CN111396052B - 一种脲酶微生物矿化加固煤柱的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脲酶微生物矿化加固煤柱的方法，包括以下步骤：1）将脲酶溶液和尿素+钙盐混合液等体积依次循环灌入煤柱，每次循环包含一次脲酶溶液灌注和一次混合液的灌注，每次循环后，静置6‑10小时；2）循环灌注并静置胶结7次以上。该脲酶微生物矿化加固煤柱的方法能够加固煤柱，使更小直径的煤柱具有更好的支承能力，从而能够增大开采面积，提升产煤量。

Description

一种脲酶微生物矿化加固煤柱的方法
背景技术
地下煤矿的开采过程中预留煤柱的直径通常在几米至数十米范围，预留煤柱越多开采率越低发，但是煤柱的支承能力随直径增大而增强，往往需要预留较大直径的煤柱以确保安全。如果加固煤柱以提高煤柱的力学性能，减少采煤区煤柱数量或减小预留煤柱的直径，则可提高煤炭开采率。但是传统加固方法效率低下，成本较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种脲酶微生物矿化加固煤柱的方法，该方法能够以更低成本更高效率加固煤柱以提升开采率。
为此，本发明提供的一种脲酶微生物矿化加固煤柱的方法，包括以下步骤：
1）将脲酶溶液和尿素+钙盐混合液等体积依次循环灌入煤柱，每次循环包含一次脲酶溶液灌注和一次混合液的灌注，每次循环后，静置6-10小时；
2）循环灌注并静置胶结7次以上。
进一步的，所述脲酶溶液中含有脲酶微生物，脲酶微生物为巴氏芽孢杆菌，巴氏芽孢杆菌的OD值为1.76，通过电导率法测定巴氏芽孢杆菌中脲酶活性为2.3±0.5µmol urea/min；所述的脲酶溶液是将巴氏芽孢杆菌超声破碎25分钟，每五分钟超声一次即在0摄氏度水中冷却一次，总共超声冷却5次，然后放入离心机（转速8000-10000rpm）离心得到脲酶上清液，通过电导率法测定该上清液中脲酶活性为6.7±0.7µmol urea/min。
进一步的，所述钙盐包括无水氯化钙或氢氧化钙，所述尿素+钙盐混合液为0.8-1.3mol/l。
进一步的，在步骤1）前首先将灌注钢管横向打设入大直径煤柱中，灌注钢管侧壁上开设有透水孔，所述灌注钢管连接蠕动泵或者高压泵，蠕动泵或高压泵连接脲酶溶液存储腔和尿素+钙盐混合液存储腔，启动蠕动泵或高压泵依次将脲酶溶液和尿素+钙盐混合液输送到大直径煤柱内；接着，对大直径煤柱的表层进行开挖，留下已经被生物加固的中心煤柱；然后，切断露出在中心煤柱外围的灌注钢管；最后往中心煤柱表面循环多次依次喷洒脲酶溶液和尿素+钙盐混合液。
进一步的，所述灌注钢管包括贯穿大直径煤柱的循环灌注钢管和未贯穿大直径煤柱但进入大直径煤柱中心的高压灌注钢管，所述循环灌注钢管两端连接蠕动泵，所述高压灌注钢管单端连接高压泵。
进一步的，所述灌注钢管连接蠕动泵或者高压泵，所述脲酶溶液存储腔和尿素+钙盐混合液存储腔均配置一个蠕动泵或高压泵并分别通过一条分管道与总管连接，分管道内设置有电控阀门以控制通断。
本发明的技术效果：
1）脲酶溶液分解尿素形成碳酸根，碳酸根与钙盐（如氯化钙或氢氧化钙）反应形成碳酸钙，进而与氯化钙反应形成碳酸钙，整个过程中混合液矿化反应生成方解石胶凝材料加固中心煤柱，使中心煤柱得到强化，从而提升中心煤柱的强度和支承力，从而能够以更小直径的煤柱支承柱地下采煤区，增加采煤率。
2）循环灌注进行胶结有利于持续提升中心煤柱的强度，降低塌方概率。
3）经试验，将脲酶（巴氏芽孢杆菌）溶液、1mol/l的尿素+氯化钙或氯化镁或氢氧化钙的混合液等体积（100ml）循环灌入煤柱（5×10cm），每次循环后，静置6-10小时；通过蠕动泵灌入0、1、3、5、7、9、11次，无侧限抗压强度依次是0.1±0、0.1±0、0.5±0.1、0.8±0.1、1.3±0.3、1.7±0.1、2.3±0.5Mpa。渗透系数分别为7.3±1.1×10-4、4.2±0.7×10-4、6.9±1.6×10-3、2.7±0.5×10-3、1.3±0.9×10-3、8.4±1.2×10-2、3.5±0.7×10-2cm/s。循环胶结7次以后，平均无侧限抗压强度高于1 Mpa，并且保持一定的渗透性能。通过上述试验可以看出，煤柱的抗压强度得到较大加强，同时渗透性能也在一定程度上得以保留。
4）经试验，将脲酶溶液、1mol/l的尿素+氯化钙或氯化镁或氢氧化钙的混合液等体积（100ml）循环灌入煤柱（5×10cm），每次循环后，静置6-10小时；通过蠕动泵灌入0、1、3、5、7、9、11次，无侧限抗压强度依次是0.1±0、0.3±0.1、0.9±0.2、1.3±0.2、1.8±0.3、 2.2±0.3、2.7±0.4Mpa。渗透系数分别为7.3±1.1×10-4、2.1±0.3×10-4、1.7±0.2×10-3、7.2±0.3×10-2、4.1±0.6×10-2、2.3±0.5×10-2、1.8±0.3×10-2cm/s。循环胶结5次以后，平均无侧限抗压强度高于1 Mpa，并且保持一定的渗透性能。通过上述试验可以看出，煤柱的抗压强度得到较大加强，同时渗透性能也在一定程度上得以保留。
附图说明
图1为地下采煤矿区的结构示意图。
图2为本发明的中心煤柱与循环胶结系统的结构示意图。
图3 为脲酶矿化合成的碳酸盐胶凝材料的XRD图谱。
具体实施方式
以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，其中描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
参照图1、图2、图3所示，地下采煤矿区包括回风巷1和采空区2，两者之间为支承用的煤柱，本发明提供的一种脲酶微生物矿化加固煤柱的方法，包括以下步骤：
1）首先将灌注钢管横向打设入大直径煤柱3中，灌注钢管侧壁上开设有透水孔4，所述灌注钢管连接蠕动泵5或者高压泵6，蠕动泵5或高压泵6连接脲酶溶液存储腔7和尿素+钙盐混合液存储腔8，启动蠕动泵5或高压泵6依次将脲酶溶液和尿素+钙盐混合液输送到大直径煤柱3内，灌注方式为脲酶溶液和尿素+钙盐混合液等体积依次循环灌入中心煤柱8，巴氏芽孢杆菌超声破碎离心后获得脲酶，钙盐包括无水氯化钙或氢氧化钙，即形成胶结液，所述尿素+钙盐混合液为1mol/l，所述脲酶溶液中含有脲酶微生物，脲酶微生物为巴氏芽孢杆菌，巴氏芽孢杆菌的OD值为1.76，通过电导率法测定巴氏芽孢杆菌中脲酶活性为2.3±0.5µmol urea/min。每次循环包含一次脲酶溶液灌注和一次胶结液的灌注，每次循环后，静置6-10小时，从图3的XRD图谱显示胶结产物主要是碳酸钙（方解石） 胶凝材料。上述脲酶溶液的制备方法如下：将巴氏芽孢杆菌超声破碎25分钟，每五分钟超声一次即在0摄氏度水中冷却一次，总共超声冷却5次，然后放入离心机（转速8000-10000rpm）离心得到脲酶上清液，通过电导率法测定该上清液中脲酶活性为6.7±0.7µmol urea/min。
上述灌注钢管连接的灌注管道具体结构为：所述灌注钢管包括贯穿大直径煤柱的循环灌注钢管11和未贯穿大直径煤柱但进入大直径煤柱中心的高压灌注钢管12，所述循环灌注钢管11两端连接蠕动泵5，所述高压灌注钢管12单端连接高压泵6。所述灌注钢管连接蠕动泵5或者高压泵6，蠕动泵5或高压泵6，所述脲酶溶液存储腔7和尿素+钙盐混合液存储腔8均配置一个蠕动泵5或高压泵6并分别通过一条分管道与总管9连接，分管道内设置有电控阀门10以控制通断。上述灌注管道的操控方式如下：首先开启连接脲酶溶液存储腔的电控阀门和蠕动泵、高压泵将脲酶溶液灌注到中心煤柱8，再关闭连接脲酶溶液存储腔的电控阀门、启动连接尿素+钙盐混合液存储腔的电控阀门和蠕动泵、高压泵，由此循环灌注。上述灌注钢管贯穿大直径煤柱3的循环灌注钢管11和未贯穿大直径煤柱3但进入大直径煤柱3中心的高压灌注钢管12，所述循环灌注钢管11两端连接蠕动泵5，所述高压灌注钢管12单端连接高压泵6,其中循环灌注钢管11可以循环渗透胶结液，而高压灌注钢管12可以高压注入胶结液，两者共同作用可以提升生物固化效果。
2）循环灌注并静置胶结7次以上；
最后步骤：接着对大直径煤柱的表层进行开挖，留下已经被生物加固的中心煤柱8；然后，切断露出在中心煤柱8外围的灌注钢管，所述灌注钢管包括贯穿大直径煤柱3的循环灌注钢管11和未贯穿大直径煤柱3但进入大直径煤柱3中心的高压灌注钢管12，所述循环灌注钢管11两端连接蠕动泵5，所述高压灌注钢管12单端连接高压泵6；最后往中心煤柱8表面循环多次依次喷洒脲酶溶液和尿素+钙盐混合液，从而进一步固化中心煤柱8的表层以提升抗压强度，降低破损概率。

Claims (3)

1.一种脲酶微生物矿化加固煤柱的方法，其特征是：包括以下步骤：
1）将脲酶溶液和尿素+钙盐混合液等体积依次循环灌入煤柱，每次循环包含一次脲酶溶液灌注和一次混合液的灌注，每次循环后，静置6-10小时；
2）循环灌注并静置胶结7次以上；
在步骤1）前首先将灌注钢管横向打设入大直径煤柱中，灌注钢管侧壁上开设有透水孔，所述灌注钢管连接蠕动泵或者高压泵，蠕动泵或高压泵连接脲酶溶液存储腔和尿素+钙盐混合液存储腔，启动蠕动泵或高压泵依次将脲酶溶液和尿素+钙盐混合液输送到大直径煤柱内；接着，对大直径煤柱的表层进行开挖，留下已经被生物加固的中心煤柱；然后，切断露出在中心煤柱外围的灌注钢管；最后往中心煤柱表面循环多次依次喷洒脲酶溶液和尿素+钙盐混合液；
所述灌注钢管包括贯穿大直径煤柱的循环灌注钢管和未贯穿大直径煤柱但进入大直径煤柱中心的高压灌注钢管，所述循环灌注钢管两端连接蠕动泵，所述高压灌注钢管单端连接高压泵；所述脲酶溶液存储腔和尿素+钙盐混合液存储腔均配置一个蠕动泵或高压泵并分别通过一条分管道与总管连接，分管道内设置有电控阀门以控制通断。
2.根据权利要求1所述的一种脲酶微生物矿化加固煤柱的方法，其特征是：所述脲酶溶液中含有脲酶微生物，脲酶微生物为巴氏芽孢杆菌，巴氏芽孢杆菌的OD值为1.76，通过电导率法测定巴氏芽孢杆菌中脲酶活性为2.3±0 .5µmol urea/min；所述的脲酶溶液是将巴氏芽孢杆菌超声破碎25分钟，每五分钟超声一次即在0摄氏度水中冷却一次，总共超声冷却5次，然后放入离心机离心得到脲酶上清液，通过电导率法测定该上清液中脲酶活性为6.7±0.7µmol urea/min。
3. 根据权利要求1或2所述的一种脲酶微生物矿化加固煤柱的方法，其特征是：所述钙盐包括无水氯化钙或氢氧化钙，所述尿素+钙盐混合液为0 .8-1 .3mol/l。
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