CN112855073B - 一种石门揭煤过程中利用微生物固化煤层的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤矿井下巷道掘进技术领域，具体公开一种石门揭煤过程中利用微生物固化煤层的装置及方法，胶结液池、固定液池、菌液池、注浆泵、电磁阀、压力传感器、流量传感器、注浆管、胶囊封孔器、自动控制系统，将菌液、固化液和胶结液通过注浆泵依次注入注浆固化孔中，通过将电磁阀、管路传感器与自动控制系统连接形成反馈系统，控制浆液注入，注入的带压微生物菌液进入煤（岩）层的缝隙或裂缝，再注入固定液，利用固定液絮凝作用使菌种分布均匀，最后间歇性灌入的胶结液使菌种充分的进行胶结矿化作用以达到固化煤层的目的，通过微生物诱导生成的碳酸钙沉积封闭裂隙和孔隙，降低煤层的孔隙率，减缓吸附瓦斯向游离瓦斯的转化。

Description

一种石门揭煤过程中利用微生物固化煤层的装置及方法

技术领域

本发明属于煤矿井下巷道掘进技术领域，尤其涉及一种石门揭煤过程中利用微生物固化煤层的装置及方法。

背景技术

随着我国煤炭工业的迅猛发展, 老矿井开采愈来愈深, 突出矿井日益增多, 不仅突出次数大幅度增加, 而且突出强度也在提高, 其中石门揭煤突出频率、强度及危险性明显大于其他作业方式。石门揭煤时突出问题严重威胁了井下工人的安全，同时制约着煤矿高效生产。石门地点突出事故频发、突出强度大的原因在于揭煤工作面的前方煤岩应力状态容易发生突然变化，导致岩石、煤层的弹性潜能以及瓦斯能量大量释放，因此煤体强度是其能否抵挡突出的关键因素。

现有常用突出煤层的揭煤方法有主要从泄压增透和煤层加固两个方面进行。煤层泄压增透方式主要有水力冲孔，水力压裂和水力割缝等措施。泄压增透方式在实施的过程中都使煤体受到不同程度的破坏，降低了煤层的自身承载能力和对突出的抵御能力，特别是对松软煤层或地质构造破碎带，影响更为严重。煤层加固方面主要有金属骨架和注浆加固。虽然金属骨架对煤体有一定的支护作用，但金属骨架在使用过程中至少有一端没有固定，且金属骨架和煤体没有粘结在一起，在煤体发生变形时主要是金属骨架依靠抗弯强度抵抗煤体变形，没有从本质上改变煤体的强度，抵抗效果差。注浆固化技术克服了常规措施的不足，它是通过向煤层中压入性能适宜的固化剂，使其渗入到煤层中的裂隙和孔隙。常用的煤岩体加固剂主要有聚氨酯类、环氧树脂类、丙烯酰胺类、丙烯酸盐类、脲醛树脂类等。经过固化充填，一方面可提高煤体强度,增大煤体自身承载能力，使外部煤体阻滞突出的作用得以加强；另一方面,固化防突增加煤体强度的同时，不会阻塞瓦斯运移的通道，在进行后续瓦斯抽采过程中不影响瓦斯抽采的前提下，不会发生钻孔垮塌现象。但是传统固化剂的渗透性弱，扩散半径较小，只能对注浆孔周围较小范围的煤层进行固化，且大部分为高分子物质，与煤的性质差异较大，且往往具有毒性，易造成环境污染。

微生物诱导碳酸盐沉淀是微生物在新陈代谢过程中发生的矿化作用，所形成的碳酸钙具有优异的固结性能，是一种机理简单、成本低、快速高效和环境友好型的生物技术，受到了土木、环境等行业工作者的关注，但是国内很少将该技术应用于矿山领域。

目前，在专利号为CN201710749493.2的专利公开了“一种冻结式石门揭煤方法”中通过液氮蒸发吸热冻结注水的煤层来提高煤体强度，但是此种方法需要消耗大量的液氮，成本较高且煤体固化时效较短，温度升高后冻结煤层的强度就会降低。同时，在专利号为CN201310112121.0的专利公开了“一种水力压裂与注浆固化相结合的石门揭秘方法”中，通过在注浆固化前对煤层进行水力压裂使裂隙贯通，来确保固化浆液的顺利注入；虽然此种方法增大了固化范围，但是较为繁琐，需在固化前进行水力压裂，增加成本和工作量；且固化剂可能会对环境造成污染。

发明内容

本发明的目的是提供一种石门揭煤过程中利用微生物固化煤层的装置及方法，利用微生物矿化作用对石门揭煤过程中附近煤层进行胶结固化，从而降低石门揭煤过程中瓦斯突出事故的发生概率。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种石门揭煤过程中利用微生物固化煤层的装置，包括浆液池，以及将浆液池内的浆液抽出送至煤层钻孔裂隙处的注浆泵，所述注浆泵通过其端部的注浆管将浆液送至裂隙处，所述注浆管端部设有胶囊封孔器，所述浆液池包括菌液池、固定液池和胶结液池，菌液池、固定液池和胶结液池的出口管道分别与注浆泵相连，所述注浆管上设有第一电磁阀。

进一步的，所述菌液池出口管道上设有第二电磁阀，固定液池出口管道上设有第三电磁阀，胶结液池出口管道上设有第四电磁阀，所述菌液池内盛有菌液浓度OD₆₀₀为2.0的巴氏芽孢杆菌液，固定液池内装有0.05mol/L固定液CaCl₂，胶结液池内装有浓度为0.4-1.0mol/L的尿素-Ca²⁺混合液。

进一步的，所述注浆管上还设有压力传感器和流量传感器，所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、注浆泵、压力传感器和流量传感器分别与自动控制系统电连接。

一种石门揭煤过程中利用微生物固化煤层的装置的固化方法，包括以下步骤：

1）在巷道揭煤工作面距煤层的最小法向距离等于7m的位置处，停止向前掘进，沿巷道周边垂距4m内设定为固化区域，并据此进行瓦斯抽采孔的设计和布置，同时将瓦斯抽采孔作为注浆固化孔进行注浆固化；

2）计算固化所需要的菌液体积量，计算公式如下：V₁=V×φ，V₁固化所需的固化菌液体积，V固化区域煤体体积，φ煤体的孔隙率；

3）配置菌液和胶结液，菌液与胶结液的体积比为1:10；

4）按设计煤层方向钻注浆固化孔，将注浆管放入注浆固化孔中，并将所需设备与注浆管依次连接，打开胶囊封孔器进行封孔；

5）开启自动控制系统，打开第一电磁阀和第二电磁阀，打开注浆泵，通过注浆管到达注浆固化孔，菌液从注浆孔壁煤层的裂隙或缝隙向注浆孔附近区域扩散；6）菌液注浆结束后，第二电磁阀关闭，第三电磁阀打开，固定液箱中的CaCl₂到达注浆固化孔中，控制流量为10-15L/min，关闭第三电磁阀，打开第四电磁阀，注入胶结液，控制胶结液的注浆速度为2-6L/min，胶结液采用间歇注入法，即自动控制系统控制注浆泵注入三小时后关闭三小时，压力传感器将注浆压力信号传递给自动控制系统，当注浆压力达到极限注浆压力时，停止注浆，该注浆孔固化完毕，将设备移至下一固化孔进行固化，直至所有固化孔固化完毕，将设备清洗搬出，将进行固化的注浆固化孔和瓦斯抽采钻孔与瓦斯抽采管网连接进行抽采，当煤层瓦斯含量小于8m³/t时，停止抽采，掘进到距煤层5m，进行瓦斯排放孔的施工，随后将钻孔排出煤屑与菌液、固定液和胶结液进行混合并通过泥浆泵进行回填，对煤层进行进一步加固。

进一步的，所述步骤3）中菌液为浓度OD₆₀₀为2.0的巴氏芽孢杆菌液，固定液为0.05mol/L的CaCl₂，胶结 0.4-1.0mol/L的尿素-Ca²⁺混合液。

封堵机理：根据固化区域设计固化孔并进行固化孔的钻进，钻进过程中收集煤屑用以后续的钻孔回填，在已经打好的固化孔中插入注浆管，同时用胶囊封孔器进行封孔，在注浆泵的作用下，采用间歇性分步注浆法，通过注浆管先向固化孔注入菌液，然后以每分钟10-15L的速度注入固定液CaCl₂，最后以每分钟2-6L的速度注入胶结液尿素-Ca²⁺混合液，注浆管的管段上安装有流量传感器、压力传感器和电磁阀，连接到自动控制系统，用以控制注浆的流量以及监控和控制注浆压力。流量传感器将浆液流量信号传递给自动控制系统，自动控制系统通过控制电磁阀来控制注入不同浆液的流量大小，同时，位于电磁阀后方的压力传感器将注浆压力信号传给自动控制系统，自动控制系统调节泵的注浆压力，防止因注浆压力过大出现跑浆现象以及对固化煤体造成破坏。

同时，注浆泵接入自动控制系统，以实现不同浆液的灌注以及间歇性注浆。当菌液注浆完毕后，自动控制系统依次控制固定液和胶结液注入。在胶结液灌浆过程中，系统连续灌浆3h，自动控制系统控制注浆泵停注3h，使得周围煤层孔隙和裂隙中的微生物充分诱导碳酸钙晶体的析出，胶结煤（岩）层。在注浆过程中，带压菌液进入钻孔周围的裂隙和缝隙中，由内到外进行固化。当注浆压力突然升高时，停止注浆，该钻孔固化完毕，当所有钻孔固化完毕后，将各钻孔接入瓦斯抽采官网进行瓦斯抽采。抽采后将钻孔过程中收集的煤屑制成煤基浆液用于回填钻孔，防止因瓦斯抽采孔施工密集而造成煤体内部空虚、松散导致的瓦斯突出事故。

本发明具有的优点是：

1.本发明通过MICP技术，即微生物诱导碳酸钙沉积技术，是一种常见的生物诱导矿化反应过程，其能够利用微生物新陈代谢过程中的自发反应进行诱导矿物质沉淀胶结颗粒，将该技术应用于石门揭煤过程中，从而将煤体进行胶结固化，可以有效的防止石门揭煤过程中的瓦斯突出事故；

2.本发明一方面使微生物吸附于钻孔周围的孔隙和裂隙中，高效诱导碳酸钙沉淀，使煤层内表面胶合，增加煤层的强度和自身承载能力；同时，微生物浆液为溶液或悬浊液，浆液粘度低、流动性好、渗透性强，相对化学注浆方法固化半径大；

3.在进行瓦斯抽采孔和排放孔之前进行固化，增加煤体强度，能够有效的避免塌孔现象的发生，避免反复作业增加工作量；

4.一孔多用，即可进行煤岩体固化，又可进行煤层瓦斯预抽，不用多次钻孔，在不增加危险性的前提下，减少工作量；

5.将钻孔的钻屑制作成煤基浆液对钻孔进行回填，能够填充煤体空区，进一步增加煤层强度，同时对煤屑进行了有效利用，更加绿色环保。

附图说明

图1是石门揭煤固化注浆孔示意图；

图2是石门揭煤固化区域侧视图；

图3是石门揭煤固化区域正视图；

图4是本装置的示意图。

1-巷道；2-煤层；3-固化区域；4-注浆固化孔； 5-胶结液池；6-固定液池；7-菌液池；8-注浆泵；9-第一电磁阀；10-压力传感器；11-流量传感器；12-注浆管；13-胶囊封孔器；14-自动控制系统；15-第四电磁阀；16-第三电磁阀；17-第二电磁阀。

具体实施方式

如图所示，一种石门揭煤过程中利用微生物固化煤层的装置，包括浆液池，以及将浆液池内的浆液抽出送至煤层钻孔裂隙处的注浆泵8，所述注浆泵8通过其端部的注浆管12将浆液送至裂隙处，所述注浆管12端部设有胶囊封孔器13，所述浆液池包括菌液池7、固定液池6和胶结液池5，菌液池7、固定液池6和胶结液池5的出口管道分别与注浆泵8相连，所述注浆管12上设有第一电磁阀9，所述菌液池7出口管道上设有第二电磁阀17，固定液池6出口管道上设有第三电磁阀16，胶结液池5出口管道上设有第四电磁阀15，所述菌液池7内盛有菌液浓度OD₆₀₀为2.0的巴氏芽孢杆菌液，固定液池6内装有0.05mol/L固定液CaCl₂，胶结液池5内装有浓度为0.4-1.0mol/L的尿素-Ca²⁺混合液；所述注浆管12上还设有压力传感器10和流量传感器11，所述第一电磁阀9、第二电磁阀17、第三电磁阀16、第四电磁阀15、注浆泵8、压力传感器10和流量传感器11分别与自动控制系统14电连接。

具体使用时，将提前培养的菌液注入菌液池7，其中菌液浓度为OD₆₀₀=2.0；在胶结液池5和固定液池6中分别注入0.4-1.0mol/L胶结液尿素-Ca²⁺混合液和0.05mol/L的固定液，胶结液池5、固定液池6和菌液池7分别连接第四电磁阀15、第三电磁阀16、第二电磁阀17，三个电磁阀与自动控制系统14连接，且三个电磁阀经管道连接到注浆泵8，以此实现自动控制系统14控制三个电磁阀的开闭来控制注浆泵8注入不同的浆液，浆液经注浆泵8加速后从泵出口进入注浆管12，注浆管12上依次安装有的第一电磁阀9、压力传感器10和流量传感器11，并连接自动控制系统14，压力传感器10和流量传感器11分别监测管道的注浆压力和注浆流量并将信息转化为电信号反馈给自动控制系统14，当注浆流量超过设定值，可通过自动控制系统14控制第一电磁阀9的开度大小来控制流量；当注浆压力超过极限注浆压力时，自动控制系统14控制注浆泵8停止运行，在注浆孔的始端设置胶囊封孔器13用于注浆孔的封孔。

利用该技术和装置在石门揭煤前利用微生物进行固化包括以下步骤：

1.在巷道1揭煤工作面距煤层2的最小法向距离等于7m的位置处，停止向前掘进；

2.沿巷道周边垂距4m内为固化区域2，并据此进行瓦斯抽采孔的设计和布置，同时将瓦斯抽采孔也作为注浆固化孔4进行注浆固化；

3.计算固化的所需要的菌液体积量，计算公式如下：

V1=V×φ

V1-固化所需的固化菌液体积；V-固化区域煤体体积；φ-煤体的孔隙率；

4.配置好足量菌液和胶结液，菌液与胶结液的体积比为1:10；

5.按设计向煤层方向施工注浆固化孔4；

6.将注浆管12放入注浆固化孔4中，并将后续设备与注浆管12依次连接；

7.打开胶囊封孔器13进行封孔；

8.设备未开启时，第一电磁阀9、第四电磁阀15、第三电磁阀16、第二电磁阀17均处于关闭状态，设备启动，自动控制系统14控制第二电磁阀17、第一电磁阀9打开，随后打开注浆泵8，菌液池7中的菌液在注浆泵8的作用下通过注浆管12到达注浆固化孔4，菌液在压力的作用下从注浆孔壁煤层的裂隙或缝隙向注浆孔4附近区域扩散；

9.菌液注浆结束后，在自动控制系统14的控制下，第二电磁阀17关闭，第三电磁阀16打开，固定液箱6中的CaCl₂在注浆泵8的作用下到达注浆固化孔4中，流量传感器11监测注浆管12中的固定液的流量，并将信息传递给自动控制系统14；自动控制系统14通过控制第一电磁阀9的开度调节流量为10-15L/min；

10.随后在自动控制系统14作用下，关闭第三电磁阀16，打开第四电磁阀15，固定液停止注入，胶结液开始灌入，控制胶结液的注浆速度为2-6L/min，且胶结液采用间歇注入法，即自动控制系统14控制注浆泵8注入三小时后关闭三小时，使菌液在注浆孔壁附近区域煤层的裂隙和缝隙充分的进行矿化胶结作用；

11.扩散到煤层中的微生物进行胶结矿化作用后，胶结液在煤（岩）层中的扩散能力较低，注浆压力增大，步骤10过程中，压力传感器10将注浆压力信号传递给自动控制系统14，当注浆压力达到极限注浆压力时，停止注浆，该注浆孔固化完毕；

12.将设备移至下一注浆固化孔4进行固化，直至所有注浆固化孔4固化完毕，将设备清洗搬出，将已经进行固化的注浆固化孔4和瓦斯抽采钻孔与瓦斯抽采官网连接进行抽采，当煤层2瓦斯含量小于8m³/t时，停止抽采；

13.掘进到距煤层5m，进行瓦斯排放孔的施工，随后将钻孔排出煤屑与菌液、固定液和胶结液进行混合并通过泥浆泵进行回填，对煤层进行进一步加固，防止因瓦斯抽采孔施工密集而造成煤体内部空虚、松散导致的瓦斯突出事故，进行后续作业。

Claims (2)

1.一种石门揭煤过程中利用微生物固化煤层的装置的固化方法，所述装置包括浆液池，以及将浆液池内的浆液抽出送至煤层钻孔裂隙处的注浆泵，所述注浆泵通过其端部的注浆管将浆液送至裂隙处，所述注浆管端部设有胶囊封孔器，所述浆液池包括菌液池、固定液池和胶结液池，菌液池、固定液池和胶结液池的出口管道分别与注浆泵相连，所述注浆管上设有第一电磁阀，所述菌液池出口管道上设有第二电磁阀，固定液池出口管道上设有第三电磁阀，胶结液池出口管道上设有第四电磁阀，所述注浆管上还设有压力传感器和流量传感器，所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、注浆泵、压力传感器和流量传感器分别与自动控制系统电连接，其特征在于，固化方法包括以下步骤：

1）在巷道揭煤工作面距煤层的最小法向距离等于7m的位置处，停止向前掘进，沿巷道周边垂距4m内设定为固化区域，并据此进行瓦斯抽采孔的设计和布置，同时将瓦斯抽采孔作为注浆固化孔进行注浆固化；

2）计算固化所需要的菌液体积量，计算公式如下：V₁=V×φ，V₁固化所需的固化菌液体积，V固化区域煤体体积，φ煤体的孔隙率；

3）配置菌液和胶结液，菌液与胶结液的体积比为1:10；

4）按设计煤层方向钻注浆固化孔，将注浆管放入注浆固化孔中，并将所需设备与注浆管依次连接，打开胶囊封孔器进行封孔；

5）开启自动控制系统，打开第一电磁阀和第二电磁阀，打开注浆泵，通过注浆管到达注浆固化孔，菌液从注浆孔壁煤层的裂隙或缝隙向注浆孔附近区域扩散；6）菌液注浆结束后，第二电磁阀关闭，第三电磁阀打开，固定液箱中的CaCl₂到达注浆固化孔中，控制流量为10-15L/min，关闭第三电磁阀，打开第四电磁阀，注入胶结液，控制胶结液的注浆速度为2-6L/min，胶结液采用间歇注入法，即自动控制系统控制注浆泵注入三小时后关闭三小时，压力传感器将注浆压力信号传递给自动控制系统，当注浆压力达到极限注浆压力时，停止注浆，该注浆孔固化完毕，将设备移至下一固化孔进行固化，直至所有固化孔固化完毕，将设备清洗搬出，将进行固化的注浆固化孔和瓦斯抽采钻孔与瓦斯抽采管网连接进行抽采，当煤层瓦斯含量小于8m³/t时，停止抽采，掘进到距煤层5m，进行瓦斯排放孔的施工，随后将钻孔排出煤屑与菌液、固定液和胶结液进行混合并通过泥浆泵进行回填，对煤层进行进一步加固。

2.如权利要求1所述的石门揭煤过程中利用微生物固化煤层的装置的固化方法，其特征在于：所述步骤3）中菌液为浓度OD₆₀₀为2.0的巴氏芽孢杆菌液，固定液为0.05mol/L的CaCl₂，胶结液为 0.4-1.0mol/L的尿素-Ca²⁺混合液。

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