再次接種仍然可以繼續保持菌種的活性。本次研究探索了常溫條件下的保種可能性，即分為2組，1組在3 ℃冷藏室中保存3個月，另1組在室內常溫(長期在0～20 ℃波動，僅3 d在-5～10 ℃)下保存3個月。然后對兩類菌液進行接種，接種采用傳統的培養基接種，接種后對不同時間的菌液樣品采用紫外分光光度計測試OD600值(OD600為某種溶液在600 nm波長處的吸光值。常用來表征微生物菌液中微生物活菌的數量)。

保種3個月后，肉眼可直接觀測到常溫保種的菌液活性明顯較低溫保種的菌液活性差。接種后OD600值測試結果如圖5所示，可以看出常溫保種菌樣的活性明顯較差，常溫保種微生物繁殖到最高點周期更長(常溫保種樣品需要13 d，而低溫保種樣品需要11 d)，且常溫保種的OD600值最高點更低，但隨著低溫樣品進入衰減期后常溫樣品逐步接近(13 d后明顯接近)。這說明雖然常溫保種的樣品雖然活性更差，但仍然可以保持一定的活性，通過培養時間加長仍然可以有效用于土體裂隙修復。這為菌種儲存提供了更寬廣條件范圍。

圖5 不同保種環境的OD600曲線Fig.5 OD600 curves of different conservation environments

2.2 養護溫度適應性試驗分析

1.2節中提及的步驟③是樣品的養護，以往其他學者主要是在最優的養護條件下開展樣品養護。但現場試驗的溫度是多變的，為探討在野外溫度條件下裂隙修復效果，設計對比試驗如下。

第1組為對照組，其制作方法如下:將激活后、培養10 d的高濃度菌液(非沉淀區)與膠結液按體積比1∶2混合成50 mL混合液，膠結液為氯化鈣(濃度0.3 mol/L)和尿素(濃度0.3 mol/L)構成?；旌弦涸?0 ℃下恒溫養護，養護3,7,11 d后通過過濾稱重測定結晶產生的碳酸鈣質量(不同養護天數各3個平行樣品取平均值，共計對照組9個樣品)。

第2組為常溫養護組，其制作方法如下:將激活后、培養10 d的高濃度菌液(非沉淀區)與膠結液按體積比1∶2混合成50 mL混合液，膠結液為氯化鈣(濃度0.3 mol/L)和尿素(濃度0.3 mol/L)構成。混合液在研究區溫度波動下養護(本次模擬陜北5月氣溫在10～30 ℃波動)，養護3,7,11 d后通過過濾稱重測定結晶產生的碳酸鈣質量(不同養護天數各3個平行樣品取平均值，共計常溫養護組9個樣品)。

測試結果如圖6所示，結果顯示常溫(10～30 ℃)養護產生的碳酸鈣量比恒溫(30 ℃)養護產生的碳酸鈣更高。這主要是富集的微生物已經接近衰減期(圖5)，溫度越高衰減速率越快(因此圖6中的曲線趨于平緩，說明碳酸鈣產量在逐步減少)，因此常溫(10～30 ℃)波動下比30 ℃恒溫條件下有更好的碳酸鈣產量，即對裂隙土體的修復效果更好。這說明在春秋季傍晚日落時間段開始進行土體裂隙修復有較好的效果。

圖6 不同溫度下碳酸鈣產量Fig.6 Calcium carbonate production at different temperatures

2.3 微生物環境適應性試驗分析

微生物對環境有一定的適應能力，特別是經過有針對性的馴化，微生物可以保持更高的活性。為分析本次使用微生物的環境適應性，進行了2類微生物環境適應性試驗分析。

第1類試驗設計為:對菌種激活后第1次、第2次和第3次接種，接種后進行第3天、第5天、第7天、第11天、第13天和第15天的OD600值的測試，測試的結果如圖7所示。測試結果顯示隨著培養代數的增加，微生物能夠更好的適應本地區的環境，有更好的生長曲線。

圖7 不同代數下微生物OD600值曲線Fig.7 OD600 value curves of microorganism under different algebra

第2類試驗設計:由于陜北5月氣溫在10～30 ℃波動，本次使用的微生物最佳富集溫度在30 ℃左右，但10 ℃以上也可以逐漸富集。為使得微生物菌種能夠適應工程區的氣溫(10～30 ℃)，在培養富集階段就對溫度提前進行了微生物適應性馴化。本次試驗培養溫度降低到工程區最常見溫度20 ℃接種3次。然后培養到30 ℃溫度培養10 d相似的OD600值。接著把馴化后的菌液與膠結液按體積比1∶2混合成50 mL混合液，并在膠結液中加入1.2節中所述的培養基，混合液在研究區溫度波動下養護(本次模擬陜北5月氣溫在10～30 ℃波動)，養護3,7,11 d后通過過濾稱重測定結晶產生的碳酸鈣質量(不同養護天數各3個平行樣品取平均值，共計9個樣品)。此外，制作對照組按照30 ℃富集的菌液與膠結液按體積比1∶2混合成50 mL混合液，并在膠結液(0.5 mol/L尿素+0.5 mol/L氯化鈣)中加入1.2節中所述的培養基，混合液在研究區溫度波動下養護，測試碳酸鈣質量。

測試結果如圖8所示，馴化后微生物對工程區溫度有更好的適應性(馴化前碳酸鈣產率為82.2%，馴化后的碳酸鈣產率為93.5%)，說明針對研究區可提前進行微生物環境適應性馴化。此外，與圖6對比，本次試驗養護階段加入了培養基，這也提高了微生物的活性，碳酸鈣產量曲線也由逐漸平緩上升型變化為直線上升型。

圖8 微生物馴化前后碳酸鈣產量曲線Fig.8 Calcium carbonate production curves before and after microbial domestication

3 高鈣礦井水為鈣源室內實驗研究

MICP技術在碳酸鈣產生階段，需要大量的鈣離子或鎂離子參與，以往試驗研究采用化學試劑開展研究，本章試驗以某種潔凈礦井水為鈣源開展試驗研究如下。

3.1 礦井水的選擇及加工

我國華北和華南煤田有大量的灰巖承壓水，隨著開采深度的增加現在威脅煤層開采的灰巖水的礦化度整體變大。這類承壓水涌入礦井后由于礦化度高難以處理和直接利用，但其富含鈣離子和鎂離子，有潛在作為MICP鈣源的利用價值。

試驗所用的礦井水為潔凈礦井水(來自鉆孔或突水點)，取自渭北煤田，對多個灰巖水源點的礦井水進行了測試，測試結果見表2。

表2 礦井水測試結果Table 2 Test results of mine water

由表2可以看出，該地區礦井水礦化度普遍較高，但陰離子以硫酸根為主，按照水化學類型判斷尚未達到鹵水級。pH值普遍在7左右，僅7號樣為12.28，已有研究認為巨大芽孢桿菌較為有利的pH值為8左右較好，從pH值看1號樣更好。此外，已有MICP相關研究認為碳酸鈣和碳酸鎂都可以形成膠結沉淀，即無需區分兩類離子。表2中1號水樣Ca2++Mg2+質量濃度最高，因此選定1號水樣為本次試驗所用水樣。

但依據以往研究，鈣離子在一定范圍內隨著其質量濃度增加，膠結效果也隨之提升。為此，對1號水樣進行了濃縮處理，由于硫酸鈣溶解度有限，本次濃縮為原溶液的30%體積，其總礦化度上升至1 042 mg/L，其中Ca2++Mg2+質量濃度達到2 160 mg/L，pH值變為8.09，水質類型無變化，但碳酸氫根質量濃度下降顯著。此時pH值達到最佳范圍之內，而Ca2++Mg2+質量濃度也有顯著提高。

3.2 高鈣水為鈣源對樣品力學性質影響

雖然高鈣礦井水濃縮后Ca2++Mg2+質量濃度顯著提高，但仍然有限，為提高碳酸鈣和碳酸鎂產量，將尿素(2 g/L)直接加入濃縮后的礦井水，制成混合液。將混合液和菌液(加入無氯化鈉的培養基，濃度與1.2節相同)按5∶1體積比注入裂隙土體，注入量為充填物空隙的1.2倍。每次注入間隔7 d，對比了注入1,2,3,4次的不同樣品在最優含水率的無側限強度測試。此外，對比組1制作方法為:裂隙土體充填物與試驗組相同，不進行微生物固化，直接測試無側限抗壓強度。對比組2制作方法為:裂隙土體充填物、固化方法都與試驗組相同，但膠結液為氯化鈣(0.1 mol/L)和菌液(含培養基)1∶1體積比注入裂隙土體1次的樣品養護7 d。

測試結果如圖9所示，可以看出相比對比組1(裂隙充填未固化樣)，4次固化后強度提升114.2%，但相對對比組2(化學試劑固化樣)還有明顯的差距，但已經超過保德紅土天然單軸抗壓強度(212 kPa)，說明采用礦井水作為鈣源能夠達到隔水層再造的目的。

圖9 高鈣礦井水作為鈣源固化裂隙土體強度測試Fig.9 Strength test of high calcium mine water used as calcium source to solidify fissured soil

由于本次使用的高鈣礦井水中有鈣離子和鎂離子給微生物提供了鈣源，但濃縮后濃度仍然不足0.1 mol/L，根據前人研究濃度的正向影響有提升的空間。但膠結液中加入了培養基，而高鈣礦井水中也富含無機鹽，保持了微生物的活性，反復加入膠結液可以持續產出碳酸鈣沉淀，這在一定程度上彌補了鈣源濃度不足的缺陷。

3.3 高鈣水為鈣源對樣品滲透系數的影響

采用3.2節相同的方法對裂隙土體進行固化修復，對比了注入1,2,3,4次的不同樣品的滲透系數測試。對比組1和對比組2也采用3.2節相同的方法制作樣品并開展變水頭滲透測試。

測試結果如圖10所示，可以看出相比對比組1(裂隙充填未固化樣)，4次加固后滲透系數降低接近1個數量級，但相對對比組2(化學試劑固化樣)還有一定的差距，但已經小于保德紅土天然滲透系數(約0.001 m/d)，說明采用礦井水作為鈣源能夠達到隔水層再造的目的。

圖10 高鈣礦井水作為鈣源固化裂隙土體滲透系數測試Fig.10 Permeability coefficient test of high calcium mine water as calcium source to solidify fissured soil

4 煤矸石等為充填物的室內實驗

4.1 煤矸石的選擇及意義

煤矸石作為煤炭開采產生的固體廢棄物，種類很多，目前回收利用的方向有很多，但隨著煤炭洗選水平的提升，產出的煤矸石更多成分為無機成分，利用價值有限。其中，有部分煤矸石中富含磷而有作為耕地肥料的應用價值。而本次利用的巨大芽孢桿菌有將煤矸石中植物無法直接利用的磷變為可利用磷肥的作用。這為后續的聯合植被修復采煤塌陷區提供了有利的基礎。為此，本次室內試驗探索該類煤矸石作為部分充填物的MICP技術改造下裂隙土體力學性能和水理性能變化。

本次試驗采用的煤矸石從巖性上看為炭質頁巖(圖4)，最主要的礦物構成為黏土礦物，可替代裂隙中充填的黏土。

4.2 煤矸石等為充填物裂隙土體力學實驗

將本次試驗所用的煤矸石晾干、破碎、過篩，然后部分替代黏土充填裂隙。質量上代替10%,30%,50%,70%,90%，采用菌液(30 ℃下培養基內培養10 d，取出后加入1.2節相同濃度的培養基)和膠結液(氯化鈣和尿素均為0.1 mol/L)體積比1.0∶1.5的注入充填物，注入量為充填物空隙的1.2倍，養護7 d后測試固化土體的無側限抗壓強度(每組3個樣品取平均值)。

結果如圖11所示，隨著煤矸石的加入裂隙土體的單軸抗壓強度小幅度降低，在50%后替代量時有下降明顯。這主要是由于煤矸石中黏土礦物含量高吸水有膨脹性，而巨大芽孢桿菌固化需要O2，太高含量的煤矸石降低了固化效果。

圖11 煤矸石部分替代黏土充填下的固化效果Fig.11 Solidification effect of coal gangue partially replacing clay

4.3 煤矸石等為充填物裂隙變水頭實驗

采用4.2節相同的制樣方法和設計，對10%,30%,50%,70%,90%代替黏土固化土樣進行了變水頭滲透實驗。實驗結果如圖11所示。

由實驗結果圖11可以看出，隨著煤矸石的加入滲透系數有一定幅度的下降，這與煤矸石中大量的黏土礦物成分有關。但隨著煤矸石的加入增加，MICP過程受限于O2缺乏而效率下降，即煤矸石加入量增加曲線下降趨于平緩。

綜合物理力學和水理固化特征，煤矸石、黏土與砂的充填質量比為1∶1∶2為宜，混合固化后采用XRD分析，結果如圖12所示，可以看出在22.24°和28.00°出現了方解石的衍射峰，27.76°出現了石英的衍射峰，此外由于充填物復雜，還有很多其他的衍射峰，其中包括黏土礦物。固化后的充填物有石英等骨料，有方解石等膠結物，有黏土礦物等膨脹礦物，結合試驗曲線這類充填物固化后能夠兼顧力學和水理性質。

圖12 固化體XRD測試結果Fig.12 XRD test results of solidified body

5 物理相似模擬下行裂隙修復試驗

5.1 煤炭開采下行裂隙發育的相似模擬

本次物理相似模擬的原型為陜北檸條塔煤礦南翼2-2煤層開采區。相關的采礦地質條件見表3，本次選用幾何比為1∶100，容重比為2∶3，模型如圖13(a)所示。

表3 模型采礦地質條件Table 3 Model mining geological conditions

對2-2煤進行全厚開采，推進到95 m時基巖全部破斷，推進到126 m時導水裂隙(即上行裂隙)發育到108 m高度(此時上行裂隙發育進入穩定階段)，繼續開采到210 m導水裂隙不再變化，導水裂隙帶高度為采厚的27倍。上行裂隙進入穩定階段后，地表在推進區兩端附近出現拉伸破壞的下行裂隙，隨著推進的進行，進入推采區內的下行裂隙開始閉合。推進到210 m時，僅在收作線和開切眼附近有4條顯著裂隙，如圖13(b)所示。

圖13 物理相似模擬Fig.13 Physical similarity simulation experiment

5.2 下行裂隙修復試驗

對4條采動產生的下行裂隙進行修復，修復的方法設計如下:第1條裂隙以煤矸石、黏土與砂充填裂隙，充填質量比為1∶1∶2。充填物與菌液(含培養基)和膠結液(尿素+濃縮的高鈣礦井水)制作成懸濁液，使用針管注入模型裂隙。第2條裂隙，間隔7 d后對充填物補注菌液+膠結液，第3條裂隙每7 d補注1次菌液+膠結液，共補注2次。第3條裂隙每7 d補注1次菌液+膠結液，共補注3次。

在不同的修復土體上用環刀(高4 cm)切入土體1 cm(即水頭3 cm)，注滿水等待1 h，然后再注滿觀測1 h內水位下降的幅度。觀測結果如圖14所示。

圖14 物理模擬土體裂隙固化水位下降曲線Fig.14 Physical simulation of water level decline curve of soil fissure solidification

由圖4可以看出，隨著固化次數的增加，水頭下降量在減少，特別是3次固化后曲線趨于平緩。水位最低降低0.1 cm，按照幾何比計算相當于3 m高的水頭僅下降0.1 m，隔水層再造效果顯著。

6 結論及展望

(1)陜北淺埋地區煤炭開采“下行裂隙”斷續與采空區連通，是水資源漏失的主要途徑。該裂隙有高角度、裂隙面粗糙、裂隙中有充填物特征，有微生物固化修復的潛在條件。

(2)本次實驗的巨大芽孢桿菌在陜北常溫條件下可以實現保種，特別是經過3次及以上的接種后，能夠較好的適應本地環境。而低溫馴化后的微生物，更能適應低溫工作條件。

(3)煤炭產業鏈產生的潔凈高鈣礦井水濃縮30%時，pH值有利于本次實驗選用的微生物。此時，利用濃縮的高鈣礦井水作為MICP鈣源，雖然較常規的鈣源(化學試劑型)固化效果較差，但通過4次注入高鈣礦井水單軸抗壓強度和滲透系數等參數均接近于化學試劑鈣源的固化效果。

(4)采用煤矸石粉、黏土和砂體作為土體裂隙充填物質，其質量比為1∶1∶2時，采動裂隙土體的物理力學和水理修復效果可以兼顧，且由于煤矸石在巨大芽孢桿菌作用下可釋放出磷肥等，有利于后續植物聯合修復。

(5)煤炭開采物理相似模擬產生的下行裂隙進行4次固化修復，按照幾何比計算，相當于1 h內3 m高的水頭僅下降0.1 m，顯示其固化效果良好。

MICP技術目前還有很多問題需要在室內和野外進行進一步的試驗檢驗，如陜北的強紫外光線的問題、微生物好氧的問題、本土雜菌競爭的問題等。但MICP無化學添加劑使用，殘留和分解產生的氮磷鉀有聯合植物修復的可能，是綠色礦山建設中很有研究前景的技術。