我国目前煤炭开采的中心在西北地区，该地区大规模的煤炭开采造成生态水位下降、水土流失加剧、生态环境退化。相关研究已经成为研究热点[1-3]，王双明等[4]提出了基于生态适生水位的保水采煤技术，顾大钊等[5]提出了采空区储水理论和技术体系，彭苏萍等[6]提出了黄河流域生态修复关键技术，李文平等[7]提出了保水采煤矿区等级类型，靳德武等[8]提出了顶板含水层水量损失动力学过程，毕银丽等[9]提出了采煤塌陷区微生物复垦技术，黄庆享[10]认为下行裂隙和上行裂隙的贯通是水资源漏失、生态环境退化的关键，范立民等[11-13]提出了保水采煤的内涵和保水采煤面临的问题，认为隔水层再造是保水采煤关键技术之一。
目前，隔水层再造技术的研究主要有3个大的方向。第1个方向，有学者认为通过设计和控制采煤技术来达成隔水层再造的目的，即采用快速采煤的方法利用矿山压力使采动裂隙闭合[14]，或者通过特殊的采煤方法如充填开采来达成再造隔水层的目的[15]。第2个方向，也有学者认为隔水层再造的关键在于关键隔水土层，黄庆享教授提出了隔水土层自我弥合[16]，并认为其是隔水层再造的关键。李涛等也在实验中发现了隔水土层的弥合特性[17]。李文平团队则结合应力恢复和土层弥合深入阐释了隔水土层再造的内在机理[18]。第3个方向，还有学者认为人为主动修复是隔水层再造的关键。主要的修复方法有离层注浆减沉[19]，还有化学浆液修复采动裂隙等[20]。综合以上，隔水层再造技术虽然已有大量的研究成果，但研究空间仍然巨大，需要更多的研究成果来支撑保水采煤工程。
MICP(Microbially Induced Carbonate Precipitation，微生物诱导碳酸盐沉淀，以下简称MICP)技术是近年来在国内岩土加固领域的研究热点[21-23]。该技术通过微生物驱动尿素分解出碳酸根，再与钙源结合，产出天然矿物方解石来达成松散体胶结的目的。整个过程相比传统的化学凝胶，更加绿色，是前景广阔的绿色加固技术[24]。该技术早在1973年国内外就在开展研究，而近10 a有显著的突破[25]。已有的室内研究主要集中在影响微生物固化的因素和效果[26-28]，因素包括温度、钙源种类、微生物类型、无机盐参与等，效果包括单轴抗压强度、渗透系数、抗冲刷性等[29-31]。该技术的研究领域主要在地基处理、砂体胶结、风化岩体加固、大坝表层加固等方面[32-34]，在采煤裂隙修复领域鲜有论文报道[35]。相比较采煤裂隙的修复与松散体直接胶结不同，裂隙修复更受裂隙面的粗糙度、充填体特征等因素的影响，需要开展进一步的研究。另外，为尽早达成MICP技术的工业化应用，应在室内实验中积极应对灌注成本及微生物环境适应性问题。降低成本方面，一般需要控制昂贵的化学试剂的大规模使用，废弃物特别是煤炭产业链产生的废弃物的利用是一条值得探索的技术路线。环境适应性问题的挑战，则应积极探讨微生物在各类地质环境的固化效果，确保其在特定地质环境中可以达成工程需求效果或某些弥补效果不足的技术的研究，而不是一味坚守微生物活性的最大化。
综上，笔者基于降低成本和保水采煤工程背景的考虑，积极探索MICP技术在煤炭采动破坏的隔水层再造方面的室内试验研究。
1 研究背景
本次研究以陕北神南矿区(近)浅埋煤层开采造成的隔水土层裂隙为再造对象。区别于其他常规的MICP技术修复土体研究，本次重点突出采动裂隙的特征和采用煤炭产业链废弃物利用的特征。采动土层裂隙特征分析和废弃物利用的特征分析如下。
1.1 研究区采动裂隙土体特性
已有研究表明煤炭开采会造成上行裂隙和下行裂隙[7]，其中上行裂隙即传统意义上的导水裂隙，其开口向下且距离地表有一定的深度，因此本次研究主要针对修复易达到的浅部下行裂隙。下行裂隙一方面包括传统意义上的地表裂缝，另一方面还包括地表裂缝向深部的延伸。
针对传统的地表裂隙，通过采煤1 a后的野外地质调查发现其有以下特征(图1):地表裂隙主要可以分为两大组：第一大组为垂直于煤炭推采方向的裂隙，该组裂隙的发育宽度集中在0.1～0.4 m，发育深度也集中在0.1～0.4 m；第二大组为边界裂缝，沿着采煤边界延伸，发育的宽度和深度较第1组裂隙明显较大，最大宽度可达1 m，最大深度可达1.5 m。这两类裂隙主要属于受拉张破坏类型，少量为其他破坏类型。拉张裂隙均有明显的开口，且开口破坏处较为粗糙断面不平整，土体裂隙中有一定的充填特征。
图1 研究区采煤地表裂缝
Fig.1 Coal mining surface crack in study area
相比较传统的地表裂隙，其下还存在一段隐伏的下行裂隙，受制于土体的极限裂隙发育深度，上覆的地表裂隙没有直接与之沟通。为查明隐伏裂隙的特征，在同一采煤工作面的3个钻孔中通过微电阻率扫描成像测井探测隐伏下行裂隙，探测结果具体见表1。由表1可以看出，岩层与土层中的裂隙倾角有明显差异，土层中裂隙倾角均大于80°，而岩层中的倾角集中在50°～70°。土层中探测到的隐伏裂隙整体上走向与煤层推采方向(63°)近似垂直(图2)，局部有一定偏差(最大差距36.1°，其余差距在18°以内)，而基岩中探测到的裂隙走向与地表裂隙走向有明显的差异，且杂乱无章。
图2 研究区隐伏下行裂隙与地表裂隙对比
Fig.2 Comparison of concealed downward fissures and surface fissures in the study area
表1 微电阻率扫描成像探测的隐伏裂隙特征
Table 1 Characteristics of insidious fractures detected by microresistivity scanning imaging
裂隙发育地层裂隙发育深度/m裂隙倾角/(°)裂隙走向/(°)土层7.984.4155.0,335.0土层18.483.79.1,189.1土层22.480.8126.1,306.1土层21.885.8143.0,323.0岩层29.957.368.6,248.6土层20.090.0150.1,330.1岩层42.653.097.1,277.1岩层45.173.1113.1,293.1岩层46.162.911.9,191.9岩层47.670.1166.7,346.7
综合以上，研究区采动破坏的土体发育出的裂隙有以下特征:
(1)下行裂隙由地表裂隙和下伏隐伏裂隙构成;
(2)下行裂隙均为高角度裂隙，裂隙角度大于80°;
(3)下行裂隙主要是受拉破坏，表现出拉张破坏的开口和裂隙面粗糙等特性;
(4)下行裂隙除边界裂隙类型外，其他裂隙与煤炭开采方向近似垂直。
因此，后续试验所用裂隙土体均采用高角度、向下尖灭的多段断续连接的裂隙构成，且裂隙中有一定的充填物，如图3所示。
图3 采煤裂隙土体示意
Fig.3 Schematic diagram of mining fissure soil
1.2 MICP技术加固裂隙土体概况
已有的研究认为可以诱导碳酸盐沉淀的微生物有几十种，但目前最主要利用的微生物是芽孢杆菌属。其中，巴氏芽孢杆菌用于MICP实验的研究最多，但已有研究认为巨大芽孢杆菌有更好的固化效果。因此，本次实验选用中科院微生物研究所的巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium de Bary)作为实验用菌。
本次实验首先利用微生物制取试验样品，具体的步骤包括:① 菌粉的激活。激活所用的培养基为:牛肉蛋白胨 10 g/L、酵母提取物5 g/L、NaCl 10 g/L，pH值调至7.0左右，溶剂为去离子水，培养基采用高压灭菌锅高温灭菌处理，并在无菌操作台激活，激活后放入生化培养箱，培养温度为30 ℃;② 菌种激活后进行多次接种富集(即分出上一代菌液到新的培养基中)，在微生物密度提升到高峰值区间备用;③ 将步骤②的菌液注入土体裂隙后，按照设计的温度进行土样养护，用于相关指标测试，试验测试详细见本文第3,4部分。
MICP技术是通过微生物分解尿素产生碳酸根，与钙源中钙离子结合形成沉淀，进而胶结松散砂体。其中，传统的MICP技术是采用氯化钙、醋酸钙、硝酸钙等一种或多种化学试剂作为钙源，价格较高且有一定的环境影响。此外，传统试验固化体多以松散砂体为主，但砂体的抗渗性较差。相比较传统试验，本次采煤裂隙土体修复的试验具体特色如图4所示。本次利用高钙洁净矿井水来提供钙源和无机盐(微生物固化过程中保持活性需要补充营养液)，氮源仍采用传统的尿素，充填物为矸石、黏土(黏土为研究区保德组红土)和砂的混合物。这有效降低修复成本的同时达到煤炭产业链废弃物循环利用的目的。
图4 微生物修复土体裂隙特色
Fig.4 Characteristics of microbial remediation of soil fissures
2 基于保水采煤工程应用的菌种适应性分析
传统微生物实验研究主要通过调整最优的环境来培养出最有活力的微生物菌群，但实际工程中很难达保障最优环境。因此，本次研究重在探讨巨大芽孢杆菌对各类不同环境的适应性，为工程应用提供更宽泛的参数选择。
2.1 微生物保种试验分析
根据以往研究认为巨大芽孢杆菌菌液可以在3 ℃的冷藏室有效保种约3个月，即3个月后再次接种仍然可以继续保持菌种的活性。本次研究探索了常温条件下的保种可能性，即分为2组，1组在3 ℃冷藏室中保存3个月，另1组在室内常温(长期在0～20 ℃波动，仅3 d在-5～10 ℃)下保存3个月。然后对两类菌液进行接种，接种采用传统的培养基接种，接种后对不同时间的菌液样品采用紫外分光光度计测试OD600值(OD600为某种溶液在600 nm波长处的吸光值。常用来表征微生物菌液中微生物活菌的数量)。
保种3个月后，肉眼可直接观测到常温保种的菌液活性明显较低温保种的菌液活性差。接种后OD600值测试结果如图5所示，可以看出常温保种菌样的活性明显较差，常温保种微生物繁殖到最高点周期更长(常温保种样品需要13 d，而低温保种样品需要11 d)，且常温保种的OD600值最高点更低，但随着低温样品进入衰减期后常温样品逐步接近(13 d后明显接近)。这说明虽然常温保种的样品虽然活性更差，但仍然可以保持一定的活性，通过培养时间加长仍然可以有效用于土体裂隙修复。这为菌种储存提供了更宽广条件范围。
图5 不同保种环境的OD600曲线
Fig.5 OD600 curves of different conservation environments
2.2 养护温度适应性试验分析
1.2节中提及的步骤③是样品的养护，以往其他学者主要是在最优的养护条件下开展样品养护。但现场试验的温度是多变的，为探讨在野外温度条件下裂隙修复效果，设计对比试验如下。
第1组为对照组，其制作方法如下:将激活后、培养10 d的高浓度菌液(非沉淀区)与胶结液按体积比1∶2混合成50 mL混合液，胶结液为氯化钙(浓度0.3 mol/L)和尿素(浓度0.3 mol/L)构成。混合液在30 ℃下恒温养护，养护3,7,11 d后通过过滤称重测定结晶产生的碳酸钙质量(不同养护天数各3个平行样品取平均值，共计对照组9个样品)。
第2组为常温养护组，其制作方法如下:将激活后、培养10 d的高浓度菌液(非沉淀区)与胶结液按体积比1∶2混合成50 mL混合液，胶结液为氯化钙(浓度0.3 mol/L)和尿素(浓度0.3 mol/L)构成。混合液在研究区温度波动下养护(本次模拟陕北5月气温在10～30 ℃波动)，养护3,7,11 d后通过过滤称重测定结晶产生的碳酸钙质量(不同养护天数各3个平行样品取平均值，共计常温养护组9个样品)。
测试结果如图6所示，结果显示常温(10～30 ℃)养护产生的碳酸钙量比恒温(30 ℃)养护产生的碳酸钙更高。这主要是富集的微生物已经接近衰减期(图5)，温度越高衰减速率越快(因此图6中的曲线趋于平缓，说明碳酸钙产量在逐步减少)，因此常温(10～30 ℃)波动下比30 ℃恒温条件下有更好的碳酸钙产量，即对裂隙土体的修复效果更好。这说明在春秋季傍晚日落时间段开始进行土体裂隙修复有较好的效果。
图6 不同温度下碳酸钙产量
Fig.6 Calcium carbonate production at different temperatures
2.3 微生物环境适应性试验分析
微生物对环境有一定的适应能力，特别是经过有针对性的驯化，微生物可以保持更高的活性。为分析本次使用微生物的环境适应性，进行了2类微生物环境适应性试验分析。
第1类试验设计为:对菌种激活后第1次、第2次和第3次接种，接种后进行第3天、第5天、第7天、第11天、第13天和第15天的OD600值的测试，测试的结果如图7所示。测试结果显示随着培养代数的增加，微生物能够更好的适应本地区的环境，有更好的生长曲线。
图7 不同代数下微生物OD600值曲线
Fig.7 OD600 value curves of microorganism under different algebra
第2类试验设计:由于陕北5月气温在10～30 ℃波动，本次使用的微生物最佳富集温度在30 ℃左右，但10 ℃以上也可以逐渐富集。为使得微生物菌种能够适应工程区的气温(10～30 ℃)，在培养富集阶段就对温度提前进行了微生物适应性驯化。本次试验培养温度降低到工程区最常见温度20 ℃接种3次。然后培养到30 ℃温度培养10 d相似的OD600值。接着把驯化后的菌液与胶结液按体积比1∶2混合成50 mL混合液，并在胶结液中加入1.2节中所述的培养基，混合液在研究区温度波动下养护(本次模拟陕北5月气温在10～30 ℃波动)，养护3,7,11 d后通过过滤称重测定结晶产生的碳酸钙质量(不同养护天数各3个平行样品取平均值，共计9个样品)。此外，制作对照组按照30 ℃富集的菌液与胶结液按体积比1∶2混合成50 mL混合液，并在胶结液(0.5 mol/L尿素+0.5 mol/L氯化钙)中加入1.2节中所述的培养基，混合液在研究区温度波动下养护，测试碳酸钙质量。
测试结果如图8所示，驯化后微生物对工程区温度有更好的适应性(驯化前碳酸钙产率为82.2%，驯化后的碳酸钙产率为93.5%)，说明针对研究区可提前进行微生物环境适应性驯化。此外，与图6对比，本次试验养护阶段加入了培养基，这也提高了微生物的活性，碳酸钙产量曲线也由逐渐平缓上升型变化为直线上升型。
图8 微生物驯化前后碳酸钙产量曲线
Fig.8 Calcium carbonate production curves before and after microbial domestication
3 高钙矿井水为钙源室内实验研究
MICP技术在碳酸钙产生阶段，需要大量的钙离子或镁离子参与，以往试验研究采用化学试剂开展研究，本章试验以某种洁净矿井水为钙源开展试验研究如下。
3.1 矿井水的选择及加工
我国华北和华南煤田有大量的灰岩承压水，随着开采深度的增加现在威胁煤层开采的灰岩水的矿化度整体变大。这类承压水涌入矿井后由于矿化度高难以处理和直接利用，但其富含钙离子和镁离子，有潜在作为MICP钙源的利用价值。
试验所用的矿井水为洁净矿井水(来自钻孔或突水点)，取自渭北煤田，对多个灰岩水源点的矿井水进行了测试，测试结果见表2。
表2 矿井水测试结果
Table 2 Test results of mine water
标号矿化度/(mg·L-1)永久性硬度/(mg·L-1)pH值水质类型Ca2++Mg2+质量浓度/(mg·L-1)14 614.22 335.07.42SO4Cl-Ca(Na)987.022 874.31 309.36.78SO4(HCO3)-Ca646.533 280.61 270.86.29SO4-NaCa(Mg)509.242 537.61 045.16.58SO4(Cl)-CaNa522.153 540.8857.37.05ClSO4-NaCa378.663 782.82 503.47.11SO4-CaMg887.172 209.82 778.512.28Cl(SO4)-CaNa(Mg)985.0
由表2可以看出，该地区矿井水矿化度普遍较高，但阴离子以硫酸根为主，按照水化学类型判断尚未达到卤水级。pH值普遍在7左右，仅7号样为12.28，已有研究认为巨大芽孢杆菌较为有利的pH值为8左右较好，从pH值看1号样更好。此外，已有MICP相关研究认为碳酸钙和碳酸镁都可以形成胶结沉淀，即无需区分两类离子。表2中1号水样Ca2++Mg2+质量浓度最高，因此选定1号水样为本次试验所用水样。
但依据以往研究，钙离子在一定范围内随着其质量浓度增加，胶结效果也随之提升。为此，对1号水样进行了浓缩处理，由于硫酸钙溶解度有限，本次浓缩为原溶液的30%体积，其总矿化度上升至1 042 mg/L，其中Ca2++Mg2+质量浓度达到2 160 mg/L，pH值变为8.09，水质类型无变化，但碳酸氢根质量浓度下降显著。此时pH值达到最佳范围之内，而Ca2++Mg2+质量浓度也有显著提高。
3.2 高钙水为钙源对样品力学性质影响
虽然高钙矿井水浓缩后Ca2++Mg2+质量浓度显著提高，但仍然有限，为提高碳酸钙和碳酸镁产量，将尿素(2 g/L)直接加入浓缩后的矿井水，制成混合液。将混合液和菌液(加入无氯化钠的培养基，浓度与1.2节相同)按5∶1体积比注入裂隙土体，注入量为充填物空隙的1.2倍。每次注入间隔7 d，对比了注入1,2,3,4次的不同样品在最优含水率的无侧限强度测试。此外，对比组1制作方法为:裂隙土体充填物与试验组相同，不进行微生物固化，直接测试无侧限抗压强度。对比组2制作方法为:裂隙土体充填物、固化方法都与试验组相同，但胶结液为氯化钙(0.1 mol/L)和菌液(含培养基)1∶1体积比注入裂隙土体1次的样品养护7 d。
测试结果如图9所示，可以看出相比对比组1(裂隙充填未固化样)，4次固化后强度提升114.2%，但相对对比组2(化学试剂固化样)还有明显的差距，但已经超过保德红土天然单轴抗压强度(212 kPa)，说明采用矿井水作为钙源能够达到隔水层再造的目的。
图9 高钙矿井水作为钙源固化裂隙土体强度测试
Fig.9 Strength test of high calcium mine water used as calcium source to solidify fissured soil
由于本次使用的高钙矿井水中有钙离子和镁离子给微生物提供了钙源，但浓缩后浓度仍然不足0.1 mol/L，根据前人研究浓度的正向影响有提升的空间。但胶结液中加入了培养基，而高钙矿井水中也富含无机盐，保持了微生物的活性，反复加入胶结液可以持续产出碳酸钙沉淀，这在一定程度上弥补了钙源浓度不足的缺陷。
3.3 高钙水为钙源对样品渗透系数的影响
采用3.2节相同的方法对裂隙土体进行固化修复，对比了注入1,2,3,4次的不同样品的渗透系数测试。对比组1和对比组2也采用3.2节相同的方法制作样品并开展变水头渗透测试。
测试结果如图10所示，可以看出相比对比组1(裂隙充填未固化样)，4次加固后渗透系数降低接近1个数量级，但相对对比组2(化学试剂固化样)还有一定的差距，但已经小于保德红土天然渗透系数(约0.001 m/d)，说明采用矿井水作为钙源能够达到隔水层再造的目的。
图10 高钙矿井水作为钙源固化裂隙土体渗透系数测试
Fig.10 Permeability coefficient test of high calcium mine water as calcium source to solidify fissured soil
4 煤矸石等为充填物的室内实验
4.1 煤矸石的选择及意义
煤矸石作为煤炭开采产生的固体废弃物，种类很多，目前回收利用的方向有很多，但随着煤炭洗选水平的提升，产出的煤矸石更多成分为无机成分，利用价值有限。其中，有部分煤矸石中富含磷而有作为耕地肥料的应用价值。而本次利用的巨大芽孢杆菌有将煤矸石中植物无法直接利用的磷变为可利用磷肥的作用。这为后续的联合植被修复采煤塌陷区提供了有利的基础。为此，本次室内试验探索该类煤矸石作为部分充填物的MICP技术改造下裂隙土体力学性能和水理性能变化。
本次试验采用的煤矸石从岩性上看为炭质页岩(图4)，最主要的矿物构成为黏土矿物，可替代裂隙中充填的黏土。
4.2 煤矸石等为充填物裂隙土体力学实验
将本次试验所用的煤矸石晾干、破碎、过筛，然后部分替代黏土充填裂隙。质量上代替10%,30%,50%,70%,90%，采用菌液(30 ℃下培养基内培养10 d，取出后加入1.2节相同浓度的培养基)和胶结液(氯化钙和尿素均为0.1 mol/L)体积比1.0∶1.5的注入充填物，注入量为充填物空隙的1.2倍，养护7 d后测试固化土体的无侧限抗压强度(每组3个样品取平均值)。
结果如图11所示，随着煤矸石的加入裂隙土体的单轴抗压强度小幅度降低，在50%后替代量时有下降明显。这主要是由于煤矸石中黏土矿物含量高吸水有膨胀性，而巨大芽孢杆菌固化需要O2，太高含量的煤矸石降低了固化效果。
图11 煤矸石部分替代黏土充填下的固化效果
Fig.11 Solidification effect of coal gangue partially replacing clay
4.3 煤矸石等为充填物裂隙变水头实验
采用4.2节相同的制样方法和设计，对10%,30%,50%,70%,90%代替黏土固化土样进行了变水头渗透实验。实验结果如图11所示。
由实验结果图11可以看出，随着煤矸石的加入渗透系数有一定幅度的下降，这与煤矸石中大量的黏土矿物成分有关。但随着煤矸石的加入增加，MICP过程受限于O2缺乏而效率下降，即煤矸石加入量增加曲线下降趋于平缓。
综合物理力学和水理固化特征，煤矸石、黏土与砂的充填质量比为1∶1∶2为宜，混合固化后采用XRD分析，结果如图12所示，可以看出在22.24°和28.00°出现了方解石的衍射峰，27.76°出现了石英的衍射峰，此外由于充填物复杂，还有很多其他的衍射峰，其中包括黏土矿物。固化后的充填物有石英等骨料，有方解石等胶结物，有黏土矿物等膨胀矿物，结合试验曲线这类充填物固化后能够兼顾力学和水理性质。
图12 固化体XRD测试结果
Fig.12 XRD test results of solidified body
5 物理相似模拟下行裂隙修复试验
5.1 煤炭开采下行裂隙发育的相似模拟
本次物理相似模拟的原型为陕北柠条塔煤矿南翼2-2煤层开采区。相关的采矿地质条件见表3，本次选用几何比为1∶100，容重比为2∶3，模型如图13(a)所示。
表3 模型采矿地质条件
Table 3 Model mining geological conditions
编号岩性原岩层厚/m原岩累厚/m1离石组黄土18.518.52保德组红土91.0109.53泥岩5.7115.24粗粒砂5.3120.55粉砂岩6.3126.861-2煤1.3128.17砂质泥岩12.6140.78细粒砂10.6151.39细粒砂12.3163.6102-2煤4.0167.6
对2-2煤进行全厚开采，推进到95 m时基岩全部破断，推进到126 m时导水裂隙(即上行裂隙)发育到108 m高度(此时上行裂隙发育进入稳定阶段)，继续开采到210 m导水裂隙不再变化，导水裂隙带高度为采厚的27倍。上行裂隙进入稳定阶段后，地表在推进区两端附近出现拉伸破坏的下行裂隙，随着推进的进行，进入推采区内的下行裂隙开始闭合。推进到210 m时，仅在收作线和开切眼附近有4条显著裂隙，如图13(b)所示。
图13 物理相似模拟
Fig.13 Physical similarity simulation experiment
5.2 下行裂隙修复试验
对4条采动产生的下行裂隙进行修复，修复的方法设计如下:第1条裂隙以煤矸石、黏土与砂充填裂隙，充填质量比为1∶1∶2。充填物与菌液(含培养基)和胶结液(尿素+浓缩的高钙矿井水)制作成悬浊液，使用针管注入模型裂隙。第2条裂隙，间隔7 d后对充填物补注菌液+胶结液，第3条裂隙每7 d补注1次菌液+胶结液，共补注2次。第3条裂隙每7 d补注1次菌液+胶结液，共补注3次。
在不同的修复土体上用环刀(高4 cm)切入土体1 cm(即水头3 cm)，注满水等待1 h，然后再注满观测1 h内水位下降的幅度。观测结果如图14所示。
图14 物理模拟土体裂隙固化水位下降曲线
Fig.14 Physical simulation of water level decline curve of soil fissure solidification
由图4可以看出，随着固化次数的增加，水头下降量在减少，特别是3次固化后曲线趋于平缓。水位最低降低0.1 cm，按照几何比计算相当于3 m高的水头仅下降0.1 m，隔水层再造效果显著。
6 结论及展望
(1)陕北浅埋地区煤炭开采“下行裂隙”断续与采空区连通，是水资源漏失的主要途径。该裂隙有高角度、裂隙面粗糙、裂隙中有充填物特征，有微生物固化修复的潜在条件。
(2)本次实验的巨大芽孢杆菌在陕北常温条件下可以实现保种，特别是经过3次及以上的接种后，能够较好的适应本地环境。而低温驯化后的微生物，更能适应低温工作条件。
(3)煤炭产业链产生的洁净高钙矿井水浓缩30%时，pH值有利于本次实验选用的微生物。此时，利用浓缩的高钙矿井水作为MICP钙源，虽然较常规的钙源(化学试剂型)固化效果较差，但通过4次注入高钙矿井水单轴抗压强度和渗透系数等参数均接近于化学试剂钙源的固化效果。
(4)采用煤矸石粉、黏土和砂体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，且由于煤矸石在巨大芽孢杆菌作用下可释放出磷肥等，有利于后续植物联合修复。
(5)煤炭开采物理相似模拟产生的下行裂隙进行4次固化修复，按照几何比计算，相当于1 h内3 m高的水头仅下降0.1 m，显示其固化效果良好。
MICP技术目前还有很多问题需要在室内和野外进行进一步的试验检验，如陕北的强紫外光线的问题、微生物好氧的问题、本土杂菌竞争的问题等。但MICP无化学添加剂使用，残留和分解产生的氮磷钾有联合植物修复的可能，是绿色矿山建设中很有研究前景的技术。
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