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(guó)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(shí)間內(nèi)瓦斯排放呈現(xiàn)更加不充分等問題，加之抽放時(shí)間長(zhǎng)、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(duì)其煤體孔和裂隙的測(cè)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(chǔ)集而不利于其流動(dòng)。傳統(tǒng)對(duì)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(duì)于上述情況其效果并不理想。同時(shí)，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?guó)內(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(duì)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(zhēng)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(duì)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(zhǎng)條件，并對(duì)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(chǎng)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(gè)主要特征酶的特點(diǎn)及作用。
　?。?）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(duì)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(gè)實(shí)驗(yàn)均顯示了該菌具有降解甲烷的活性。
　?。?）對(duì)M02-019菌株大規(guī)模培養(yǎng)的生長(zhǎng)條件進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該菌株的生長(zhǎng)周期為12天，從接種的第三天開始進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期；甲烷和甲醇同時(shí)作為碳

6、源時(shí)菌株生長(zhǎng)最好，且不易染菌；菌株在硝基氮和少量的氨基氮同時(shí)存在時(shí)長(zhǎng)勢(shì)較好；最適生長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(cè)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?，既能有效卸除?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(shí)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(huì)造成孔道堵塞，故采用微生物技術(shù)注液時(shí)不宜選擇太大的注液壓力，而宜采用中低壓長(zhǎng)時(shí)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(duì)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(cè)與分析，甲烷氧化菌能夠不同程度地降低兩個(gè)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象、回風(fēng)瓦斯?jié)舛取嵜和咚购?、煤層瓦斯壓力和鉆屑瓦斯解析指標(biāo)K1值。兩個(gè)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