莫云川，左雙英,2，付 麗，陳世萬,2

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學(xué) 喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025)

貴州巖溶發(fā)育且煤層含硫量高，大量煤礦閉坑后酸性地下水水位抬升，加劇了上覆采動(dòng)碳酸鹽巖體化學(xué)溶解、裂隙滲流及應(yīng)力場失衡。因此，研究碳酸鹽巖在酸性環(huán)境下的溶蝕及滲流特性對保障工程安全具有重要意義。

近年來，對各種化學(xué)溶液及多物理場條件下巖石的宏觀與微觀結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)的研究取得了一定成果。1994年，DUNNING等[1]研究了化學(xué)環(huán)境下應(yīng)力對巖石溶蝕作用的影響；賀偉等[2]利用靜態(tài)酸化和動(dòng)態(tài)酸化實(shí)驗(yàn)的手段，系統(tǒng)研究了酸與碳酸鹽巖儲(chǔ)層巖石中各種礦物的化學(xué)反應(yīng)特點(diǎn)，并首次提出了碳酸鹽巖儲(chǔ)層微觀酸化“通縫擴(kuò)喉”的新思路；佘敏等[3]開展了不同類型碳酸鹽巖的溶蝕實(shí)驗(yàn)，從孔隙結(jié)構(gòu)方面揭示了碳酸鹽巖溶蝕效應(yīng)、溶孔演化及滲透特性；TAYLOR等[4]研究了不同白云石含量下碳酸鹽巖酸溶特性，從微觀結(jié)構(gòu)方面解釋了不同礦物顆粒溶蝕現(xiàn)象，并提出黏土礦物可顯著降低溶蝕速率，溶解速率會(huì)隨方解石含量增加而增大；韓猛[5]系統(tǒng)地研究了碳酸鹽巖與去離子水及有機(jī)酸溶液之間的溶蝕反應(yīng)，以及流體在巖石內(nèi)部的滲流過程，得到了溶蝕形成孔洞的定量化數(shù)據(jù)。

礦山開采致使淺表層巖體產(chǎn)生裂隙，酸性水環(huán)境中的巖體在不同應(yīng)力狀態(tài)及水動(dòng)力條件下可能出現(xiàn)溶蝕—滲水或涌水現(xiàn)象，會(huì)造成人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失[6]，因此研究在應(yīng)力作用、水力—溶蝕耦合條件下裂隙巖體滲透特性至關(guān)重要。段玲玲等[7]通過對單裂隙灰?guī)r浸泡后開展?jié)B透試驗(yàn)，分析了水—巖作用下裂隙灰?guī)r的滲流特性變化特征及機(jī)制；盛金昌等[8]通過設(shè)計(jì)不同工況下碳酸鹽巖應(yīng)力—化學(xué)—滲流耦合作用下滲流特性演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在應(yīng)力與溶蝕的作用下，滲透率逐漸降低并趨于穩(wěn)定，溶液中鈣離子、鎂離子含量下降，且?guī)r樣上下游形成差異性溶解；張英等[9]開展了不同荷載下含裂隙灰?guī)r滲透特性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)、體積應(yīng)力與滲透壓差之間滿足指數(shù)關(guān)系；MITCHELL[10]、WANG[11]等在不同圍壓和滲透壓下對不同的巖石進(jìn)行了滲透—應(yīng)力—溶蝕耦合試驗(yàn)，并系統(tǒng)分析了滲透特性與巖石脆性、延性之間的聯(lián)系。同時(shí)，也有研究表明圍壓對滲透率特性具有明顯的約束作用[12-13]。

近年來，成像技術(shù)被很好地應(yīng)用在檢測巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷的研究中。吳國銘等[14]通過CT圖像分析探究孔洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層分形維數(shù)與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，為室內(nèi)實(shí)測孔滲值的校正提供了參考，并為探究多孔介質(zhì)的分形特征提供了一個(gè)新的角度和方法；楊發(fā)榮等[15]基于核磁共振技術(shù)研究了巖體滲流特性與微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征，最終建立了關(guān)聯(lián)維數(shù)與孔、滲之間的非線性定量關(guān)系式；SEYYEDI等[16]提出了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)程序，采用X射線CT、核磁共振和掃描電子顯微鏡研究了在孔隙和連續(xù)介質(zhì)尺度下流體—巖石相互作用的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)注入點(diǎn)附近方解石溶解強(qiáng)烈，注入?yún)^(qū)附近原生晶間孔隙率和滲透率增大，該結(jié)果為解釋巖體滲流通道溶蝕差異提供了參考。

在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)之上，筆者開展裂隙灰?guī)r應(yīng)力—滲流—溶蝕特性試驗(yàn)研究，并采用三維激光掃描、X射線衍射(XRD)、離子濃度檢測、電鏡掃描等多種手段，研究單裂隙灰?guī)r在應(yīng)力作用下滲流—溶蝕特性，分析揭示其滲透率變化規(guī)律及滲流—溶蝕機(jī)理。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)條件及設(shè)備

為探討裂隙灰?guī)r在酸性礦山廢水作用下的滲透特性，開展酸性礦山廢水與自來水滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)同時(shí)考慮灰?guī)r層理、應(yīng)力及溶液酸堿度3個(gè)因素。酸性礦山廢水采用實(shí)際礦山現(xiàn)場原液(pH值2.54，Eh值254 mV，總鐵質(zhì)量濃度118 mg/L)，自來水采用生活用水(pH值6.88，總鐵質(zhì)量濃度0 mg/L)。試驗(yàn)設(shè)備采用多功能巖石低滲測試儀，通過對裂隙灰?guī)r進(jìn)行覆壓條件下滲流—溶蝕試驗(yàn)，模擬實(shí)際工程中裂隙灰?guī)r滲流—溶蝕作用。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 巖石滲流試驗(yàn)裝置示意圖

采用高壓液體泵對試樣施加恒定圍壓，調(diào)節(jié)進(jìn)口端流量以控制滲流量，出口端壓力為1個(gè)大氣壓。開展巖樣應(yīng)力—滲透—溶蝕前后電鏡掃描、三維激光掃描、X射線衍射(XRD)、溶液離子成分、滲透液酸堿度等試驗(yàn)，從細(xì)微觀角度解釋裂隙灰?guī)r滲透—溶蝕現(xiàn)象。

1.2 試樣制備及試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)所用巖樣為三疊系下統(tǒng)大冶組一段(T1d1)中—厚層灰?guī)r。根據(jù)相關(guān)規(guī)范及滲流試驗(yàn)設(shè)備條件，制備?50 mm×100 mm的圓柱形試樣，如圖2(a)所示;采用劈裂法沿層理面劈開制成單裂隙灰?guī)r，見圖2(b);選取裂面平整、無局部掉塊巖樣，見圖2(c)、(d)。

(a)部分巖樣與劈裂灰?guī)r (b)劈裂裝置

對烘干巖樣進(jìn)行XRD分析表明：灰?guī)r基質(zhì)體礦物成分有方解石、石英，不含黏土礦物；灰?guī)r層理含有方解石與石英，且存在黏土礦物蒙脫石、高嶺石，以及部分白云母、鈉長石等。為對比分析，選用2種不同溶液作為試驗(yàn)用水，具體試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)步驟如下：

1)試驗(yàn)前，對試樣裂隙面形貌進(jìn)行三維激光掃描。

2)將試樣放入滲流裝置中進(jìn)行應(yīng)力—滲流—溶蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中定期更換收集瓶溶液，以備后期對其離子濃度進(jìn)行檢測。

3)待達(dá)到試驗(yàn)時(shí)間之后，將試樣取出放入烘箱中，在105 ℃條件下干燥24 h，隨后進(jìn)行裂隙面三維激光掃描處理。

4)采用原子熒光吸收儀對滲透前后溶液的Ca2+、總鐵進(jìn)行離子濃度分析，用pH計(jì)對滲透液酸堿度進(jìn)行測量，并利用SEM掃描試驗(yàn)前后裂隙面微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 裂隙灰?guī)r滲透特性變化規(guī)律

根據(jù)試驗(yàn)條件，采用立方定律計(jì)算得到單裂隙巖樣的滲透率k[17]：

(1)

(2)

式中:Q為粗糙裂隙的實(shí)時(shí)滲流量，cm3/s；A為裂隙橫斷面面積，cm2；v為通過粗糙裂隙的流速，cm/s；K為粗糙裂隙的滲透系數(shù)，cm/s；J為粗糙裂隙的水力坡降；D為巖石試樣的直徑，cm；b為等效水力裂隙寬，cm；Δp為進(jìn)口端與出口端壓差，Pa；μ為水流的動(dòng)力黏滯系數(shù)，Pa·s；L為過水?dāng)嗝娴拈L度，cm；k為粗糙裂隙的滲透率，cm2；γ為水的重度，N/cm3。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得到不同工況條件下滲透率與滲透壓的變化曲線，如圖3所示。

(a)滲透率

由圖3可知，隨著滲流—溶蝕的不斷發(fā)生，裂隙灰?guī)r滲透率逐漸下降，并最終趨于穩(wěn)定；滲透壓隨著滲流—溶蝕的發(fā)生而逐步升高，并受圍壓大小、滲透液類型的影響明顯；高圍壓下裂隙灰?guī)r實(shí)時(shí)滲透率低于低圍壓下的實(shí)時(shí)滲透率，同等圍壓下AMD溶液滲透率明顯小于自來水滲透率。

2.2 滲出液離子濃度分析

為揭示滲透率與圍壓、滲透液類型的作用關(guān)系，檢測各裂隙灰?guī)r試樣滲出溶液的離子成分，結(jié)果如圖4所示。

(a)Ca2+濃度

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析得出：采用酸性礦山廢水時(shí)，隨著滲流—溶蝕的不斷發(fā)生，滲出液中的Ca2+質(zhì)量濃度逐漸減小，圍壓對Ca2+質(zhì)量濃度有影響，圍壓越大，Ca2+質(zhì)量濃度越低，表明裂隙灰?guī)r滲透溶蝕越弱，而滲出液中鐵含量逐漸增大，并逐漸接近初始AMD溶液；采用自來水滲透液的裂隙灰?guī)r中Ca2+、總鐵、pH值基本不變(見圖5)，表明自來水對裂隙灰?guī)r溶蝕作用較弱，但由于存在水動(dòng)力與圍壓的作用關(guān)系，裂隙灰?guī)r滲透率仍呈下降趨勢。

圖5 不同時(shí)刻溶液pH值

2.3 裂隙面粗糙度分析

在酸性礦山廢水下的裂隙灰?guī)r滲流斷面存在淡黃與深黃色沉淀物質(zhì)，結(jié)合部分學(xué)者的研究結(jié)果[18-19]，推測其為纖鐵礦、硫酸鈣等混合沉淀物，見圖6(a)、(b)。采用自來水滲透液的斷面無明顯滲流痕跡與沉淀物質(zhì)，見圖6(c)。

注：箭頭表示滲流方向。

為進(jìn)一步了解灰?guī)r裂隙面發(fā)生的溶蝕與沉淀，采用三維激光掃描對試驗(yàn)前后裂隙面進(jìn)行掃描，并通過Geomagic Design軟件對掃描結(jié)果進(jìn)行處理后分析得出：酸性礦山廢水對裂隙灰?guī)r具有明顯溶蝕作用，當(dāng)存在水力沖刷與溶蝕作用時(shí)，斷面輪廓起伏變緩，局部出現(xiàn)溶蝕凹坑，且溶蝕沉淀物質(zhì)明顯分布于滲流通道附近，見圖7(a)、(b)；自來水對裂隙斷面溶蝕作用較弱，局部凸起體被滲流溶液沖刷，表層附著顆粒被帶走，未出現(xiàn)沉淀物質(zhì)，見圖7(c)。

(a)工況1

根據(jù)三維激光掃描結(jié)果計(jì)算裂隙面形貌特征系數(shù)[20-21]，得出工況1、工況2、工況3裂隙面粗糙度系數(shù)JRC滲流前分別為9.2、11.5、15.6，滲流后分別為8.5、10.7、14.4，3種工況下裂隙面JRC值均降低，表明滲流—溶蝕作用使裂隙面凸起體消失，凹處被溶蝕沉淀物質(zhì)堆積，從而降低了裂隙面粗糙度。

3 裂隙灰?guī)r應(yīng)力—滲流—溶蝕過程

不同于天然雨水，礦山廢水具有酸堿性，對巖體具有較強(qiáng)的溶蝕作用。在酸性溶液的作用下，巖體自身礦物組成與外部應(yīng)力控制著滲流—溶蝕的發(fā)展。碳酸鹽巖發(fā)生溶解過程是在水的極性分子電荷和熱力學(xué)條件下，巖石礦物晶格中的離子脫離原來的位置并向水中發(fā)生轉(zhuǎn)移的過程[22]。碳酸鹽巖與酸性水在溶解過程中主要發(fā)生以下3個(gè)平行反應(yīng)[23-24]：

(3)

(4)

(5)

式中Me表示Ca2+、Mg2+離子。

在自來水、酸性礦山廢水的不同作用下，裂隙灰?guī)r滲流—溶蝕前后基質(zhì)體、層理微觀形貌特征存在明顯差異。

新鮮灰?guī)r基質(zhì)晶體之間緊密結(jié)合，晶型完好、輪廓清晰、斷面規(guī)整，局部晶粒之間存在微小孔洞，斷裂面有明顯的解理，見圖8(a)?；?guī)r層理為片狀結(jié)構(gòu)，孔隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)松散,見圖8(b)。

(a)未溶基質(zhì)體 (b)未溶層理面

采用自來水滲流—溶蝕的試樣基質(zhì)晶體晶型棱角變得圓滑，部分解理消失，見圖8(c)；層理面片狀結(jié)構(gòu)減少且輪廓變得模糊，見圖8(d)。采用AMD溶液滲流—溶蝕的試樣基質(zhì)晶體晶型消失，且表層附著沉淀物質(zhì)，該物質(zhì)具有圓滑的外觀形貌特征，呈現(xiàn)出圓球狀，局部出現(xiàn)溶蝕孔隙,見圖8(e)；層理面出現(xiàn)“蜂窩狀”溶蝕孔洞，局部被溶蝕沉淀物質(zhì)覆蓋，孔洞尺寸變大，且在孔洞發(fā)育處仍保留著部分片狀結(jié)構(gòu)(見圖8(f))，可能是因?yàn)樗嵝匀芤壕徛凉B入將其中易溶物質(zhì)溶解所致。

4 AMD降滲機(jī)理

滲流—溶蝕后的巖樣電鏡掃描結(jié)果可通過圖9(a)綠色區(qū)域與紅色虛線進(jìn)行更直觀地觀察，綠色區(qū)域框內(nèi)表現(xiàn)出明顯的溶蝕孔洞特征，而紅色虛線表現(xiàn)出明顯的水動(dòng)力條件特征，且沉淀物質(zhì)呈現(xiàn)一定的方向性，以長條狀為主,見圖9(b)。在裂隙面上，可以觀察出鐵絮狀沉淀物質(zhì)，當(dāng)溶液pH值逐漸升高時(shí)，鐵離子發(fā)生沉淀，見圖9(c)。通常，鐵離子在pH值較小的溶液中時(shí)呈現(xiàn)為離子狀態(tài)[25]。在基質(zhì)體溶蝕過程中，方解石發(fā)育晶間的溶蝕縫呈現(xiàn)出“鋸齒狀”形貌，其基質(zhì)所發(fā)生的溶蝕受控于方解石晶體解理[26]，見圖9(d)。滲流過程中，裂隙面不斷有溶蝕物質(zhì)沉淀，并形成一層“外包殼”，該層物質(zhì)對溶蝕速率具有明顯的抑制作用。

(a)層理差異性滲流—溶蝕 (b)水動(dòng)力痕跡與沉淀

隨著滲流—溶蝕不斷地進(jìn)行，可觀察到工況1、工況2滲出液顏色發(fā)生了變化：試驗(yàn)前期，滲出液顏色偏黃，水溶液靜置后容器底部沉淀大量絮狀物質(zhì)；試驗(yàn)中后期滲出液顏色逐漸接近原液，結(jié)合Ca2+濃度變化情況推斷滲流后期溶蝕速率下降，見圖10(a)、(b)。而工況3溶液顏色基本無變化，靜置后無沉淀，且溶液中Ca2+濃度較低，表明溶蝕較弱，見圖10(c)。

(a)工況1

綜上所述，由試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析可知，在恒定的圍壓作用下，裂隙灰?guī)r滲流—溶蝕作用呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。對于層理面與基質(zhì)體的混合溶蝕現(xiàn)象，其溶蝕存在差異性，伴隨著酸液的滲流作用，灰?guī)r裂隙面礦物成分發(fā)生溶解，在水動(dòng)力的作用下，水流攜帶溶解物質(zhì)與難溶物質(zhì)發(fā)生運(yùn)移與沉淀。在圍壓的作用下，滲流—溶蝕初期裂隙面溶解物質(zhì)隨著滲流通道流出，而后期裂隙面沉淀物增多。滲流—溶蝕過程中，圍壓發(fā)揮多重作用，主要使兩裂隙面緊密貼合，如圖11(a)所示；其次，裂隙面溶蝕骨架與凸起體壓碎(見圖11(b))，在水流及溶蝕作用下堵塞關(guān)鍵滲流通道(見圖11(c))，進(jìn)而降低裂隙灰?guī)r滲透率。

注：紅色表示裂隙，藍(lán)色表示溶液，黃色表示沉淀物。

5 結(jié)論

1)采用酸性礦山廢水與自來水滲透液，開展裂隙灰?guī)r應(yīng)力—滲流—溶蝕試驗(yàn)，分析滲流過程中的實(shí)時(shí)滲透率、Ca2+濃度、總鐵濃度、pH值的變化，發(fā)現(xiàn)其滲透率與溶液酸堿度、圍壓及試樣礦物成分直接相關(guān)。

2)裂隙灰?guī)r滲流—溶蝕前后微觀結(jié)構(gòu)存在明顯差異，且層理與基質(zhì)的溶蝕機(jī)理不同。層理主要以溶蝕孔洞為主，易溶物質(zhì)被溶出帶走后形成“蜂窩狀”溶孔；基質(zhì)主要沿晶體解理溶蝕，形成“鋸齒狀”溶蝕形貌。

3)滲流過程中，溶蝕物質(zhì)沉淀并附著于裂隙面形成一層“包殼”，使裂隙面粗糙度系數(shù)JRC減小，溶蝕速率明顯降低。且受圍壓作用，裂隙閉合，溶蝕沉淀物堵塞關(guān)鍵滲流通道，滲透率下降，滲透壓升高。

4)酸性礦山廢水具有明顯的溶蝕作用，溶蝕沉淀對試樣滲透率的降低起主導(dǎo)作用。研究AMD對碳酸鹽巖裂隙降滲作用對于閉坑礦山酸性水治理及工程巖體穩(wěn)定性研究具有重要意義。