地质储库是解决地下能源储存、高放核废料储存、CO₂封存等的最佳方案之一。然而，地质储库围岩中广泛发育的微裂隙不仅增加了储存物质的泄漏风险，而且在内外载荷作用下还可能进一步扩展，因此需要注浆封堵（图1）。水泥基浆液是最常用的注浆方式，但对于隙宽微小的裂隙岩体，水泥基浆液可注性较差，直接影响了封堵效果。微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）生成的微生物水泥具有浆液颗粒小、黏度低、流动性好等优点，为封堵岩体微裂隙提供了新的思路。

针对上述问题，我校工程技术学院博士生刘乾灵在“地下能源储存与工程灾害防控”创新团队张彬教授、王汉勋副教授的指导下，以大型地下水封油库洞室渗水量控制难题为工程背景，基于自行设计的可视化裂隙模型试验装置（图2），研究了微生物矿化封堵岩体微裂隙降渗机制，取得了以下创新性认识：

1、微生物矿化反应生成的沉淀使得岩体微裂隙中浆液流动表现为通道流动模式，并随着微生物沉淀对流动通道不断封堵，裂隙中浆液流动路径发生演化，进而导致裂隙渗透性呈现“阶梯式”下降。

2、基于微生物矿化封堵岩体裂隙过程中流动通道的演化特征，以及所导致的裂隙渗透性下降规律，构建了微生物矿化封堵岩体裂隙降渗模式，并确立了封堵模式中影响微裂隙渗透性下降的关键因素—裂隙临界封堵阈值（图3）。

3、揭示了微生物浆液浓度与隙宽对裂隙临界封堵阈值的影响机制，结果表明：微生物浆液越大、裂隙隙宽越小，达到裂隙临界封堵阈值所需的循环次数越少（图4）。

4、通过显微观察微生物浆液反应生成的矿化絮状物，以及统计不同浆液浓度反应生成絮状物颗粒尺寸直径的d₅₀与d₉₀发现，较大浓度的微生物浆液明显提升了矿化絮状物中大颗粒的含量，增强了对裂隙的封堵效率（图5）。

该研究工作对于拓展微生物矿化封堵岩体微裂隙应用场景，推进大型地下水封油库精细化控渗具有重要的理论意义和实用价值。

图1 地质储库中围岩裂隙形成的泄漏通道以及注浆封堵效果示意图

图2 可视化裂隙模型试验装置示意图

图3 微生物矿化封堵裂隙模式示意图：(a)、(b)、(c)、(d)分别为微生物矿化封堵过程中裂隙流动通道演化的四个阶段；(e)为微生物矿化封堵过程中裂隙导水系数下降示意曲线

图4 不同微生物浆液浓度以及隙宽对裂隙封堵模式的影响

图5 不同微生物浆液浓度反应生成的矿化絮状物显微拍摄及粒径分布：(a) OD₆₀₀=1.2；(b) OD₆₀₀=1.4；(c) OD₆₀₀=1.6；(d) OD₆₀₀=1.8；(e) OD₆₀₀=2.0

上述研究工作受国家自然科学基金项目（No. 41972300, No. 41572301, No42107201）的资助，发表在工程地质领域国际权威期刊《Engineering Geology》上：Qianling Liu (第一作者); Bin Zhang* (通讯作者); Jingkui Wang; Zhe Sun; Zhenhua Peng; Jinchang Wang; Hanxun Wang. Microbially mediated rock fine fracture mineralization sealing: Evolution of flow channels and the resulting transmissivity reduction. Engineering Geology, 2024, 334: 107525. [IF 2022=7.4]。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2024.107525