陕北保水采煤背景下MICP再造隔水土层的试验研究

TD823; 我国西北地区煤炭资源丰富,但生态环境脆弱.煤炭开采导致隔水土层破坏,产生水资源漏失、水土流失和生态环境退化.因此,隔水土层再造的研究有重要的理论和现实意义.基于陕北保水采煤现场条件,包括温度特征、环境特征、采煤裂隙特征、裂隙充填物特征、微生物钙源特征等,开展了一系列MICP(微生物诱导碳酸钙沉积)再造隔水土层室内试验研究.采用紫外分光光度计测试和碳酸钙产量测试等方法,研究了巨大芽孢杆菌在不同温度下的保种特性、不同环境的适应性和不同养护温度的适应性.利用浓缩的高钙洁净矿井水作为钙源和无机盐来源,利用煤矸石粉、黏土和砂体作为采动土体裂隙充填物质,利用尿素作为氮源,开展了一系列的MICP固化采动裂隙土体试验,包括微生物固化前后,无侧限抗压强度测试对比试验、变水头渗透对比试验、固化体X衍射实验、采动物理模型修复试验.研究结果表明:本次实验菌种在3℃下可以保种3个月,0～20℃常温条件下保种3个月再接种后的微生物样品活性有一定影响,但仍可用于采动土体裂隙修复.本次实验菌种在接种3次后培养7d其OD600值超过2.0,说明3次接种后微生物能够适应当地环境.相比较30℃恒温养护,模拟陕北5月温度养护的样品同期碳酸钙产量更高,而在微生物富集阶段采用研究背景区温度驯化的微生物的同期碳酸钙产量进一步提高.利用高钙洁净矿井水浓缩后作为固化钙源虽然固化修复效果相比氯化钙试剂作为钙源固化效果略差,但通过4次反复注入可以部分弥补固化效果.采用煤矸石粉、黏土和砂作为土体裂隙充填物质,其质量比为1∶1∶2时,采动裂隙土体的物理力学和水理修复效果可以兼顾,且有利于后续植物联合修复.物理模拟结果发现MICP技术的隔水层再造效果显著,模型采动裂隙土体4次固化后,1h内3 m高的水头仅下降0.1m.研究结果为MICP技术用于隔水土层再造的工业化提供了试验支撑.