一种石门揭煤过程中利用微生物固化煤层的装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术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，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。减缓吸附瓦斯向游离瓦斯的转化。减缓吸附瓦斯向游离瓦斯的转化。

【技术实现步骤摘要】
一种石门揭煤过程中利用微生物固化煤层的装置


[0001]本技术属于煤矿井下巷道掘进
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]本技术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，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。
[0007]为达到上述目的，本技术采用的技术方案是：
[0008]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。
[0009]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OD
600
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
‑
Ca
2+
混合液。
[0010]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。
[0011]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：
[0012]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；
[0013]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；
[0014]3）配置菌液和胶结液，菌液与胶结液的体积比为1:10；
[0015]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；
[0016]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。
[0017]进一步的，所述步骤3）中菌液为浓度OD
600
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
‑
Ca
2+
混合液。
[0018]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
‑
Ca
2+
混合液，注浆管的管段上安装有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于：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。2.如权利要求1所述的石门揭煤过程中利用微生物...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭鑫辉，刘勇，魏建平，宋晨鹏，代硕，沈荷莲，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：新型
国别省市：