鞠金峰，許家林，方志遠(yuǎn)

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦山互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州 221008; 3.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

煤炭地下開采常易引起上覆含水層的破壞與地下水流失，科學(xué)控制采動巖體的破壞程度與范圍是實(shí)現(xiàn)礦區(qū)保水采煤的重要途徑[1-2]。現(xiàn)場已有一些工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在某些開采條件下受采動破壞的含水層實(shí)際可產(chǎn)生一定程度的自我修復(fù)效應(yīng)，出現(xiàn)井下涌水量降低、區(qū)域地下水位回升等現(xiàn)象。如，神東礦區(qū)補(bǔ)連塔煤礦1-2煤四盤區(qū)開采時(shí)，覆巖導(dǎo)水裂隙直接發(fā)育至基巖頂界面，導(dǎo)致地表水文觀測鉆孔內(nèi)水全部漏失;而隨著工作面開采的繼續(xù)推進(jìn)，鉆孔內(nèi)水位又出現(xiàn)逐步恢復(fù)的現(xiàn)象[3]。顯然，此類“自修復(fù)”現(xiàn)象與采動破壞巖體水滲流能力的降低密切相關(guān)，研究揭示破壞巖體在特定條件下的“降滲”特征與規(guī)律對于科學(xué)實(shí)施礦區(qū)保水采煤與含水層生態(tài)修復(fù)具有重要指導(dǎo)意義。

已有研究發(fā)現(xiàn)，上述采動破壞巖體的降滲現(xiàn)象與其在采空區(qū)水、氣物理化學(xué)環(huán)境下的“水-氣-巖”相互作用密切相關(guān)[4-12]。受擾動的地下水以及采空區(qū)的CO2等氣體在破壞巖體流散過程中會與巖石礦物發(fā)生充分反應(yīng)，出現(xiàn)泥巖等富黏土礦物巖石的遇水膨脹或崩解[4-6]以及溶解、溶蝕的礦物離子與地下水陰陽離子化學(xué)生成次生礦物或結(jié)晶沉淀物等物理、化學(xué)過程[7-10];如此，破壞巖體將會因泥化物的彌合或衍生物的充填等作用而發(fā)生裂隙封堵，最終出現(xiàn)水滲流能力下降現(xiàn)象。20世紀(jì)80年代厚煤層分層開采實(shí)踐中曾廣泛使用的“再生頂板”[11]支護(hù)理念即是利用了垮落碎巖中黏土礦物的遇水再膠結(jié)作用;且類似有關(guān)泥質(zhì)類破壞巖體遇水后易出現(xiàn)隔水能力再恢復(fù)的物理現(xiàn)象和規(guī)律，已得到不少工程實(shí)踐與研究的有效驗(yàn)證[12]。然而，對于上述化學(xué)作用過程中出現(xiàn)的次生礦物或結(jié)晶沉淀物對破壞巖體的封堵降滲現(xiàn)象，相關(guān)研究相對偏少。雖然已有一些研究[7-10]給出了相關(guān)次生礦物或結(jié)晶沉淀物的產(chǎn)生來源及過程(如，長石等原生鋁硅酸鹽易與CO2和水生成高嶺石、石英等次生礦物，綠泥石等含鐵礦物或鈣長石等含鈣礦物受溶解、溶蝕形成的Fe2+,Ca2+易與地下水陰陽離子生成Fe(OH)3,CaCO3,CaSO4等沉淀)，但對于這些衍生物引起的破壞巖體降滲特征與規(guī)律等方面研究涉及較少。顯然，巖體所含的礦物成分、地下水呈現(xiàn)的化學(xué)特性以及采空區(qū)氣體成分及含量等發(fā)生變化時(shí)，對應(yīng)生成的次生礦物或結(jié)晶沉淀物的種類、及其對破壞巖體封堵降滲規(guī)律都會有所不同;研究揭示相關(guān)衍生物的降滲作用過程和規(guī)律，必然能為未來制定與實(shí)施“人工調(diào)節(jié)地下水、氣化學(xué)環(huán)境促進(jìn)破壞巖體修復(fù)的保水對策”[13-14]提供重要參考。

因此，筆者選擇以含鐵破碎砂質(zhì)泥巖為研究對象，開展酸性水溶液浸泡與過流過程中對應(yīng)鐵質(zhì)沉淀物或次生礦物等衍生物質(zhì)對破碎巖塊水滲流能力影響的實(shí)驗(yàn)與測試研究，為揭示相關(guān)實(shí)驗(yàn)條件下破壞巖體的降滲機(jī)理與規(guī)律提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 巖樣選取

實(shí)驗(yàn)巖樣選擇由某煤礦現(xiàn)場采集的砂質(zhì)泥巖，通過X衍射測試得到該砂質(zhì)泥巖主要由石英、鉀長石、斜長石、以及黏土礦物等礦物組成，具體成分占比詳見表1。取少量巖樣加入稀鹽酸浸泡一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)，溶液呈現(xiàn)如圖1所示的淡綠色，根據(jù)表1判斷此現(xiàn)象是由巖樣中鐵質(zhì)礦物受酸液溶解形成的Fe2+引起(如綠泥石、伊利石或伊/蒙間層等)。為了進(jìn)一步確定巖石中的鐵質(zhì)成分占比，進(jìn)行了巖樣常量元素的測定，結(jié)果詳見表2。可見巖石中的鐵質(zhì)成分偏多，鐵元素占比僅次于硅、鋁等常規(guī)巖石元素。

表1 實(shí)驗(yàn)前后砂質(zhì)泥巖各類礦物成分的變化

Table 1 Mineral composition changes of the sandy mudstone specimen before and after the experiment%

巖石樣品石英鉀長石斜長石云母黏土礦物各類黏土礦物成分占比伊/蒙間層伊利石高嶺石綠泥石I/S間層比實(shí)驗(yàn)前50138—2966215825實(shí)驗(yàn)后579—232501037315

注:表中數(shù)據(jù)為各類礦物占巖石總礦物成分的相對百分比，而非絕對量;I/S間層比為伊蒙間層中伊利石的占比。

圖1 巖石浸泡稀鹽酸后的Fe2+溶液照片

1.2 水樣配制

為了促進(jìn)巖樣中鐵質(zhì)等各類礦物成分的溶解，選取酸性水溶液開展實(shí)驗(yàn)。模擬取樣礦井地下水的化學(xué)類型，稱量2 g的Na2SO4試劑與1 L去離子水配制形成表3所示的模擬地下水溶液;用滴管滴入1滴(約0.33 mL)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的稀鹽酸，使其呈現(xiàn)pH為4～6的弱酸性狀態(tài)。

表2 實(shí)驗(yàn)前后砂質(zhì)泥巖中的常量元素測試結(jié)果

Table 2 Test results of macroelement content in the sandy mudstone specimen before and after the experiment%

常量元素SiAlFeKMgSNaCaMnTi實(shí)驗(yàn)前30.488.713.493.120.890.220.360.270.030.01實(shí)驗(yàn)后30.278.573.322.780.420.160.180.130.020.02

表3 實(shí)驗(yàn)前后水溶液主要離子質(zhì)量濃度(mg/L)與pH值

Table 3 Ionic composition changes and pH value of the aqueous solution before and after the experiment

陰陽離子Na+SO2-4HCO-3CO2-3NH+4Fe3+,Fe2+K+Ca2+Mg2+pH實(shí)驗(yàn)前769.391434.8400000004.37實(shí)驗(yàn)后1244.071703.64001.980134.88399.44544.096.78

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)時(shí)首先將巖樣進(jìn)行人為破碎，并將其裝入圖2所示的實(shí)驗(yàn)容器中。容器內(nèi)徑7 cm，破碎巖樣在容器中堆積的“巖柱”高度為11.5 cm。其次向容器中倒入約500 mL的配制水溶液，使其在自重條件下沿破碎巖塊滲流(考慮到破碎巖塊的滲透性相對偏高，故未專門施加水壓)。通過在容器的出水口處設(shè)置循環(huán)泵，使水溶液在巖樣中始終處于流動狀態(tài)。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意

實(shí)驗(yàn)時(shí)間隔一段時(shí)間進(jìn)行巖樣絕對滲透率的測試(實(shí)驗(yàn)初期和末期間隔5～7 d，實(shí)驗(yàn)中期間隔2～5 d);滲透率測試時(shí)暫時(shí)關(guān)停循環(huán)泵，首先測試水溶液溫度并確定其黏度，其次根據(jù)水溶液滲流時(shí)其液面降低一定高度對應(yīng)的壓力梯度、流量和速度，按照式(1)計(jì)算破碎巖樣的絕對滲透率K。待巖樣滲透率基本維持不變時(shí)結(jié)束實(shí)驗(yàn)，取出破碎巖樣和水樣，再次對巖石的礦物成分與水溶液的離子成分進(jìn)行測試，并與實(shí)驗(yàn)前的初始狀態(tài)進(jìn)行對比，從而為評價(jià)水、巖成分改變與巖樣滲透性變化之間的關(guān)系提供基礎(chǔ)。

(1)

式中，Q為單位時(shí)間的水流量;A為實(shí)驗(yàn)容器的內(nèi)截面積;μ為水的黏度;L為容器中堆積“巖柱”高度;ΔP為水通過“巖柱”前后的壓差。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 破碎巖樣水滲透性變化

經(jīng)過近23周的實(shí)驗(yàn)與測試，得到了如圖3所示的破碎巖樣絕對滲透率變化曲線。由圖3可以看出，實(shí)驗(yàn)過程中巖樣水滲透性持續(xù)下降，且下降速度呈現(xiàn)分階段變化的分布規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)初始的1 d時(shí)間內(nèi)，其絕對滲透率即由原來的20.6×10-12m2急劇下降為12.6×10-12m2;而后，在經(jīng)過46 d的波動式小幅下降變化后，又以0.31×10-12m2/d的平均遞減速度快速下降至3.4×10-12m2;最終在后期的84 d時(shí)間內(nèi)緩慢降低至1.1×10-12m2。破碎巖樣實(shí)驗(yàn)前后的滲透率相差近19倍，說明酸性水溶液對該砂質(zhì)泥巖破碎巖樣的降滲作用十分顯著。

圖3 破碎巖樣絕對滲透率變化曲線

2.2 鐵質(zhì)沉淀物對破碎巖樣的降滲過程

為了考量水溶液對巖樣中鐵質(zhì)礦物的溶解、溶蝕過程及作用程度，實(shí)驗(yàn)過程中間隔1～2周取少量水溶液滴入NaOH溶液，通過觀察是否出現(xiàn)Fe(OH)3沉淀物來評價(jià)鐵離子的析出程度。結(jié)果顯示，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至43 d時(shí)，取出的少量水溶液即與NaOH發(fā)生了黃棕色沉淀(圖3)，說明此時(shí)水溶液中已析出一定的Fe2+(由于實(shí)驗(yàn)用的水溶液量有限，未能對Fe2+的具體含量進(jìn)行測定)。此后，隨著實(shí)驗(yàn)的不斷進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)容器內(nèi)壁及破碎巖塊表面陸續(xù)可發(fā)現(xiàn)鐵銹狀沉淀物的沉積現(xiàn)象。由此可見，在圖3中對應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間47～76 d階段出現(xiàn)的絕對滲透率快速下降現(xiàn)象與鐵質(zhì)沉淀物對破碎巖樣空隙的充填、封堵作用密切相關(guān)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對破碎巖樣在實(shí)驗(yàn)容器中不同層位的斷面形態(tài)進(jìn)行了觀測，如圖4所示。由圖4可見，無論是實(shí)驗(yàn)容器中哪個(gè)層位處的破碎巖塊，還是容器或輸水管內(nèi)壁，其表面都明顯吸附有較多的鐵質(zhì)沉淀物;且破碎巖樣的“巖柱”上表面沉積的沉淀物最多，越深入巖樣內(nèi)部沉淀物相對越少。而從微觀尺度上來看，鐵質(zhì)沉淀物對巖石微觀孔隙也形成了明顯的封堵作用。如圖5所示對實(shí)驗(yàn)后巖樣進(jìn)行掃描電鏡測試的結(jié)果，圖5(a)方框1處的能譜測試表明對應(yīng)區(qū)域主要元素成分為鐵和氧，推斷應(yīng)為鐵銹成分(鐵質(zhì)氧化物);而根據(jù)方框2處對應(yīng)的片狀礦物形貌和元素構(gòu)成，可推斷其應(yīng)為綠泥石等黏土礦物(因水溶液的溶解、溶蝕作用呈現(xiàn)一定的破碎狀態(tài));照片中鐵銹質(zhì)成分在礦物晶體周邊覆蓋均勻，表明其對巖石孔隙的沉積充填作用明顯。

圖4 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒煌瑪嗝鎺r塊上沉積的鐵質(zhì)沉淀物照片

圖5 鐵質(zhì)沉淀物沉積在巖石微觀孔隙中的掃描電鏡測試結(jié)果

2.3 實(shí)驗(yàn)前后水、巖樣的化學(xué)成分變化

(1)水溶液化學(xué)成分變化

此外，將表3與原巖中的常量元素占比情況(表2)對比后還發(fā)現(xiàn)，雖然原巖中K元素占比明顯高于Na,Ca,Mg等元素，但實(shí)驗(yàn)后水溶液中的K+含量反而卻低于Na+,Ca2+,Mg2+;這顯然與水巖相互作用過程密切相關(guān)。受溶解、溶蝕等作用影響，一些元素僅以離子形式穩(wěn)定存在于水溶液中，而一些元素在形成離子后可能又會與其他離子轉(zhuǎn)化形成其他物質(zhì)，從而表現(xiàn)出其在水溶液中離子含量的降低。具體將在第3章詳細(xì)討論。

(2)巖石礦物成分及其微觀形態(tài)變化

為了進(jìn)一步探究水溶液對巖石礦物成分的影響規(guī)律，分別采用X衍射測試、常量元素測試以及掃描電鏡測試等方法對實(shí)驗(yàn)后的巖石成分進(jìn)行了測試。

由表1可以看出，實(shí)驗(yàn)后巖石中的礦物成分發(fā)生了明顯改變;其中，石英與黏土礦物占比明顯增高，而鉀長石、斜長石占比卻明顯降低(斜長石直接消失)，同時(shí)出現(xiàn)了云母礦物的次生現(xiàn)象。而單純由黏土礦物中各類不同礦物的組分變化也可看出，高嶺石礦物增加明顯，而綠泥石、伊利石等其他礦物則明顯降低。由此說明，水溶液在對部分巖石礦物溶解、溶蝕并導(dǎo)致其含量減少的同時(shí)，還會引起其他一些礦物的次生現(xiàn)象。與此類似，表2所示的實(shí)驗(yàn)后的巖石常量元素占比情況也發(fā)生了明顯變化，其中尤以Ca,Na,Mg,K等金屬元素的占比降低明顯(K元素占比降幅相對偏小)，說明巖石受水溶液溶解、溶蝕作用顯著，這與實(shí)驗(yàn)后水溶液中相關(guān)金屬陽離子含量的增高現(xiàn)象相符(表3)。而對于Fe元素，如前所述，雖然實(shí)驗(yàn)過程中溶解析出了Fe2+，但由于它最終以鐵質(zhì)沉淀物的方式沉積在巖樣中，因而其元素在巖石中的占比未發(fā)生明顯改變。

利用掃描電鏡方法測試得到的實(shí)驗(yàn)后巖石礦物微觀形貌也從側(cè)面證實(shí)了上述變化過程。如圖6所示，實(shí)驗(yàn)后礦物晶體的微觀形貌呈現(xiàn)明顯破碎狀態(tài)，且溶蝕孔洞普遍存在，說明水溶液對巖石礦物的溶解、溶蝕作用顯著。同時(shí)，在原生礦物表面或間隙中還普遍發(fā)現(xiàn)有其他衍生物質(zhì)的生成，這些物質(zhì)不僅包括圖4，5所示的鐵質(zhì)化學(xué)沉淀物，還有圖7所示的高嶺石等次生礦物。如圖7(a)所示，根據(jù)掃描電鏡測得的礦物形貌可以推斷，方框1處的片狀礦物應(yīng)為巖石中的原生礦物，結(jié)合能譜分析可推斷其應(yīng)為黏土礦物;而對于在其表面明顯可見的沉積物，根據(jù)其主要含硅、鋁的能譜分析結(jié)果可推斷其應(yīng)為高嶺石次生礦物。顯然，上述沉淀物或次生礦物的衍生現(xiàn)象與水巖之間發(fā)生的離子交換化學(xué)作用密切相關(guān)。

圖6 原生黏土礦物受水溶液溶解、溶蝕后的微觀形貌照片

圖7 原生片狀黏土礦物表面沉積的次生高嶺石礦物

3 討 論

(1)破碎巖樣與酸性水溶液相互作用過程中出現(xiàn)的水滲流能力逐步下降現(xiàn)象與黏土礦物遇水膨脹的物理作用以及水、巖離子交換產(chǎn)生鐵質(zhì)沉淀物等衍生物質(zhì)的化學(xué)作用密切相關(guān)。由于黏土礦物遇水膨脹的作用過程相比礦物的溶解、溶蝕及其離子的析出過程較為迅速，因而可推斷圖3所示實(shí)驗(yàn)初期出現(xiàn)的水滲透率急劇下降現(xiàn)象是由伊/蒙間層等黏土礦物(尤其是其中的蒙脫石)遇水膨脹引起的破碎巖塊孔隙空間減少造成的。

(2)受酸性水溶液對巖石中各類礦物成分的溶解、溶蝕作用，礦物離子相繼析出，并發(fā)生其與水溶液的離子交換化學(xué)反應(yīng)。鉀長石、斜長石(鈉長石、鈣長石、中長石等)等原生鋁硅酸鹽礦物會與H+發(fā)生如式(2)～(5)所示的化學(xué)反應(yīng)[8]，在析出K+,Na+,Ca2+等離子的同時(shí)，還會出現(xiàn)高嶺石、絹云母、石英等次生礦物的生成。與此類似，綠泥石、伊利石、伊/蒙間層等礦物會逐步析出Fe2+,Mg2+。由于水溶液的初始pH值相對偏低，而Fe2+在酸性條件下受氧化發(fā)生Fe(OH)3化學(xué)沉淀的進(jìn)程較為緩慢[16-17]，因而在實(shí)驗(yàn)初期難以形成可觀的鐵質(zhì)沉淀物;由此可推斷實(shí)驗(yàn)第2～46 d時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的巖樣滲透率小幅下降現(xiàn)象主要由次生礦物的充填封堵作用引起，對應(yīng)Fe2+處于緩慢析出階段。

鉀長石

Al2[Si2O5][OH]4+4SiO2+2K+

(2)

高嶺石

鈉長石

Al2[Si2O5][OH]4+4SiO2+2Na+

(3)

高嶺石

鈣長石

Al2[Si2O5][OH]4+Ca2+

(4)

高嶺石

中長石

KAl2[AlSi3O10][OH]2+2SiO2+Na++Ca2+

(5)

絹云母

(3)隨著原生鋁硅酸鹽對水溶液中H+的不斷消耗，水溶液pH值逐步升高(表3所示實(shí)驗(yàn)后水溶液pH值明顯升高)，F(xiàn)e2+氧化生成Fe(OH)3沉淀物的速度也逐漸加快。生成的Fe(OH)3沉積覆蓋在破碎巖塊表面，一方面會對Fe2+的氧化過程產(chǎn)生催化作用以促進(jìn)新的Fe(OH)3的生成[16-17]，另一方面處于沉積物內(nèi)部的舊的Fe(OH)3又會逐步發(fā)生脫水老化，最終生成鐵銹等物質(zhì)。期間的主要化學(xué)反應(yīng)過程:

(6)

(7)

(8)

與此同時(shí)，長石類原生鋁硅酸鹽礦物會按照式(2)～(5)繼續(xù)消耗上述沉淀反應(yīng)過程中生成的H+，這不僅能避免水溶液pH值的降低，其生成的次生礦物還能進(jìn)一步提高破碎巖樣的降滲效果。所以，實(shí)驗(yàn)中期(第47～76 d)出現(xiàn)的水滲透率快速下降現(xiàn)象主要對應(yīng)于鐵質(zhì)沉淀物的逐步增多過程，沉淀物或次生礦物對破碎巖樣的充填封堵降滲作用明顯。

對比實(shí)驗(yàn)第2～46 d和第47～76 d這兩個(gè)階段的巖樣水滲透性降低趨勢也不難發(fā)現(xiàn)，次生礦物相比鐵質(zhì)沉淀物對破碎巖樣的封堵降滲作用明顯偏低，但如何進(jìn)一步定量評價(jià)兩者降滲作用的差異尚有待進(jìn)一步研究。

(4)隨著水溶液pH值逐步趨于中性，礦物受溶解、溶蝕作用程度以及Fe2+等金屬陽離子的析出量也逐步較小，造成鐵質(zhì)沉淀物與次生礦物等衍生物質(zhì)的生成進(jìn)程大幅降低，相應(yīng)破碎巖樣的水滲透率遞減速率也趨于平緩;說明水溶液對巖樣的降滲作用進(jìn)入尾聲。

(5)式(2)～(5)的化學(xué)反應(yīng)很好地解釋了表1所示實(shí)驗(yàn)后巖石出現(xiàn)的SiO2、云母與黏土礦物占比的增高以及鉀長石、斜長石礦物占比降低的現(xiàn)象，也說明表2所示實(shí)驗(yàn)后巖石中Na,Ca,Mg,K等金屬元素占比的降低以及表3所示實(shí)驗(yàn)后水溶液中相關(guān)金屬陽離子含量的增高是由水溶液的溶解、溶蝕以及相關(guān)離子交換反應(yīng)造成。而式(5)所示K+與中長石的進(jìn)一步化學(xué)反應(yīng)，則解釋了實(shí)驗(yàn)后巖石中K元素占比降幅不大且水溶液中K+含量偏低的現(xiàn)象(巖石受溶解、溶蝕形成的K+又與其他礦物生成新的礦物成分而繼續(xù)停留在巖石中)。

(6)由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，雖然酸性水對含鐵破碎巖體產(chǎn)生了明顯的降滲修復(fù)作用，但實(shí)驗(yàn)?zāi)┢趲r樣的最終滲透率值仍然偏高(1.1×10-12m2)，尚未達(dá)到隔水層的滲透量級;這可能與水巖相互作用實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的鐵質(zhì)沉淀物或次生礦物的總量偏低有關(guān)。顯然，只有當(dāng)相關(guān)衍生物質(zhì)的生成量足以有效封堵破碎巖塊間的自由空隙時(shí)，才能取得理想的修復(fù)隔水效果。因此，在將來開展“利用酸性物質(zhì)促使巖體富鐵礦物溶解并生成鐵質(zhì)化學(xué)沉淀，以封堵破壞巖體孔隙/裂隙”的保水實(shí)踐時(shí)，應(yīng)按照沉淀物能有效封堵巖體孔隙/裂隙的條件來設(shè)計(jì)酸性物質(zhì)的注入量與注入范圍、以及富鐵礦物目標(biāo)巖層的選擇等參數(shù);而若實(shí)際地質(zhì)條件難以滿足上述設(shè)計(jì)條件時(shí)，應(yīng)考慮采用其他人工干預(yù)方式實(shí)現(xiàn)裂隙促進(jìn)修復(fù)與地下水保護(hù)[13-14]。

4 結(jié) 論

(1)通過酸性水溶液與含鐵破碎砂質(zhì)泥巖的長期水巖相互作用實(shí)驗(yàn)，得到了巖樣水滲透率逐步降低的“自修復(fù)”過程和規(guī)律;實(shí)驗(yàn)前后破碎巖樣的水滲透率變化幅度近19倍，表明酸性水對含鐵破碎巖體的降滲作用顯著。黏土礦物遇水膨脹的物理作用以及水、巖離子交換產(chǎn)生鐵質(zhì)沉淀物與次生礦物的化學(xué)作用是引起此類降滲現(xiàn)象發(fā)生的主要原因。

(2)酸性水溶液對含鐵破碎砂質(zhì)泥巖的降滲過程呈現(xiàn)4個(gè)階段的分布特征:第1，黏土礦物遇水膨脹引起的滲透率急劇下降階段;第2，長石類原生鋁硅酸鹽受與酸性水溶液離子交換產(chǎn)生高嶺石、絹云母、石英等次生礦物而引起的滲透率波動式小幅下降階段;第3，鐵質(zhì)沉淀物生成速度加快與生成量增多引起的滲透率快速下降階段;第4，水溶液的溶解、溶蝕與離子交換化學(xué)沉淀作用臨近收尾引起的滲透率平緩下降階段。

(3)利用酸性水溶液對含鐵破碎巖樣的降滲特征與規(guī)律，可開展人工改性地下水、巖化學(xué)特征以促進(jìn)巖體裂隙修復(fù)的保水實(shí)踐。通過人為調(diào)節(jié)利于鐵質(zhì)沉淀或次生礦物生成的化學(xué)環(huán)境，促使相關(guān)衍生物質(zhì)對導(dǎo)水裂隙通道進(jìn)行充填和封堵，從而實(shí)現(xiàn)破壞巖體的降滲與地下水資源保護(hù)。

(4)本文的研究僅是選取酸性水溶液和含鐵破碎砂質(zhì)泥巖開展的水巖相互作用及其降滲特性的測試實(shí)驗(yàn)，僅是從定性角度闡釋了黏土礦物遇水膨脹、鐵質(zhì)沉淀物或次生礦物充填封堵等作用對破碎巖樣的降滲機(jī)理，對于不同因素所發(fā)揮的降滲作用定量評價(jià)尚待進(jìn)一步研究。同時(shí)，對于其他巖性的破壞巖體在其他水化學(xué)或采動作用下發(fā)生的滲透性演變機(jī)制如何，也是后續(xù)需要研究的問題。