CN110513111A - 一种固液分离灌注式微生物胶结巷式充填采煤方法 - Google Patents
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Abstract
一种固液分离灌注式微生物胶结充填巷式采煤方法，采用固体废弃物配合微生物诱导碳酸钙沉积灌注技术实现巷式胶结充填。固体废弃物采用传统的皮带抛矸充填方法输送至充填联络巷内，菌液和营养盐溶液分别通过管道灌注于灌注联络巷内固体废弃物充填体中，固体废弃物和液体菌液及营养液实现固液分离输送。充填前需要施工专用充填联络巷，充填联络巷施工完毕后，构筑充填挡墙，之后将固体充填材料通过皮带抛矸机充填至充填巷内，在此基础上灌注菌液和营养盐，在固体充填体孔隙内形成碳酸钙胶结晶体，提高充填体承载性能，保证高充实率充填。该技术不仅能够实现固液分离从而避免传统胶结充填的堵管问题，而且绿色环保，工艺简单，系统灵活，可以实现较好的覆岩移动控制效果。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿一种固液分离灌注式微生物胶结巷式充填采煤方法，属于充填采煤领域和微生物技术应用领域。
背景技术
近些年来，建设绿色矿山、发展绿色矿业成为中国矿业领域的发展目标和迫切需求，充填开采作为一种绿色开采技术，是实现该目标的重要技术手段之一。传统的采空区充填开采方法主要包括固体充填采煤法，膏体充填采煤法和高水充填采煤法等。这些充填开采方法虽然可以解决“三下”压煤问题，能够控制上覆岩层移动和地表沉陷，降低采动影响和矿压显现，处理固体废料，保护环境，但是这些传统的充填开采方法均需要布置专用的充填支架等相关设备，工艺复杂，且投资巨大。相比而言，巷式抛矸充填具有工艺系统简单，设备投资小的优势，但是巷式抛矸充填的缺点是不能保证高充实率。传统的胶结充填技术虽然具有充填效果好等优点，但是其胶结料主要为水泥，具有高耗能、高排放、污染环境等问题。为了解决这一系列的问题，我们提出采用微生物诱导碳酸钙沉积技术(MICP技术)进行充填开采，在抛矸充填的基础上进行菌液和营养盐灌注，通过环境友好的MICP技术，增强了充填体承载能力，保留了抛矸充填工艺旧系统简单的优点，同时提高了抛矸充填的充实率。
另一方面，微生物成矿学研究表明，在特定的环境以及营养条件刺激下，岩土中的一些微生物通过新陈代谢或降解作用能显著快速析出多种矿物结晶，如碳酸盐、硫酸盐、氧化物、硫化物、硅化物、硅华以及胞外聚合物等。其中有一项为巴氏芽孢杆菌拥有将松散的砂粒胶凝固定在一起的作用，其利用反应环境中的尿素等有机物以及钙离子源，较快的析出具有良好胶凝性质的碳酸钙结晶，这一技术是微生物诱导碳酸钙沉积技术，也称为MICP(Microbial Induced Carbonate Precipitation)技术。现在将MICP技术应用于充填开采领域中，在松散的固体充填料中加入菌液和营养盐，诱导碳酸钙胶凝结晶析出，使固体充填料胶结于一体，从而使充填体具有一定的强度。不仅能够实现控制上覆岩层移动和地表沉陷，降低采动影响和矿压显现，保护环境和处理固体废弃物的目的。此外，微生物胶结巷式充填采煤方法不需要使用充填采煤液压支架，投资较低，系统简单。
因此将MICP技术和充填采煤方法有机结合是非常有必要的，研究一种新型的固液分离灌注式微生物胶结巷式充填采煤方法有重要的意义。
发明内容
技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种易于操作、安全可靠、充填效果好和充填成本低的巷式微生物胶结充填采煤方法。
技术方案：
一种固液分离灌注式微生物胶结充填巷式采煤方法，采用固体废弃物配合微生物诱导碳酸钙沉积灌注技术实现巷式胶结充填。固体废弃物采用传统的皮带抛矸充填方法输送至充填联络巷内，菌液和营养盐溶液分别通过管道灌注于灌注联络巷内固体废弃物充填体中，固体废弃物和液体菌液及营养液实现固液分离输送。充填前需要施工专用充填联络巷，充填联络巷施工完毕后，构筑充填挡墙，之后将固体充填材料通过皮带抛矸机充填至充填巷内，在此基础上灌注菌液和营养盐，在固体充填体孔隙内形成碳酸钙胶结晶体，提高充填体承载性能，保证高充实率充填。该技术不仅能够实现固液分离从而避免传统胶结充填的堵管问题，而且绿色环保，工艺简单，系统灵活，可以实现较好的覆岩移动控制效果。
一种固液分离灌注式微生物胶结巷式充填采煤方法，操作步骤包括：
步骤一、固体废弃物皮带抛矸充填：在掘巷采煤之后，将固体废弃物通过皮带抛矸机抛到充填联络巷，充填完的充填联络巷形成灌注联络巷；
步骤二、液体灌注：通过布置在区段回风平巷内的菌液输送管道和营养盐输送管道向灌注联络巷内依次灌注菌液和营养盐溶液，促使微生物诱导碳酸钙沉积，提高充填体的承载强度。
进一步的，步骤一的具体步骤如下：
将地面的固体废弃物经胶带机运到破碎机破碎后形成充填材料，充填材料经皮带运输机运送至投料钻孔，通过投料钻孔将充填材料垂直投放至井下；充填材料与井下的矸石混合后通过采区轨道上山运送至区段回风平巷，最后经皮带抛矸机抛掷于充填联络巷。
进一步的，步骤二中，在地面布设发酵罐和营养盐溶液灌，发酵罐中经过发酵培养产生细菌发酵液即菌液，该发酵液通过菌液输送管道输送至井下灌注联络巷内，向灌注联络巷内进行菌液灌注；而后营养盐溶液灌中的营养盐溶液通过营养盐输送管道输送至灌注联络巷内，向灌注联络巷内进行营养盐灌注。
进一步的，在地面布设菌液培养系统，包括与发酵罐分别连接的蒸汽发生器、振荡培养箱、培养基、空气压缩机，空气压缩机还配有空气过滤装置；所述的蒸汽发生器产生蒸汽对发酵罐进行空消和实消；所述的振荡培养箱培养种子液并运送至发酵罐；所述的培养基为种子液的发酵提供营养物质；空气经过空气压缩机压缩且经过空气过滤装置过滤后进入发酵罐内；种子液在发酵罐内经过发酵培养产生细菌发酵液，该发酵液通过菌液输送管道输送至井下灌注联络巷内。
进一步的，所述营养盐溶液为尿素和钙源溶液，浓度为0.5mol/L～1.5mol/L。
进一步的，所述灌注联络巷内灌注的营养盐溶液的体积为菌液体积的5～6倍。
进一步的，所述菌液为芽孢八叠球菌、芽孢杆菌，微生物生存条件为：温度20℃～37℃、pH 6.5～9；营养盐浓度为0.5mol/L～1.5mol/L。
进一步的，每次充填之前在充填联络巷下端与区段运输平巷施工相交处设置挡墙，挡墙上边缘位置设置出浆口；发酵液通过菌液输送管道输送至井下灌注联络巷内，直至出浆口流出菌液，关闭菌液输送管道并静止30min，之后再灌注营养盐溶液；进行多批次菌液和营养盐的灌注过程，直到出浆口不再流出液体，完成本条联络巷的灌注过程。
进一步的，多余的菌液和营养盐通过出浆口流入沉淀池，经过沉淀后再通过回收管道再次泵送到灌注联络巷内。
进一步的，所述的掘巷出煤工艺中，开掘区段运输平巷和区段回风平巷之间的所有充填联络巷的掘进角度不低于3°，且均采用仰斜开掘；其中所述的皮带抛矸机自充填联络巷下端开始逐渐后退充填，将充填材料抛投至充填联络巷，而菌液和营养盐的输送管道布料口位于充填联络巷上端，所灌注液体自上而下自流进入灌注联络巷。
有益效果：本发明采用固液分离的方法输送充填材料，从而避免了现有充填技术所存在的堵管问题，而且本发明无需使用专用充填支架，成本低廉。在固体抛矸充填简单工艺的基础上结合MICP技术，能够提高充填体的抗压强度和加强充填体的承载能力，控制上覆岩层移动和地表沉陷，且能够保证较高的充实率；同时微生物灌注具有管道泵送压力低、管道输送距离远、扰动小、工期短和低耗能等优势。本发明可用于开采“三下”及特殊地质条件下的煤层，具有较强的技术优势和广泛的实用性。
附图说明
图1是本发明的固液分离灌注式微生物胶结巷式充填采煤方法系统布置图；
图2是本发明的固液分离灌注式微生物胶结巷式充填采煤方法中微生物地面培养系统图；
图3是本发明的充填联络巷A-A剖面图；
图4是本发明的充填挡墙正视图；
图5是本发明的固液分离灌注式微生物胶结巷式充填采煤工作面开采顺序图。
图中：1、固体废弃物；2、胶带机；3、破碎机；4、皮带输送机；5、投料钻孔；6、菌液培养系统；601、蒸汽发生器；602、振荡培养箱；603、种子液；604、培养基；605、空气压缩机；606、空气过滤装置；607、发酵罐；608、发酵液；7、营养盐溶液灌；8、菌液输送管道；9、营养盐输送管道；10、采区运输上山；11、采区轨道上山；12、区段运输平巷；13、区段回风平巷；14、边界回风巷；15、采煤联络巷；16、充填联络巷； 17、灌注联络巷；18、皮带抛矸机；19、挡墙；20、出浆口；21、沉淀池；22、回收管道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
如图1、2所示，本发明的巷式微生物胶结充填采煤方法：其操作步骤包括固体废弃物皮带抛矸充填和液体灌注两个部分；其中在掘巷采煤之后，将固体废弃物通过皮带抛矸机抛到充填巷，再向充填巷内依次灌注菌液和营养盐，促使微生物诱导碳酸钙沉积，提高充填体的承载强度。具体步骤如下：
①将地面的固体废弃物1经胶带机2运到破碎机3破碎后形成充填材料，充填材料经皮带运输机4运送至投料钻孔5，通过投料钻孔5将充填材料垂直投放至井下；充填材料与井下的矸石混合后通过采区轨道上山11运送至区段回风平巷13，最后经皮带抛矸机18抛掷于充填联络巷16；
②在地面布设菌液培养系统6，其包括蒸汽发生器601、振荡培养箱602、培养基604、空气压缩机605、空气过滤装置606和发酵罐607。其中所述的蒸汽发生器601产生蒸汽对发酵罐607进行空消和实消；其中所述的振荡培养箱602培养种子液603并运送至发酵罐607；其中所述的培养基604为种子液的发酵提供营养物质；空气经过空气压缩机605压缩且经过空气过滤装置606过滤后进入发酵罐607内；其中种子液603在发酵罐607内经过发酵培养产生细菌发酵液608，该发酵液608通过菌液输送管道8输送至井下灌注联络巷17内，直至出浆口20流出菌液，关闭菌液输送管道8并静止30min，而后向灌注联络巷17内进行营养盐灌注。
③在地面布设营养盐溶液灌7，其中营养盐溶液为尿素和钙源溶液，将营养盐通过营养盐输送管道9输送至灌注联络巷17内，且该灌注联络巷17内灌注的营养盐的体积为菌液体积的5～6倍。
④其中多余的菌液和营养盐通过出浆口20流入沉淀池21，经过沉淀后再通过回收管道22再次泵送到灌注联络巷17内。
⑤以上流程为一个灌浆批次，进行多批次菌液和营养盐的灌注，直到出浆口20不再流出液体，完成本条联络巷的灌注过程。
作为优选实施例，如图3所示，在掘巷出煤工艺中，开掘区段运输平巷12和区段回风平巷13之间的所有充填联络巷16的掘进角度α不低于3°，且均采用仰斜开掘；其中所述的皮带抛矸机18自充填联络巷下端开始逐渐后退充填，将充填材料抛投至充填联络巷16，而菌液和营养盐的输送管道布料口位于充填联络巷上端，所灌注液体自上而下自流进入灌注联络巷17。
作为优选实施例，如图4所示，每次充填之前在充填联络巷16下端与区段运输平巷12相交处施工挡墙19，挡墙上边缘位置设置出浆口20。
实施例
1、工作面充填开采顺序
针对一个矿井，布置长壁采煤法的生产系统，设置微生物培养系统与营养盐配制系统，待所有系统形成后，采用巷式采煤法进行采煤。
在区段运输平巷12和区段回风平巷13之间采用仰采开掘宽为5m的采煤联络巷15，如图5(a)所示。
待采煤联络巷15与区段回风巷13贯通后，采煤联络巷15即为充填联络巷16，且在相隔15m处掘出下一条采煤联络巷15，如图5(b)所示。
在充填联络巷16中将破碎的矸石利用皮带抛矸机18进行抛矸充填，待充填完成后，充填联络巷16形成灌注联络巷17。在灌注联络巷17中进行灌注，而在下一条充填联络巷16进行抛矸充填。待灌注联络巷中行成稳定的充填体后，紧贴灌注联络巷17掘进下一条采煤联络巷15，如图5(c)所示。
重复上述步骤将本工作面的煤炭资源开采出来，且对工作面进行固液分离微生物胶结充填。通过上述方法将矿井中的可采煤炭资源开采出来。
2、巷内充填工艺
首先需要在充填联络巷16下端与区段运输平巷12相交处施工挡墙19，且在挡墙上边缘位置设置出浆口20，然后把采煤联络巷15的开采仰角设为3°。
灌注开始时，先通过菌液输送管道8将培养好的巴氏芽孢八叠球菌(Sporosarcinapasteurii)灌注于灌注联络巷17，直至出浆口20流出菌液，关闭菌液输送管道8并静止30min，而后向灌注联络巷17内进行营养盐灌注。
其中灌注的营养盐是菌液体积的5～6倍，且营养盐是浓度为1mol/L，比例为1:1的氯化钙(CaCl2)–尿素(urea)混合液。其中多余的菌液和营养盐通过出浆口20流入沉淀池21，经过沉淀后再通过回收管道22再次泵送到灌注联络巷17内。
经过上述过程进行多批次的菌液和营养盐的灌注，直到出浆口20不再流出液体，完成本条联络巷的灌注过程。
本发明的充填采煤方法在固体抛矸充填简单工艺的基础上结合MICP技术，能够提高充填体的承载能力，控制上覆岩层移动和地表沉陷，且能够保证较高的充实率，对比传统抛矸充填，本发明增加了微生物灌注环节，可以获得更高的充填体强度和更好的充填效果；对比传统胶结充填，本发明没有堵管的风险，运输优越性更高，充填材料更加绿色环保；同时微生物灌注具有管道泵送压力低、传输距离远、扰动小、工期短和低耗能等优势。
Claims (10)
1.一种固液分离灌注式微生物胶结巷式充填采煤方法，其特征在于：操作步骤包括：
步骤一、固体废弃物皮带抛矸充填：在掘巷采煤之后，将固体废弃物通过皮带抛矸机(18)抛到充填联络巷(16)，充填完的充填联络巷形成灌注联络巷(17)；
步骤二、液体灌注：通过布置在区段回风平巷(13)内的菌液输送管道(8)和营养盐输送管道(9)向灌注联络巷(17)内依次灌注菌液和营养盐溶液，促使微生物诱导碳酸钙沉积，提高充填体的承载强度。
2.根据权利要求1所述的一种固液分离灌注式微生物胶结巷式充填采煤方法，其特征在于：步骤一的具体步骤如下：
将地面的固体废弃物(1)经胶带机(2)运到破碎机(3)破碎后形成充填材料，充填材料经皮带运输机(4)运送至投料钻孔(5)，通过投料钻孔(5)将充填材料垂直投放至井下；充填材料与井下的矸石混合后通过采区轨道上山(11)运送至区段回风平巷(13)，最后经皮带抛矸机(18)抛掷于充填联络巷(16)。
3.根据权利要求1所述的一种固液分离灌注式微生物胶结巷式充填采煤方法，其特征在于：步骤二中，在地面布设发酵罐(607)和营养盐溶液灌(7)，发酵罐(607)中经过发酵培养产生细菌发酵液(608)即菌液，该发酵液(608)通过菌液输送管道(8)输送至井下灌注联络巷(17)内，向灌注联络巷(17)内进行菌液灌注；而后营养盐溶液灌(7)中的营养盐溶液通过营养盐输送管道(9)输送至灌注联络巷(17)内，向灌注联络巷(17)内进行营养盐灌注。
4.根据权利要求1或3所述的一种固液分离灌注式微生物胶结巷式充填采煤方法，其特征在于：在地面布设菌液培养系统(6)，包括与发酵罐(607)分别连接的蒸汽发生器(601)、振荡培养箱(602)、培养基(604)、空气压缩机(605)，空气压缩机(605)还配有空气过滤装置(606)；所述的蒸汽发生器(601)产生蒸汽对发酵罐(607)进行空消和实消；所述的振荡培养箱(602)培养种子液(603)并运送至发酵罐(607)；所述的培养基(604)为种子液的发酵提供营养物质；空气经过空气压缩机(605)压缩且经过空气过滤装置(606)过滤后进入发酵罐(607)内；种子液(603)在发酵罐(607)内经过发酵培养产生细菌发酵液(608)，该发酵液(608)通过菌液输送管道(8)输送至井下灌注联络巷(17)内。
5.根据权利要求1所述的一种固液分离灌注式微生物胶结巷式充填采煤方法，其特征在于：所述营养盐溶液为尿素和钙源溶液，浓度为0.5mol/L～1.5mol/L。
6.根据权利要求1所述的一种固液分离灌注式微生物胶结巷式充填采煤方法，其特征在于：所述灌注联络巷(17)内灌注的营养盐溶液的体积为菌液体积的5～6倍。
7.根据权利要求1所述的一种固液分离灌注式微生物胶结巷式充填采煤方法，其特征在于：所述菌液为芽孢八叠球菌、芽孢杆菌，微生物生存条件为：温度20℃～37℃、pH 6.5～9；营养盐浓度为0.5mol/L～1.5mol/L。
8.根据权利要求1所述的一种固液分离灌注式微生物胶结巷式充填采煤方法，其特征在于：每次充填之前在充填联络巷(16)下端与区段运输平巷(12)施工相交处设置挡墙(19)，挡墙上边缘位置设置出浆口(20)；发酵液(608)通过菌液输送管道(8)输送至井下灌注联络巷(17)内，直至出浆口(20)流出菌液，关闭菌液输送管道(8)并静止30min，之后再灌注营养盐溶液；进行多批次菌液和营养盐的灌注过程，直到出浆口(20)不再流出液体，完成本条联络巷的灌注过程。
9.根据权利要求8所述的一种固液分离灌注式微生物胶结巷式充填采煤方法，其特征在于：多余的菌液和营养盐通过出浆口(20)流入沉淀池(21)，经过沉淀后再通过回收管道(22)再次泵送到灌注联络巷(17)内。
10.根据权利要求1所述的一种固液分离灌注式微生物胶结巷式充填采煤方法，其特征在于：所述的掘巷出煤工艺中，开掘区段运输平巷(12)和区段回风平巷(13)之间的所有充填联络巷(16)的掘进角度不低于3°，且均采用仰斜开掘；其中所述的皮带抛矸机(18)自充填联络巷下端开始逐渐后退充填，将充填材料抛投至充填联络巷(16)，而菌液和营养盐的输送管道布料口位于充填联络巷上端，所灌注液体自上而下自流进入灌注联络巷(17)。
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