微生物技術(shù)治理煤層瓦斯理論及應(yīng)用研究.pdf

1、隨著這些年我國采掘速度加快，采深加大，導(dǎo)致地應(yīng)力不斷增加，煤層透氣性系數(shù)不斷降低，瓦斯抽采、排放越來越困難，以至于更容易出現(xiàn)抽采“空白帶”，在單位時間內(nèi)瓦斯排放呈現(xiàn)更加不充分等問題，加之抽放時間長、效率低，浪費(fèi)大量人力物力而效果并不明顯，嚴(yán)重制約著煤礦的安全生產(chǎn)。尤其是重慶地區(qū)，近年來瓦斯含量和壓力不斷增加，突出事故的規(guī)模不斷加大，原來以瓦斯為主的突出逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槊号c瓦斯共同、大規(guī)模突出，礦井現(xiàn)有以預(yù)抽為主要手段的措施到目前已出現(xiàn)抽放難。

2、研究表明瓦斯突出呈現(xiàn)這些特征的根本原因是滲透率極低。通過對其煤體孔和裂隙的測試分析得知，重慶地區(qū)煤層小孔多，大孔少；總孔體積大，有效連通孔體積小，這有利于瓦斯儲集而不利于其流動。傳統(tǒng)對瓦斯主要采取避、驅(qū)、排等策略的瓦斯治理方法，希望通過瓦斯抽排實(shí)現(xiàn)安全采煤的目標(biāo)，但對于上述情況其效果并不理想。同時，礦井低濃度瓦斯提純技術(shù)成本也相當(dāng)高昂，所需要耗費(fèi)的能量及成本可能是提純之后瓦斯所產(chǎn)生效益所無法補(bǔ)償?shù)?，目前國?nèi)外大部分地區(qū)都將低濃度煤礦瓦斯

3、直接排放進(jìn)入大氣中，對生態(tài)環(huán)境造成惡劣影響。
　　在此背景下，本文從微生物的角度出發(fā)，跳出傳統(tǒng)的瓦斯治理思路，研究微生物方法處理甲烷的作用機(jī)理及工程應(yīng)用，利用甲烷氧化菌處理甲烷，解決煤礦瓦斯抽采難問題，消除煤礦預(yù)抽后的低濃度或殘余瓦斯，力爭避免礦井瓦斯爆炸、窒息等事故的發(fā)生，減少甲烷氣體的直接排放，降低甲烷對臭氧層的破壞。
　　本文研究了甲烷氧化菌的篩選、分離純化、鑒定、基因解析及大規(guī)模培養(yǎng)的最適合生長條件，并對其氧化甲烷的

4、性能進(jìn)行了驗(yàn)證，最后用該菌進(jìn)行了地面可行性實(shí)驗(yàn)及井下現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)果表明微生物能夠降解煤層瓦斯。主要結(jié)論如下：
　?。?）分析了甲烷氧化菌的多樣性及其氧化甲烷的機(jī)理，并分別闡述了其氧化過程中四個主要特征酶的特點(diǎn)及作用。
　　（2）通過采集五種土樣并在NMS培養(yǎng)基中培養(yǎng)觀察，發(fā)現(xiàn)水稻田的淹水環(huán)境中甲烷氧化菌降解甲烷效率最高，氧化效果最好。經(jīng)分離純化后得到菌落M02-019。
　?。?）通過革蘭氏染色觀察、16S rDNA的

5、PCR擴(kuò)增及其序列分析等實(shí)驗(yàn)，確定菌株M02-019與Methylophilus位于同一分支，相似度較高，故M02-019屬于Methylophilus屬，即嗜甲基菌屬。
　?。?）設(shè)計(jì)了陰性對照實(shí)驗(yàn)、物質(zhì)守恒實(shí)驗(yàn)及小型放大實(shí)驗(yàn)，三個實(shí)驗(yàn)均顯示了該菌具有降解甲烷的活性。
　?。?）對M02-019菌株大規(guī)模培養(yǎng)的生長條件進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該菌株的生長周期為12天，從接種的第三天開始進(jìn)入對數(shù)生長期；甲烷和甲醇同時作為碳

6、源時菌株生長最好，且不易染菌；菌株在硝基氮和少量的氨基氮同時存在時長勢較好；最適生長溫度為30℃，最適pH值為6.5；Fe2+濃度為0.4mg/L，Cu2+濃度為0.03mg/L。
　?。?）對重慶地區(qū)煤層的特征進(jìn)行具體分析，包括煤層突出的宏、微觀特征及煤質(zhì)與孔隙特征。在對其煤化學(xué)成分、煤體孔徑結(jié)構(gòu)、孔隙形狀、煤體滲透性做數(shù)據(jù)測試后，分析認(rèn)為煤體存在壓敏效應(yīng)和水敏效應(yīng)，通過分析煤層孔和裂隙的“雙敏效應(yīng)”與低滲透的關(guān)系，提出微生物技

7、術(shù)，即在水力擴(kuò)孔的基礎(chǔ)上，將注水改為注入甲烷氧化菌溶液，不斷氧化甲烷、降低瓦斯?jié)舛龋饶苡行冻龖?yīng)力，又能緩解了水敏效應(yīng)帶來的孔道阻塞問題。為了解煤層注入微生物溶液的可行性，實(shí)施了煤層注液研究，結(jié)果表明注液量理論上隨注液壓力及時間的遞增而增加，但考慮到煤層底板被壓穿后底板泥巖遇水后泥漿化反而會造成孔道堵塞，故采用微生物技術(shù)注液時不宜選擇太大的注液壓力，而宜采用中低壓長時間注液，以保證溶液較大程度的滲入煤體。
　?。?）在井下工程試

8、驗(yàn)前先用HCA-1型高壓容量法瓦斯吸附成套裝置等在地面做了注水和注微生物培養(yǎng)液對比可行性試驗(yàn)，證明了微生物培養(yǎng)液處理礦井瓦斯具有其可行性，可進(jìn)一步在井下進(jìn)行微生物處理瓦斯實(shí)驗(yàn)。通過井下實(shí)驗(yàn)觀測與分析，甲烷氧化菌能夠不同程度地降低兩個實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的瓦斯動力現(xiàn)象、回風(fēng)瓦斯?jié)舛?、噸煤瓦斯含量、煤層瓦斯壓力和鉆屑瓦斯解析指標(biāo)K1值。兩個實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)噴孔距離明顯減小，回風(fēng)瓦斯?jié)舛确謩e降低了22.54％和77.23%，噸煤瓦斯含量分別降低了39.67%和1