CN111912684A - 一种矿山微生物矿化充填材料制备系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿山微生物矿化充填材料制备系统，包括人工取‑注液系统、八通道矿化液灌注系统、材料浸泡‑养护系统；所述全部系统放置于通风橱中；所述人工取‑注液系统用于准确快速量液、取液、注液；所述八通道矿化液灌注系统用于多试件的矿化液及菌液高效泵送；所述材料浸泡‑养护系统用于进一步增强矿山微生物矿化充填材料的强度。本发明可以实现同时进行多个矿化材料试件的高效制备及材料强度的进一步增强，同时极大程度的模拟了矿山环境温度，从而为新型充填材料的制备提供新工艺，更好的用于矿山中微生物矿化充填材料的制备，丰富新型矿山充填材料制备方法的理论基础。

Description

一种矿山微生物矿化充填材料制备系统

技术领域

本发明属于矿山充填材料实验技术领域，具体涉及一种矿山微生物矿化充填材料制备系统。

背景技术

煤炭的开采产生了大量的煤矸石固体废弃物在地表堆积，充填采煤技术能够很好的利用地下采空区空间，同时解决堆积在地表的大量煤矸石固体废弃物。使用微生物矿化的方法所制备的新型充填材料可以使充填材料中各接触的骨料间充分起到支撑作用，填补充填材料骨料之间的间隙，达到很好的支撑效果，起到防止地表沉陷、保护地表生态等作用。但是现有的制备井下微生物矿化充填材料的方法效率非常低，因为一次只能灌注制备一个试件且每个试件的制备时间较长，最终导致制备多个试件时耗时过久。同时，在试验研究中，一般要求三个技术重复来减少研究误差，然而环境温度、灌注时间、灌注速度、养护条件等均会使微生物矿化产物的数量和形态产生很大的影响，产生不同的试验结果。因此一次只灌注制备一个试件会导致用于技术重复的三个试件产生不同的性能，不再具有可重复性，使研究失去价值。

因此，需要发明一种能够同时制备多组微生物矿化试件的系统，增大用于制备井下煤矸石基微生物矿化材料数据的可重复性，同时提高制备微生物矿化试件的效率。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种矿山微生物矿化充填材料制备系统，解决目前试验研究所面临的制备效率低、制备出的试件重复性低且误差大等一系列问题，为充填采煤关键工程的研究提供一种新的方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种矿山微生物矿化充填材料制备系统，包括放置于通风橱中的人工取-注液系统、多通道矿化液灌注系统、材料浸泡-养护系统等三部分。所述人工取-注液系统，用于吸取、转移灌注液：使用手持塑料无针头注射器通过橡胶软管从容量瓶中吸取灌注液，再灌注入泵送瓶中，所述灌注液为矿化液；所述多通道矿化液灌注系统，用于向材料浸泡-养护系统中的多试件对应泵送灌注液：通过蠕动泵提供灌注动力，蠕动泵的泵管两端分别一一对应连接人工取-注液系统中的泵送瓶与材料浸泡-养护系统中的多试件，泵送瓶中的灌注液对应泵送至多试件中；所述材料浸泡-养护系统，用于微生物矿化充填材料强度的强化：包括一内置塑料盆的恒温恒湿养护箱，塑料盆中盛有灌注液积液和浸于其中的多试件，所述灌注液积液为日常灌注后流出的灌注液。

进一步的，所述塑料盆中灌注液积液与多试件高度保持持平。所述灌注液分别为矿化液A和矿化液B。所述矿化液A为巴氏芽孢杆菌溶液，所述矿化液B为新鲜配制的0.5MCaCl₂-Urea溶液。

进一步的，所述巴氏芽孢杆菌溶液是由巴氏芽孢杆菌溶解在液体中形成，此处液体可选择常规的水，也可以选择其他如液体培养基等。本发明优选巴氏芽孢杆菌溶液由巴氏芽孢杆菌在液体培养基中溶解形成，所述巴氏芽孢杆菌是经逐步驯化得到的耐高浓度尿素和煤矸石浸出液巴氏芽孢杆菌(参照常规微生物驯化方法方法，以煤矸石浸出液为培养液、0.5～1.5mol/L高浓度尿素为基质，驯化得到耐0.5～1.5mol/L高浓度尿素和煤矸石浸出液的巴氏芽孢杆菌)，液体培养基由包括5‰蛋白胨、3‰牛肉膏在内的基质溶解在煤矸石浸出液中形成；巴氏芽孢杆菌溶液中巴氏芽孢杆菌的浓度为2.0×10¹⁰cfu/ml。

进一步的，所述人工取-注液系统的容器为盛装矿化液B的1L丝口瓶和盛装矿化液A的500ml锥形瓶；所述泵送瓶为50ml丝口瓶；所述手持塑料无针头注射器通过20cm橡胶软管分别吸取锥形瓶和丝口瓶中的灌注液灌注入50ml丝口瓶中进行分装，分装后与蠕动泵的泵管连接。

进一步的，所述多通道矿化液灌注系统，包括一个蠕动泵、多通道泵头及对应的多套泵管，相对应的每组试件个数不超过通道数，可设置一组或多个试件组，每个试件灌注内容、用量、速度可控。每组多试件数量可以不同，可按照需求数量同时制备多个矿化试件。多通道矿化液灌注系统的泵头通道数量数为N，试件数为n，n≤N。

进一步的，所述多通道矿化液灌注系统还包括一个单泵头蠕动泵，设置在恒温恒湿养护箱外部，通过泵管与材料浸泡-养护系统中的塑料盆连接，用于在塑料盆中灌注液积液液面高于试件高度时抽走多余灌注液积液，使塑料盆中灌注液积液与试件高度保持持平。所述恒温养护箱保持30℃，相对湿度92％。

进一步的，一种矿山微生物矿化充填材料制备系统的步骤为：

1)手持无针头注射器通过橡胶软管从1L丝口瓶中吸取50ml矿化液B，分别注入到n个50ml丝口瓶中；设定好蠕动泵的泵送速度再开启蠕动泵，使n个50ml丝口瓶中的矿化液B以恒定的速度泵送至n个第一组试件中，待矿化液B泵送完毕后，关闭蠕动泵；

2)将连接n个第一组试件的泵管移入n个第二组试件中，用上述同样的方法吸取50ml矿化液B分别泵送到n个第二组试件中，关闭蠕动泵；

3)一个小时后，将连接n个第二组试件的泵管移入n个第一组试件中；手持无针头注射器从500ml锥形瓶中吸取50ml矿化液A，分别注入到n个50ml丝口瓶中；开启蠕动泵，使n个50ml丝口瓶中的矿化液A以恒定的速度泵送到n个第一组试件中，待矿化液A泵送完毕后，关闭蠕动泵；

4)将连接n个第一组试件的橡胶管移入n个第二组试件中，用同样的方法吸取50ml矿化液A分别泵送到n个第二组试件中，关闭蠕动泵；此时完成16个试件中矿化液的第一次灌注，灌注后流出的灌注液形成灌注液积液；

5)将第二组试件上的n个泵管取下，把带有灌注液积液的第一组试件和第二组试件同时放入恒温恒湿养护箱中养护4小时后取出，按照以上1)-4)方法进行第二次灌注，放入恒温恒湿养护箱中养护4小时后取出，进行第三次灌注；

6)当塑料盆中灌注液积液的液面高于试件高度时，打开单泵头蠕动泵，将多余的灌注液积液抽出，使塑料盆中灌注液积液与试件高度保持持平。

7)每天共灌注三次，持续20次后从灌注液积液中取出多试件，在恒温恒湿养护箱中养护三天脱模，完成矿山微生物矿化充填材料的制备。

有益效果：本发明提供的一种矿山微生物矿化充填材料制备系统，与现有技术相比，具有以下优势：本试验系统可以实现快速便捷定量取灌注液、同时进行多个矿化材料试件的高效制备。在制备过程中极大程度的模拟了矿山温度湿度，也是所使用微生物生长的最适温度，保证了制备试件过程中环境温度、灌注时间、灌注速度、养护条件的一致性。从而为新型矿山充填材料的高效制备提供新工艺新方法，丰富新型矿山充填材料制备系统的理论基础，便于在极大程度消除实验误差的基础上开展更高效的矿山微生物矿化充填材料研究。

附图说明

图1是矿山微生物矿化充填材料制备流程图；

图2是矿山微生物矿化充填材料制备工艺示意图。

图中附图标记的含义：

1-人工取-注液系统，2-八通道矿化液灌注系统，3-材料浸泡-养护系统，4-1L丝口瓶，5-500ml锥形瓶，6-手持无针头注射器，7-橡胶软管，8-50ml丝口瓶，9-蠕动泵，10-八通道泵头，11-泵管，12-塑料盆，13-单泵头蠕动泵，14-灌注液积液，15-恒温恒湿养护箱，16-第一组试件，17-第二组试件，18-废弃液收集桶。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以八通道-二组试验为例，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

所述的一种矿山微生物矿化充填材料制备系统，包括人工取-注液系统1、八通道矿化液灌注系统2、材料浸泡-养护系统3三部分。

所述的人工取-注液系统1、八通道矿化液灌注系统2放在通风橱中进行。

所述的人工取-注液系统1主要由1L丝口瓶4、500ml锥形瓶5、手持无针头注射器6、橡胶软管7、50ml丝口瓶8组成。进行人工取-注液时，首先将手持无针头注射器6与橡胶软管7相连，再进行瓶中的取液。

所述的八通道矿化液灌注系统2主要由八个50ml丝口瓶8、蠕动泵9、八通道泵头10、八个泵管11、塑料盆12、单泵头蠕动泵13组成。八个50ml丝口瓶8通过八个泵管11分别与八个试件相连接，由蠕动泵9连接八通道泵头10提供动力。十六个试件放置于塑料盆12中，塑料盆12连接一个单泵头蠕动泵13，目的是将盆中液体定量排出，保证盆中页面保持与试件同高。单泵头蠕动泵13的一端浸入塑料盆12中，一端连接废弃液收集桶18。

所述的材料浸泡-养护系统3主要由灌注液积液14、恒温恒湿养护箱15、由八通道矿化液灌注系统2灌注完成的16个试件组成。

试验前，首先将入模的16个煤矸石试件摆放入干净的塑料盆12中，塑料盆12用于试验时收集从试件模具中流出的灌注液积液。

试验时，首先将手持无针头注射器6与橡胶软管7相连，然后放入提前准备好的1L丝口瓶4中，向上吸取50ml灌注液之一矿化液B，分别注入到八个50ml丝口瓶8中。提前设定好蠕动泵9的泵送速度，再打开蠕动泵9的开关，使八个50ml丝口瓶8中的矿化液B以恒定的速度泵送到八个第一组试件16中。待矿化液B泵送完毕后，关闭蠕动泵9的开关。

接下来将连接八个第一组试件16的泵管移入八个第二组试件17中。用同样的方法吸取50ml矿化液B，分别注入到八个50ml丝口瓶8中：再打开蠕动泵9的开关，使八个50ml丝口瓶8中的矿化液B以恒定的速度泵送到八个第二组试件17中。待矿化液B泵送完毕后，关闭蠕动泵9的开关。

一个小时后，将连接八个第二组试件17的泵管移入八个第一组试件16中。将手持无针头注射器6与橡胶软管7相连，然后将橡胶软管7放入提前准备好的500ml锥形瓶5中，向上吸取50ml灌注液中的矿化液A，分别注入到八个50ml丝口瓶8中：再打开蠕动泵9的开关，使八个50ml丝口瓶8中的矿化液A以恒定的速度泵送到八个第一组试件16中。待矿化液A泵送完毕后，关闭蠕动泵9的开关。

接下来将连接八个第一组试件16的橡胶管移入八个第二组试件17中。用同样的方法吸取50ml矿化液A，分别注入到八个50ml丝口瓶8中：再打开蠕动泵9的开关，使八个50ml丝口瓶8中的矿化液A以恒定的速度泵送到八个第二组试件17中。待矿化液A泵送完毕后，关闭蠕动泵9的开关。

此时完成十六个试件中灌注液的第一次灌注。当塑料盆12中灌注液积液的液面高于试件高度时，打开单泵头蠕动泵13，将多余的灌注液积液14抽出倒掉。将第二组试件17上的八个泵管11取下，把带有灌注液积液14的第一组试件16和第二组试件17同时放入恒温恒湿养护箱15中进行养护4小时后，从恒温恒湿养护箱15中取出按照以上方法进行第二次灌注。

第二次灌注完毕后放入恒温恒湿养护箱15中养护4小时后取出，进行第三次灌注。

每天共灌注三次，持续20次灌注后从灌注液积液14中取出试件，在恒温恒湿养护箱15中养护三天脱模，完成矿山微生物矿化充填材料的制备。在实施例过程中，发现每天灌注三次时可以使菌体在矸石表面充分附着生长并能够与矿化液B充分反应；此外也发现灌注20次会有最理想的矿化效果。因此，本发明选取每天共灌注三次且持续20次灌注的方式。

该八通道的制备系统可以在相同时间高效制备16个微生物矿化试件。效率相比之前的方法提高了16倍。同时保证了各个试件的制备条件相同，极大程度上消除了人工误差和环境误差，为今后的深入研究提供了一种切实可行的基本制备方法。

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 (10)

1.一种矿山微生物矿化充填材料制备系统，其特征是，包括放置于通风橱中的：

人工取-注液系统，用于吸取、转移灌注液：使用手持塑料无针头注射器通过橡胶软管从容量瓶中吸取灌注液，再灌注入泵送瓶中，所述灌注液为矿化液；

多通道矿化液灌注系统，用于向材料浸泡-养护系统中的多试件对应泵送灌注液：通过蠕动泵提供灌注动力，蠕动泵的泵管两端分别一一对应连接人工取-注液系统中的泵送瓶与材料浸泡-养护系统中的多试件，泵送瓶中的灌注液对应泵送至多试件中；

材料浸泡-养护系统，用于微生物矿化充填材料强度的强化：包括一内置塑料盆的恒温恒湿养护箱，塑料盆中盛有灌注液积液和浸于其中的多试件，所述灌注液积液为日常灌注后流出的灌注液。

2.根据权利要求1所述的一种矿山微生物矿化充填材料制备系统，其特征是，所述塑料盆中灌注液积液与多试件高度保持持平。

3.根据权利要求1所述的一种矿山微生物矿化充填材料制备系统，其特征是，所述灌注液分别为矿化液A和矿化液B，所述矿化液A为巴氏芽孢杆菌溶液，所述矿化液B为新鲜配制的0.5M CaCl₂-Urea溶液。

4.根据权利要求3所述的一种矿山微生物矿化充填材料制备系统，其特征是，所述巴氏芽孢杆菌溶液由驯化得到的耐高浓度尿素和煤矸石浸出液巴氏芽孢杆菌在液体培养基中溶解形成，所述高浓度尿素为0.5～1.5mol/L，所述液体培养基由包括5‰蛋白胨、3‰牛肉膏在内的基质溶解在煤矸石浸出液中组成。

5.根据权利要求3或4所述的一种矿山微生物矿化充填材料制备系统，其特征是，所述巴氏芽孢杆菌溶液中芽孢杆菌的浓度为2.0×10¹⁰cfu/ml。

6.根据权利要求3所述的一种矿山微生物矿化充填材料制备系统，其特征是，所述人工取-注液系统的容器为盛装矿化液B的1L丝口瓶和盛装矿化液A的500ml锥形瓶；所述泵送瓶为50ml丝口瓶；

所述手持塑料无针头注射器通过20cm橡胶软管分别吸取锥形瓶和丝口瓶中的灌注液灌注入50ml丝口瓶中进行分装，分装后与蠕动泵的泵管连接。

7.根据权利要求1所述的一种矿山微生物矿化充填材料制备系统，其特征是，所述多通道矿化液灌注系统，包括一个蠕动泵、多通道泵头及对应的多套泵管，相对应的每组试件个数不超过泵头通道数，设置一个或多个试件组，每个试件的状态相互独立。

8.根据权利要求1所述的一种矿山微生物矿化充填材料制备系统，其特征是，所述多通道矿化液灌注系统还包括一个单泵头蠕动泵，设置在恒温恒湿养护箱外部，通过泵管与材料浸泡-养护系统中的塑料盆连接，用于在塑料盆中灌注液积液液面高于试件高度时抽走多余灌注液积液，使塑料盆中灌注液积液与试件高度保持持平。

9.根据权利要求1所述的一种矿山微生物矿化充填材料制备系统，其特征是，所述恒温养护箱保持30℃，相对湿度92％。

10.一种矿山微生物矿化充填材料制备系统的使用方法，其特征是，包括以下步骤：

1)手持无针头注射器通过橡胶软管从1L丝口瓶中吸取50ml矿化液B，分别注入到n个50ml丝口瓶中；设定好蠕动泵的泵送速度再开启蠕动泵，使50ml丝口瓶中的矿化液B以恒定的速度泵送至n个第一组试件中，待矿化液B泵送完毕后，关闭蠕动泵；

2)将连接第一组试件的泵管移入第二组试件中，用上述同样的方法吸取50ml矿化液B分别泵送到n个第二组试件中，关闭蠕动泵；

3)一个小时后，将连接第二组试件的泵管移入第一组试件中；手持无针头注射器从500ml锥形瓶中吸取50ml矿化液A，分别注入到n个50ml丝口瓶中；开启蠕动泵，使50ml丝口瓶中的矿化液A以恒定的速度泵送到n个第一组试件中，待矿化液A泵送完毕后，关闭蠕动泵；

4)将连接第一组试件的橡胶管移入第二组试件中，用同样的方法吸取50ml矿化液A分别泵送到第二组试件中，关闭蠕动泵；此时完成两组试件中矿化液的第一次灌注，灌注后流出的灌注液形成灌注液积液；

5)将第二组试件上的泵管取下，把带有灌注液积液的第一组试件和第二组试件同时放入恒温恒湿养护箱中养护4小时后取出，按照以上1)-4)方法进行第二次灌注，放入恒温恒湿养护箱中养护4小时后取出，进行第三次灌注；

6)当塑料盆中灌注液积液的液面高于试件高度时，打开单泵头蠕动泵，将多余的灌注液积液抽出，使塑料盆中灌注液积液与试件高度保持持平。

7)每天共灌注三次，持续20次后从灌注液积液中取出多试件，在恒温恒湿养护箱中养护三天脱模，完成矿山微生物矿化充填材料的制备。

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