采动岩体裂隙自修复的水-CO2-岩相互作用试验研究

鞠金峰，李全生，许家林，杨 磊

(1.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; 2.中国矿业大学 物联网(感知矿山)研究中心，江苏 徐州 221008; 3.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京 100011; 4.国家能源投资集团有限责任公司，北京 100011; 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 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

煤炭开采引起的覆岩导水裂隙是造成煤矿区地下水资源流失与地表生态退化的主要原因，科学控制采动破坏岩体裂隙发育的程度与范围、合理限制采动裂隙的导水能力，是实现煤矿区保水采煤的重要途径[1-2]。已有的研究多是通过降低采高或改变开采工艺(如充填开采)等方式来限制导水裂隙带的发育高度[2-8]，从而避免含水层被破坏;然而这一对策在我国西北部的高产高效矿区却难以适用。由于该区域煤层赋存普遍埋藏浅、厚度大、层数多，采煤引起的含水层破坏与地下水流失往往难以避免。因此，采取其他措施(如注浆封堵)限制采动裂隙的导水能力、促进裂隙的修复愈合，成为采动破坏含水层生态再恢复的另一有效途径[8-9]。

现场已有的工程实践发现，煤层开采引起的破坏覆岩，在一定条件下会产生一定程度的自我修复效应，出现破碎岩块的胶结成岩以及破断裂隙的弥合、甚至尖灭等现象，从而使得覆岩导水裂隙发育范围减小、区域水源水位回升。如，厚煤层分层开采中利用“再生顶板”[10-11]进行下分层顶板管理的开采实践，即说明了上分层冒落岩块的自胶结成岩现象。再如，神东矿区补连塔煤矿1-2煤四盘区开采时，覆岩导水裂隙直接发育至基岩顶界面，导致地表水文观测钻孔内水全部漏失;而随着工作面开采的继续推进，钻孔内水位又出现逐步恢复的现象[2]。顾大钊、张建民等利用物探方法开展的煤层开采前后覆岩含水性分布变化的结果也验证了采动破坏岩体裂隙自修复的现象[12-13]。以神东矿区超大综采工作面为地质背景，采用高精度四维地震多属性探测方法，获得了采前、采中、采后直至稳定状态下地下水赋存环境变化特征，发现在应力场作用下，裂隙带原岩结构具有自修复倾向，地下水漏失程度也随之逐步减弱。由此可见，采动破坏覆岩的自修复是现实存在的客观现象，研究揭示此类自修复现象的发生机理与作用规律对于科学制定导水裂隙限流保水的生态修复措施具有重要的指导意义。

实际上，采动覆岩破坏后的自修复是地下水、采空区气体、破坏岩体3者的“水-气-岩”物理、化学作用与地层采动应力共同影响的结果;现场工程实践中经常遇到的泥质或黏土质岩石遇水膨胀导致裂隙弥合的物理过程和现象[14-16]，即是其中的典型代表。在覆岩采动裂隙动态发育过程中，受扰动的地下水以及采空区的CO2,SO2,H2S等气体将通过导水(气)裂隙通道流散并与破坏原岩发生充分反应，岩石中的元素受溶解和溶蚀等作用发生迁移与富集，导致原岩结构被破坏而发生泥化、软化，并生成次级矿物及新的结晶沉淀物[17-20]。如此，在采动地层应力的压实和水平挤压作用下，受软化的破坏原岩发生流塑变形并压密采动裂隙;生成的次级矿物和结晶沉淀物则直接充填、封堵采动裂隙、孔隙等缺陷。长时间的累积作用后，采动覆岩一定范围内的裂隙将发生弥合与尖灭，最终降低裂隙岩体的水渗流能力，甚至可恢复至原岩的隔水状态。也正因为这一过程，才出现了前面所述冒落岩块的自胶结成岩以及地下水位的回升现象。因此，采动破坏岩体的自修复与采空区不同岩性岩石的水-气-岩相互作用过程密切相关，研究掌握裂隙岩体在水气岩相互作用过程中的水渗流变化规律，对于科学揭示此类自修复现象的作用机理和规律具有重要参考意义。

基于此，笔者利用现场采集以及人工配置的具有不同化学特征的地下水样，选取采空区广泛赋存的CO2气体，与含裂隙的砂质泥岩试样开展水-CO2-岩相互作用实验，分析实验过程中裂隙岩样的水渗流变化规律以及裂隙面矿物组分，为揭示裂隙岩体自修复机理提供依据。

1 实验方案设计

1.1 试样的制备

实验岩样选择某煤矿采集的砂质泥岩，通过X衍射测试得到该砂质泥岩主要由石英、菱铁矿、以及黏土矿物等矿物组成，具体成分占比详见表1。首先将岩样加工成直径5 cm，高10 cm的圆柱形试件，然后将试件放入MTS压力试验机中进行人为加载破坏，从而形成含有裂隙的岩石试件，如图1所示。

表1 实验前后砂质泥岩裂隙面各类矿物成分的变化
Table 1 Mineral composition changes on the fracture face of the sandy mudstone specimen before and after the experimentv

注:表中所列数据为各类矿物占岩石总矿物成分的相对百分比，而非绝对量;I/S间层比表示伊蒙间层中伊利石的占比。

1.2 水溶液配置

表2 实验前后水溶液主要离子成分与pH值
Table 2 Ionic composition changes and pH value of the aqueous solution before and after the experiment

方案离子质量浓度/(mg·L-1)Na+HCO-3CO2-3Cl-NH4+Fe3+,Fe2+K+Ca2+Mg2+NO2-pH方案1实验前36.87162.740.054.330.840.090.0613.798.600.246.60(现场水样)实验后88.96312.4214.409.57005.3824.7920.5508.12方案2实验前372.62899.5048.746.951.550.070.022.080.260.018.43(配置水样)实验后465.051 126.1299.619.361.770.473.490.360.3710.58.83

1.3 实验过程

将裂隙岩石试件的圆柱侧面用硅胶涂抹密封，然后将其封装至水-CO2-岩相互作用容器中，并用树脂胶对试件与容器之间的空隙进行填充，使得水溶液仅能通过试件的上下面渗流。向容器中倒入水溶液，并用气管插入水溶液中持续供入CO2气体，如图2所示。考虑到方案2水溶液呈碱性，持续通入CO2气体会降低其pH值，影响实验评价目标。因此，仅对方案1的现场采集水样通入CO2,CO2气体的通入流量为4～6 mL/min。

图2 水-CO2-岩相互作用实验装置Fig.2 Experimental equipmens of the water-CO2-rock interaction

实验过程中间隔1～2周打开泄水阀进行裂隙岩石试件水渗流特性的测试，测试完毕后将放出水溶液重新倒回容器中，继续水-CO2-岩相互作用。具体实验时，首先测试水溶液温度并确定其黏度;其次打开泄水阀使水溶液在自重条件下沿裂隙岩样渗流(考虑到裂隙岩样的渗透性相对偏高，故未专门施加水压)，根据水溶液渗流时其液面降低一定高度对应的压力梯度、流量和速度，计算岩样的绝对渗透率值。实验结束后，从容器中取出岩石试件、放出水溶液，对裂隙面附近的岩石矿物成分和水溶液离子成分进行测试，并与实验前岩样的矿物成分和水溶液离子成分进行对比，以评价长期水-CO2-岩相互作用对岩石矿物成分和水溶液离子成分的影响规律。

2 实验结果与分析

2.1 裂隙岩石试件的水渗流变化

经过近8个月的水-CO2-岩相互作用实验，测试得到了砂质泥岩含裂隙试件分别在酸性和碱性溶液条件下的水渗流特征变化规律。图3为裂隙岩石试件随实验时间的绝对渗透率变化曲线，无论是在酸性溶液还是在碱性溶液条件下、无论水溶液中是否通入CO2气体，裂隙岩石试件的绝对渗透率均呈逐步下降的现象。其中，方案1酸性溶液条件下，在实验的前120 d内，裂隙岩石试件的绝对渗透率由4.32×10-12m2逐步降低至0.185×10-12m2;而后在后续的111 d时间内又缓慢降低至5.58×10-15m2的最低值(仅为初始值的1.3×10-3倍);绝对渗透率的递减呈现出明显的分段变化特征。与此类似，方案2碱性溶液条件下裂隙岩石试件的绝对渗透率也呈现出类似的特征，但在分段变化趋势上又与方案1表现出一定的差异。在实验开始的47 d内，绝对渗透率由10.6×10-12m2呈波动式快速降低至0.871×10-12m2，继而在后续的45 d内缓慢下降至0.076 9×10-12m2的最低值，而后又在实验末期的123 d内出现绝对渗透率小幅回升现象，其值在0.233×10-12～0.629×10-12m2波动，约0.431×10-12m2，为初始值的4.1×10-2倍。由此可见，虽然两方案对应裂隙岩石均表现出明显的自修复特征，但受水溶液酸碱度的影响，其自修复进程又呈现出明显差异。碱性条件下裂隙岩石的自修复进程相对更快，但其最终的绝对渗透率却明显偏高，其相对初始值的下降幅度也明显偏低;且在实验末期还出现了水渗透率的反弹现象。这显然是与不同酸碱度水溶液下水-CO2-岩的相互作用过程紧密相关的，同时也与两者明显不同的初始渗透率有关(方案2使用的岩石试件受人为破坏程度更大，裂隙更为发育)，具体将在后文讨论分析。

图3 裂隙岩石试件的绝对渗透率变化曲线Fig.3 Varying curves of absolute permeability of the fractured rock specimen

值得说明的是，在方案1实施过程中，为了探究CO2通入流量是否会对裂隙岩石的自修复进程产生影响，在实验进行的第2个月(第32～63 d)，将CO2通入量加大至1～20 mL/min，由此造成裂隙岩石试件绝对渗透率明显上升;而后当将CO2通入量恢复至原来的4～6 mL/min时，裂隙岩石试件的绝对渗透率也相应恢复为递减趋势;可见CO2通入量提高对裂隙岩石自修复进程会有明显的抑制作用。

2.2 岩石试件裂隙面矿物组分变化

在实验结束后，将裂隙岩石试件由反应容器中取出后发现，无论是方案1还是方案2，试件表面及其裂隙面均附着了一些铁锈或泥质成分的物质，如图4所示。由此反映出水-CO2-岩相互作用过程中相关物理、化学作用导致的部分衍生矿物或沉淀物的生成。通过对实验后裂隙面刮取部分岩样进行扫描电子显微镜(SEM)和X衍射(XRD)测试，发现裂隙面矿物晶体的微观结构及其组分均发生了明显变化。

图4 实验后裂隙岩石试件表面附着的铁、泥质成分物质Fig.4 Iron and argillaceous matter on the fracture face after experiment

2.2.1裂隙面矿物晶体的微观结构变化

通过对两方案实验前后对应裂隙面各类矿物的微观结构形态进行扫描电镜测试后发现，在长期的水-CO2-岩相互作用下，岩石试件裂隙面发生了原生矿物的溶解、溶蚀以及新的衍生矿物或沉淀物出现的现象。

无论是方案1酸性水溶液还是方案2碱性水溶液条件下，岩石试件裂隙面的菱铁矿、绿泥石、伊利石或伊/蒙间层等矿物的微观结构形貌都发生了显著改变，矿物晶体受溶解、溶蚀的现象十分明显。如图5、表3所示，根据其能谱分析的元素构成及微观形貌可判断其为菱铁矿晶体。由图5、表3可知，实验前原岩中的菱铁矿晶体表面光滑、棱角分明，但实验后的菱铁矿晶体却呈现出表面粗糙、棱角模糊且有明显溶蚀缺口的现象。而绿泥石以及伊利石或伊/蒙间层矿物晶体也发生了类似的变化，如图6，7、表4，5所示。实验后的绿泥石晶体形态破碎，不像原岩中呈现规整的片状形态;而实验后的伊利石或伊/蒙间层矿物晶体表面则变得明显粗糙。

图5 实验前后岩样裂隙面菱铁矿晶体微观形貌的扫描电镜测试结果Fig.5 SEM test results of the micromorphology of Siderite crystal on the fracture face before and after the experiment 注:图中方框区域元素构成的能谱分析是为了确认所探测区域即为对应矿物，下同。

表3 图5能谱分析
Table 3 Spectrum analysis of Fig.5%

元素图5(a)方框处质量百分比原子百分比图5(b)方框处质量百分比原子百分比图5(c)方框处质量百分比原子百分比图5(d)方框处质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

同时还发现，在实验后的裂隙面原生矿物晶体的间隙中，还出现了新的衍生矿物或沉淀物的充填或覆盖现象。如图8、表6所示，方案1实验后在裂隙面原生菱铁矿和石英矿物晶体表面及间隙中发现了新的衍生矿物的存在，根据X射线能谱分析探测其元素构成的分析结果，可推断其为衍生高岭石矿物(衍生高岭石矿物形态不如原生的规则);同时，在原生高岭石矿物表面发现含铁物质的存在，因其形态并非像菱铁矿那样呈规则六面体状，故推断其为新生成物质，根据能谱分析结果，应为铁的氧化物(如铁锈)。而图9，表7所示的方案2实验后的裂隙面也出现了类似的现象，在原生伊利石或伊/蒙间层矿物晶体表面及间隙中发现了充填的衍生高岭石矿物，在原生片状高岭石矿物晶体表面发现覆盖有含铁沉淀物。

图6 裂隙面绿泥石矿物在实验前后的微观结构变化Fig.6 Micromorphology change of Chlorite crystal on the fracture face before and after the experiment

图7 裂隙面伊利石或伊/蒙间层矿物在实验前后的微观结构变化Fig.7 Micromorphology change of Illite and Illite/Smectite mixture layer on the fracture face before and after the experiment

表4 图6能谱分析
Table 4 Spectrum analysis of Fig.6%

元素图6(a)方框处质量百分比原子百分比图6(b)方框处质量百分比原子百分比图6(c)方框处质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 图7能谱分析
Table 5 Spectrum analysis of Fig.7%

元素图7(a)方框处质量百分比原子百分比图7(b)方框处质量百分比原子百分比图7(c)方框处质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

图8 方案1实验后裂隙面原生矿物晶体间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 图8能谱分析
Table 6 Spectrum analysis of Fig.8%

元素图8(a)方框处(高岭石)质量百分比原子百分比图8(b)方框1处(原生石英晶体SiO2)质量百分比原子百分比图8(b)方框2处(衍生高岭石矿物)质量百分比原子百分比图8(c)方框1处(原生高岭石矿物)质量百分比原子百分比图8(c)方框2处(含铁沉淀物)质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 图9能谱分析
Table 7 Spectrum analysis of Fig.9%

元素图9(a)方框1处(原生伊利石或伊/蒙间层)重量百分比原子百分比图9(a)方框2处(衍生高岭石矿物)质量百分比原子百分比图9(b)方框1处(原生高岭石矿物)质量百分比原子百分比图9(b)方框2处(含铁沉淀物)质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裂隙面矿物成分含量变化

为了进一步探究裂隙面矿物成分的变化，采用X衍射测试方法对两方案对应实验前后裂隙面的矿物成分及其含量进行了测定，表1所示的测试结果验证了上述矿物微观结构变化的现象。可见，两方案对应裂隙面各类矿物成分含量的占比均发生了显著的变化;若以化学性质较为稳定的石英矿物(SiO2)的含量为基数，则实验前、实验后方案1、实验后方案2对应裂隙面3类矿物(石英∶菱铁矿∶黏土矿物)的组分比分别为1∶1.79∶0.66,1∶0.41∶0.55以及1∶1.7∶0.63;表明方案1裂隙面的菱铁矿含量急剧减小，黏土矿物含量小幅降低;而方案2裂隙面菱铁矿及黏土矿物的含量降幅相对较小。而若单纯考量黏土矿物成分，两方案裂隙面黏土矿物中各类组分的占比也发生了变化，具体表现为绿泥石的消失、伊/蒙间层或伊利石含量的降低、以及高岭石含量的增高;类似地，方案1对应这种变化程度较方案2更为显著。

由此可见，根据前述扫描电镜的微观测试结果，X衍射测试得到的菱铁矿、绿泥石、以及伊利石或伊/蒙间层等矿物含量的减少，主要是由于这些矿物受水-CO2-岩相互作用而发生的溶解、溶蚀过程造成的，而高岭石矿物含量的增加以及裂隙面出现的铁锈质成分，主要是由于上述矿物溶解、溶蚀过程中发生了化学反应、生成了新的物质所造成的。

所以，根据上述测试结果有理由相信，裂隙岩石试件在实验过程中出现的水渗透率下降的自修复现象，与此过程中发生的上述矿物的溶解、溶蚀与新物质的生成密切相关。

2.3 水溶液化学成分变化

2.4 讨 论

(1)无论是在酸性水溶液还是碱性水溶液条件下，砂质泥岩含裂隙岩石试件在长期水-CO2-岩相互作用过程中均呈现出了水渗流能力逐步降低的自修复现象，这与引言中所述相关研究学者在现场实测中发现的采后地下水位回升、采动破坏岩体含水率下降等现象相符，体现了采动导水裂隙自修复效应的客观存在。

(2)实验过程中岩样绝对渗透率呈现出“先快后慢”的分区下降特征;这与水-CO2-岩相互作用过程中黏土矿物遇水膨胀的物理作用、以及新的衍生矿物或沉淀物生成的化学作用密切相关。考虑到黏土矿物的遇水膨胀作用过程相比新物质化学生成的进程明显偏快，因而可推断前期阶段水渗透率的快速下降现象主要是由伊/蒙间层等黏土矿物遇水膨胀引起的裂隙空间减少造成的;而随着实验时间的累积，岩石中一些矿物受溶解、溶蚀作用形成的离子与水溶液中的离子发生离子交换化学反应，从而引起高岭石衍生矿物或Fe(OH)3,Fe2O3等含铁沉淀物的生成;这些新的物质在裂隙面逐渐堆积充填，最终引起裂隙导水能力的降低。由于碱性条件下黏土矿物中铝氧八面体的Al-O-H键更易电离出H+并造成其表面负电荷增加，会使得晶层间斥力增大、促使黏土矿物更易水化膨胀或分散[21]，所以在方案2碱性水溶液条件下，前期阶段绝对渗透率的下降速度要明显高于方案1酸性条件下。

(3)水溶液的酸碱度会直接影响裂隙岩体的自修复效果，这与不同酸碱度条件下岩石黏土矿物遇水膨胀量以及生成的衍生矿物或沉淀物的量都有紧密关系。从本文开展的砂质泥岩的水-CO2-岩相互作用而言，酸性水溶液条件更有利于裂隙岩体的自修复，且自修复后期不易出现水渗流能力的“反弹”现象。

(4)方案2碱性水溶液条件下，实验后期出现的岩样绝对渗透率的“反弹”现象应该是裂隙面岩石矿物受溶解、溶蚀作用导致裂隙开度变大造成的。随着水溶液对裂隙面矿物的溶解、溶蚀，裂隙面粗糙度会逐渐降低[22]，这将不利于衍生矿物或沉淀物在裂隙通道中的附着或充填。同时，由于本实验中未能对岩石试件实现加载，使得开度增大的裂隙不能进一步贴合，从而造成渗透率的增大。这虽与采动岩体处于应力约束的实际条件不符，但这并不会影响本实验对裂隙岩体自修复机理的验证分析。

(5)CO2通入量增加会对酸性水条件下砂质泥岩裂隙岩体的自修复效果产生负面影响(对于其他岩性岩石是否有影响尚待研究)，这可能与CO2参与化学反应的过程及其矿物成分有关。CO2易与岩石中的原生铝硅酸岩(如长石)发生这样的反应[17]:原生铝硅酸岩+H2O+CO2黏土矿物+石英+碳酸盐+OH-。由于本实验所用砂质泥岩中仅有一些黏土矿物含有铝硅酸盐，铝硅酸盐含量较小，加大的CO2量无法充分反应，而易以碳酸的形式对裂隙面矿物产生溶蚀作用，从而增大裂隙开度，提高水渗流能力，最终对裂隙岩石自修复进程产生阻滞作用。

3 结 论

(1)开展了砂质泥岩裂隙岩样分别在酸性和碱性水溶液条件下的水-CO2-岩相互作用实验(为期近8个月)，获得了裂隙岩样实验过程中水渗流能力逐步降低的现象和规律，验证了现场工程实践与实测中发现的采动破坏岩体裂隙自修复的现象。

(2)利用X衍射和扫描电镜测试手段，对裂隙岩样的自修复过程进行了合理解释。裂隙岩样的自修复与水-CO2-岩相互作用过程中发生的物理化学反应密切相关;其中包括黏土矿物遇水膨胀的物理反应对裂隙空间的压缩，以及矿物溶解、溶蚀后与水溶液离子发生化学反应生成的衍生矿物或沉淀物对裂隙的充填封堵。碱性水条件更利于黏土矿物的遇水膨胀，而酸性水条件则更利于衍生矿物或沉淀物的生成。总体而言，酸性水溶液条件更有利于裂隙岩体的自修复。

(3)初步发现加大CO2通入量会对酸性水溶液条件下砂质泥岩裂隙岩体的自修复效果产生负面影响。这可能是由于砂质泥岩中铝硅酸盐含量较小，导致多余的CO2无法充分反应，而易以碳酸的形式对裂隙面产生溶蚀作用，造成水渗透性的增高。

(4)本文的研究仅是选取砂质泥岩样品开展的水-CO2-岩相互作用实验，且尚未实现围压条件下的水渗透率测试。显然，当岩样岩性、水溶液成分、围压大小等因素改变时，相应裂隙岩样的自修复规律也会发生变化，但其自修复机理和过程应该是类似的。限于篇幅，本文未能一一详述，后期将另撰他文开展更深入的研究。