一种基于菌源脲酶的尾矿砂生物胶结充填方法及其系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于菌源脲酶的尾矿砂生物胶结充填方法及其系统，从产脲酶微生物中提取活性高、流动性好、无生物安全风险的菌源脲酶，并利用该脲酶对充填在采空区的尾矿砂进行胶结，可提高采空区充填体强度。同时，为提高尾矿砂的利用及胶结效率，将尾矿砂按照不同粒径范围进行筛分，并分别采用了拌和法和渗透注浆法进行充填。基于细菌脲酶制备的处理液具备流动性好、生物安全等级高且与环境友好等优势，解决了使用水泥为主的充填体开裂后难以修复甚至无法修复的弱稳定性问题。同时，本发明专利技术提供的方案在无氧和有氧采空区环境均能发挥卓越的作用，还可通过减少水泥用量或替代水泥，降低水泥生产的能源供应和环境污染压力。降低水泥生产的能源供应和环境污染压力。降低水泥生产的能源供应和环境污染压力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于菌源脲酶的尾矿砂生物胶结充填方法及其系统


[0001]本专利技术涉及采空区充填
，尤其涉及一种基于菌源脲酶的尾矿砂生物胶结充填方法及其系统。

技术介绍

[0002]在矿产资源的采、选、冶过程中会产生大量尾矿，将其堆存在尾矿库不仅占用大量土地，还可能因尾矿库溃坝而诱发滑坡、泥石流等灾害，给人民生命及财产安全造成严重威胁。对于含重金属的尾矿，其随意堆放还可能对周边土壤、地表水和地下水造成污染，影响生态环境。针对上述问题，国内外提出了多种尾矿资源化利用方案，比如将尾砂用作矿山地下开采采空区的充填料。既有的尾砂充填采空区技术是将尾砂与一定比例的水泥和水混合搅拌均匀，形成充填浆料，用于采空区的充填。显然，水泥是既有尾砂充填采空区技术最主要的胶结材料。然而，该技术主要存在如下缺陷：(1)水泥生产需消耗大量的能源资源，并向大气排放大量的粉尘、二氧化硫、氮氧化物等大气污染物，以及引起“温室效应”的二氧化碳气体；(2)水泥为主的充填体固结后易受到温度、爆破振动等因素的影响而发生开裂，采用水泥浆难以进行原位修复，导致充填后的采空区稳定性降低；(3)水泥基充填料浆的流动性差，不易进入采空区的小缝隙中，或易在充填体中形成空洞，进而影响采空区充填体强度。

技术实现思路

[0003]为此，需要提供一种基于菌源脲酶的尾矿砂生物胶结充填方法及其系统，以解决现有技术中采空区以水泥为主的胶结材料充填方法导致的环境污染、高耗能以及充填体抗压强度低、易开裂的问题。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于菌源脲酶的尾矿砂生物胶结充填方法，包括以下步骤：
[0005]细菌脲酶提取，将扩培得到的产脲酶菌菌液先进行低温超声破碎，而后再进行低温高速离心提取，得到细菌脲酶液；
[0006]胶结液配制，将相同摩尔质量的氯化钙和尿素与一定体积的水混合搅拌，得到胶结液；
[0007]处理液配制，先将所述细菌脲酶液pH值调节至弱酸性，再与一定体积所述胶结液混合，得到处理液；
[0008]尾矿砂分级，将尾矿砂筛分成第一尾砂、第二尾砂和第三尾砂，所述第一尾砂的粒径大于1.18mm，所述第二尾砂的粒径大于0.425mm且小于等于1.18mm，所述第三尾砂的粒径小于等于0.425mm；
[0009]采空区充填，包括深部采空区充填和近地表采空区充填，所述深部采空区充填采用一相渗透注浆法，先将所述第一尾砂和第二尾砂混合形成骨料充填至所述深部采空区，再按预设时间间隔采用一相渗透注浆法向已充填的深部采空区注入所述处理液；所述近地表采空区充填采用拌和充填与两相渗透注浆相结合的方法，先将所述第三尾砂、所述胶结
液和所述细菌脲酶拌和得到充填料浆，并将所述充填料浆向采空区进行拌和充填，而后再按预设时间间隔采用两相渗透注浆法向已充填所述充填料浆的所述近地表采空区分别先后注入所述细菌脲酶液和所述胶结液。
[0010]上述技术方案是从产脲酶菌中提取菌液脲酶，利用脲酶诱导具有胶结及填充作用的碳酸钙沉积，对充填在采空区的尾矿砂进行原位胶结固化。这种生物胶结充填方法有别于已有报道的一些基于微生物作用的充填材料及其方法。例如，目前为了解决CO2地质封存占用大量空间的问题和传统水泥基胶结充填材料带来的环境负面效应问题，利用碳酸酐酶菌将CO2转化为CO
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，再与钙源结合形成碳酸钙胶凝，碳酸钙凝胶将骨料胶结形成胶结充填材料矿化封存CO2。该技术直接利用碳酸酐酶菌可能会对生态环境造成生物安全风险，处理效率低，并且在该技术应用过程中受应用场景是否含氧等因素限制。
[0011]本专利技术中，用相同摩尔质量的氯化钙和尿素与一定体积的水混合搅拌，得到胶结液。其中，氯化钙用于提供Ca
2+
源，尿素在菌源脲酶作用下水解生成铵根离子和碳酸根离子，并与Ca
2+
形成具有胶结及填充作用的碳酸钙沉积，将充填在采空区的尾矿砂胶结成整体并填充其孔隙，从而达到提高充填体强度并降低其渗透性的目的。
[0012]本专利技术对来自选矿厂的尾矿砂进行不同尺寸级别分选。分选采用振动筛，通过人工操控或者预先编辑的控制程序，将尾矿砂筛分成大于1.18m、大于0.425mm且小于等于1.18mm和小于等于0.425mm三个不同的粒径尺寸。对于粒径大于1.18mm的第一尾砂(粗骨料)和粒径在0.425mm～1.18mm的第二尾砂(细骨料)，按一定的体积比混合形成骨料送入位置离地面较深的采空区，然后再将细菌脲酶液和胶结液配制的处理液注入，即对采空区采用拌和充填与两相渗透注浆相结合的方法。对于粒径小于0.425mm的第三尾矿砂采用拌和充填与两相渗透注浆相结合，即先将第三尾矿砂与细菌脲酶液和胶结液混合，制备出流体状充填料浆，再对位置离地面较近采空区进行充填。
[0013]需要说明的是，对于具有不规则形状的三种不同尺寸级别尾矿砂，涉及到其尺寸大小时指的是尾矿砂的等效粒径。
[0014]本专利技术所指的深部采空区的一相渗透注浆法，是先将所述第一尾砂和第二尾砂混合形成骨料充填至所述深部采空区，再向已充填的深部采空区按预设间隔时间注入由所述细菌脲酶和所述胶结液配制的处理液；对于近地表采空区的拌和法充填与两相渗透注浆相结合的方法，是先将所述第三尾砂、所述胶结液和所述细菌脲酶拌和得到充填料浆，并将所述充填料浆向采空区进行拌和充填，而后再向已充填的近地表采空区按预设间隔时间分别先后注入细菌脲酶液和胶结液进行两相渗透注浆原位加固。
[0015]本专利技术的至少一个实施例提供的基于菌源脲酶的尾矿砂生物胶结充填方法，所述产脲酶菌为巴氏芽孢八叠球菌。巴氏芽孢八叠球菌为兼性厌氧芽孢杆菌，是一种产酶微生物，分离自土壤，没有病原性并具有极好的环境友好性和极端耐碱性。
[0016]本专利技术的至少一个实施例提供的基于菌源脲酶的尾矿砂生物胶结充填方法，在所述细菌脲酶提取步骤中，所述低温超声破碎时温度控制为小于等于30℃，并实时监测菌液浓度，当所述低温超声破碎过程在所述产脲酶菌菌液的OD
600
值低于0.1时终止，所述低温高速离心提取时温度控制为4℃、转速为10000r/min，时间为10min～15min，以保证细菌脲酶的活性，从而达到无生物安全风险、处理效率高、有氧和无氧环境均可应用等优点。
[0017]本专利技术的至少一个实施例提供的基于菌源脲酶的尾矿砂生物胶结充填方法，所述
处理液配制中所述细菌脲酶液pH值调节采用浓度低于2.0M的盐酸或醋酸，将其pH值调节至5.5～6.5。将细菌脲酶液的pH值调至该范围，可避免配制的处理液立即发生生化反应诱导碳酸钙沉积，即为处理液的传输提供一个窗口期，以保证处理液能更为均匀地注入尾矿砂孔隙内；同时，在该pH值范围内，可保证处理液中的细菌脲酶具备较好的活性，有利于将处理液中的尿素水解成铵根离子和碳酸根离子的需求，并促进CO
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‑
与Ca
2+
结合形成具有优良胶结及填充作用的碳酸钙沉积。
[0018]在所述深部采空区充填本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于菌源脲酶的尾矿砂生物胶结充填方法，其特征在于，包括以下步骤：细菌脲酶提取，将扩培得到的产脲酶菌菌液先进行低温超声破碎，而后再进行低温高速离心提取，得到细菌脲酶液；胶结液配制，将相同摩尔质量的氯化钙和尿素与一定体积的水混合搅拌，得到胶结液；处理液配制，先将所述细菌脲酶液pH值调节至弱酸性，再与一定体积所述胶结液混合，得到处理液；尾矿砂分级，将尾矿砂筛分成第一尾砂、第二尾砂和第三尾砂，所述第一尾砂的粒径大于1.18mm，所述第二尾砂的粒径大于0.425mm且小于等于1.18mm，所述第三尾砂的粒径小于等于0.425mm；采空区充填，包括深部采空区充填和近地表采空区充填，所述深部采空区充填采用一相渗透注浆法，先将所述第一尾砂和第二尾砂混合形成骨料充填至所述深部采空区，再按预设时间间隔采用一相渗透注浆法向已充填的深部采空区注入所述处理液；所述近地表采空区充填采用拌和充填与两相渗透注浆相结合的方法，先将所述第三尾砂、所述胶结液和所述细菌脲酶拌和得到充填料浆，并将所述充填料浆向采空区进行拌和充填，而后再按预设时间间隔采用两相渗透注浆法向已充填所述充填料浆的所述近地表采空区分别先后注入所述细菌脲酶液和所述胶结液。2.根据权利要求1所述的基于菌源脲酶的尾矿砂生物胶结充填方法，其特征在于，所述产脲酶菌为巴氏芽孢八叠球菌。3.根据权利要求1所述的基于菌源脲酶的尾矿砂生物胶结充填方法，其特征在于，在所述细菌脲酶提取步骤中，所述低温超声破碎时温度控制为小于等于30℃，所述低温超声破碎过程在所述产脲酶菌菌液的OD
600
值低于0.1时终止，所述低温高速离心提取时温度控制为4℃、转速为10000r/min，时间为10min～15min。4.根据权利要求1所述的基于菌源脲酶的尾矿砂生物胶结充填方法，其特征在于，所述处理液配制中所述细菌脲酶液pH值调节采用浓度低于2.0M的盐酸或醋酸，将其pH值调节至5.5～6.5。5.根据权利要求1所述的基于菌源脲酶的尾矿砂生物胶结充填方法，其特征在于，在所述深部采空区充填时，所述第二尾砂和第一尾...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖汉江，丁兴之，崔明娟，陈志波，翁雅洁，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：