CN111153650A

CN111153650A - 一种基于micp技术的矿用封堵材料

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Publication number: CN111153650A
Application number: CN202010018250.3A
Authority: CN
Inventors: 高亚斌; 李子文; 王飞; 郭晓亚; 向鑫; 唐一博
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2020-01-08
Filing date: 2020-01-08
Publication date: 2020-05-15
Anticipated expiration: 2040-01-08
Also published as: CN111153650B

Abstract

本发明属煤矿新功能材料技术领域，提供一种基于MICP技术的矿用封堵材料。尤其适用于煤层瓦斯抽采钻孔的封孔。由P·Ⅱ42.5级水泥、石灰岩骨料、细砂、聚羧酸类减水剂、自来水、微生物、尿素、氯化钙按比例混合制备而成。用微生物诱导碳酸钙沉积对钻孔裂隙修复，提高抽采瓦斯浓度；随着抽采的进行，密闭空间和周围煤岩体出现裂隙，水分和空气通过裂隙渗透进去，激活休眠中的微生物孢子，然后增殖并食用营养液中的成分，生成具有胶结作用的碳酸盐，修复出现的裂隙，进而提高抽采瓦斯浓度。本发明有效封堵瓦斯抽采过程中的漏气通道，大大提高抽采钻孔内瓦斯浓度，延长煤层瓦斯抽采钻孔服务时间，该材料价格低廉、效果显著，安全环保。

Description

一种基于MICP技术的矿用封堵材料

技术领域

本发明属于煤矿新功能材料技术领域，具体涉及一种基于MICP技术的矿用封堵材料。

背景技术

煤层气是一种非常规天然气，也是煤炭开发过程中的“第一杀手”。近年来，随着开采深度的不断增加，深部煤层的高地应力和高瓦斯梯度使得瓦斯灾害的发生频率和强度进一步加大。煤层气的高效抽采未来在我国煤与瓦斯共采中具有至关重要的意义。瓦斯抽采效果与抽放钻孔布置、钻孔的封孔密闭性、煤层透气性、抽放装置的设计以及作业人员安装水平等因素密切相关，而大量现场调研发现：抽采钻孔封孔的密闭程度直接决定着瓦斯抽采率大小，成为影响瓦斯抽采效果最重要的因素之一。

目前，常用的封孔方式有黄泥封孔法、水泥浆封孔法、封孔器封孔法、聚氨酯封孔法等。这些技术对瓦斯抽采密封效果上起到一定作用，但都存在一些不足，其中黄泥封孔法在将黄泥送入钻孔时容易干裂产生漏气；封孔器封孔法，封孔器使用工艺复杂，且价格昂贵；聚氨酯封孔法，聚氨酯发泡太快，不易控制，凝固后抗压强度小，且随时间的延长聚氨酯会收缩，容易造成漏气。同时，这些方法都是通过封堵靠近孔口的一段钻孔使钻孔内部形成密封空间，随着瓦斯抽采的进行，煤层发生形变，钻孔周围煤层孔隙、裂隙逐渐发育，形成与巷道壁面连通的漏气通道，致使瓦斯抽采浓度大大降低。因此，现有的技术无法有效密封瓦斯抽采钻孔，这不仅会造成资源的严重浪费，而且对环境也会产生较严重的影响。

近年来，微生物土体加固技术迅速发展，该方法具有施工方便、灌浆压力低(稍大于水压力)、加固效果好、不污染环境、对原位土体影响小等诸多优点。该法的主要原理是利用微生物的矿化作用胶结处于散粒状态的土颗粒，使散粒土体的强度、刚度具有大幅的提升。目前来看，胶结效果最好的微生物成矿作用是生成方解石型碳酸钙沉积，这种成矿作用称为微生物诱导方解石沉积(Microbiologically induced calcite precipitation，简称MICP)。相关学者对MICP技术进行了大量的室内实验研究，表明该法胶结效率高、土体强度大幅提升，可以将松散砂粒胶结成5m砂柱。当前，最为成熟的为尿素水解MICP技术，主要过程为pH7-8巴式芽孢杆菌水解尿素产生碳酸根离子和铵根离子，之后碳酸根离子与注浆溶液中的钙离子结合形成具有胶结作用的碳酸钙晶体。

煤矿井下在抽采瓦斯过程中，容易受到矿井环境的影响，进而影响抽采效果与抽采质量。当前我国煤矿井下在实施瓦斯抽采钻孔的封孔过程中的温度为25~30℃，湿度为90%~100%，气压约为大气压，然而目前井下普遍使用的封孔技术在该环境下实施，封孔效果不佳。

发明内容

本发明为了解决目前矿用封孔材料存在的问题，提供了一种基于MICP技术的矿用封堵材料。

本发明所采用的技术方案是：一种基于MICP技术的矿用封堵材料，所述基于MICP技术的矿用封堵材料通过微生物诱导碳酸钙沉积对钻孔裂隙进行修复，由如下质量百分比的原料组成：P·Ⅱ42.5级水泥35~50%、石灰岩骨料0.4~2.3%、细砂1.6~3.2%、聚羧酸类减水剂0.5~1.5%、自来水10~25%、微生物5~25%、尿素8~15%、氯化钙5~15%。

优选：由如下质量百分比的原料组成：P·Ⅱ42.5级水泥45%、石灰岩骨料1.2%、细砂1.8%、聚羧酸类减水剂0.8%、自来水20%、球形芽孢杆菌14%、尿素9%、氯化钙8.2%。

所述细砂的粒径范围为0.125~0.25mm；所述石灰岩骨料为0.16~1mm连续级配；所述的聚羧酸类减水剂为粉剂，粉体聚羧酸高性能减水剂SP-409或粉体聚羧酸高性能减水剂R-209；所述微生物为芽孢杆菌，该芽孢杆菌为常规市售的微生物芽孢粉。

制备所述的一种基于MICP技术的矿用封堵材料的方法，具体步骤如下：

（1）将水泥、细砂、石灰岩骨料、聚羧酸类减水剂混合并搅拌均匀，制成粉料A；

（2）将微生物、尿素、氯化钙加入水中，搅拌均匀，制成液料B；

（3）将粉料A加入液料B中，充分搅拌并混合均匀。

所述基于MICP技术的矿用封堵材料在15~35℃环境下制备。

所述基于MICP技术的矿用封堵材料的pH值为7-9。

本发明提供的基于MICP技术的矿用封堵材料，通过适当提高尿素与氯化钙的浓度配比，可以提高碳酸钙矿化效率，提升脲酶活性，增强碳酸钙沉积效果。

本发明将MICP技术应用于矿业工程中，利用微生物诱导碳酸钙沉积对钻孔裂隙进行修复，进而提高抽采瓦斯浓度；煤层瓦斯抽采过程中，随着抽采的进行，密闭空间和周围煤岩体出现裂隙，水分和空气会通过裂隙渗透进去，从而激活休眠中的微生物孢子，然后增殖并食用营养液中的成分，生成大量的具有胶结作用的碳酸钙，修复出现的裂隙，进而提高抽采瓦斯浓度。微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）是一种环保绿色的加固方式，本发明将这一技术用于煤矿瓦斯抽采钻孔的封孔方面可以提高瓦斯抽采浓度及抽采效率，进而带来巨大的环境效益和经济效益，具有极好的推广价值。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：一种基于MICP技术的矿用封堵材料，各组分质量百分比如下：P·Ⅱ42.5级水泥40%、石灰岩骨料1%、细砂2%、聚羧酸类减水剂1%、自来水20%、球形芽孢杆菌18%、尿素10%、氯化钙8%。

将上述物质按质量百分比分别称取作为原料，其中取出的细砂的粒径范围为0.125~0.25mm；石灰岩骨料为0.16~1mm连续级配；聚羧酸类减水剂为粉剂。将上述称取的水泥、细砂、石灰岩骨料、聚羧酸类减水剂混合并搅拌均匀，制成粉料A；将微生物、尿素、氯化钙加入水中，并搅拌均匀，制成液料B；将粉料A加入液料B中，充分搅拌混合均匀；该材料在25℃下进行制备。

经检测，本实施例得到的材料用于钻孔裂隙的修复，可以使瓦斯抽采率达到60~80%，极大增强了瓦斯抽采效果，延长了抽采钻孔的服务时间，同时所制备的材料抗压强度为13.1MPa，抗剪强度4.26MPa，具有很好的推广价值。

实施例2：一种基于MICP技术的矿用封堵材料，各组分质量百分比如下：P·Ⅱ42.5级水泥45%、石灰岩骨料1.2%、细砂1.8%、聚羧酸类减水剂0.8%、自来水20%、球形芽孢杆菌14%、尿素9%、氯化钙8.2%。

将上述物质按质量百分比分别称取作为原料，其中取出的细砂的粒径范围为0.125~0.25mm；石灰岩骨料为0.16~1mm连续级配；聚羧酸类减水剂为粉剂；将上述称取的水泥、细砂、石灰岩骨料、聚羧酸类减水剂混合并搅拌均匀，制成粉料A；将微生物、尿素、氯化钙加入水中，并搅拌均匀，制成液料B；将粉料A加入液料B中，充分搅拌混合均匀；该材料在25℃下进行制备。

经检测，本实施例得到的材料用于钻孔裂隙的修复，可以使瓦斯抽采率达到50~80%，增强了瓦斯抽采效果，延长了抽采钻孔的服务时间，同时所制备的材料抗压强度为10.4MPa，抗剪强度3.75MPa，可以应用于瓦斯抽采钻孔的封孔工序中。

实施例3：一种基于MICP技术的矿用封堵材料，各组分质量百分比如下：P·Ⅱ42.5级水泥35%、石灰岩骨料2.3%、细砂3.2%、聚羧酸类减水剂1.5%、自来水25%、球形芽孢杆菌5%、尿素15%、氯化钙13 %。其制备方法同实施例1所述制备方法。

实施例4：一种基于MICP技术的矿用封堵材料，各组分质量百分比如下：P·Ⅱ42.5级水泥50%、石灰岩骨料0.4%、细砂1.6%、聚羧酸类减水剂0.5%、自来水10%、球形芽孢杆菌24%、尿素8.5%、氯化钙5%。其制备方法同实施例1所述制备方法。

实施例5：一种基于MICP技术的矿用封堵材料，各组分质量百分比如下：P·Ⅱ42.5级水泥35%、石灰岩骨料0.4%、细砂1.6%、聚羧酸类减水剂1%、自来水14 %、球形芽孢杆菌25%、尿素8%、氯化钙15 %。其制备方法同实施例1所述制备方法。

Claims

1.一种基于MICP技术的矿用封堵材料，其特征在于：所述基于MICP技术的矿用封堵材料通过微生物诱导碳酸钙沉积对钻孔裂隙进行修复，由如下质量百分比的原料组成：P·Ⅱ42.5级水泥35~50%、石灰岩骨料0.4~2.3%、细砂1.6~3.2%、聚羧酸类减水剂0.5~1.5%、自来水10~25%、微生物5~25%、尿素8~15%、氯化钙5~15%。

2.根据权利要求1所述的一种基于MICP技术的矿用封堵材料，其特征在于：由如下质量百分比的原料组成：P·Ⅱ42.5级水泥45%、石灰岩骨料1.2%、细砂1.8%、聚羧酸类减水剂0.8%、自来水20%、球形芽孢杆菌14%、尿素9%、氯化钙8.2%。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于MICP技术的矿用封堵材料，其特征在于：所述细砂的粒径范围为0.125~0.25mm；所述石灰岩骨料为0.16~1mm连续级配；所述的聚羧酸类减水剂为粉剂；所述微生物为芽孢杆菌。

4.根据权利要求3所述的一种基于MICP技术的矿用封堵材料，其特征在于：所述的聚羧酸类减水剂为粉体聚羧酸高性能减水剂SP-409或粉体聚羧酸高性能减水剂R-209。

5.制备权利要求1或2或3所述的一种基于MICP技术的矿用封堵材料的方法，其特征在于：具体步骤如下：

（3）将粉料A加入液料B中，充分搅拌并混合均匀。

6.根据权利要求5所述的制备基于MICP技术的矿用封堵材料的方法，其特征在于：所述基于MICP技术的矿用封堵材料在15~35℃环境下制备。

7.根据权利要求5所述的制备基于MICP技术的矿用封堵材料的方法，其特征在于：所述基于MICP技术的矿用封堵材料的pH值为7-9。