基于微生物矿化成岩的裂隙岩体阻渗性能研究

Aiming at water inrush disaster caused by seepage passage of fractured rock in deep mining process of coal seam, the influence mechanism of microencapsulated microbial induced calcite precipitation (MICP) on seepage in fractured rock mass is studied by means of laboratory experiments, theoretical analysis and numerical simulation. Firstly, microencapsulated carbonate mineralizing bacteria with optimum mineralizing properties are used to study the preparation process, biocompatibility and seepage pressure triggering properties of microbial capsules, and to reveal the influence of microbial capsules on the fluidity and phase transition process of mortar. Secondly, the seepage morphology, hydrodynamic characteristics and permeability structure of microbial capsule mortar grouting are studied by model test. Finally, through numerical simulation, the mathematical model between permeability of rock mass and sedimentary distribution characteristics of microbial mineralization products is constructed. It reveals the mechanism of microbial mineralization to prevent seepage in fractured rock mass and its hydraulics mechanism. This project can provide theoretical basis for the application of microbial natural mineralization seepage control engineering, and provide a new method for the prevention of water inrush disaster.

针对煤层深部开采过程中出现的岩体裂隙渗流通道所造成的突水灾害，本项目基于微生物矿化成岩的生物化学理论，采用室内实验、理论分析、数值模拟等方法，研究微胶囊包覆细菌诱导碳酸钙沉积（MICP）对裂隙岩体渗流的影响机理。首先，采用最佳矿化性能的碳酸盐矿化菌进行微胶囊包覆试验研究，探究微生物胶囊的制备工艺、生物相容性和渗流压力触发性能，揭示微生物胶囊对砂浆流动性能和相变过程的影响规律。其次，通过模型试验研究微生物胶囊砂浆注浆对裂隙渗流形态、水动力学特征及其导渗结构的变化规律。最后，通过数值模拟，构建岩体渗透性与微生物矿化产物的沉积分布特征之间的数学模型。揭示微生物矿化作用对裂隙岩体的阻渗机理及其水力学机制。本项目可为微生物自然矿化阻渗治水的工程应用提供理论基础，为突水灾害的防治提供新方法。

针对煤层深部开采过程中出现的岩体裂隙渗流通道所造成的突水灾害，围绕微胶囊包覆细菌诱导碳酸钙沉积（MICP）对裂隙岩体渗流的影响机理、微生物胶囊的制备工艺、微生物胶囊对砂浆流动性能和相变过程的影响规律、裂隙渗流水动力学特征及其导渗结构的变化规律、岩体渗透性与微生物矿化产物的沉积分布特征之间的数学模型构建等研究内容，按照研究计划采用采用室内实验、理论分析、数值模拟等方法，如期完成了研究内容，计划执行情况良好。.主要成果如下：.①得出了微生物培养和芽孢的最佳萌发条件。MICP的晶型和形貌会受到菌液浓度、钙源浓度以及试验环境等因素的影响。.②得出了微生物胶囊的最佳制备工艺参数，所制备胶囊能够达到最佳生物相容性、防水性能和贮存稳定性。.③研发了基于微生物的注浆材料，粒径为150μm的微胶囊阻渗效果最佳，且对试件的强度影响最小。.④微胶囊用量的增加使砂浆流动性能下降，砂浆凝结时间有一定延迟，进而会造成强度的损失，微胶囊掺量控制在4%以内修复效果随着微胶囊掺量增加而提高。渗透系数下降幅度均值大于60%，微胶囊的掺入对裂隙岩体的水力性能影响较大。.⑤注浆材料加入微生物胶囊后，浆体变得更加粘稠稳定，屈服应力变大。断裂面处产生的矿化产物和岩石基体具有较好的匹配度。通过对试件抗拉强度、渗透性能等分析提出微胶囊掺量为2%、粒径为150um的注浆材料可达到最佳阻渗效果。.⑥随围压增大，岩体渗透呈下降趋势，且渗透系数与围压的相关性可以通过幂函数较好的进行拟合。微生物阻渗效果在一定程度上受到围压变化的影响，而与试件裂隙修复程度存在较大关联性，养护后裂隙修复程度越高，受围压变化影响越小。