CN108975787B - 一种煤矿用微生物胶结充填材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿用微生物胶结充填材料及其制备方法，该其材料的原料由骨料与微生物组成，所述微生物为产脲酶的微生物。本发明采用产脲酶微生物的尿素水解反应诱导碳酸钙沉积生成凝胶，完全取代传统胶结充填材料中的水泥基充当煤矿胶结充填的胶凝材料，将骨料采用微生物菌液以及尿素与钙源溶液拌和至所需浓度，配制成煤矿用微生物胶结充填材料。本发明的煤矿用微生物胶结充填材料中微生物的应用替代了水泥基胶结料，减少了大量水泥的使用对环境造成的负面影响，降低了胶结充填材料的成本，保证了充填体的性能满足煤矿充填开采的技术要求，是一种环境友好型、低能耗、低排放的胶结充填材料，具有广泛的适用领域和推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿用微生物胶结充填材料及其制备方法，属于矿山充填材料和微生物技术领域，尤其适用于环境友好型煤矿充填开采。
背景技术
煤炭地下开采会导致覆岩破断、地表沉陷、地下水系破坏以及环境污染等一系列严重的问题，煤炭的科学开采面临着巨大的挑战。充填开采作为一种绿色开采技术，是煤炭科学开采的重要技术手段之一。胶结充填是煤矿充填开采技术的一个重要分支，该技术将胶结材料充入采空区支撑围岩，减少采矿对上覆岩层的扰动，提高资源回收率，并且减少废弃物在地表的排放，降低环境污染，在中国、澳大利亚、加拿大等国家乃至世界范围内得到广泛应用。胶结充填开采的技术核心之一是充填材料，材料的性能直接决定着充填开采工艺实施和岩层控制的效果。煤矿胶结充填材料一般由矸石、粉煤灰等固体废弃物配合胶结料，加水拌和而成。典型的胶结充填材料胶结料的含量大约为3％～10％，料浆的质量浓度大约为60％～85％。
目前煤矿胶结充填材料所用的胶结料主要为水泥或水泥基材料，主要存在三个方面的问题：(1)大幅增加胶结充填材料的成本。水泥的应用使得充填材料的成本大幅增加，给充填开采的经济性带来负面影响。(2)改变地下环境的pH值。水泥作为胶结料被充填至井下，形成的充填体会呈碱性并形成一定范围的侵蚀环境，对地下水环境造成不良的影响。(3)水泥是高耗能高排放材料。水泥的粉磨过程会耗费大量的能量，煅烧过程会排放大量的温室气体，存在能耗高、污染环境等缺点。
因此，研究一种适用于煤矿胶结充填开采且具有经济成本低、生态环保、节能减排等特点的新型胶结材料及其制备方法是亟需解决的问题。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种成本经济、绿色环保、节能减排的煤矿用微生物胶结充填材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种煤矿用微生物胶结充填材料，其原料由骨料与微生物组成，所述微生物为产脲酶的微生物。
所述微生物为从矿山环境中分离出的产脲酶的微生物，或巴氏芽孢八叠球菌Sporosarcina pasteurii。
所述骨料为粉煤灰、矸石或风积沙的一种或多种。
一种煤矿用微生物胶结充填材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将从矿山环境中分离出的产脲酶微生物的单个菌落接种于发酵培养基中，于25℃～37℃条件下发酵培养12～60小时得到工作菌液；
(2)将产脲酶微生物巴氏芽孢八叠球菌Sporosarcina pasteurii的单个菌落接种于发酵培养基中，于25℃～37℃条件下发酵培养12～60小时得到对照菌液；
(3)分别配制尿素和钙源溶液，尿素溶液和钙源溶液的摩尔浓度相同，并按照等体积混合制成尿素-钙源混合液；
(4)选取粉煤灰、矸石或风积沙的一种作为骨料；或者将粉煤灰作为细骨料，矸石或风积沙的一种或多种作为粗骨料，将粗骨料破碎至最大颗粒粒径小于25mm，将细骨料和粗骨料混合制成骨料混合物；
(5)将工作菌液和尿素-钙源混合液加入骨料混合物中，制成固含量质量浓度为60％～85％的料浆，并将其拌合均匀，得到煤矿用微生物胶结充填材料料浆；
(6)用等浓度等体积的对照菌液替换工作菌液，重复步骤(5)的拌和过程，得到对照组微生物胶结充填材料料浆；
(7)对比步骤(5)所得到的煤矿用微生物胶结充填材料料浆和步骤(6)得到的对照组微生物胶结充填材料料浆的性能，对材料配比进行优化，确定当前应用环境中的最优材料配比。
所述步骤(3)中，尿素溶液和钙源溶液的浓度均为1～3mol/L。
所述步骤(3)中，钙源溶液所用的钙源为氯化钙、乙酸钙或硝酸钙的一种。
所述步骤(4)中，细骨料和粗骨料按照质量比0:1～3:2的比例混合制成骨料混合物。
所述步骤(5)中，工作菌液和尿素-钙源混合液的体积比为1:2～1:4。
所述步骤(5)中，将工作菌液和尿素-钙源混合液加入骨料混合物中的过程中进行拌和。
所述步骤(7)中，性能指标包括屈服应力、粘度以及固结后的抗压强度。
有益效果：本发明具有以下优点：
(1)采用产脲酶微生物水解尿素过程中可以快速析出具有优质胶结作用的方解石型碳酸钙结晶替代传统胶结充填材料中的水泥作为胶凝材料，不仅降低了胶结充填材料的成本，而且避免了因使用水泥造成的环境污染，为胶结充填开采提供了一条新途径。
(2)微生物胶结充填材料具有胶结强度可调控、环境污染少、低能耗、低排放等优点，在满足充填开采技术需求的同时，避免了传统胶结充填材料本身对环境造成的负面效应，实现了真正的环境友好型充填开采。
(3)拌和型材料具有制备工艺简单、材料性能可控性好等优点，具有广阔的工程应用前景。
附图说明
图1是本发明煤矿用微生物胶结充填材料的制备方法流程图；
图2是本发明的实施例中制成的微生物胶结充填材料试样实拍图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明的一种煤矿用微生物胶结充填材料，其原料由骨料与微生物组成，所述微生物为产脲酶的微生物。微生物为从矿山环境中分离出的产脲酶的微生物，或巴氏芽孢八叠球菌Sporosarcina pasteurii。骨料为粉煤灰、矸石或风积沙的一种或多种。
如图1所示，本发明的一种煤矿用微生物胶结充填材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将从矿山环境中分离出的产脲酶微生物的单个菌落接种于发酵培养基中，于25℃～37℃条件下发酵培养12～60小时得到工作菌液；
(2)将产脲酶微生物巴氏芽孢八叠球菌Sporosarcina pasteurii的单个菌落接种于发酵培养基中，于25℃～37℃条件下发酵培养12～60小时得到对照菌液；
(3)分别配制浓度均为1～3mol/L的尿素和钙源溶液，尿素溶液和钙源溶液的摩尔浓度相同，并按照等体积混合制成尿素-钙源混合液；
(4)选取粉煤灰、矸石或风积沙的一种作为骨料；或者将粉煤灰作为细骨料，矸石或风积沙的一种或多种作为粗骨料，将粗骨料破碎至最大颗粒粒径小于25mm，将细骨料和粗骨料按照质量比0:1～3:2的比例混合制成骨料混合物；
(5)将工作菌液和尿素-钙源混合液按照体积比为1:2～1:4加入骨料混合物中，加入过程中进行拌和，制成固含量质量浓度为60％～85％的料浆，并将其拌合均匀，得到煤矿用微生物胶结充填材料料浆；
(6)用等浓度等体积的对照菌液替换工作菌液，重复步骤(5)的拌和过程，得到对照组微生物胶结充填材料料浆；
(7)对比步骤(5)所得到的煤矿用微生物胶结充填材料料浆和步骤(6)得到的对照组微生物胶结充填材料料浆的屈服应力、粘度以及固结后的抗压强度等性能，对材料配比进行优化，使得到的煤矿用微生物胶结充填材料料浆的性能与对照组微生物胶结充填材料料浆的性能相同或相近，以确定当前应用环境中的最优材料配比。
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
本实施例利用从矿山环境中分离出的产脲酶微生物Bacteria A和微生物巴氏芽孢八叠球菌Sporosarcina pasteurii制备煤矿用胶结充填材料，采用二水氯化钙作为钙源，采用风积沙作为骨料，具体包括如下步骤：
(1)将矿山环境中分离出的产脲酶微生物Bacteria A单个菌落接种于发酵培养基中，于30℃条件下发酵培养24小时得到工作菌液；
(2)将产脲酶微生物巴氏芽孢八叠球菌Sporosarcina pasteurii单个菌落接种于发酵培养基中，于30℃条件下发酵培养24小时得到对照菌液；
(3)分别配制浓度为2mol/L的尿素溶液和浓度为2mol/L的二水氯化钙溶液，并按照等体积混合制成尿素-氯化钙混合液；
(4)采用风积沙作为粗骨料，将风积沙过筛，确保所有颗粒粒径均小于25mm，考虑到风积沙本身的粒径分布特点，此实例中没有添加粉煤灰等其他细骨料；
(5)将工作菌液和尿素-氯化钙混合液按照体积比为1:4的比例加入骨料中，将其拌合均匀，制成固含量质量浓度为70％的煤矿用微生物胶结充填材料料浆。
(6)将对照菌液和尿素-氯化钙混合液按照体积比为1:4的比例加入骨料中，将其拌合均匀，制成固含量质量浓度为70％的对照组煤矿用微生物胶结充填材料料浆。
(7)对比所得到的微生物充填材料和对照组材料的流变和力学性能，对材料配比进行优化，最终确定当前环境中的最优材料配比为：尿素和二水氯化钙溶液浓度为2mol/L，体积比为1:1，Bacteria A菌液和尿素-氯化钙混合液混合体积比为1:4，料浆质量浓度为76％。
通过以上步骤即得到所述的煤矿用微生物胶结充填材料，制成的煤矿用微生物胶结充填材料试样实拍如图2所示。
实施例2
本实施例利用从矿山环境中分离出的产脲酶微生物Bacteria B和微生物巴氏芽孢八叠球菌Sporosarcina pasteurii制备煤矿用胶结充填材料，采用二水氯化钙作为钙源，采用矸石作为粗骨料，粉煤灰作为细骨料，具体包括如下步骤：
(1)将矿山环境中分离出的产脲酶微生物Bacteria B单个菌落接种于发酵培养基中，于30℃条件下发酵培养24小时得到工作菌液；按照同样的条件培养巴氏芽孢八叠球菌Sporosarcina pasteurii，得到对照菌液；
(2)分别配制浓度为1.5mol/L的尿素溶液和浓度为1.5mol/L的二水氯化钙溶液，并按照等体积混合制成尿素-氯化钙混合液；
(3)采用矸石作为粗骨料，粉煤灰作为细骨料，将矸石破碎过筛，确保所有颗粒粒径均小于25mm，综合考虑骨料的粒径分布特点，将粉煤灰和碎矸石的质量比确定为3:7，将骨料按照配比制成骨料混合物。
(4)将工作菌液和尿素-氯化钙混合液按照体积比为1:3的比例加入骨料混合物中，将其拌合均匀，制成固含量质量浓度为72％的煤矿用微生物胶结充填材料料浆。按照同样的配比采用对照菌液制备对照组煤矿用微生物胶结充填材料料浆。
(5)对比所得到的微生物充填材料和对照组材料的流变和力学性能，对材料配比进行优化，最终确定当前环境中的最优材料配比为：细骨料与粗骨料质量比为1:3，尿素和二水氯化钙溶液浓度为1.5mol/L，体积比为1:1，菌液和尿素-氯化钙混合液混合体积比为1:3的，料浆质量浓度为74％。
通过以上步骤即得到所述的煤矿用微生物胶结充填材料。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种煤矿用拌和型微生物胶结充填材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）将从矿山环境中分离出的产脲酶微生物的单个菌落接种于发酵培养基中，于25℃~37℃条件下发酵培养12~60小时得到工作菌液；
（2）将产脲酶微生物巴氏芽孢八叠球菌Sporosarcina pasteurii的单个菌落接种于发酵培养基中，于25℃~37℃条件下发酵培养12~60小时得到对照菌液；
（3）分别配制尿素和钙源溶液，尿素溶液和钙源溶液的摩尔浓度相同，并按照等体积混合制成尿素-钙源混合液；尿素溶液和钙源溶液的浓度均为1~3 mol/L；钙源溶液所用的钙源为氯化钙、乙酸钙或硝酸钙的一种；
（4）选取粉煤灰、矸石或风积沙的一种作为骨料；或者将粉煤灰作为细骨料，矸石或风积沙的一种或多种作为粗骨料，将粗骨料破碎至最大颗粒粒径小于25mm，将细骨料和粗骨料混合制成骨料混合物；细骨料和粗骨料按照质量比0:1~3:2的比例混合制成骨料混合物；
（5）将工作菌液和尿素-钙源混合液加入骨料中，加入过程中进行拌和，制成固含量质量浓度为60%~85%的料浆，并将其拌合均匀，得到煤矿用微生物胶结充填材料料浆；工作菌液和尿素-钙源混合液的体积比为1:2~1:4；
（6）用等浓度等体积的对照菌液替换工作菌液，重复步骤（5）的拌和过程，得到对照组微生物胶结充填材料料浆；
（7）对比步骤（5）所得到的煤矿用微生物胶结充填材料料浆和步骤（6）得到的对照组微生物胶结充填材料料浆的性能，性能指标包括屈服应力、粘度以及固结后的抗压强度，对材料配比进行优化，使得到的煤矿用微生物胶结充填材料料浆的性能与对照组微生物胶结充填材料料浆的性能相同或相近，以确定当前应用环境中的最优材料配比。
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