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微生物技术治理煤层瓦斯理论及应用研究

作　者: 毛飞
导　师: 唐建新
学　校: 重庆大学
专　业: 采矿工程
关键词: 微生物技术甲烷氧化菌甲烷降解瓦斯治理
分类号: TD712
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

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；Fe²⁺浓度为0.4mg/L，Cu²⁺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K₁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。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
1 绪论  11-21
  1.1 问题的提出  11-12
  1.2 生物方法处理甲烷的难点  12-15
  1.3 国内外研究现状  15-19
    1.3.1 国内研究现状  17-18
    1.3.2 国外研究现状  18-19
  1.4 主要研究内容及技术线路  19-21
    1.4.1 主要研究内容  19
    1.4.2 技术路线  19-21
2 甲烷氧化菌的特征及其氧化机理  21-37
  2.1 自然界中的甲烷及其基本特征  21-25
    2.1.1 常规甲烷的生成及其影响因素  21-23
    2.1.2 古甲烷的生成及其赋存特征  23-25
  2.2 甲烷产生的生理学及生物化学  25-28
    2.2.1 产甲烷菌的分类及其分布  25
    2.2.2 产甲烷菌的特性及其生长  25-26
    2.2.3 甲烷形成的生物化学  26-28
  2.3 生物法消除甲烷的可行性  28-31
    2.3.1 自然界的碳循环  28-30
    2.3.2 甲烷碳循环的反思  30-31
  2.4 甲烷氧化的机理  31-35
    2.4.1 甲烷氧化菌的多样性及其作用机理  31-33
    2.4.2 甲烷氧化菌的特征酶及其调控机理  33-35
  2.5 本章小结  35-37
3 甲烷氧化菌的筛选、纯化、鉴定及基因解析  37-59
  3.1 甲烷氧化菌的筛选  37-40
    3.1.1 实验设备和材料  37-39
    3.1.2 甲烷氧化菌的筛选  39-40
  3.2 甲烷氧化菌的纯化及保存  40-43
    3.2.1 甲烷氧化菌的分离纯化  40-41
    3.2.2 菌种保存  41-43
  3.3 菌种的鉴定及基因解析  43-54
    3.3.1 革兰氏染色观察  43-48
    3.3.2 16S rDNA 的 PCR 扩增及其序列分析  48-54
  3.4 甲烷氧化菌功能基因的解析  54-56
    3.4.1 设计特有基因引物  54-55
    3.4.2 MMO 基因结果  55
    3.4.3 功能基因分析  55-56
  3.5 本章小结  56-59
4 甲烷氧化菌 M02-019 降解甲烷验证及大规模培养研究  59-69
  4.1 M02-019 菌株降解甲烷的验证  59-62
    4.1.1 阴性对照实验  59-60
    4.1.2 物质守恒实验  60-61
    4.1.3 小型放大实验  61-62
  4.2 M02-019 菌株生长条件研究  62-68
    4.2.1 菌种生长曲线测定  62-63
    4.2.2 碳源利用实验  63-64
    4.2.3 氮源利用实验  64-65
    4.2.4 菌株生长最适温度及 pH 值  65-66
    4.2.5 金属离子对菌株生长的影响  66-68
  4.3 M02-019 大规模培养条件  68
  4.4 本章小结  68-69
5 煤层瓦斯赋存特征及注液可行性分析  69-107
  5.1 研究地点概况及煤与瓦斯基本参数测定  69-80
    5.1.1 研究地点概况  69-70
    5.1.2 煤层瓦斯含量测定方法  70-72
    5.1.3 瓦斯等温吸附实验  72-74
    5.1.4 渗透率测定实验  74-78
    5.1.5 煤的孔和裂隙测试实验  78-79
    5.1.6 煤与瓦斯各基本参数测定结果  79-80
  5.2 煤层突出特征分析  80-96
    5.2.1 煤与瓦斯突出的理论认识  80-81
    5.2.2 煤层突出的现场宏观特征  81-82
    5.2.3 煤质及孔、裂隙的微观特征参数  82-87
    5.2.4 煤层突出的微观特征  87-88
    5.2.5 重庆地区煤层孔和裂隙与低渗透的关系分析  88-95
    5.2.6 煤层瓦斯排放能力及改造途径  95-96
  5.3 煤层注液技术分析  96-104
    5.3.1 煤层注液工艺  96-97
    5.3.2 煤层注液压力与时间  97-101
    5.3.3 煤层润湿性试验  101-104
  5.4 本章小结  104-107
6 工程实验及效果分析  107-135
  6.1 地面可行性试验  107-112
    6.1.1 试验设备及材料  107
    6.1.2 试验方法及步骤  107-111
    6.1.3 试验结果分析  111-112
  6.2 井下现场实验  112-130
    6.2.1 实验地点地质及煤层概况  112-115
    6.2.2 煤与瓦斯突出的参数分析  115-118
    6.2.3 瓦斯涌出量特征及变化规律  118-120
    6.2.4 井下现场实验方案设计  120-127
    6.2.5 现场检测方法及步骤  127-130
  6.3 井下实验观测与测试结果分析  130-133
    6.3.1 瓦斯动力现象  130
    6.3.2 回风瓦斯浓度  130-131
    6.3.3 吨煤瓦斯含量  131-132
    6.3.4 煤层瓦斯压力  132
    6.3.5 钻屑瓦斯解析指标 K1 值  132-133
    6.3.6 井下实验效果分析  133
  6.4 本章小结  133-135
7 结论与建议  135-139
  7.1 主要结论  135-137
  7.2 创新点  137
  7.3 建议与展望  137-139
致谢  139-141
参考文献  141-149
附录  149

微生物技术治理煤层瓦斯理论及应用研究

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