煤炭开采使地面产生大量地裂缝，采煤产生的地裂缝是浅表水进入矿井的重要通道。在煤层埋深较浅的黄土覆盖地区更为突出。陕北是典型的黄土覆盖区，7—9月的降雨量约占全年的70%。大范围的降雨通过采煤地裂缝进入矿井，导致矿井发生水害^[1-4]。黄土覆盖区煤矿防治水害的关键之一，就是提升采煤地裂缝的水理特性。此外，采煤造成的地裂缝破坏了黄土的稳定性，造成地质灾害多发，水土流失加重。黄土覆盖矿区地质环境治理的关键之一，就是提升采煤地裂缝的力学特性。综上，采煤诱发黄土裂缝的修复意义重大，修复关键在于黄土力学和水理参数的改良。

关于采煤地裂缝修复的研究较为丰富，总体可以分为以下3个方面。

第一，自修复。关于采煤地裂缝自修复目前认为有2方面的机理。一方面，多个学科综合研究认为随着采煤工作面推进部分采煤地裂缝会在采矿附加应力下闭合^[5-6]。闭合后采煤地裂缝跨度变小，此时对地裂缝周围土壤含水率影响有限^[7]，达到了保水自修复效果；另一方面，李文平^[8]、黄庆享^[9]、刘瑜^[10]等研究发现当地表为黄(红)土时，由于其含有丰富的膨胀性黏土矿物，可在吸水后膨胀，修复采煤地裂缝。

第二，机械修复。煤矿目前主流的处理措施是采用机械化设备对表土进行土工作业填埋。这类修复技术也可分为3方面。第一方面，针对地势起伏的区域，结合地形地貌特征进行坡体微地形修复，武强团队在这方面取得了突出的成果^[11]；第二方面，在地势较为平缓的区域，适合大规模机械化统一修复，胡振琪团队在表土复垦过程中适量加入腐殖质、河泥等对于生态复绿有益的物质，实现了联合植被修复^[12]。第三方面，在沟谷地貌处，侯恩科团队提出了“衬垫层+防渗层+顶封层”机械充填修复地裂缝方法^[13]。

第三，固化修复。关于采煤地裂缝固化修复的研究大致可以分为化学材料固化修复和植物固化修复2方面。一方面，有学者研发了超高水固化材料，这类材料由于较强的操作性而受到工程师青睐^[14]；另一方面，毕银丽团队基于微生物技术实现了采煤塌陷区植被的高效修复^[15]。

综上，采煤地裂缝修复技术呈现多元化发展，并在不同采矿地质条件下取得了较好的效果，但如何精准、绿色、高效修复仍面临挑战。微生物诱导碳酸钙(CaCO₃)沉淀技术(microbial induced carbonate precipitation，MICP)通过土著微生物代谢形成方解石等矿物胶结材料，对松散体和裂缝体进行修复。MICP过程中无有毒有害添加剂，并可促进植被生长。相比较水泥、高分子等化学反应胶凝技术，MICP技术更加绿色环保，在采煤地裂缝绿色修复方面值得探索。

关于MICP技术的研究，国内外已有丰富的研究成果。1973年，E. Boquet等^[16]首次发现自然界中微生物诱导CaCO₃沉淀(MICP)现象。此后，国外开展了大量MICP研究，室内实验研究主要集中在影响MICP效率的因素分析，主要包括菌种类型、菌液浓度、pH环境、钙源、制样方法、温度等。原位研究则主要集中在地基处理、沙漠治理、松散体加固等方面^[17-19]。21世纪以来，我国开始进行相关科学研究^[20-25]。国内研究在揭示MICP规律及机理的基础上，目前主要集中在地基处理、古建筑修复、风化岩体加固、沙漠固沙、钻探固井等方面^[26-30]，在矿业领域的研究和应用少见报道。相比较，其他微生物矿化研究主要针对单一松散体的矿化，采煤诱发的充填型裂缝土体的固化修复研究有其独有特色。

笔者以陕北神南矿区柠条塔煤矿为研究背景，基于采煤地裂缝特征观测结果，制作裂缝黄土样品，开展MICP修复裂缝黄土样品力学和水理实验，揭示不同采煤裂缝修复规律，分析MICP修复采煤地裂缝的影响因素，旨在为黄土覆盖区采煤诱发黄土裂缝MICP绿色修复提供实验参考。

1   研究区和地质条件

1.1   研究区范围

本次研究区域位于陕北榆神府矿区柠条塔煤矿(图1)，柠条塔煤矿以考考乌素沟为界分为南北两翼，北翼属黄土地貌，南翼属风沙滩地貌。目前，柠条塔煤矿北翼已经回采20余个工作面，煤炭高强度开采与生态环境保护、水害防治矛盾已十分突出。因此，以柠条塔煤矿北翼典型工作面为具体的研究区(图1a)，开展地裂缝观测及MICP修复实验研究。

图  1  研究区位置及典型地裂缝

Figure  1.  Location of the study area and typical ground fissures

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.2   地质条件

柠条塔煤矿北翼首采煤层为1⁻²煤，采高平均1.7 m，1⁻²煤上覆地层由下向上依次为侏罗系延安组(煤系)、直罗组(风化地层)、安定组(大部分缺失地层)、新近系保德组和第四系离石组(保德组和离石组均为黄土层)，本次研究的对象为浅表的离石组黄土。

本研究区最典型的特点是：(1) 地表覆盖很厚的黄土层(保德组和离石组总厚集中在50~160 m)。(2) 煤层埋深较浅，正在开采的1⁻²煤埋深在120~180 m。(3) 无显著的地质构造。依据钻孔揭露及岩石力学实验可得研究区典型剖面的地层及其力学特征见表1。

表  1  研究区典型地层参数

Table  1.  Typical stratigraphic parameters in the study area

岩性	层厚/m	埋深/m	密度/(g·cm–3)	无侧限抗压强度/MPa	黏聚力/MPa	内摩擦角/(°)
黄土	109.5	109.5	1.87	0.212	0.096	32.9
泥岩	5.7	115.2	2.75	9.670	0.120	36.0
粗砂岩	5.3	120.5	2.67	14.100	0.700	42.0
粉砂岩	6.3	126.8	2.70	29.600	1.500	42.0
1−2煤	1.7	128.5	1.50	15.700	1.100	37.5

下载: 导出CSV 

| 显示表格

2   研究区采煤地裂缝特征

2.1   观测工作面概况

研究区柠条塔煤矿北翼工作面开采1⁻²煤层平均厚度1.7 m(表1)。煤层倾角1°左右，埋深53~109 m，地表松散层平均厚度70 m，基岩平均厚度40 m，地质构造简单。

2.2   观测对象及方法

1) 观测方式

选取观测工作面的中间500 m宽度范围为观测区(图1a)。主要开展两方面的观测工作：

(1) 采煤完成后地裂缝特征观测。观测内容包括区内所有采煤地裂缝的宽度和充填物。宽度主要采用量尺进行测量。地裂缝的充填物则进行取样、测试成分并称重，计算密度。

(2) 采煤过程中地裂缝特征观测。特别对研究区的2条采煤地裂缝(边界裂缝和内部裂缝各选1条，即图1a中F₁和F₂裂缝)进行采煤过程中的动态变化观测。

2) 煤矿井下周期来压观测

随着煤炭开采，对采煤工作面的中段液压支架荷载进行观测，液压支架荷载有效峰值点即为周期来压点。

2.3   观测结果及分析

2.3.1   采煤地裂缝

采动稳定后观测到的采煤地裂缝空间分布如图1所示。图1可以看出采煤地裂缝在空间上可以分为2个类型，即边界裂缝类型(图1a和图1b)和内部裂缝类型(图1a和图1b)。内部裂缝近乎垂直于煤炭开采方向(图1a中绿色裂缝)；边界裂缝近乎平行于采煤工作面边缘(图1a中蓝色裂缝)，2种类型地裂缝的几何和充填特征见表2，与已有的研究结果相符合^[13]。

表  2  研究区两类地裂缝特征

Table  2.  Characteristics of two types of ground fissures in the study area

类型	平均宽度/m	充填物	平均充填密度/(g·cm–3)
边界	0.34	风积沙	1.51
内部	0.14	无

下载: 导出CSV 

| 显示表格

两类地裂缝各选择1条(F₁内部裂缝和F₂边界裂缝)进行动态观测，结果如图2所示。由图2可以看出：(1) 边界地裂缝动态发育过程可分为2个阶段，即快速增大阶段和稳定阶段。第1阶段(快速增大阶段)：自采煤超前裂缝25 m处开始至采煤推过裂缝5 m处结束，地裂缝宽度由0 m持续增大至0.31 m；第2阶段(稳定阶段)：自采煤推过裂缝5 m开始至采煤推过裂缝20 m结束，地裂缝宽度保持0.31 m稳定。(2) 内部地裂缝动态发育过程分为3个阶段，即快速增大阶段、快速闭合阶段和稳定阶段。第1阶段(快速增大阶段)：自采煤超前裂缝10 m处开始至采煤到裂缝处结束，地裂缝宽度由0 m快速变大至0.31 m；第2阶段(快速闭合阶段)：自采煤推过裂缝0 m处开始至采煤推过裂缝10 m处结束，地裂缝宽度由0.31 m快速减小至0.14 m；第3阶段(稳定阶段)：自采煤推过裂缝10 m处开始至采煤推过裂缝20 m处结束，地裂缝宽度稳定在0.11~0.14 m。

图  2  采煤地裂缝宽度动态曲线

Figure  2.  Dynamic curves of mining ground fissures width

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.3.2   煤矿井下周期来压

液压支架荷载随着采煤工作面推进距离的动态变化结果如图3所示。图3可以看出井下周期来压步距为8.6~12.2 m，平均值为10.8 m。

图  3  采煤推进过程中液压支架荷载动态曲线

Figure  3.  Dynamic variation of hydraulic support load with advance distances

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.3.3   结果综合分析

研究区采煤地裂缝可以分为采煤工作面内部地裂缝和边界地裂缝。综合图2和图3分析：内部地裂缝与采矿周期压力有很好的相关性，这类地裂缝约超前1个周期来压开始快速张开(0~0.31 m)，推过约1个周期来压后快速闭合(0.31~0.14 m)，之后稳定在0.14 m；边界地裂缝在约3个周期来压内张开(0~0.31 m)，然后在第4个周期来压时进入稳定期(0.31 m)。

内部地裂缝初期短时间张开(约1个周期)，因此这类地裂缝无充填物。张开后受到采矿附加应力作用，裂缝开始闭合，因此稳定后裂缝尺寸较小(平均宽度0.14 m)。依据其他专家研究成果^[8]，认为研究区稳定后附加应力约为0.15 MPa。

边界地裂缝在周期来压作用下持续变大，因此这类地裂缝中存在风积沙充填物。张开后始终处于卸载状态，因此边界裂缝宽度为内部裂缝宽度的2.4倍。此外，根据已有研究认为，边界裂缝深度为内部裂缝深度的3.0倍^[13]。

3   MICP修复黄土地裂缝实验研究

3.1   实验样品制备及实验方法

3.1.1   菌种和胶结液制备

目前，MICP过程的主流研究思路是通过尿素水解获取碳酸根，而这一过程中常用的菌种为芽孢杆菌属，特别是巴氏芽孢杆菌的研究最多^[20-25]。本次研究区域浅部土壤温度对巴氏芽孢杆菌存在一定的制约性，已有的研究认为，温度由25℃下降到10℃时，巴氏芽孢杆菌加固试样强度下降67.22%^[31]。孙潇昊等^[32]研究发现巨大芽孢杆菌可以适应更低的温度，且通过低温驯化可以更进一步提升固化效果。因此，本次实验选用的菌种为巨大芽孢杆菌(Bacillus Megaterium de Bary)，来自中国普通微生物菌种保藏管理中心(China General Microbiological Culture Collection Center)。巨大芽孢杆菌活化后进行扩大培养，用于后续的修复实验。为适应当地的实验环境，对菌种进行了3次接种(即低温驯化)，接种后测定微生物OD600生长曲线(即紫外分光光度计测定的600 nm波长处的吸光值，用来表征菌液浓度) ^[22]，如图4所示。测试结果显示随着培养代数的增加，微生物能够更好地适应当地的环境，有更好的生长曲线。因此，选用第3代菌种配制的菌液作为实验菌液，进行后续MICP修复实验。

图  4  不同代数下微生物OD600曲线

Figure  4.  Curves of microorganism OD600 under different algebra

下载: 全尺寸图片 幻灯片

胶结溶液为MICP过程提供氮源与钙源，本次研究选用的氮源和钙源为目前MICP研究主流的氮源和钙源，即尿素和CaCl₂各0.25 mol/L配制而成^[25]。

3.1.2   土样制备及实验方法

采煤地裂缝修复的目的包括2个方面：一方面是为了提升破碎土体的强度，进而减少浅表土体失稳和生态退化问题；另一方面是为了减少地表水、地下水等大量渗入矿井，进而控制矿井涌水量和突水溃沙问题。因此，本次修复实验效果用裂缝土体强度和抗渗性的改良值来表征。裂缝土体强度和渗透性均受围岩应力条件控制，结合采煤地裂缝类型，本次实验强度测试分为无侧限抗压实验(边界地裂缝)和三轴抗压实验(内部地裂缝)2种。渗透性测试分为变水头渗透实验(边界地裂缝)和三轴渗透实验(内部地裂缝)2种。

基于第2章揭示的采煤地裂缝的几何、充填和应力特征，本次实验样品边界裂缝取内部裂缝深度的3倍，宽度的2倍(这里结合样品尺寸效应，将2.4倍调整到2倍)。充填密度取实测值，即边界裂缝样品取1.51 g/cm³，内部裂缝样品取1.54~1.57 g/cm³。边界裂缝样品无围压施加，内部裂缝样品施加围压0.15 MPa。以裂缝充填物、修复液(菌液、胶结液)为变量，进行正交实验，具体的正交实验参数见表3。

表  3  实验裂缝土样制备参数

Table  3.  Parameters of experimental crack soil samples

样品编号	裂缝类型	项目	裂缝深度×长度×宽度/(cm×cm×cm)	充填物 沙土比	充填物密度/ (g·cm−3)	修复液(菌液∶胶结液)
1	边界	无侧限抗压实验	6×2×0.4	1∶0	1.51	1.4∶1.0
2						1.2∶1.0
3						1∶1
4						0.8∶1.0
5	边界	变水头渗透实验	6×2×0.4	1∶0	1.51	1.4∶1.0
6						1.2∶1.0
7						1∶1
8						0.8∶1.0
9	内部	三轴抗压实验	2×2×0.2	1∶1	1.55	1.4∶1.0
10						1.2∶1.0
11						1∶1
12						0.8∶1.0
13	内部	三轴渗透实验	2×2×0.2	1∶1	1.55	1.4∶1.0
14						1.2∶1.0
15						1∶1
16						0.8∶1.0
17	内部	三轴抗压实验	2×2×0.2	0.5∶1.0	1.57	1∶1
18				1∶1	1.55
19				1.5∶1.0	1.55
20				2∶1	1.54
21	内部	三轴渗透实验	2×2×0.2	0.5∶1.0	1.57	1∶1
22				1∶1	1.55
23				1.5∶1.0	1.55
24				2∶1	1.54
25	内部	三轴抗压实验	2×2×0.2	1∶1	1.55
26		三轴渗透实验
27	边界	无侧限抗压实验	6×2×0.4	1∶0	1.51
28		变水头渗透实验

下载: 导出CSV 

| 显示表格

相关的样品制作过程如图5所示：土样开缝—充填物充填—菌液+胶结液注入修复。表3中，1组—8组样品以修复液为变量，进行边界裂缝黄土修复正交实验；9组—16组样品以修复液为变量，进行内部裂缝黄土修复正交实验；17组—24组样品以充填物为变量，开展内部裂缝黄土修复正交实验；25组—28组样品在最优充填物条件下，进行未修复样品测试。每种类型制作3个平行样品，测量结果取平均值。所有样品固化24 h后进行测试(对1组—4组样品进行6、12、18、24和30 h的无侧限抗压强度测试，结果如图6所示。24 h前强度持续增长，之后强度趋于平稳，因此选择24 h为1组—28组样品养护时间)。

图  5  样品制作过程

Figure  5.  Samples production process

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  6  随修复时间变化边界裂缝黄土的力学修复效果变化曲线

Figure  6.  Repair results of boundary fissure loess with different repair times

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.2   边界裂缝MICP修复实验结果

以菌液与胶结液构成比例为变量的边界裂缝型黄土样品修复正交实验(1组—8组与27组—28组)的结果如图7所示，可以看出以下几点：

图  7  菌液与胶结液比例对边界裂缝型黄土MICP修复的影响

Figure  7.  Effect of the ratio of bacterial solution to cementition solution on MICP repair of boundary fractured loess

下载: 全尺寸图片 幻灯片

(1) 随着菌液与胶结液比例的降低，修复后的样品无侧限抗压强度先变大后变小，而渗透系数先变小后变大，均以菌液∶胶结液=1.2∶1.0为拐点。

(2) 菌液∶胶结液=1.2∶1.0时，修复样品的无侧限抗压强度最大，且渗透系数最小。此时，MICP修复内部裂缝效果最佳。相比较对比组(未修复)，修复样品的无侧限抗压强度提高了112.84%，渗透系数下降了71.88%。

3.3   内部裂缝MICP修复实验结果

3.3.1   修复液的影响

以菌液与胶结液构成比例为变量的内部裂缝型黄土样品修复正交实验(9组—16组与25组—26组)的结果如图8所示，可以看出以下几点：

图  8  菌液与胶结液比例对内部裂缝型黄土MICP修复的影响

Figure  8.  Effect of the ratio of bacterial solution to cementition solution on MICP repair of internally fractured loess

下载: 全尺寸图片 幻灯片

(1) 随着菌液与胶结液比例的降低，修复后样品的三轴抗压强度先变大后变小，渗透系数先变小后变大。相比较边界裂缝型黄土最佳修复液的比例(1.2∶1.0)，内部裂缝型黄土最佳修复液比例为(1∶1)，菌液的构成更少。

(2) 菌液∶胶结液=1∶1时，样品的三轴抗压强度最大，且渗透系数最小。此时，MICP修复内部裂缝效果最佳。相比较对比组(未修复)，修复样品的三轴抗压强度提高了94.70%，渗透系数下降了85.68%。

3.3.2   充填物的影响

以充填物中沙土构成比例为变量的内部裂缝型黄土修复正交实验(17组—24组)的结果如图9所示，可以看出以下几点：

图  9  充填物比例对内部裂缝黄土MICP修复的影响

Figure  9.  Effect of filling ratio on MICP restoration of internally fractured loess

下载: 全尺寸图片 幻灯片

(1) 随着充填物中风积沙含量的增加，修复后样品的三轴抗压强度先变大后变小。而三轴渗透系数则随着风积沙含量的提升持续变大。

(2) 风积沙∶黄土为1∶1和1.5∶1.0时，样品的三轴抗压强度均较大，且差距非常小，但1∶1时的渗透系数明显小于1.5∶1.0时的结果。因此，风积沙∶黄土=1∶1时，物理力学和水理特性可以兼顾，最适合内部裂缝黄土的修复。

3.4   结果综合分析

3.4.1   不同类型裂缝黄土的最佳修复液对比

对比图7和图8可以看出，不同裂缝类型的最佳修复液比例不同。机理分析如下：边界裂缝由于开度较内部裂缝更大，因此修复液的扩散范围更大。已有的研究认为，微生物固化常见的问题就是浆液扩散不均匀，继而导致后续的CaCO₃产率下降^[27]。对同一修复时间(24 h)，同一修复液(菌液∶胶结液为1∶1)，同一注入量(30 mL)，同一充填物(风积沙∶黄土=1∶1)，不同裂缝开度(0.4和0.2 cm)和不同围压(0和0.15 MPa)条件下2组试样CaCO₃产量进行了测试。结果显示边界裂缝黄土中CaCO₃产量较内部裂缝黄土中CaCO₃产量大31.2%。因此，内部裂缝较边界裂缝的最佳修复液需要更多的胶结液比例。即边界裂缝黄土最佳修复液构成比例为菌液∶胶结液=1.2∶1.0，而内部裂缝黄土最佳修复液构成比例为菌液∶胶结液=1∶1。

3.4.2   充填物对裂缝黄土修复效果

内部裂缝型黄土的充填物对修复效果的影响是复杂的，从充填物物理特性和充填物pH环境2个方面分析如下。

一方面是充填物本身特征导致的修复体的差异。风积沙可以起到骨架作用，微生物诱导产生的方解石起到胶结作用(图10)，所以随着风积沙充填量的提升，图9所显示的修复体的强度整体增加(除沙土比2∶1时受其他因素影响略有降低)。另外，黄土相比风积沙含有更多的膨胀性矿物，所以随着风积沙充填量的提升，图9所显示的修复体的渗透系数整体增加。

图  10  MICP修复充填物的SEM图像

Figure  10.  SEM images of MICP restorative fillings

下载: 全尺寸图片 幻灯片

另一方面是充填物的pH环境导致微生物矿化效率差异^[18]。对不同充填物与修复液混合后的渗滤液进行了pH测量，测定结果如图11所示。风积沙与黄土充填比例为1∶1和1.5∶1.0时，充填物与修复液的pH为9.2~9.7，是本次实验微生物工作活性较好的区间，此时CaCO₃产率为86%~88%。已有研究认为CaCO₃产率的提升可有效提升修复体强度^[28]，因此图9显示出这类充填物构成比例(沙土比1∶1和1.5∶1.0)条件下修复体的强度为最大区间。

图  11  pH和CaCO₃产率随充填物变化曲线

Figure  11.  Variation curves of pH value and CaCO₃ yield with filling

下载: 全尺寸图片 幻灯片

综上，充填物对MICP修复效果的影响表现为充填物本身物理特性和充填物pH环境2个方面。其中，充填物本身物理特性为关键影响因素，充填物pH环境是次关键影响因素。

3.5   采煤地裂缝修复工程应用展望

黄土覆盖区生态环境脆弱，采煤诱发土体裂缝修复的主要目标包括两方面。一方面是改善裂缝土体的物理力学和水理性能，另一方面是修复材料不影响浅表植被复绿。

本次研究成果得到的MICP材料配比可有效改善各类采煤裂缝土体物理特性，为采煤塌陷区治理提供了水土保持基础。此外，已经大规模应用于农业领域的巨大芽孢杆菌被证明可释放土体中磷肥和钾肥，MICP过程残余氮肥^[32]，并且已有研究认为，MICP技术可提升土体持水性^[31]。综上，本次研究的微生物修复材料为植被生长提供了必需的氮磷钾肥和水分，在矿山塌陷区生态修复工程中有广泛的应用前景。

4   结 论

a. 研究区采煤地裂缝可分为边界地裂缝和内部地裂缝2种类型。内部地裂缝是采煤周期来压作用下的产物，一般无充填物。边界地裂缝处于卸载状态，充填物为风积沙，裂缝深度约为内部裂缝的3.0倍，宽度约为内部裂缝的2.4倍。

b. 当菌液∶胶结液=1.2∶1.0时，MICP修复边界裂缝的效果最好。相比较对比组(未修复)，无侧限抗压强度提高了112.84%，渗透系数下降了71.88%。当菌液∶胶结液=1∶1时，MICP修复内部裂缝的效果最好。相比较对比组(未修复)，三轴抗压强度提高了94.70%，三轴渗透系数下降了85.68%。

c. 在裂缝充填物配比方面，综合考虑充填物特性和pH环境，以沙土比1∶1充填时，MICP修复后物理力学和水理特性可以兼顾，最适合内部裂缝黄土的修复。在最佳修复液配比方面，边界裂缝较内部裂缝开度更大，浆液的扩散范围更大，MICP过程中CaCO₃产率较内部裂缝更高。因此，相比较内部裂缝MICP修复需要更多的胶结液比例。