AMD渗流对裂隙灰岩溶蚀作用及降渗机理研究

莫云川，左双英,2，付 丽，陈世万,2

(1.贵州大学 资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学 喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室，贵州 贵阳 550025)

贵州岩溶发育且煤层含硫量高，大量煤矿闭坑后酸性地下水水位抬升，加剧了上覆采动碳酸盐岩体化学溶解、裂隙渗流及应力场失衡。因此，研究碳酸盐岩在酸性环境下的溶蚀及渗流特性对保障工程安全具有重要意义。

近年来，对各种化学溶液及多物理场条件下岩石的宏观与微观结构、物理力学性质的研究取得了一定成果。1994年，DUNNING等[1]研究了化学环境下应力对岩石溶蚀作用的影响；贺伟等[2]利用静态酸化和动态酸化实验的手段，系统研究了酸与碳酸盐岩储层岩石中各种矿物的化学反应特点，并首次提出了碳酸盐岩储层微观酸化“通缝扩喉”的新思路；佘敏等[3]开展了不同类型碳酸盐岩的溶蚀实验，从孔隙结构方面揭示了碳酸盐岩溶蚀效应、溶孔演化及渗透特性；TAYLOR等[4]研究了不同白云石含量下碳酸盐岩酸溶特性，从微观结构方面解释了不同矿物颗粒溶蚀现象，并提出黏土矿物可显著降低溶蚀速率，溶解速率会随方解石含量增加而增大；韩猛[5]系统地研究了碳酸盐岩与去离子水及有机酸溶液之间的溶蚀反应，以及流体在岩石内部的渗流过程，得到了溶蚀形成孔洞的定量化数据。

矿山开采致使浅表层岩体产生裂隙，酸性水环境中的岩体在不同应力状态及水动力条件下可能出现溶蚀—渗水或涌水现象，会造成人员伤亡与经济损失[6]，因此研究在应力作用、水力—溶蚀耦合条件下裂隙岩体渗透特性至关重要。段玲玲等[7]通过对单裂隙灰岩浸泡后开展渗透试验，分析了水—岩作用下裂隙灰岩的渗流特性变化特征及机制；盛金昌等[8]通过设计不同工况下碳酸盐岩应力—化学—渗流耦合作用下渗流特性演化规律，发现在应力与溶蚀的作用下，渗透率逐渐降低并趋于稳定，溶液中钙离子、镁离子含量下降，且岩样上下游形成差异性溶解；张英等[9]开展了不同荷载下含裂隙灰岩渗透特性试验，发现渗透系数、体积应力与渗透压差之间满足指数关系；MITCHELL[10]、WANG[11]等在不同围压和渗透压下对不同的岩石进行了渗透—应力—溶蚀耦合试验，并系统分析了渗透特性与岩石脆性、延性之间的联系。同时，也有研究表明围压对渗透率特性具有明显的约束作用[12-13]。

近年来，成像技术被很好地应用在检测岩体内部结构损伤的研究中。吴国铭等[14]通过CT图像分析探究孔洞型碳酸盐岩储层分形维数与微观结构的关系，为室内实测孔渗值的校正提供了参考，并为探究多孔介质的分形特征提供了一个新的角度和方法；杨发荣等[15]基于核磁共振技术研究了岩体渗流特性与微观孔隙结构特征，最终建立了关联维数与孔、渗之间的非线性定量关系式；SEYYEDI等[16]提出了一个新的实验程序，采用X射线CT、核磁共振和扫描电子显微镜研究了在孔隙和连续介质尺度下流体—岩石相互作用的关系，发现注入点附近方解石溶解强烈，注入区附近原生晶间孔隙率和渗透率增大，该结果为解释岩体渗流通道溶蚀差异提供了参考。

在现有研究基础之上，笔者开展裂隙灰岩应力—渗流—溶蚀特性试验研究，并采用三维激光扫描、X射线衍射(XRD)、离子浓度检测、电镜扫描等多种手段，研究单裂隙灰岩在应力作用下渗流—溶蚀特性，分析揭示其渗透率变化规律及渗流—溶蚀机理。

1 试验方案

1.1 试验条件及设备

为探讨裂隙灰岩在酸性矿山废水作用下的渗透特性，开展酸性矿山废水与自来水渗透试验，试验同时考虑灰岩层理、应力及溶液酸碱度3个因素。酸性矿山废水采用实际矿山现场原液(pH值2.54，Eh值254 mV，总铁质量浓度118 mg/L)，自来水采用生活用水(pH值6.88，总铁质量浓度0 mg/L)。试验设备采用多功能岩石低渗测试仪，通过对裂隙灰岩进行覆压条件下渗流—溶蚀试验，模拟实际工程中裂隙灰岩渗流—溶蚀作用。试验装置如图1所示。

图1 岩石渗流试验装置示意图

采用高压液体泵对试样施加恒定围压，调节进口端流量以控制渗流量，出口端压力为1个大气压。开展岩样应力—渗透—溶蚀前后电镜扫描、三维激光扫描、X射线衍射(XRD)、溶液离子成分、渗透液酸碱度等试验，从细微观角度解释裂隙灰岩渗透—溶蚀现象。

1.2 试样制备及试验内容

试验所用岩样为三叠系下统大冶组一段(T1d1)中—厚层灰岩。根据相关规范及渗流试验设备条件，制备ø50 mm×100 mm的圆柱形试样，如图2(a)所示;采用劈裂法沿层理面劈开制成单裂隙灰岩，见图2(b);选取裂面平整、无局部掉块岩样，见图2(c)、(d)。

(a)部分岩样与劈裂灰岩 (b)劈裂装置

对烘干岩样进行XRD分析表明：灰岩基质体矿物成分有方解石、石英，不含黏土矿物；灰岩层理含有方解石与石英，且存在黏土矿物蒙脱石、高岭石，以及部分白云母、钠长石等。为对比分析，选用2种不同溶液作为试验用水，具体试验参数见表1。

表1 试验参数设计

试验步骤如下：

1)试验前，对试样裂隙面形貌进行三维激光扫描。

2)将试样放入渗流装置中进行应力—渗流—溶蚀试验，试验过程中定期更换收集瓶溶液，以备后期对其离子浓度进行检测。

3)待达到试验时间之后，将试样取出放入烘箱中，在105 ℃条件下干燥24 h，随后进行裂隙面三维激光扫描处理。

4)采用原子荧光吸收仪对渗透前后溶液的Ca2+、总铁进行离子浓度分析，用pH计对渗透液酸碱度进行测量，并利用SEM扫描试验前后裂隙面微观结构形态。

2 试验结果与分析

2.1 裂隙灰岩渗透特性变化规律

根据试验条件，采用立方定律计算得到单裂隙岩样的渗透率k[17]：

(1)

(2)

式中:Q为粗糙裂隙的实时渗流量，cm3/s；A为裂隙横断面面积，cm2；v为通过粗糙裂隙的流速，cm/s；K为粗糙裂隙的渗透系数，cm/s；J为粗糙裂隙的水力坡降；D为岩石试样的直径，cm；b为等效水力裂隙宽，cm；Δp为进口端与出口端压差，Pa；μ为水流的动力黏滞系数，Pa·s；L为过水断面的长度，cm；k为粗糙裂隙的渗透率，cm2；γ为水的重度，N/cm3。

根据计算结果，得到不同工况条件下渗透率与渗透压的变化曲线，如图3所示。

(a)渗透率

由图3可知，随着渗流—溶蚀的不断发生，裂隙灰岩渗透率逐渐下降，并最终趋于稳定；渗透压随着渗流—溶蚀的发生而逐步升高，并受围压大小、渗透液类型的影响明显；高围压下裂隙灰岩实时渗透率低于低围压下的实时渗透率，同等围压下AMD溶液渗透率明显小于自来水渗透率。

2.2 渗出液离子浓度分析

为揭示渗透率与围压、渗透液类型的作用关系，检测各裂隙灰岩试样渗出溶液的离子成分，结果如图4所示。

(a)Ca2+浓度

根据试验结果分析得出：采用酸性矿山废水时，随着渗流—溶蚀的不断发生，渗出液中的Ca2+质量浓度逐渐减小，围压对Ca2+质量浓度有影响，围压越大，Ca2+质量浓度越低，表明裂隙灰岩渗透溶蚀越弱，而渗出液中铁含量逐渐增大，并逐渐接近初始AMD溶液；采用自来水渗透液的裂隙灰岩中Ca2+、总铁、pH值基本不变(见图5)，表明自来水对裂隙灰岩溶蚀作用较弱，但由于存在水动力与围压的作用关系，裂隙灰岩渗透率仍呈下降趋势。

图5 不同时刻溶液pH值

2.3 裂隙面粗糙度分析

在酸性矿山废水下的裂隙灰岩渗流断面存在淡黄与深黄色沉淀物质，结合部分学者的研究结果[18-19]，推测其为纤铁矿、硫酸钙等混合沉淀物，见图6(a)、(b)。采用自来水渗透液的断面无明显渗流痕迹与沉淀物质，见图6(c)。

注：箭头表示渗流方向。

为进一步了解灰岩裂隙面发生的溶蚀与沉淀，采用三维激光扫描对试验前后裂隙面进行扫描，并通过Geomagic Design软件对扫描结果进行处理后分析得出：酸性矿山废水对裂隙灰岩具有明显溶蚀作用，当存在水力冲刷与溶蚀作用时，断面轮廓起伏变缓，局部出现溶蚀凹坑，且溶蚀沉淀物质明显分布于渗流通道附近，见图7(a)、(b)；自来水对裂隙断面溶蚀作用较弱，局部凸起体被渗流溶液冲刷，表层附着颗粒被带走，未出现沉淀物质，见图7(c)。

(a)工况1

根据三维激光扫描结果计算裂隙面形貌特征系数[20-21]，得出工况1、工况2、工况3裂隙面粗糙度系数JRC渗流前分别为9.2、11.5、15.6，渗流后分别为8.5、10.7、14.4，3种工况下裂隙面JRC值均降低，表明渗流—溶蚀作用使裂隙面凸起体消失，凹处被溶蚀沉淀物质堆积，从而降低了裂隙面粗糙度。

3 裂隙灰岩应力—渗流—溶蚀过程

不同于天然雨水，矿山废水具有酸碱性，对岩体具有较强的溶蚀作用。在酸性溶液的作用下，岩体自身矿物组成与外部应力控制着渗流—溶蚀的发展。碳酸盐岩发生溶解过程是在水的极性分子电荷和热力学条件下，岩石矿物晶格中的离子脱离原来的位置并向水中发生转移的过程[22]。碳酸盐岩与酸性水在溶解过程中主要发生以下3个平行反应[23-24]：

(3)

(4)

(5)

式中Me表示Ca2+、Mg2+离子。

在自来水、酸性矿山废水的不同作用下，裂隙灰岩渗流—溶蚀前后基质体、层理微观形貌特征存在明显差异。

新鲜灰岩基质晶体之间紧密结合，晶型完好、轮廓清晰、断面规整，局部晶粒之间存在微小孔洞，断裂面有明显的解理，见图8(a)。灰岩层理为片状结构，孔隙发育，结构松散,见图8(b)。

(a)未溶基质体 (b)未溶层理面

采用自来水渗流—溶蚀的试样基质晶体晶型棱角变得圆滑，部分解理消失，见图8(c)；层理面片状结构减少且轮廓变得模糊，见图8(d)。采用AMD溶液渗流—溶蚀的试样基质晶体晶型消失，且表层附着沉淀物质，该物质具有圆滑的外观形貌特征，呈现出圆球状，局部出现溶蚀孔隙,见图8(e)；层理面出现“蜂窝状”溶蚀孔洞，局部被溶蚀沉淀物质覆盖，孔洞尺寸变大，且在孔洞发育处仍保留着部分片状结构(见图8(f))，可能是因为酸性溶液缓慢渗入将其中易溶物质溶解所致。

4 AMD降渗机理

渗流—溶蚀后的岩样电镜扫描结果可通过图9(a)绿色区域与红色虚线进行更直观地观察，绿色区域框内表现出明显的溶蚀孔洞特征，而红色虚线表现出明显的水动力条件特征，且沉淀物质呈现一定的方向性，以长条状为主,见图9(b)。在裂隙面上，可以观察出铁絮状沉淀物质，当溶液pH值逐渐升高时，铁离子发生沉淀，见图9(c)。通常，铁离子在pH值较小的溶液中时呈现为离子状态[25]。在基质体溶蚀过程中，方解石发育晶间的溶蚀缝呈现出“锯齿状”形貌，其基质所发生的溶蚀受控于方解石晶体解理[26]，见图9(d)。渗流过程中，裂隙面不断有溶蚀物质沉淀，并形成一层“外包壳”，该层物质对溶蚀速率具有明显的抑制作用。

(a)层理差异性渗流—溶蚀 (b)水动力痕迹与沉淀

随着渗流—溶蚀不断地进行，可观察到工况1、工况2渗出液颜色发生了变化：试验前期，渗出液颜色偏黄，水溶液静置后容器底部沉淀大量絮状物质；试验中后期渗出液颜色逐渐接近原液，结合Ca2+浓度变化情况推断渗流后期溶蚀速率下降，见图10(a)、(b)。而工况3溶液颜色基本无变化，静置后无沉淀，且溶液中Ca2+浓度较低，表明溶蚀较弱，见图10(c)。

(a)工况1

综上所述，由试验结果与数据分析可知，在恒定的围压作用下，裂隙灰岩渗流—溶蚀作用呈现出一定的规律性。对于层理面与基质体的混合溶蚀现象，其溶蚀存在差异性，伴随着酸液的渗流作用，灰岩裂隙面矿物成分发生溶解，在水动力的作用下，水流携带溶解物质与难溶物质发生运移与沉淀。在围压的作用下，渗流—溶蚀初期裂隙面溶解物质随着渗流通道流出，而后期裂隙面沉淀物增多。渗流—溶蚀过程中，围压发挥多重作用，主要使两裂隙面紧密贴合，如图11(a)所示；其次，裂隙面溶蚀骨架与凸起体压碎(见图11(b))，在水流及溶蚀作用下堵塞关键渗流通道(见图11(c))，进而降低裂隙灰岩渗透率。

注：红色表示裂隙，蓝色表示溶液，黄色表示沉淀物。

5 结论

1)采用酸性矿山废水与自来水渗透液，开展裂隙灰岩应力—渗流—溶蚀试验，分析渗流过程中的实时渗透率、Ca2+浓度、总铁浓度、pH值的变化，发现其渗透率与溶液酸碱度、围压及试样矿物成分直接相关。

2)裂隙灰岩渗流—溶蚀前后微观结构存在明显差异，且层理与基质的溶蚀机理不同。层理主要以溶蚀孔洞为主，易溶物质被溶出带走后形成“蜂窝状”溶孔；基质主要沿晶体解理溶蚀，形成“锯齿状”溶蚀形貌。

3)渗流过程中，溶蚀物质沉淀并附着于裂隙面形成一层“包壳”，使裂隙面粗糙度系数JRC减小，溶蚀速率明显降低。且受围压作用，裂隙闭合，溶蚀沉淀物堵塞关键渗流通道，渗透率下降，渗透压升高。

4)酸性矿山废水具有明显的溶蚀作用，溶蚀沉淀对试样渗透率的降低起主导作用。研究AMD对碳酸盐岩裂隙降渗作用对于闭坑矿山酸性水治理及工程岩体稳定性研究具有重要意义。