CN113735540B - 一种矿山充填方法、材料及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿山充填方法、材料及设备。该矿山充填方法包括如下步骤：A、按质量份数计，将建筑垃圾的颗粒60‑80份和活性氧化镁2‑7份混合为固体混合物；B、将菌液和尿素混合为液体混合物，所述菌液中含有产脲酶菌，尿素浓度为2～6mol/L；及C、将所述固体混合物和所述液体混合物按照70：(20～35)的质量比混合均匀，形成可流动的浆体或膏体，注入采空区，静置固化。本发明在保证具有较好的固化效果的前提下，用建筑垃圾取代水泥来充填矿山，不使用水泥，同时具有较好的流动性。
Description
技术领域
本发明属于矿山充填领域，涉及一种矿山充填方法、材料及设备，特别是一 种用建筑垃圾来充填矿山的方法、材料及设备。
背景技术
采煤沉陷区治理工程中常用的胶凝材料主要是水泥或水泥基材料，但水泥基材料会提高地下环境的pH值，造成环境破坏。此外，水泥的生产过程会消耗大量的能源量，并产生大量的温室气体，研究表明生产1吨水泥就会引起0.9吨二氧化碳的排放，大量使用水泥会加剧碳排放。有必要针对矿山充填领域开展水泥替代产品的研制开发，以降低充填成本、减少能源消耗与温室气体排放。
常规矿山充填领域多就近选择砂石、尾矿等作为充填骨料，砂石资源是不可再生资源，开采过程会对环境产生极大地破坏。此外，尾矿等成分较为复杂，利用尾矿进行充填往往会对地下环境造成较大的环境影响。另一方面随着我国城市化建设进程的加快，每年都会产生大量的建筑垃圾。建筑垃圾是在建筑施工建造、旧房改造和危房拆除等过程中产生的一种固体废弃物。我国是世界上最大的建筑垃圾生成国，今后建筑垃圾的数量还会不断持续增加。目前建筑工业采用的垃圾处理方式多为露天堆放与填埋，不仅会对环境造成二次污染，而且还会占用、浪费大量的土地资源。将建筑垃圾引入矿山充填领域进行资源化再利用，可解决建筑和矿山工程导致的自然资源、能源、环境等问题。
目前虽然已有将建筑垃圾用于矿山充填中，如中国专利CN107285702B公开 的一种煤矿用掺杂废弃混凝土骨料的充填料浆，采用8～12％水泥，18～22％粉 煤灰，24～28％煤矸石、22～26％废弃混凝土骨料。该充填方案中仍然需要采用 水泥，在沉陷区充填工程中被广泛应用的水泥等胶凝材料，在生产前需要开山采 石获取原材料，还在烧制过程中需要高达1450℃的高温。
因此，研发一种非水泥基固化的建筑垃圾矿山充填方法是十分必要的。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种矿山充填方法、材料及设备， 在保证具有较好的固化效果的前提下，用建筑垃圾取代水泥来充填矿山，不使用 水泥，同时具有较好的流动性。
根据第一个方面，本发明提供一种矿山充填方法，其包括如下步骤：
A、按质量份数计，将建筑垃圾的颗粒60-80份和活性氧化镁2-7份混合为 固体混合物；
B、将菌液和尿素混合为液体混合物，所述菌液中含有产脲酶菌，尿素浓度 为2～6mol/L；及
C、将所述固体混合物和所述液体混合物按照70：(20～35)的质量比混合 均匀，形成可流动的浆体或膏体，注入采空区，静置固化。
优选地，步骤A中，将3.41-6.82份活性氧化镁加入63.08-72.00份建筑垃 圾的颗粒中；步骤C中，每68.97份固体混合物中加入20.70-31.03份的液体混 合物。
优选地，所述建筑垃圾包括破碎后的砖块和/或混凝土，砖块的质量百分比 大于30％。
优选地，所述建筑垃圾的颗粒的粒径小于2mm，且粒径小于0.075mm的颗 粒不少于总颗粒质量的20％。
优选地，所述活性氧化镁的纯度大于98％。
优选地，所述活性氧化镁的目数小于200。
优选地，所述活性氧化镁的活性为12～25秒。
优选地，所述产脲酶菌为巴氏芽孢杆菌(保藏编号：ATCC 11859)。
优选地，所述菌液的OD600值大于1.0，脲酶活性大于3.00mmol urea/(L·min)。
优选地，所述菌液的培养基包括酵母提取物、硫酸铵和Tris-base缓冲剂， 所述培养基灭菌后以1～10％的接种量接种巴氏芽孢杆菌，震荡培养24h，形成 所述菌液。
优选地，步骤C中，使用注浆泵将所述浆体或膏体注入所述采空区。
在一具体且优选的实施例中，所述方法具体实施如下：
按重量份数计，将3.41-6.82份活性氧化镁加入63.08-72.00份建筑垃圾的颗 粒中，搅拌均匀制成固体混合物，其中氧化镁纯度＞98％，氧化镁粒径小于200 目，活性为12～25s，建筑垃圾中砖块的质量百分比大于30％，所述建筑垃圾的 颗粒的粒径小于2mm，且粒径小于0.075mm的颗粒不少于总颗粒质量的20％；
将尿素添加至巴氏芽孢杆菌菌液中混合为液体混合物，液体混合物中尿素 的浓度为2～6mol/L，培养基包括20kg/m3酵母提取物、10kg/m3硫酸铵和15.73 kg/m3 Tris-base缓冲剂，经灭菌15-25min处理后以2％的接种量进行接种，在震 荡情况下培养至菌液OD600值大于1.0，脲酶活性大于3.0mmol urea/(L·min)；
按重量份数计，每68.97份固体混合物中加入20.70-31.03份的液体混合物， 混合均匀，注入采空区，静置固化。
优选地，液体混合物的密度为1.00～1.10t/m3。
在一具体且优选的实施例中，每20.89份菌液中加入7.52份尿素，尿素浓 度为6mol/L，液体混合物的密度为1.08t/m3。
根据第二个方面，本发明提供一种矿山充填材料，其由如下步骤制成：
A、按质量份数计，将建筑垃圾的颗粒60-80份和活性氧化镁2-7份混合为 固体混合物；
B、将菌液和尿素混合为液体混合物，所述菌液中含有产脲酶菌，尿素浓度 为2～6mol/L；及
C、将所述固体混合物和所述液体混合物按照70：(20～35)的质量比混合 均匀，形成可流动的浆体或膏体。
优选地，所述矿山充填材料由如下步骤制成：
按重量份数计，将3.41-6.82份活性氧化镁加入63.08-72.00份建筑垃圾的颗 粒中，搅拌均匀制成固体混合物，其中氧化镁纯度＞98％，氧化镁粒径小于200 目，活性为12～25s，建筑垃圾中砖块的质量百分比大于30％，所述建筑垃圾的 颗粒的粒径小于2mm，且粒径小于0.075mm的颗粒不少于总颗粒质量的20％；
将巴氏芽孢杆菌菌液和尿素混合形成为液体混合物，所述液体混合物中尿 素浓度为2～6mol/L，培养基包括20kg/m3酵母提取物、10kg/m3硫酸铵和15.73 kg/m3 Tris-base缓冲剂，经灭菌15-25min处理后以2％的接种量进行接种，在震 荡情况下培养至菌液OD600值大于1.0，脲酶活性大于3.0mmol urea/(L·min)；
按重量份数计，每68.97份固体混合物中加入20.70-31.03份的液体混合物， 混合均匀。
优选地，所述充填材料的密度在1.5-2.0t/m3范围内，饱和抗压强度在0.2-4.0MPa范围内，电阻率在40-400Ω·m范围内，纵波波速在1.00-2.50km/s范围内， 流动性较好，塌落度在190-250mm范围内，而且配制成的浆体或膏体材料相对 隔水，在水下环境中各组分的逸散较少，适用于各类水下工程，受地下水的影 响较小。
根据第三个方面，本发明提供一种矿山充填设备，其用于实施如上所述的 矿山充填方法，该矿山充填设备包括：
破碎机，其用于将建筑垃圾粉碎为颗粒；
筛分机，其和所述破碎机连接以用于筛分所述颗粒；
干粉搅拌缸，其用于将筛分后的所述颗粒和活性氧化镁混合为固体混合物；
灭菌设备，其用于对培养基进行灭菌；
菌液培养釜，其用于对接种有产脲酶菌的培养基进行培养形成菌液；
液体搅拌缸，其用于将所述菌液和尿素混合为液体混合物；
浆液搅拌缸，其用于将所述固体混合物和所述液体混合物搅拌均匀形成可 流动的浆体或膏体；及
注浆泵，其用于将所述浆体或膏体注入待充填位置。
优选地，所述破碎机、所述筛分机、所述干粉搅拌缸及所述浆液搅拌缸依次 通过带式输送机连接。
优选地，所述灭菌设备、所述菌液培养、所述液体搅拌缸及所述浆液搅拌缸 依次通过密封管路连接。
优选地，所述矿山充填设备还包括浆液下料钻孔及位于所述浆液下料钻孔下 方的缓冲器，所述浆液搅拌缸、所述注浆泵及所述浆液下料钻孔依次通过注浆管 路连接。
优选地，所述矿山充填设备还包括用于向所述液体搅拌缸注入压缩空气的压 缩空气源。
本文中，通过添加产脲酶菌，产脲酶微生物能够有效分解尿素，生成碳酸根。 活性氧化镁在水的作用下生成氢氧化镁，具有弱胶结作用。氢氧化镁与碳酸根发 生复杂的化学反应，生成具有胶凝作用的镁式碳酸盐，以三水合碳酸镁等为主， 能够有效粘结建筑垃圾颗粒，此外氧化镁颗粒密度较大，而氢氧化镁、镁式碳酸 盐的密度相对较小，在水化和微生物诱导碳化过程中发生了体积膨胀，能够充填 建筑垃圾颗粒的孔隙，增大密实度。仅需要处理一次即可获得一定的强度，可与 建筑垃圾等配制成浆液或膏状混合物，具有优良的流动性能，而且在地下水的作 用下也不会发生大规模的逸散，能够适应采煤沉陷区的各类有无高潜水位的矿山 采空区治理，固化效果有保证。
与其他矿山回填技术相比，本文的方案减少了水泥的使用；而且利用建筑垃 圾作为充填的骨料，变废为宝，符合我国的中长期战略利益，同时也能够避免因 建筑垃圾堆积产生的各类环境问题。与其他微生物处理手段相比，能够一次就完 成固化，而且固化效果较好，而且适用于有无地下水的采空区和沉陷区的充填工 程，应用面更加广阔。
本发明采用以上方案，相比现有技术具有如下优点：
本发明的矿山充填方法、材料及设备，采用产脲酶菌诱导活性氧化镁碳化技 术固化建筑垃圾来充填矿山，能够有效固化建筑垃圾，其性能可达水泥胶凝材料 的效果；而且此种矿山充填材料流动性好，易于输送，能够在复杂的有无高潜水 位的采空区等多种采矿沉陷区形成独立矿柱，进而减少地层的沉降；能够减少砂 石开采，还可有效利用建筑垃圾，减少其危害，可替代水泥，减少水泥生成过程 中的碳排放，效率更高且更加清洁环保。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的 附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些 附图获得其他的附图。
图1为实施例的矿山充填设备的结构示意图；
图2为实施例选用的建筑垃圾颗粒的级配曲线；
图3为实施例和对比例的制样照片；
图4为实施例的充填材料的微观结构扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特 征能更易于被本领域的技术人员理解。在此需要说明的是，对于这些实施方式的 说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
图1所示为一种矿山充填设备，其用于采用建筑垃圾来充填矿山。该矿山 充填设备包括：
破碎机1，其用于将建筑垃圾粉碎为颗粒；
筛分机2，其和破碎机1连接以用于筛分颗粒；
干粉搅拌缸3，其用于将筛分后的颗粒和活性氧化镁混合为固体混合物；
灭菌设备4，其用于对培养基进行灭菌；
菌液培养釜5，其用于对接种有产脲酶菌的培养基进行培养形成菌液；
液体搅拌缸6，其用于将菌液和尿素混合为液体混合物；
浆液搅拌缸7，其用于将固体混合物和液体混合物搅拌均匀形成可流动的浆 体或膏体；及
注浆泵8，其用于将浆体或膏体注入待充填位置。
筛分机2、干粉搅拌缸3及浆液搅拌缸7依次通过带式输送机连接，以完成 固体混合物的配置和输送。带式输送机用于输送建筑垃圾，主要起连接作用；破 碎机1的加工时间不低于1h，其出口通过带式输送机与筛分机2连接；筛分机2 最大通过粒径为3mm，出口通过带式输送机与干粉搅拌缸3连接；干粉搅拌缸3 的转速应在10-100r/min。
灭菌设备4、菌液培养釜5、液体搅拌缸6及浆液搅拌缸8依次通过密封管 路连接，以完成液体混合物的配置和输送。灭菌设备4应满足提供121℃、0.1MPa 的灭菌环境，且灭菌时间在15-25分钟范围内，出口通过密封管路与菌液培养釜 5连接；所述菌液培养釜5应提供30℃的有氧震荡环境，震荡频率不低于150r/min， 出口通过密封管路与液体搅拌缸6连接；菌液培养釜5的出口设置菌液检测装置 14，菌液检测装置应能在菌液培养过程中监测微生物浓度(OD600值与脲酶活性)； 液体搅拌缸6应能够提供30℃加热搅拌，搅拌速率不低于200r/min。
该矿山充填设备还包括浆液下料钻孔9及位于浆液下料钻孔9下方的缓冲器 10，浆液搅拌缸7、注浆泵8及浆液下料钻孔9依次通过注浆管路连接。浆液搅 拌缸7的转速不低于100r/min，出口通过注浆管与注浆泵8连接；所述注浆泵8 用于充填材料的输送，输送压力不低于0.5MPa，出口通过注浆管与注浆下料钻 孔连接；注浆下料钻孔用于输送充填材料，直径不低于10cm，缓冲器10位于钻 孔底部，用于减少浆体泵入影响矿柱形态。
该矿山充填设备还包括用于向液体搅拌缸6注入压缩空气的压缩空气源15、 建筑垃圾计量装置11、活性氧化镁计量装置12、尿素计量装置13、浆料计量装 置16。
实施例1
采用图1所示的设备，将由砖块(质量百分比为35％)和混凝土构成建筑垃 圾粉碎为颗粒，颗粒级配如图2所示，小于0.075mm的颗粒超过浇筑垃圾总质量 的20％，颗粒的粒径小于2mm。
按照表1称取或量取建筑垃圾的颗粒、活性氧化镁、液体混合物，按照如下 步骤进行充填。活性氧化镁的纯度＞98％，粒径小于200目，活性在12～25s。
将称取的建筑垃圾和活性氧镁进行混合为固体混合物；将该固体混合物和量 取的液体混合物混合均匀，形成具有流动性的膏体；将膏体装填于圆柱形模具内， 养护28天后进行测试。
其中液体混合物的配比为：20.89份菌液中添加固体尿素7.52份。选用的菌 液是巴氏芽孢杆菌菌液，其液体培养配比为20kg/m3酵母提取物，10kg/m3硫酸 铵，15.73kg/m3Tris-base缓冲剂，经121℃，0.1MPa压力情况下灭菌15-25min， 以2％的接种量进行接种，在反应釜内30℃、震荡200r/min情况下培养24h。培 养后菌液OD600值大于1.0，脲酶活性大于3.0mmol urea/(L·min)。最终菌液的 尿素浓度在6mol/L，混合液密度在1.08t/m3范围内。
实施例2
本实施例基本同实施例1，区别仅在于建筑垃圾和活性氧化镁的比例以及固 体混合物和液体混合物的比例，具体参见表1。
实施例3
本实施例基本同实施例1，区别仅在于建筑垃圾和活性氧化镁的比例以及固 体混合物和液体混合物的比例，具体参见表1。
实施例4
本实施例基本同实施例1，区别仅在于建筑垃圾和活性氧化镁的比例以及固 体混合物和液体混合物的比例，具体参见表1。
实施例5
本实施例基本同实施例1，区别仅在于建筑垃圾和活性氧化镁的比例以及固 体混合物和液体混合物的比例，具体参见表1。
实施例6
本实施例基本同实施例1，区别仅在于建筑垃圾和活性氧化镁的比例以及固 体混合物和液体混合物的比例，具体参见表1。
对比例
本对比例基本同实施例1，区别仅在于建筑垃圾和活性氧化镁的比例以及固 体混合物和液体混合物的比例，具体参见表1。
表1
对实施例1-6、对比例的膏体养护28天后进行测试，制样情况如图3所示， 所得测试结果如表2所示。
表2
实施例1-6能够制成具有流动性的膏体，对比例配置后塌落度仅为20mm， 不具备基本的流动性，不适宜在采煤沉陷区充填领域进行应用。
根据《全尾砂膏体充填技术规范》(GB/T 39489-2020)所要求的，充填技术 指标范围应塌落度在180-260mm范围内，单轴抗压强度在0.2-5MPa范围内。 表2表明，按本发明所制备的充填材料强度符合《全尾砂膏体充填技术规范》 (GB/T 39489-2020)所规定的强度和塌落度，能够满足矿山充填的要求。
实施例矿化后的微观结构如图4所示。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，是一种优选的实施例，其 目的在于熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此 限定本发明的保护范围。凡根据本发明的精神实质所作的等效变换或修饰，都 应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种矿山充填方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、按质量份数计，将建筑垃圾的颗粒60-80份和活性氧化镁2-7份混合为固体混合物，所述建筑垃圾包括破碎后的砖块和/或混凝土，砖块的质量百分比大于30%，所述建筑垃圾的颗粒的粒径小于2mm，且粒径小于0.075mm的颗粒不少于总颗粒质量的20%；
B、将菌液和尿素混合为液体混合物，所述菌液中含有巴氏芽孢杆菌，所述菌液的OD600值大于1.0，脲酶活性大于3.00 mmol urea/（L·min），尿素浓度为2~6mol/L；及
C、将所述固体混合物和所述液体混合物按照70：（20~35）的质量比混合均匀，形成可流动的浆体或膏体，在采空区钻孔后通过注浆泵将所述浆体或膏体注入采空区，静置固化，形成矿柱。
2.根据权利要求1所述的矿山充填方法，其特征在于，所述活性氧化镁的纯度大于98%，所述活性氧化镁的目数小于200，所述活性氧化镁的活性为12~25秒。
3.根据权利要求1所述的矿山充填方法，其特征在于，所述菌液的培养基包括酵母提取物、硫酸铵和Tris-base缓冲剂，所述培养基灭菌后以1~10%的接种量接种巴氏芽孢杆菌，震荡培养，形成所述菌液。
4.根据权利要求1所述的矿山充填方法，其特征在于，所述方法具体实施如下：
按重量份数计，将3.41-6.82份活性氧化镁加入63.08-72.00份建筑垃圾的颗粒中，搅拌均匀制成固体混合物，其中氧化镁纯度＞98%，氧化镁粒径小于200目，活性为12~25s，建筑垃圾中砖块的质量百分比大于30%，所述建筑垃圾的颗粒的粒径小于2mm，且粒径小于0.075mm的颗粒不少于总颗粒质量的20%；
将尿素与巴氏芽孢杆菌菌液混合为液体混合物，其中尿素的浓度为2~6mol/L，培养基包括20kg/m3酵母提取物、10 kg/m3硫酸铵和15.73 kg/m3 Tris-base缓冲剂，经灭菌15-25min处理后以2%的接种量进行接种，在震荡情况下培养至菌液OD600值大于1.0，脲酶活性大于3.0mmol urea/（L·min）；
按重量份数计，每68.97份固体混合物中加入20.70-31.03份的液体混合物，混合均匀，注入采空区，静置固化。
5.根据权利要求1所述的矿山充填方法，其特征在于，通过矿山充填设备实施，所述矿山充填设备包括：
破碎机，其用于将建筑垃圾粉碎为颗粒；
筛分机，其和所述破碎机连接以用于筛分所述颗粒；
干粉搅拌缸，其用于将筛分后的所述颗粒和活性氧化镁混合为固体混合物；
灭菌设备，其用于对培养基进行灭菌；
菌液培养釜，其用于对接种有产脲酶菌的培养基进行培养形成菌液；
液体搅拌缸，其用于将所述菌液和尿素混合为液体混合物；
浆液搅拌缸，其用于将所述固体混合物和所述液体混合物搅拌均匀形成可流动的浆体或膏体；及
注浆泵，其用于将所述浆体或膏体注入待充填位置。
6.根据权利要求5所述的矿山充填方法，其特征在于，所述破碎机、所述筛分机、所述干粉搅拌缸及所述浆液搅拌缸依次通过带式输送机连接；和/或，所述灭菌设备、所述菌液培养、所述液体搅拌缸及所述浆液搅拌缸依次通过密封管路连接；和/或，所述矿山充填设备还包括浆液下料钻孔及位于所述浆液下料钻孔下方的缓冲器，所述浆液搅拌缸、所述注浆泵及所述浆液下料钻孔依次通过注浆管路连接；和/或，所述矿山充填设备还包括用于向所述液体搅拌缸注入压缩空气的压缩空气源。
7.一种矿山充填材料，其特征在于，其由如权利要求1所述的矿山充填方法形成。
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