CN114197436A - 岩体陡倾非贯通微裂隙的微生物连续分层矿化修复方法 - Google Patents

Abstract

岩体陡倾非贯通微裂隙的微生物连续分层矿化修复方法，包括以下步骤：对岩体陡倾裂隙的表面进行封堵，同时在裂隙底部埋入金属棒，在裂隙顶部预留两个未封堵的开口；注入胶结液直至注满；注入培养好的细菌溶液直至注满；在容器中注入胶结液，在微孔滤膜的作用下，胶结液中的钙离子和尿素通过扩散作用扩散到裂隙内部，对裂隙内部的钙离子和尿素进行连续补充；通入电压，金属棒接负极，溶液接正极，通电一段时间；在完成通电以后，通过针头向裂隙补充裂隙菌液和尿素混合液；通电和混合液的补充每隔6‑48h进行一次，直至裂隙完全修复。本发明提供的修复方法具有经济、高效率、高填充率和高桥接率以及矿化产物能够均匀地进行分布的优点。

Description

岩体陡倾非贯通微裂隙的微生物连续分层矿化修复方法

技术领域

本发明涉及岩体修复技术，具体是涉及岩体陡倾非贯通微裂隙的微生物连续分层矿化修复方法。

背景技术

风化裂隙广泛分布于岩体当中，且其形成过程是一个从微米级微裂隙到毫米-厘米级宏观裂隙动态的发展过程。风化裂隙的修复加固，尤其是早期微裂隙的修复加固是地质遗迹和石质文化遗产保护领域的一个研究热点，也是难点。因为发育有早期微裂隙的风化岩体的力学强度仍较高、稳定性较好，只要这些微裂隙及时得到修复，便可有效防止岩体进一步风化劣化，降低因岩体失稳而发生崩塌等风化病害的可能性。近些年，少量的国内外学者针对地下核废料储库岩层层理、地下能源开采过程水力压裂裂隙等单一水平面状贯通微裂隙的降渗加固，提出了循环注射菌液的微生物矿化方法，修复过程主要按照先菌液后胶结液依次多轮循环注射，该方法能对水平裂隙形成有效的水力封堵，但不足之处也非常明显，例如：①应用对象为贯通裂隙，才能施行循环注浆过程；②修复效率低，修复一个裂隙往往需要多天甚至一二十天，这是因为菌液和胶结液依次轮流注射，当先完成菌液注射，每次只有少量的细菌能够比较牢固地附着在裂隙表面，随后的胶结液的注入会将绝大部分的细菌冲走，少量附着的细菌的矿化修复效率从而很低；③菌液和胶结液利用率很低，循环过程中的菌液和胶结液因为两者的相互混合而无法重复使用，从而往往需要相当于裂隙体积几十倍甚至上百倍体积的溶液才能实现对裂隙较好的修复；④裂隙修复率低，裂隙修复率约60％；⑤桥接率低，桥接率定义为修复材料完全填充裂隙并利用自身的高力学强度将两侧裂隙粘结在一起的面积与裂隙面积的比值，这对修复后裂隙是否具有好的抗拉、抗剪等力学性能起到决定性作用，据研究表明该方法的桥接率约5％；⑥生成的矿物在注浆方向分布不均匀，易在注浆口处首先发生堵塞从而影响距离注浆口较远处裂隙的进一步修复；⑦未考虑面状裂隙有倾角情况。

然而，风化裂隙往往具有微裂隙数量众多、倾角范围广、浅表发育、大部分未贯通等特征，已提出的循环注射菌液的微生物矿化方法无法经济有效地应用于风化微裂隙的修复加固，尤其是陡倾(倾角大于45°)、未贯通的面状风化微裂隙这样的普遍情况。从而，针对岩体陡倾面状非贯通风化微裂隙，研发一种经济、高效且具有高填充率和高桥接率的微生物矿化技术迫在眉睫，对地质遗迹(例如湖南张家界)和石质文化遗产(例如云冈石窟)风化病害的防护等方面具有十分重要的理论意义和实际工程应用价值。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了岩体陡倾非贯通微裂隙的微生物连续分层矿化修复方法，本发明提供的修复方法具有经济、高效率、高填充率和高桥接率以及矿化产物能够均匀地进行分布的优点。

本发明技术方案如下:

岩体陡倾非贯通微裂隙的微生物连续分层矿化修复方法，包括以下步骤：

①对岩体陡倾裂隙的表面进行封堵，同时在裂隙底部埋入金属棒，在裂隙顶部预留两个未封堵的开口，一个为溶液注入口A，一个为排出口B，溶液注入口A在下，排出口B在上，在溶液注入口A底下埋入针筒的针头并保持封闭状态；

②配置胶结液溶液，胶结液由等浓度的氯化钙溶液和尿素溶液组成；随后，通过溶液注入口A注入胶结液直至注满，记录注入的胶结液的体积；然后，通过预埋的针头抽取掉10％-50％的胶结液；

③培养细菌溶液，随后通过溶液注入口A注入培养好的细菌溶液直至注满，并静置反应一段时间，细菌溶液能够与胶结液溶液发生矿化反应；

④在静置反应的过程中，在顶部两个预留的开口处分别依次安装两张微孔滤膜和两根塑料管；微孔滤膜的过滤孔径小于1μm，通过黏贴材料固定在开口处并保持裂隙仍然通畅；而两根塑料管一端各自固定在两张微孔滤膜上，另外一端分别与与容器A和容器B相连通；

⑤静置反应一段时间后，在容器A中注入胶结液，胶结液通过塑料管、溶液注入口A和裂隙相连通，在微孔滤膜的作用下，胶结液中的钙离子和尿素通过扩散作用扩散到裂隙内部，对裂隙内部的钙离子和尿素进行连续补充；

⑥在容器A中的胶结液与裂隙联通以后，将裂隙底部预埋的金属板和容器中的溶液中通入电压，金属棒接负极，溶液接正极，通电一段时间；同时，通过向容器A加压，加速胶结液从溶液注入口A流入裂隙，部分反应后废液从排出口B流回容器B；

⑦在完成通电以后，通过针头向裂隙补充裂隙体积10-50％的菌液和尿素混合液；

⑧步骤⑥和⑦每隔6-48h进行一次，直至裂隙完全修复。

本发明提供的修复方法与现有技术相比，取得了如下显著的进步：

本发明中，基于细菌菌液和胶结液的微生物矿化过程有两种情况，第一种是在菌液和胶结液混合之后，部分矿物在溶液中便快速生成，另外一种是细菌会吸附在裂隙表面，之后将溶液中的钙离子和尿素吸附过来在其表面进行矿化过程。第一种生成的矿物量远大于第二种，因为溶液中的细菌量更多。而在以往的循环注射菌液的微生物矿化方法中，第一种的矿物生成过程未被加以利用，只利用了第二种矿化过程，所以修复效率比较低。此外，在菌液注入口的地方，细菌往往吸附的比较多，所以以往的循环注射菌液的微生物矿化方法的矿化产物分布往往不均匀。本发明技术将两种过程均加以利用，第一种过程中的矿化产物能在重力作用下沉积到裂隙底部并能将对应部位的裂隙填充满，但这种类型沉积的矿化产物相对较松散。在随后的时间里，第二种类型的矿化过程会对这些松散的矿化产物进行进一步的填充和加固，具体过程为溶液中的细菌会吸附到这些松散的矿化产物孔隙中，在孔隙中发生矿化沉积，不仅填充了孔隙，也使原本松散的矿物牢固地相互胶结在一起，同时这些被固化的矿物也被粘结到两侧的裂隙。从而实现了该部位裂隙的高裂隙修复率、高桥接率以及矿化产物能够均匀地进行分布。

另外，本发明通过四个关键技术手段，包括①裂隙外胶结液的联通器式连续补充；②裂隙内菌液的分次补充；③电压加速容器中胶结液钙离子快速均匀扩散至裂隙内部；④胶结液内外联通处微孔滤膜的应用，从而突破了以往循环注射菌液的微生物矿化方法的局限性，能够将应用对象扩展为陡倾非贯通裂隙；通过前三个技术手段的相互配合，能够高效地实现裂隙内微生物连续分层矿化沉积，能够进一步保证裂隙的高裂隙修复率、高桥接率以及矿化产物能够均匀地进行分布，并且本发明提供的技术手段的实际可操作性强；另外，本发明的第四个技术手段提出的微孔滤膜，能够保证胶结液顺利从外部进入裂隙内部而细菌不能从裂隙内部扩散至塑料管以及容器当中，防止了塑料管和容器中无用的微生物矿化作用过程，保证了材料消耗只在裂隙内部发生，菌液和胶结液利用率高，极大降低了修复材料的浪费和减少了废液的排放，同时保证了微生物连续分层矿化沉积修复方法的经济性。

作为优化，前述的岩体陡倾非贯通微裂隙的微生物连续分层矿化修复方法中，通过针头向裂隙补充的菌液和尿素混合液，在注入之前根据需求先进行预水解0-6h。菌液和尿素混合液在注入之前根据需求先进行预水解，预水解产生的物质成分，能够促进后续的微生物矿化过程。

作为优化，前述的岩体陡倾非贯通微裂隙的微生物连续分层矿化修复方法中，裂隙顶部预留单个开口的长度为裂隙高度的5-10％，且不小于1cm、不大于10cm。裂隙顶部预留开口的长度在此范围内，便能够在对裂隙表面进行封堵的同时，还能够为后续液体的注入留下足够的开口。进一步的，针筒的针头位于溶液注入口A底下2-5cm处。

作为优化，前述的岩体陡倾非贯通微裂隙的微生物连续分层矿化修复方法中，所述胶结液中氯化钙溶液和尿素溶液的浓度范围为0.1-3mol/L。氯化钙溶液和尿素溶液的浓度在此范围时，能够保证菌液和胶结液混合之后矿物的快速生成。

作为优化，前述的岩体陡倾非贯通微裂隙的微生物连续分层矿化修复方法中，所述细菌溶液中的细菌使用脲酶菌。脲酶菌会形成孢子，如果岩体后续再次萌生裂隙，孢子接触空气和水分重新生长成具有分解尿素能力的脲酶菌，通过微生物的新陈代谢，能够将环境中的钙离子矿化沉积为碳酸钙，碳酸钙与岩体具有良好的相容性并能够对这些裂隙进行修复，微生物的矿化作用使得岩体具有了裂隙自修复功能。进一步的，所述脲酶菌的细菌浓度OD₆₀₀值在0.5-2.5范围内，活性值在1-20μmol尿素/mL/min范围。脲酶菌的细菌浓度和活性值在此范围内，不但能够保证裂隙修复的高效进行，还能够保证高裂隙修复率和高桥接率。

作为优化，前述的岩体陡倾非贯通微裂隙的微生物连续分层矿化修复方法中通入电压的范围为5-24V，通电时间10-30分钟。通电电压和充电时间在此范围内时，能够保证胶结液钙离子快速均匀扩散至裂隙内部。

作为优化，前述的岩体陡倾非贯通微裂隙的微生物连续分层矿化修复方法中，所述容器的体积为裂隙体积50倍以上。容器的体积为裂隙体积50倍以上，使得容器中能够存储足够的胶结液，保证后续能够对裂隙内部的钙离子和尿素进行连续补充。

作为优化，前述的岩体陡倾非贯通微裂隙的微生物连续分层矿化修复方法中，所述塑料管为宽扁状。宽扁状的塑料管能够适应裂隙的形状，增加微孔滤膜上的扩散面积，提升钙离子和尿素扩散到裂隙内部的效率。

作为优化，前述的岩体陡倾非贯通微裂隙的微生物连续分层矿化修复方法中，静置反应的时间为6-12h。静置反应的时间在此范围内，能够保证反应充分进行，进而保证裂隙的修复质量。

具体实施方式

下面结合具体实施方式(包括实施例)对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。以下没有详细说明的均为本领域技术常识。

实施例：

本发明的岩体陡倾非贯通微裂隙的微生物连续分层矿化修复方法，包括以下步骤：

①对岩体陡倾裂隙的表面进行封堵，同时在裂隙底部埋入金属棒，在裂隙顶部预留两个未封堵的开口，一个为溶液注入口A，一个为排出口B，溶液注入口A在下，排出口B在上，在溶液注入口A底下埋入针筒的针头并保持封闭状态；

②配置胶结液溶液，胶结液由等浓度的氯化钙溶液和尿素溶液组成；随后，通过溶液注入口A注入胶结液直至注满，记录注入的胶结液的体积；然后，通过预埋的针头抽取掉30％的胶结液；

③培养细菌溶液，随后通过溶液注入口A注入培养好的细菌溶液直至注满，并静置反应一段时间，细菌溶液与胶结液溶液发生矿化反应；

④在静置反应的过程中，在顶部两个预留的开口处分别依次安装两张微孔滤膜和两根塑料管；微孔滤膜的过滤孔径为0.5μm，通过黏贴材料固定在开口处并保持裂隙仍然通畅；而两根塑料管一端各自固定在两张微孔滤膜上，另外一端分别与与容器A和容器B相连通；

⑤静置反应一段时间后，在容器A中注入胶结液，胶结液通过塑料管、溶液注入口A和裂隙相连通，在微孔滤膜的作用下，胶结液中的钙离子和尿素通过扩散作用扩散到裂隙内部，对裂隙内部的钙离子和尿素进行连续补充；

⑥在容器A中的胶结液与裂隙联通以后，将裂隙底部预埋的金属板和容器中的溶液中通入电压，金属棒接负极，溶液接正极，通电一段时间；同时，通过向容器A加压，加速胶结液从溶液注入口A流入裂隙，部分反应后废液从排出口B流回容器B；

⑦在完成通电以后，通过针头向裂隙补充裂隙体积20％的菌液和尿素混合液；

⑧步骤⑥和⑦每隔20h进行一次，直至裂隙完全修复。

作为本发明的一个具体实施例，如下：

在本实施例中，通过针头向裂隙补充的菌液和尿素混合液，在注入之前根据需求先进行预水解3h。菌液和尿素混合液在注入之前根据需求先进行预水解，预水解产生的物质成分，能够促进后续的微生物矿化过程。

在本实施例中，裂隙顶部预留单个开口的长度为5cm。裂隙顶部预留开口的长度在此范围内，便能够在对裂隙表面进行封堵的同时，还能够为后续液体的注入留下足够的开口。进一步的，针筒的针头位于溶液注入口A底下3.5cm处。

在本实施例中，所述胶结液中氯化钙溶液和尿素溶液的浓度范围为1.5mol/L，能够保证菌液和胶结液混合之后矿物的快速生成。

在本实施例中，所述细菌溶液中的细菌使用脲酶菌。脲酶菌会形成孢子，如果岩体后续再次萌生裂隙，孢子接触空气和水分重新生长成具有分解尿素能力的脲酶菌，通过微生物的新陈代谢，能够将环境中的钙离子矿化沉积为碳酸钙，碳酸钙与岩体具有良好的相容性并能够对这些裂隙进行修复，微生物的矿化作用使得岩体具有了裂隙自修复功能。进一步的，所述脲酶菌的细菌浓度OD₆₀₀值为1.5，活性值为10μmol尿素/mL/min，不但能够保证裂隙修复的高效进行，还能够保证高裂隙修复率和高桥接率。

在本实施例中，通入电压的范围为15V，通电时间20分钟。通电电压和充电时间在此范围内时，能够保证胶结液钙离子快速均匀扩散至裂隙内部。

在本实施例中，所述容器的体积为裂隙体积60倍。容器的体积为裂隙体积60倍，使得容器中能够存储足够的胶结液，保证后续能够对裂隙内部的钙离子和尿素进行连续补充。

在本实施例中，所述塑料管为宽扁状。宽扁状的塑料管能够适应裂隙的形状，增加微孔滤膜上的扩散面积，提升钙离子和尿素扩散到裂隙内部的效率。

在本实施例中，静置反应的时间为9h，能够保证反应充分进行，进而保证裂隙的修复质量。

上述对本申请中涉及的发明的一般性描述和对其具体实施方式的描述不应理解为是对该发明技术方案构成的限制。本领域所属技术人员根据本申请的公开，可以在不违背所涉及的发明构成要素的前提下，对上述一般性描述或/和具体实施方式(包括实施例)中的公开技术特征进行增加、减少或组合，形成属于本申请保护范围之内的其它的技术方案。

Claims (10)

1.岩体陡倾非贯通微裂隙的微生物连续分层矿化修复方法，其特征在于：

包括以下步骤：

①对岩体陡倾裂隙的表面进行封堵，同时在裂隙底部埋入金属棒，在裂隙顶部预留两个未封堵的开口，一个为溶液注入口A，一个为排出口B，溶液注入口A在下，排出口B在上，在溶液注入口A底下埋入针筒的针头并保持封闭状态；

②配置胶结液溶液，胶结液由等浓度的氯化钙溶液和尿素溶液组成；随后，通过溶液注入口A注入胶结液直至注满，记录注入的胶结液的体积；然后，通过预埋的针头抽取掉10％-50％的胶结液；

③培养细菌溶液，随后通过溶液注入口A注入培养好的细菌溶液直至注满，并静置反应一段时间，细菌溶液能够与胶结液溶液发生矿化反应；

④在静置反应的过程中，在顶部两个预留的开口处分别依次安装两张微孔滤膜和两根塑料管；微孔滤膜的过滤孔径小于1μm，通过黏贴材料固定在开口处并保持裂隙仍然通畅；而两根塑料管一端各自固定在两张微孔滤膜上，另外一端分别与与容器A和容器B相连通；

⑤静置反应一段时间后，在容器A中注入胶结液，胶结液通过塑料管、溶液注入口A和裂隙相连通，在微孔滤膜的作用下，胶结液中的钙离子和尿素通过扩散作用扩散到裂隙内部，对裂隙内部的钙离子和尿素进行连续补充；

⑥在容器A中的胶结液与裂隙联通以后，将裂隙底部预埋的金属板和容器中的溶液中通入电压，金属棒接负极，溶液接正极，通电一段时间；同时，通过向容器A加压，加速胶结液从溶液注入口A流入裂隙，部分反应后废液从排出口B流回容器B；

⑦在完成通电以后，通过针头向裂隙补充裂隙体积10-50％的菌液和尿素混合液；

⑧步骤⑥和⑦每隔6-48h进行一次，直至裂隙完全修复。

2.根据权利要求1所述的岩体陡倾非贯通微裂隙的微生物连续分层矿化修复方法，其特征在于：通过针头向裂隙补充的菌液和尿素混合液，在注入之前根据需求先进行预水解0-6h。

3.根据权利要求1所述的岩体陡倾非贯通微裂隙的微生物连续分层矿化修复方法，其特征在于：裂隙顶部预留单个开口的长度为裂隙高度的5-10％，且不小于1cm、不大于10cm。

4.根据权利要求1所述的岩体陡倾非贯通微裂隙的微生物连续分层矿化修复方法，其特征在于：所述胶结液中氯化钙溶液和尿素溶液的浓度范围为0.1-3mol/L。

5.根据权利要求1所述的岩体陡倾非贯通微裂隙的微生物连续分层矿化修复方法，其特征在于：所述细菌溶液中的细菌使用脲酶菌。

6.根据权利要求5所述的岩体陡倾非贯通微裂隙的微生物连续分层矿化修复方法，其特征在于：所述脲酶菌的细菌浓度OD₆₀₀值在0.5-2.5范围内，活性值在1-20μmol尿素/mL/min范围。

7.根据权利要求1所述的岩体陡倾非贯通微裂隙的微生物连续分层矿化修复方法，其特征在于：通入电压的范围为5-24V，通电时间10-30分钟。

8.根据权利要求1所述的岩体陡倾非贯通微裂隙的微生物连续分层矿化修复方法，其特征在于：所述容器的体积为裂隙体积50倍以上。

9.根据权利要求1所述的岩体陡倾非贯通微裂隙的微生物连续分层矿化修复方法，其特征在于：所述塑料管为宽扁状。

10.根据权利要求1所述的岩体陡倾非贯通微裂隙的微生物连续分层矿化修复方法，其特征在于：静置反应的时间为6-12h。