權(quán)利要求

1.基于MICP原理的生態(tài)固炭充填材料及其制備方法，其特征在于：固炭充填材料包括固體原料和液態(tài)原料，所述固態(tài)原料包括風(fēng)積砂0-20%、自燃煤矸石80%-100%；所述液態(tài)原料包括由巴氏芽孢桿菌(BNCC337394)在培養(yǎng)基中培養(yǎng)24h-48h制備的菌液、膠結(jié)液由氯化鈣和尿素按照1:1配制而成，摩爾濃度為0.5mol/L-2.0mol/L。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MICP原理的生態(tài)固炭充填材料及其制備方法，其特征在于：所述自燃煤矸石放入機(jī)械粉磨機(jī)中磨碎，篩分得到所需粒徑為1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm、0.075mm的固體廢棄物自燃煤矸石，并分別按照占自燃煤矸石24%、36%、18%、12%、10%的比例配置試驗(yàn)用自燃煤矸石，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)配比稱(chēng)量風(fēng)積砂與自燃煤矸石，混合放入拌合裝置中攪拌均勻。 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MICP原理的生態(tài)固炭充填材料及其制備方法，其特征在于：所述膠結(jié)液，在蒸餾水中加入氯化鈣和尿素，按摩爾濃度1:1的配比，配制成濃度為0.5mol/L-2mol/L的液體。 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MICP原理的生態(tài)固炭充填材料及其制備方法，其特征在于：所述菌液，稱(chēng)量酪蛋白15g、大豆蛋白5g、氯化鈉5g、尿素20g放入燒杯中，向燒杯中加入1000ml蒸餾水，將燒杯放在100℃的加熱爐上并用玻璃棒不斷攪拌，待混合材料充分溶解后，向燒杯中滴入1mol/L的氫氧化鈉溶液，將溶液PH調(diào)整在7-9之間，停止加熱，待溶液冷卻后加入所培養(yǎng)的巴氏芽孢桿菌(BNCC337394)。 5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MICP原理的生態(tài)固炭充填材料及其制備方法，其特征在于包括以下步驟： 步驟1：將權(quán)利要求一所述的固體廢棄物自燃煤矸石放入機(jī)械粉磨機(jī)中進(jìn)行研磨，得到試驗(yàn)所用初始原材料； 步驟2：將步驟1中得到的試驗(yàn)所用初始原材料進(jìn)行篩分，得到粒徑為1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm、0.075mm的自燃煤矸石材料； 步驟3：將步驟2中得到的自燃煤矸石，依次按24%、36%、18%、12%、10%的比例配制標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配，混合放入拌合裝置中； 步驟4：將步驟3中配制的自燃煤矸石與風(fēng)積砂按照設(shè)計(jì)比例稱(chēng)量后，倒入拌合裝置中，用不銹鋼鏟攪拌均勻，得到自燃煤矸石與風(fēng)積砂的混合固態(tài)材料； 步驟5：將步驟4得到的混合固態(tài)材料裝至50mm×100mm的試樣模具中； 步驟6：在蒸餾水中加入氯化鈣和尿素，按摩爾濃度1:1的配比，配制成濃度為1mol/L的膠結(jié)液液體； 步驟7：稱(chēng)取酪蛋白15g、大豆蛋白5g、氯化鈉5g、尿素20g放入燒杯中，得到混合材料，向燒杯中加入1000ml蒸餾水，將燒杯放在100℃的加熱爐上，用玻璃棒不斷攪拌，待混合材料充分溶解后，向燒杯中滴入1mol/L的氫氧化鈉溶液，將溶液中PH調(diào)制在在7-9之間，停止加熱； 步驟8：將配制好的培養(yǎng)基分裝在錐形瓶中，利用高壓滅菌鍋在121℃條件下滅菌30min；在無(wú)菌操作臺(tái)上將細(xì)菌接種至培養(yǎng)液中，置于振蕩培養(yǎng)箱（30℃，121r/min）培養(yǎng)24～48h； 步驟9：將裝有散體材料的試件模具依次擺放，以0.5ml/min的速率使用蠕動(dòng)泵注入菌液，待20min后停止注入菌液，靜置1h；再以0.25ml/min的速率注入膠結(jié)液，待40min后停止注入膠結(jié)液，再靜置1h； 步驟10：重復(fù)步驟9， 交替注入8輪后，將固化好的試樣放入電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱中，控溫55℃烘至2h后，將試樣脫模，再放入干燥箱中，控溫105℃直至完全烘干，得到生態(tài)固炭充填材料。

說(shuō)明書(shū)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及屬于煤礦開(kāi)采治理沉陷充填材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于MICP原理的生態(tài)固炭充填材料及其制備方法。

背景技術(shù)

煤矸石是采煤和洗煤過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物，是一種在成煤過(guò)程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅(jiān)硬的黑灰色巖石，我國(guó)煤矸石累計(jì)堆存已達(dá)70億t,且以1.5億t/a的速度增長(zhǎng)，占地面積約70km 2，約為全國(guó)耕地面積的6.79%，煤矸石的大量堆積不僅造成土地資源的浪費(fèi)，還加重了生態(tài)負(fù)擔(dān)，風(fēng)積砂屬于細(xì)砂，天然級(jí)配不良，孔隙率大，粉粘粒含量少，結(jié)構(gòu)松散，無(wú)黏聚力，非塑性顯著，抗剪強(qiáng)度低，自穩(wěn)能力差，不易壓實(shí)，在外力作用下易松散并產(chǎn)生位移，在工程建設(shè)中風(fēng)積砂往往無(wú)法滿(mǎn)足工程的穩(wěn)定性和承載力的要求，對(duì)工程的安全構(gòu)成隱患，是一種不良的土體。

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（microbially induced carbonate precipitation簡(jiǎn)稱(chēng)MICP）技術(shù)，是近年來(lái)新興的土體加固技術(shù)，在產(chǎn)脲酶菌作用下，尿素可以水解為銨根離子和碳酸根離子，再通過(guò)引入鈣源，鈣離子與碳酸根離子會(huì)在土顆粒之間結(jié)合生成碳酸鈣晶體，使土顆粒膠結(jié)在一起，該過(guò)程可明顯改善土體力學(xué)特性，提高土體強(qiáng)度。

本發(fā)明公開(kāi)一種基于MICP原理的生態(tài)固炭充填材料及其制備方法，將煤矸石與風(fēng)積砂在MICP作用下結(jié)合在一起，作為充填材料用于礦山開(kāi)采沉陷治理，在滿(mǎn)足工程條件的同時(shí)，又做到的固廢利用，真正秉持了綠色環(huán)保，可持續(xù)發(fā)展的理念。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于MICP原理的生態(tài)固炭充填材料及其制備方法；固化過(guò)程中，對(duì)固體廢棄物進(jìn)行再次利用，充分實(shí)現(xiàn)資源利用最大化。本發(fā)明可操作性強(qiáng)，成本低，處理周期短。

表1為煤矸石的化學(xué)成份（%）。

一種基于MICP原理的生態(tài)固炭充填材料及其制備方法，包括以下步驟：

步驟1：將固體廢棄物煤矸石放入機(jī)械粉磨機(jī)中進(jìn)行研磨，得到試驗(yàn)所用初始原材料；

步驟2：將步驟1中得到的試驗(yàn)所用初始原材料進(jìn)行篩分，得到粒徑為1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm、0.075mm的煤矸石材料；

步驟3：將步驟2中得到的煤矸石，依次按24%、36%、18%、12%、10%的比例配制標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配，混合放入拌合裝置中；

步驟4：將步驟3中配制的煤矸石與風(fēng)積砂按照設(shè)計(jì)比例稱(chēng)量后，倒入拌合裝置中，用不銹鋼鏟攪拌均勻，得到煤矸石與風(fēng)積砂的混合固態(tài)材料；

步驟5：將步驟4得到的混合固態(tài)材料裝至50mm×100mm的試樣模具中；

步驟6：在蒸餾水中加入氯化鈣和尿素，按摩爾濃度1:1的配比，配制成濃度為1mol/L的膠結(jié)液液體；

步驟7：稱(chēng)取酪蛋白15g、大豆蛋白5g、氯化鈉5g、尿素20g放入燒杯中，得到混合材料，向燒杯中加入1000ml蒸餾水，將燒杯放在100℃的加熱爐上，用玻璃棒不斷攪拌，待混合材料充分溶解后，向燒杯中滴入1mol/L的氫氧化鈉溶液，將溶液中PH調(diào)制在在7-9之間，停止加熱；

步驟8：將配制好的培養(yǎng)基分裝在錐形瓶中，利用高壓滅菌鍋在121℃條件下滅菌30min；在無(wú)菌操作臺(tái)上將細(xì)菌接種至培養(yǎng)液中，置于振蕩培養(yǎng)箱（30℃，121r/min）培養(yǎng)24～48h；

步驟9：將裝有散體材料的試件模具依次擺放，以0.5ml/min的速率使用蠕動(dòng)泵注入菌液，待20min后停止注入菌液，靜置1h；再以0.25ml/min的速率注入膠結(jié)液，待40min后停止注入膠結(jié)液，再靜置1h；

步驟10：重復(fù)步驟9，交替注入8輪后，將固化好的試樣放入電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱中，控溫55℃烘至2h后，將試樣脫模，再放入干燥箱中，控溫105℃直至完全烘干，得到生態(tài)固炭充填材料。

有益效果：

煤矸石中有害物經(jīng)過(guò)物理化學(xué)變化后散發(fā)出會(huì)污染大氣以及水源的有毒物質(zhì)，對(duì)環(huán)境土地造成難以估計(jì)的傷害。

大量煤矸石的堆積會(huì)占用許多土地資源，嚴(yán)重破環(huán)了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)平衡；大量的風(fēng)積砂將引發(fā)沙塵暴、土地荒漠化等生態(tài)問(wèn)題。

一種基于MICP原理的生態(tài)固炭充填材料，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可操作性強(qiáng)，降低經(jīng)濟(jì)成本，通過(guò)微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀，能在短時(shí)間內(nèi)對(duì)土體產(chǎn)生固化做作用，將散體土顆粒膠結(jié)形成共混材料。

本發(fā)明利用生態(tài)固碳，使固體廢棄物得以再次利用，減少?gòu)U棄物占用土地面積，減弱有毒氣體排放到空氣中對(duì)空氣，即降低成本，又改善環(huán)境，減少資源的浪費(fèi)。符合我國(guó)提倡的環(huán)保理念，具有一定的創(chuàng)新性研究。

表2為液體培養(yǎng)基的配比。

表3為一種基于MICP原理的生態(tài)固炭充填材料的配比。

附圖說(shuō)明

圖1是一種基于MICP原理的生態(tài)固炭充填材料SEM微觀結(jié)構(gòu)圖；

圖2是一種基于MICP原理的生態(tài)固炭充填材料EDS能譜圖；

圖3是一種基于MICP原理的生態(tài)固炭充填材料XRD衍射圖。

具體實(shí)施方式

步驟1：將固體廢棄物煤矸石放入機(jī)械粉磨機(jī)中進(jìn)行研磨，得到試驗(yàn)所用初始原材料；

步驟2：將步驟1中得到的試驗(yàn)所用初始原材料進(jìn)行篩分，得到粒徑為1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm、0.075mm的煤矸石材料；

步驟3：將步驟2中得到的煤矸石，依次按24%、36%、18%、12%、10%的比例配制標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配，混合放入拌合裝置中；

步驟4：將步驟3中配制的煤矸石與風(fēng)積砂按照設(shè)計(jì)比例稱(chēng)量后，倒入拌合裝置中，用不銹鋼鏟攪拌均勻，得到煤矸石與風(fēng)積砂的混合固態(tài)材料；

步驟5：將步驟4得到的混合固態(tài)材料裝至50mm×100mm的試樣模具中；

步驟6：在蒸餾水中加入氯化鈣和尿素，按摩爾濃度1:1的配比，配制成濃度為1mol/L的膠結(jié)液液體；

步驟7：稱(chēng)取酪蛋白15g、大豆蛋白5g、氯化鈉5g、尿素20g放入燒杯中，得到混合材料，向燒杯中加入1000ml蒸餾水，將燒杯放在100℃的加熱爐上，用玻璃棒不斷攪拌，待混合材料充分溶解后，向燒杯中滴入1mol/L的氫氧化鈉溶液，將溶液中PH調(diào)制在在7-9之間，停止加熱；

步驟8：將配制好的培養(yǎng)基分裝在錐形瓶中，利用高壓滅菌鍋在121℃條件下滅菌30min；在無(wú)菌操作臺(tái)上將細(xì)菌接種至培養(yǎng)液中，置于振蕩培養(yǎng)箱（30℃，121r/min）培養(yǎng)24～48h；

步驟9：將裝有散體材料的試件模具依次擺放，以0.5ml/min的速率使用蠕動(dòng)泵注入菌液，待20min后停止注入菌液，靜置1h；再以0.25ml/min的速率注入膠結(jié)液，待40min后停止注入膠結(jié)液，再靜置1h；

步驟10：重復(fù)步驟9，交替注入8輪后，將固化好的試樣放入電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱中，控溫55℃烘至2h后，將試樣脫模，再放入干燥箱中，控溫105℃直至完全烘干，得到生態(tài)固炭充填材料。

基于MICP原理的生態(tài)固炭充填材料及其制備方法.pdf