微生物技术治理煤层瓦斯理论及应用研究

发布时间：2019-03-31 09:08

【摘要】：随着这些年我国采掘速度加快，采深加大，导致地应力不断增加，煤层透气性系数不断降低，瓦斯抽采、排放越来越困难，以至于更容易出现抽采“空白带”，在单位时间内瓦斯排放呈现更加不充分等问题，加之抽放时间长、效率低，浪费大量人力物力而效果并不明显，严重制约着煤矿的安全生产。尤其是重庆地区，近年来瓦斯含量和压力不断增加，突出事故的规模不断加大，原来以瓦斯为主的突出逐渐转变为煤与瓦斯共同、大规模突出，矿井现有以预抽为主要手段的措施到目前已出现抽放难。研究表明瓦斯突出呈现这些特征的根本原因是渗透率极低。通过对其煤体孔和裂隙的测试分析得知，重庆地区煤层小孔多，大孔少；总孔体积大，有效连通孔体积小，这有利于瓦斯储集而不利于其流动。传统对瓦斯主要采取避、驱、排等策略的瓦斯治理方法，希望通过瓦斯抽排实现安全采煤的目标，但对于上述情况其效果并不理想。同时，矿井低浓度瓦斯提纯技术成本也相当高昂，所需要耗费的能量及成本可能是提纯之后瓦斯所产生效益所无法补偿的，目前国内外大部分地区都将低浓度煤矿瓦斯直接排放进入大气中，对生态环境造成恶劣影响。在此背景下，本文从微生物的角度出发，，跳出传统的瓦斯治理思路，研究微生物方法处理甲烷的作用机理及工程应用，利用甲烷氧化菌处理甲烷，解决煤矿瓦斯抽采难问题，消除煤矿预抽后的低浓度或残余瓦斯，力争避免矿井瓦斯爆炸、窒息等事故的发生，减少甲烷气体的直接排放，降低甲烷对臭氧层的破坏。本文研究了甲烷氧化菌的筛选、分离纯化、鉴定、基因解析及大规模培养的最适合生长条件，并对其氧化甲烷的性能进行了验证，最后用该菌进行了地面可行性实验及井下现场试验，结果表明微生物能够降解煤层瓦斯。主要结论如下：（1）分析了甲烷氧化菌的多样性及其氧化甲烷的机理，并分别阐述了其氧化过程中四个主要特征酶的特点及作用。（2）通过采集五种土样并在NMS培养基中培养观察，发现水稻田的淹水环境中甲烷氧化菌降解甲烷效率最高，氧化效果最好。经分离纯化后得到菌落M02-019。（3）通过革兰氏染色观察、16S rDNA的PCR扩增及其序列分析等实验，确定菌株M02-019与Methylophilus位于同一分支，相似度较高，故M02-019属于Methylophilus属，即嗜甲基菌属。（4）设计了阴性对照实验、物质守恒实验及小型放大实验，三个实验均显示了该菌具有降解甲烷的活性。（5）对M02-019菌株大规模培养的生长条件进行了研究，实验结果表明：该菌株的生长周期为12天，从接种的第三天开始进入对数生长期；甲烷和甲醇同时作为碳源时菌株生长最好，且不易染菌；菌株在硝基氮和少量的氨基氮同时存在时长势较好；最适生长温度为30℃，最适pH值为6.5；Fe~(2+)浓度为0.4mg/L，Cu~(2+)浓度为0.03mg/L。（6）对重庆地区煤层的特征进行具体分析，包括煤层突出的宏、微观特征及煤质与孔隙特征。在对其煤化学成分、煤体孔径结构、孔隙形状、煤体渗透性做数据测试后，分析认为煤体存在压敏效应和水敏效应，通过分析煤层孔和裂隙的“双敏效应”与低渗透的关系，提出微生物技术，即在水力扩孔的基础上，将注水改为注入甲烷氧化菌溶液，不断氧化甲烷、降低瓦斯浓度，既能有效卸除应力，又能缓解了水敏效应带来的孔道阻塞问题。为了解煤层注入微生物溶液的可行性，实施了煤层注液研究，结果表明注液量理论上随注液压力及时间的递增而增加，但考虑到煤层底板被压穿后底板泥岩遇水后泥浆化反而会造成孔道堵塞，故采用微生物技术注液时不宜选择太大的注液压力，而宜采用中低压长时间注液，以保证溶液较大程度的渗入煤体。（7）在井下工程试验前先用HCA-1型高压容量法瓦斯吸附成套装置等在地面做了注水和注微生物培养液对比可行性试验，证明了微生物培养液处理矿井瓦斯具有其可行性，可进一步在井下进行微生物处理瓦斯实验。通过井下实验观测与分析，甲烷氧化菌能够不同程度地降低两个实验地点的瓦斯动力现象、回风瓦斯浓度、吨煤瓦斯含量、煤层瓦斯压力和钻屑瓦斯解析指标K1值。两个实验地点喷孔距离明显减小，回风瓦斯浓度分别降低了22.54%和77.23%，吨煤瓦斯含量分别降低了39.67%和13.45%，平均瓦斯压力降幅约76%和18%，钻屑瓦斯解析指标K_1值平均降幅分别为62.8%和26.88%。（8）无论是地面可行性试验还是井下现场实验，其效果均较为明显，表明微生物方法处理煤层瓦斯是可行的，表明该方法具有应用于工业的潜在价值。
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【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TD712

【参考文献】