导水裂隙的自修复——地下水混流沉淀的影响.pdf

矿山环境保护导水裂隙的自修复地下水混流沉淀的影响李全生1,2，鞠金峰3,4，许家林5，曹志国1,2，张凯1,2，王晨煜5，郭俊廷1,2(1.国家能源投资集团有限责任公司,北京100011；2.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室,北京100011；3.中国矿业大学矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室,江苏徐州221008；4.中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心,江苏徐州221008；5.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州221116；6.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州221116)摘要：采动覆岩导水裂隙在其产生后的长期演变过程中，会发生导水渗流能力逐步降低的自修复现象，研究揭示导水裂隙的自修复机制对于科学指导矿区采动地下水的生态功能恢复实践意义重大。基于神东矿区补连塔煤矿 12401 工作面采后 15a 覆岩导水裂隙自修复的工程探测结果，就采后不同层位地下水交汇混流产生化学沉淀对导水裂隙的修复降渗机理开展研究。结果表明，12401工作面采后覆岩导水裂隙直接发育至第四系松散层，已沟通多个含水层；由于浅层地下水含有较多 Ca2+，而基岩地下水 CO32、HCO3质量浓度偏多，2 种地下水在采动覆岩中交汇混流时会产生CaCO3化学沉淀；沉淀物随水迁移并不断吸附于裂隙通道表面，发生包藏共沉固结的结垢过程，经过长时间的累积，最终形成具备一定抗蚀能力的结垢物或包结物，堵塞并修复裂隙。室内试验测试发现，这一过程引起的导水裂隙自修复降渗效果相比水(气)岩相互作用产生的效果更为稳定且快速；裂隙岩样受 2 种不同水质模拟地下水混流通过近 2 个月时间后，绝对渗透率即由 0.091015m2降低为 0.00251015m2，且在水压 1.5MPa 条件下也未出现明显渗透性波动。由于这种不同地下水的交汇混流主要发生在开采边界附近的裂隙岩体中，因而覆岩不同区域导水裂隙的自修复过程及效果将出现明显差异。12401 工作面中部区域覆岩导水裂隙的自修复主要由降雨入渗过程引起的水(气)岩相互作用引起，而开采边界附近覆岩导水裂隙则由不同地下水的交汇混流反应和水(气)岩相互作用共同主导其自修复，因而后者对应产生的自修复效果要明显偏好。现场探测结果显示，历经 15a 的自修复演变，开采边界附近覆岩在深度 86.7179.1m 范围导水裂隙已全部实现自修复，而采区中部覆岩在对应自修复区域内仍存在局部未修复现象，深度在 110.0118.6m，由此证实了地下水交汇混流产生化学沉淀对导水裂隙的良好修复效果。关键词：含水层修复；地下水交汇混流；化学沉淀；导水裂隙自修复；绿色开采中图分类号：TD745文献标志码：A文章编号：02539993(2023)06254010Self-healing mechanisms of water-conducting fractures：The influence of chemicalprecipitation induced by the mixing of different groundwaterLIQuansheng1,2,JUJinfeng3,4,XUJialin5,CAOZhiguo1,2,ZHANGKai1,2,WANGChenyu5,GUOJunting1,2(1.China Energy Investment Grop Co.,Ltd.,Beijing100011,China;2.State Key Laboratory of Water Resources Protection and Utilization in Coal Mining,Beijing100011,China;3.The National and Local Joint Engineering Laboratory of Internet Application Technology on Mine,China University of Mining收稿日期：20221101修回日期：20221222责任编辑：韩晋平DOI：10.13225/ki.jccs.CN22.1576基金项目：国家重点研发计划资助项目(2021YFC2902104)；国家自然科学基金资助项目(51604259)作者简介：李全生(1965)，男，河南洛阳人，教授级高工，博士。E-mail：10000424shenhua.cc通讯作者：鞠金峰(1986)，男，江苏如皋人，副研究员，博士。E-mail：引用格式：李全生，鞠金峰，许家林，等.导水裂隙的自修复地下水混流沉淀的影响J.煤炭学报，2023，48(6)：25402549.LIQuansheng，JUJinfeng，XUJialin，etal.Self-healingmechanismsofwater-conductingfractures：theinflu-enceofchemicalprecipitationinducedbythemixingofdifferentgroundwaterJ.JournalofChinaCoalSoci-ety，2023，48(6)：25402549.第48卷第6期煤炭学报Vol.48No.62023年6月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYJun.2023and Technology,Xuzhou221008,China;4.IoT Perception Mine Research Center,China University of Mining and Technology,Xuzhou221008,China;5.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology,Xuzhou221116,China;6.State Key Laboratoryof Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology,Xuzhou221116,China)Abstract:Inthelong-termevolutionprocessafterthedevelopmentofthewater-conductingfracturesinoverburden,theself-healingphenomenonwilloccur,inwhichthewater-conductingseepagecapacitywillgraduallydecrease.Itisofgreatsignificancetostudytheself-healingmechanismsofwater-conductingfracturesforscientificallyguidingtheecologicalfunctionrestorationofgroundwaterinminingareas.Basedontheengineeringdetectionresultsofself-healingofwater-conductingfracturesinNo.12401workingfaceofBuliantacoalminein15yearsaftermining,themechanismsofrepair-ingandreducingpermeabilityofwater-conductingfracturescausedbychemicalprecipitationgeneratedbythemixingofdifferentgroundwaterfromdifferentlayersafterminingarestudied.Theresultsshowthatthewater-conductingfracturesintheoverburdenhaddirectlydevelopedintotheQuaternarylooselayer,whichhadconnectedmultipleaquifersinthestrata.DuetothattheshallowgroundwatercontainsmoreCa2+,whilethebedrockgroundwatercontainsmoreCO32andHCO3,theCaCO3precipitationwillbeproducedwhenthetwokindsofgroundwatermeetandmixintheminingoverbur-den.Thesedimentmigrateswithwaterandiscontinuouslyadsorbedonthefracturesurface,thescalingprocessofinclu-sioncosedimentationconsolidationoccurs.Afteralongtimeofaccumulation,thescaleorinclusionwithcertaincorro-sionresistanceisfinallyformedtoplugandrepairthefractures.Theindoortestshowsthattheself-healingandpermeabil-ityreductioneffectofthewater-conductingfracturescausedbythisprocessisstableandrapid.Theabsolutepermeabilityofthefracturedrockspecimenisreducedfrom0.091015m2to0.00251015m2afternearlytwomonthsofmixedflowofsimulatedgroundwaterwithtwodifferentwaterquality,andthereisnoobviouspermeabilityfluctuationundertheconditionof1.5MPawaterpressure.Becausetheconfluenceandmixingofdifferentgroundwatermainlyoccurinthefracturedrockmassneartheminingboundary,theself-healingprocessofwater-conductingfracturesanditseffectindifferentareasofoverburdenwillbesignificantlydifferent.Theself-healingofoverburdenwater-conductingfracturesinthemiddleareaofNo.12401workingfaceismainlycausedbythewater-rockorwater-gas-rockinteractionscausedbyrainfallinfiltration,whilethewater-conductingfracturesneartheminingboundaryaredominatedbytheconfluencemixedflowreactionofdifferentgroundwaterandthewater-rockorwater-gas-rockinteractions,sotheself-healingeffectofthelattershouldbeobviouslybetter.Thefielddetectionresultsshowthatafter15yearsofself-healingevolution,thewater-conductingfrac-turesintheoverburdenneartheminingboundaryhavebeenself-repairedinthedepthrangeof86.7mto179.1m,whiletheoverburdeninthemiddleoftheminingareastillhaslocalunrepairedphenomenainthecorrespondingself-healingarea,withthedepthrangeof110.0mto118.6m,whichconfirmsthegoodrepaireffectofthechemicalprecipitationgen-eratedbytheintersectionandmixingofdifferentgroundwater.Key words:aquiferrestoration；confluenceandmixingofgroundwater；chemicalprecipitation；self-healingofwater-conductingfracture；greenmining煤炭地下开采引起的覆岩导水裂隙是造成地下水流失的主要通道，科学限制采动裂隙的导水能力是实现矿区地下水恢复的重要途径1-3。实际上，已有研究发现，覆岩导水裂隙在煤层采后的长期演变过程中，会出现导水能力(或水渗透率)逐步降低的“自修复”现象4-6，这种自修复与裂隙岩体在导水或导气过程中发生的水岩或水气岩相互作用密切相关4,7-9。相关作用过程中，裂隙面岩石矿物受溶解、溶蚀作用会发生元素的迁移与富集，原岩结构受破坏将发生泥化或软化，同时因离子交换作用会有次级矿物或结晶沉淀物的产生；由此在采动应力的持续压实作用下，受软化的破坏原岩发生流塑变形并压密采动裂隙，产生的衍生物则直接充填、封堵采动裂隙，最终出现裂隙降渗的自修复现象。现场工程实践中遇到的泥岩崩解或遇水膨胀、垮落岩块的再胶结成岩等现象即是上述“自修复”的典型体现5,10-11。文献 4,7-8 基于室内水CO2岩相互作用实验，揭示了不同岩性裂隙岩样在不同酸碱性水溶液条件下的自修复降渗规律，发现裂隙自修复过程渗透率的降低呈现“先快后慢”的分区特征，中性或碱性地下水条件有利于泥岩类岩石裂隙的自修复，而酸性地下水及富含 CO2条件有利于砂岩类岩石裂隙的自修复；同时还发现，水岩或水气岩相互作用过程产生的化学沉淀(如 Fe(OH)3、CaCO3等)，因其具有在裂隙通道中“吸附固结”的封第6期李全生等：导水裂隙的自修复地下水混流沉淀的影响2541堵特性12-15，成为维持裂隙修复降渗效果的关键因素。因此，弄清采动覆岩中化学沉淀的产生源头及其产生过程，对于分析与评价导水裂隙的自修复程度或效果具有重要指导意义。煤系地层形成过程中，通常会在不同地质年代或不同地层范围内形成富水性不一的含水层，这些含水层因其所处的地球化学环境不同16，其赋水理化特性一般也有所不同(如阴阳离子成分、pH 值、矿化度等)。当煤层开采引起的覆岩导水裂隙沟通或破坏多层含水层时，这些来自不同层位含水层的地下水在导水裂隙中流动时将出现交汇与混合；若它们之间存在能发生沉淀反应的离子成分(如其中某一地下水富含 Ca2+，另一地下水富含 CO32或 SO42)，那么产生的化学沉淀将会对相应区域裂隙岩体产生良好的修复作用，从而阻止或减缓地下水的进一步流失。因此，采后不同地下水交汇混流产生化学沉淀也是引起导水裂隙修复降渗的重要过程，研究其作用机理与规律对于进一步丰富与完善导水裂隙自修复机制具有积极促进作用。笔者基于神东矿区补连塔煤矿采后覆岩导水裂隙自修复的工程探测实例，就不同地下水交汇混流产生化学沉淀对导水裂隙的修复降渗机理与规律开展了理论研究与试验验证，以期为矿区采动地下水人工恢复技术研究提供参考与借鉴。1导水裂隙自修复的工程探测1.1试验区概况补连塔煤矿 12401 工作面位于 12 煤四盘区，是该盘区的首采工作面，其西翼为盘区边界煤柱，东翼为 12402 接续工作面(图 1(a)。该工作面已于 2007年开采完毕。工作面开采煤层埋深 221283m，上覆基岩厚度 180240m，地表大多被第四系松散层覆盖，具体岩层赋存如图 1(b)所示；煤层厚度 3.46.4m，(a)平面12401 工作面S19(2007 年 7 月)S21(2007 年 7 月)D1(2022 年 7 月)D2(2022 年 7 月)补连沟60 号55 号50 号45 号55 号50 号45 号第四系含水层(HCO3CaMg 型水)12401 工作面(2007 年)12402 工作面(2008 年)(HCO3ClNa 型水)D2 孔D1 孔(S19/S21)(b)剖面(S19/S21)探测的“导高”D1/D2 探测的“导高”直罗组含水层1 3051 307志丹群含水层(HCO3CaNaMg 型水)潜水位:31.5 m179.1 m174.4 m86.7 m110.0118.6 m(局部漏失区)冲洗液漏失区导水裂隙修复区风积砂砂砾岩岩性厚度/m细粒砂岩砂砾岩粗粒砂岩砂砾岩含砾中砂岩砾岩粗粒砂岩砾岩粗粒砂岩砾岩粗粒砂岩砂质泥岩粉砂岩砂质泥岩细粒砂岩砂质泥岩粉砂岩粗粒砂岩中粒砂岩11 煤细粒砂岩粉砂岩中粒砂岩12上 煤粉砂岩泥岩砂质泥岩12 煤Q4K1zhJ2aJ2zJ2y57.601.251.5810.720.808.504.942.603.6523.611.508.211.403.8710.628.8832.075.9012.923.303.861.182.344.305.000.179.919.601.325.92埋深/m57.6058.8560.4371.1571.9580.4585.3987.9991.64115.25116.75124.96126.36130.23140.85149.73181.80187.70200.62203.92207.78208.96211.30215.60220.60220.77230.68240.28241.60247.52图112401 工作面探测钻孔布置及含水层分布示意Fig.1Schematicdiagramofdetectionboreholelayoutandaquiferdistributionin12401workface2542煤炭学报2023年第48卷平均厚度 4.6m，变异系数 30%，煤层倾角 13。工作面走向推进长度4629m，倾向宽276m，设计采高4.3m。据水文地质报告显示，12 煤上覆岩层中共赋存 3组含水层或含水岩段(图 1(b)，由上至下分别为第四系全新统风积层/冲积层潜水含水层、白垩系志丹群孔隙含水岩段、侏罗系直罗组裂隙承压水含水岩段；各含水层对应的水质化验情况详见表 1，对应水文地质参数如下：第四系全新统风积层/冲积层潜水含水层。含水层岩性以黄土或风积粉砂、细砂、残坡积砂砾为主，煤田内分布较广；单位涌水量q0.11570.3600L/(sm)，渗透系数 k0.1165.350m/d，富水性弱中等；地下水化学类型为 HCO3CaMg 型，pH 值 7.57.9，水质佳。表 1 不同含水层水质成分Table 1 Water quality components of different aquifers含水层pH质量浓度/(mgL1)Na+Ca2+Mg2+NH4+ClSO42HCO3CO32NO3第四系含水层7.57.94.162.37.74.68.4210.910.2志丹群含水层8.18.842.499.213.80.149.217.8377.2直罗组含水层8.99.1423.22.51.20.2280.84.8511.567.8白垩系志丹群孔隙含水岩段。含水层岩性以各粒级的砂岩及砂砾岩为主，局部裂隙发育，特别是在顶部 20m 范围内，风化带岩石破碎、风化裂隙较为发育；单位涌水量 q=0.008350.01440L/(sm)，渗透系数 k=0.01740.0238m/d，富水性中等；由于没有较好的隔水层，所以与上部含水层有一定的水力联系。地下水化学类型为HCO3CaNaMg、HCO3CaMg型，pH 值 8.18.8，水质良好。侏罗系直罗组裂隙承压水含水岩段。含水层岩性以细粒砂岩、粉砂岩为主，并夹有砂质泥岩，单位涌水量 q=0.002630.00272L/(sm)，渗透系数 k=0.010600.00965m/d，富水性弱。地下水化学类型为 ClHCO3Na 型，pH 值 8.99.1，水质较差。1.2探测方案补连塔煤矿 12401 工作面曾于 2007 年 7 月开展了覆岩导水裂隙发育的工程探测17。采用钻孔冲洗液漏失量法，通过在工作面倾向中部对应地表施工了S19、S21 探测钻孔，得到了采后覆岩导水裂隙的发育情况，钻孔布置如图 1 所示。为了探究覆岩导水裂隙经历长时间演变后的“自修复”效果，在上述 2 个钻孔位置附近再次施工了 D1、D2 探测钻孔，其中 D1 孔位于工作面倾向中部，并处于 S19 和 S21 中间，D2 钻孔位于工作面西翼开采边界内侧附近，距离边界煤柱20m；两孔终孔深度均为 250m，直至 12 煤层底板，如图 1 所示。同样采用钻孔冲洗液漏失量法进行探测，现场探测工作于 2022 年 7 月实施，距工作面采后首次探测已有 15a。1.3探测结果与分析D1、D2 钻孔施工过程中的冲洗液漏失量和钻孔水位变化情况如图 2 所示。通过与工作面刚采后实施的 S19 钻孔的探测结果进行对比可发现，覆岩导水裂隙的自修复现象显著；在原先孔深 86.7174.4m内导水裂隙显著发育的区域，并未出现冲洗液大量漏失现象。具体地，D1 孔在钻进至孔深 110m 时，冲洗液漏失量由 0.19L/(sm)突增至 6.04L/(sm)，但继续钻进至孔深 118.6m 后，冲洗液漏失量又降低至0.75L/(sm)的较低值，且孔内水位出现缓慢回升现象；直至孔深 174.4m，冲洗液漏失量再次突增，同时孔内水位漏至孔底，且后续钻进直至终孔一直维持这种冲洗液大量漏失现象。D2 孔的探测结果也基本相同，但它在孔深 179.1m 以浅范围一直未出现冲洗液显著漏失现象。综合 2 个钻孔的探测结果可见，12401 工作面采动覆岩在历时 15a 后整体自修复效果明显，导水裂隙带顶界面已由刚采后的孔深 86.7m位置降低至孔深 174.4179.1m 处，覆岩导水裂隙发生自修复对应的垂深范围达到 87.792.4m。另一方面，由两孔的探测对比也发现，D1 孔在110.0118.6m 深度曾出现暂时的冲洗液大量漏失现象，说明对应区域仍存在裂隙通道尚未完成修复的现象；从这一角度看，开采边界附近对应覆岩导水裂隙的自修复效果优于工作面中部。而这一实测结果恰恰与传统的“中部压实区裂隙修复效果应优于边界张拉区”认识相左，这显然与各自区域水岩或水气岩相互作用过程及其引起的导水裂隙自修复机理密切相关，具体将在后节详细讨论。2地下水交汇混流对导水裂隙的修复机理2.1地下水混流产生沉淀修复裂隙的过程图 3 为根据内蒙古补连塔煤矿 12401 工作面水文地质条件绘制而成的采后地下水流动示意。煤层第6期李全生等：导水裂隙的自修复地下水混流沉淀的影响2543开采过程中，采空区上方含水层中赋存的地下水(静态储水)将逐步流失殆尽，直至工作面回采结束，地下水将长期主要以横向补给方式由采区外围向采空区流动，最终疏排至井下成为矿井涌水。因此，在采动覆岩长期演变的自修复进程中，采区边界附近的裂隙岩体主要接受受损含水层地下水的横向补给径流3，而采区中部区域的裂隙岩体中，则主要由大气降雨补给至第四系松散层的水体径流通过。这种差异将直接造成对应区域发生的水岩或水气岩相互作用过程的不同。在采区边界附近岩体中，不同层位地下水以横向补给方式不断向采空区裂隙岩体径流，在此过程中，既会有引言中所述地下水与裂隙岩体、采空区气体发生水岩或水气岩相互作用对裂隙的修复降渗过程，还会出现因不同层位、不同水质地下水混合与交汇产生的化学沉淀(简称“混流反应”)对裂隙的修复降渗作用；考虑到针对前者已有不少研究开展4,7-9，本节重点对后者的作用过程和机理进行分析。根据表 1 所示的水质化验结果，浅部的第四系全新统和白垩系志丹群含水岩组地下水中 Ca2+质量浓度偏多，而下位的直罗组地下水中 CO32、HCO3质量浓度较多，2 者汇聚将直接引起 CaCO3沉淀的产生(式(1)、(2)。Ca2+CO23 CaCO3(1)2602101601106010036912孔深/m2602101601106010孔深/m冲洗液漏失量/(L(ms)1)S19 孔(2007年)D1 孔(2022年)D2 孔(2022年)S19 孔(2007年)D1 孔(2022年)D2 孔(2022年)050100150200250300钻孔水位/m(a)冲洗液漏失量(b)钻孔水位注：S19 和 S21 钻孔的探测结果基本相同，故图中仅以 S19 孔的探测结果为代表17。图212401 工作面采后 15a 覆岩导水裂隙发育的钻探结果Fig.2Drillingresultsofwater-conductingfracturedevelopmentinoverburdenof12401workface15yearsaftermining导水裂隙发育示意CaCO3 修复裂隙示意导水裂隙发育示意CaCO3 修复裂隙示意CaCO3 修复范围迹线Ca2+Ca2+Ca2+Ca2+Ca2+Ca2+Ca2+Ca2+Ca2+地下水HCO3HCO3其他.Na+地下水Na+其他.地下水交汇,CaCO3 生成第四系含水层志丹群含水层直罗组含水层CO32CO32CO32CO32降雨补给降雨补给Cl注：据图 1 柱状，第四系全新统含水层与白垩系志丹群含水层间无明显隔水层，故图中 2 者地下水流动按一体绘制。图3地下水交汇生成 CaCO3修复裂隙及导水裂隙分布的镜像示意Fig.3ImagediagramofCaCO3repairingfracturesandwater-conductingfracturesdistribution2544煤炭学报2023年第48卷HCO3+OH CO23+H2O(2)CaCO3沉淀自产生后即随水扩散流动，因其所带电荷与岩石中的主导矿物石英正好相反，在迁移过程中将不断吸附于裂隙通道中18；同时其表面附着的Ca2+会进一步促进新的沉淀覆盖在已形成的 CaCO3晶体上，表现为裂隙面吸附 CaCO3、CaCO3吸附 CaCO3的晶种着床与晶体生长过程。由此，沉淀物不断产生，并层层包裹、固结生长，呈现出包藏共沉固结的结垢过程12-15。当 CaCO3沉淀的这种持续产生与迁移吸附累积至一定程度时，裂隙中将形成一定范围的结垢物或包结物，堵塞通道，最终实现裂隙的修复降渗。2.2地下水混流产生沉淀修复裂隙的试验测试为了验证上述不同地下水交汇混流对导水裂隙的修复降渗机理，利用自行研制的裂隙岩样(图 4)自修复降渗试验测试装置，开展了室内试验与测试研究。图4试验用单裂隙砂岩样Fig.4Singlefracturedrockspecimen2.2.1试验测试方案(1)岩样试件制备。采用补连塔煤矿现场采集的直罗组砂岩样开展试验。首先，将岩样加工成直径25mm、高 100mm 的圆柱形试件；其次，利用巴氏劈裂法在压力试验机上将试件人为劈裂，以制作形成单裂隙岩样，如图 4 所示。(2)模拟地下水配制。模拟补连塔煤矿地下水的水质情况，用去离子水和化学试剂配制成一定浓度的水溶液来模拟地下水(图 5)。考虑到第四系全新统地下水受季节影响较大，而白垩系志丹群地下水相对稳定，且 2 者的水质特征相差不大，因而根据志丹群地下水成分来模拟配制浅层地下水。根据表 1 的现场水质化验情况，用去离子水和 CaCl2、NaHCO3配制成 Ca2+和 HCO3质量浓度分别为 99mg/L 和 377mg/L的水溶液以模拟浅部地下水，对应每升去离子水中需添加的 CaCl2和 NaHCO3试剂量分别为 274.7mg 和519.1 mg；同 理，用 去 离 子 水 和 NaHCO3、NaCl、Na2CO3配制成 HCO3、Cl和 CO32质量浓度分别为510、280 和 65mg/L 的水溶液以模拟直罗组地下水，对应每升去离子水中需添加的 NaHCO3、NaCl 和Na2CO3试剂量分别为 702.3、461.4 和 114.8mg。+图5模拟地下水配制Fig.5Simulatedgroundwaterpreparation(3)试验过程。采用图 6 所示的实验装置开展相关试验测试工作，实验系统主要由 2 个恒压恒速泵、2 个中间容器、1 个岩心夹持器、1 个环压泵，以及相关阀组、管路等组成。其中 A 泵用于注入模拟浅部地下水，B 泵用于注入模拟直罗组地下水。B 泵 A 泵 岩心夹持器 图6不同地下水交汇混流产生化学沉淀对裂隙岩样的修复降渗试验装置Fig.6Testdeviceforrestoringrockfracturebyprecipitationgeneratedbymixingdifferentgroundwater首先，进行裂隙岩样原始绝对渗透率的测定。将裂隙岩样试件充分饱水后装入岩心夹持器中，并施加第6期李全生等：导水裂隙的自修复地下水混流沉淀的影响25455MPa 的围压；开启 A 泵，以 5mL/min 的恒定流量向裂隙岩样注入模拟地下水，待渗流稳定后，根据监测得到的岩心夹持器注入端的水压，按照绝对渗透率的计算公式确定其初始渗透率。其次，开展不同地下水交汇混流条件下的裂隙岩样渗透率变化规律的试验测试。按照现场曾开展的探放水钻孔和水文地质勘探钻孔的抽水试验与测试结果，浅部地下水的渗流量明显高于直罗组地下水，前者约为后者的 1.5 倍，故将 A 泵的流量设定为3mL/min，B 泵设定2mL/min，总流量仍保持5mL/min。同时开启 A、B 泵，以模拟不同地下水交汇后在裂隙岩体中的渗流过程。试验过程中实时监测岩心夹持器注入端的水压变化情况，以反映不同地下水交汇产生 CaCO3沉淀对裂隙的封堵降渗效果。最后，当测试得到的裂隙岩样的渗透率状态与直罗组含水层岩组的渗透能力相当时(即岩心两端压力差达 1.5MPa)，视为自修复的结束，关闭 A、B 泵，停止试验并取出岩样。待岩样自然干燥后，采用体视显微镜对裂隙面沉积的沉淀物分布形态进行观测，以考察沉淀物在裂隙通道中的吸附固结过程，为解释裂隙岩样渗透率变化机理提供依据。2.2.2试验结果与分析如图 7 所示，在累计试验时长超过 2 个月后，裂隙岩样两端压力差已达到 1.5MPa，且表现出显著的降渗修复特征，绝对渗透率已由初始的 0.07510150.0901015m2降低为 0.00251015m2，降渗幅度达 30 倍；试验结束时对应的裂隙岩样渗透系数已达到直罗组含水岩组对应岩层的原始渗透系数。可见，不同水质特征的地下水交汇混流产生的化学沉淀对导水裂隙产生了十分显著的修复作用。00.20.40.60.81.01.21.41.60.020.040.060.080.100510 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65进出口压差/MPa绝对渗透率/1015 m2时长/d绝对渗透率进出口压差图7裂隙岩样的降渗和升压曲线Fig.7Permeabilityreductionandpressurerisecurves由图 7 可以看出，裂隙修复过程呈现一定的分区性，升压速率呈现先慢后快趋势。在初始阶段，岩心两端压力差保持平稳升高趋势(因出水端未施加回压，因而压力差等同于注水压力)，但试验至第 25 天左右时，压力曲线的波动性开始显现，曾出现 2 次较为明显的“失压”现象，且压力差越大，这种“失压”的程度越大。表明随着水压的增大，水力渗流对 CaCO3沉淀物的冲蚀作用显现，导致原先已吸附于裂隙表面的沉淀物可能受水力冲蚀作用而流失，引发“失压”现象。然而，随着沉淀物不断吸附沉积于裂隙通道中，注水压力随之增高，当水压增高至 0.9MPa左右时，这种“失压”现象未再出现，表明水压增大到一定程度后，其反而能对裂隙面沉积的沉淀物起到一定压实或密实作用，从而可能提高其堵塞的稳定性。由上述试验结果可以推断，工作面采后不同地下水在导水裂隙中交汇混流过程中，水力冲蚀与 CaCO3的吸附固结一直处于对冲状态；显然，水流速度及水压越小、沉淀物的产生速度与产生量越大，则沉淀物的固结成垢越能占据主导优势。补连塔煤矿 12401工作面覆岩含水层涌水量相对偏低，因而在历时 15a后产生了很好的自修复效果。同时，通过将试验后的裂隙岩样放置到体视显微镜上观测后发现(图 8)，CaCO3晶体在裂隙面的吸附(a)裂隙面吸附的 CaCO3晶体(b)排出水溶液表面漂浮的沉淀物图8岩样裂隙面及出口处观测到的 CaCO3沉淀物Fig.8CaCO3sedimentobservedatrockspecimenfracturesurfaceandoutlet2546煤炭学报2023年第48卷固结的“生长”现象显著，晶体呈现典型的“针状”或“丝状”形态，晶体间相互吸附、包裹，最终形成一定的密实体堵塞于裂隙通道中，最终修复裂隙、引起水渗流能力降低。在岩心出口处盛放流出水溶液的烧杯中也观测到了 CaCO3的存在，这可能由于试验的岩样试件较短，混流产生的沉淀物并未能全部吸附停留在裂隙通道中。3讨论(1)结合补连塔试验面覆岩导水裂隙的分布与发育特征，推断绘制了 CaCO3修复裂隙岩体的迹线变化范围(图 3)。由于采区边界附近岩层处于破断回转的张拉状态，裂隙开度大、导水能力能，需要沉淀物充填或封堵的空间相对较大，导致沉淀物在流经此区域时产生结垢堵塞的难度显著增加，因而其修复迹线表现为“下凹”形态。一旦直罗组含水层底界附近岩层在对应张拉裂隙区完成沉淀物的修复后，交汇地下水的流动路径将发生改变，将由原先以垂向径流为主的方式逐步变为以横向径流为主，由此沉淀物的修复将向横向扩展，逐步扩大修复裂隙的平面覆盖范围。随着受 CaCO3修复的裂隙岩体范围不断增大，CaCO3修复的迹线也进一步上移，同时缓慢抬升直罗组地下水位；由于远离开采边界位置的裂隙开度逐渐变小，受CaCO3的难度随之降低，一旦某处裂隙受修复发生堵塞，将诱导交汇的地下水向上迁移渗流，由此在该处将形成“上凸”的修复迹线。这种“上凸”一定程度上将阻碍沉淀物随水向采区中部的迁移，从而影响中部区裂隙的修复效果。当直罗组含水层对应导水裂隙带侧向轮廓线处的修复迹线达到其顶界面时，含水层内水体将难以再向采空区渗流，它与上部浅层位地下水的交汇以及沉淀物的修复就此结束。此后，将单纯是浅层位地下水与裂隙岩体的相互作用。可见，仅当开采边界附近裂隙岩体受修复达到一定范围时，混合地下水及其产生的 CaCO3沉淀才能通过横向径流方式流向采区中部裂隙岩体，在此之前，其长期仅由季节性降雨补给渗流通过，主要发生水岩相互作用引起的修复降渗过程(中部采空区气体不富集)。可见，对于采区中部裂隙岩体，其自修复进程的前期由水岩相互作用主导，后期则由混流反应和水岩相互作用共同主导；相比而言，采区边界附近裂隙岩体在整个自修复进程中几乎均为混流反应和水岩或水气岩相互作用共同主导。由于水岩或水气岩相互作用涉及的溶解、溶蚀以及在此之后产生的离子交换等物理、化学反应过程较为缓慢，虽然其间也会有化学沉淀或次生矿物等衍生物质的产生，但其产生量及其产生速度相比混流反应产生化学沉淀的对应量明显偏小，因而单纯依靠水岩或水气岩相互作用难以对裂隙产生较好的修复降渗效果，尤其对于非泥质岩性、裂隙开度偏大的裂隙岩体。这一点可由已有研究与前述试验测试结果的对比作进一步验证。文献 8 开展了神东典型岩性裂隙岩样在水气岩相互作用下的自修复降渗试验，其裂隙岩样初始渗透率略低于本试验岩样，但在历经近 15 个月时间的自修复作用后，绝对渗透率仅由 0.0331015m2降低至 0.0151015m2，降渗幅度及降渗效率均明显偏低。在其自修复试验中，虽然也观测到了铁/钙质沉淀的产生，并