侯養(yǎng)全

(太原生產(chǎn)力促進(jìn)中心，山西 太原 030009)

眾所周知，煤礦瓦斯事故是山西煤礦災(zāi)害頻發(fā)的主要原因，是煤礦安全生產(chǎn)的重大隱患。目前，瓦斯災(zāi)害治理技術(shù)主要是煤層瓦斯含量和涌出量預(yù)測監(jiān)測、礦井通風(fēng)、礦井瓦斯抽放和“四位一體”的綜合防突措施。這些技術(shù)屬于物理技術(shù)和現(xiàn)代電子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并不能從根本上防止瓦斯災(zāi)害。

引起物質(zhì)變化的技術(shù)有3種，即物理技術(shù)、化學(xué)技術(shù)和生物技術(shù)?；诿旱V礦井復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境條件等，化學(xué)技術(shù)很難大規(guī)模應(yīng)用于瓦斯治理領(lǐng)域。隨著生物技術(shù)的飛速發(fā)展，如同微生物技術(shù)應(yīng)用于油田提高原油采收率一樣，將微生物技術(shù)用于煤礦瓦斯綜合治理領(lǐng)域也是可行的［1-3］。雖然國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究起步較晚，但研究者已經(jīng)認(rèn)識到它的應(yīng)用前景，并在相關(guān)的工程中心和院校展開了進(jìn)一步的研究。

1 國內(nèi)外研發(fā)現(xiàn)狀

用生物技術(shù)治理煤礦瓦斯的研究始于20世紀(jì)30年代。到20世紀(jì)70年代，俄羅斯科學(xué)院微生物專家和莫斯科采礦研究院的科學(xué)家共同開發(fā)出一種能較好地控制煤層和采空區(qū)甲烷含量的微生物技術(shù)。該技術(shù)基于有氧條件下噬甲烷菌將甲烷氧化成二氧化碳的原理，曾在頓涅茨克和庫茲涅茨克煤田礦井中進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，并取得使瓦斯?jié)舛冉档?0% ～60%的效果［4］。加拿大學(xué)者查克拉沃蒂等通過分離煤礦水樣中存在的甲烷氧化菌，開發(fā)出“消除瓦斯危險(xiǎn)的新技術(shù)”［5］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過細(xì)菌處理后的甲烷濃度大幅度降低(10倍以上)。澳大利亞研究人員在該領(lǐng)域也取得了一定的研究成果，他們把可降解甲烷的菌液噴灑到煤壁上，微生物菌液以甲烷為唯一碳源而繁殖，經(jīng)過20 d后井下甲烷含量減少了 66%［4］。

國內(nèi)利用微生物技術(shù)治理煤礦瓦斯理念是近幾年才提出的，雖然還沒有引起足夠的重視，但前期研究工作已經(jīng)展開。據(jù)悉，華東理工大學(xué)與俄羅斯科學(xué)院微生物所已開展合作研究，但目前尚未見工業(yè)化試驗(yàn)報(bào)道。北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院、中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院、西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境工程系、浙江大學(xué)等也正開始相關(guān)技術(shù)的研究。

2 降解煤礦瓦斯的微生物及其特性

煤礦瓦斯的主要成分是甲烷(CH4)。眾所周知，瓦斯爆炸的三要素是瓦斯?jié)舛?體積分?jǐn)?shù)5% ～16%)、氧氣濃度(體積分?jǐn)?shù)≥12%)和高溫?zé)嵩?650℃ ～750℃)。其中，氧氣濃度通過礦井通風(fēng)較容易控制，而火源通過提高礦工煤礦安全意識等途徑也是可以杜絕的。因此，防止瓦斯災(zāi)害的關(guān)鍵是控制瓦斯的濃度［6］。要降低瓦斯?jié)舛龋F(xiàn)有的抽放等物理技術(shù)外，符合要求和可操作的技術(shù)就是微生物技術(shù)。

自然界中廣泛存在一種微生物，即甲烷氧化菌(methanotrophs)，它是以甲烷為唯一碳源和能源的微生物，可通過其含有的甲烷單加氧酶(mathane monooxygenase簡稱MMO)和甲醇脫氫酶作用逐步將甲烷代謝為 CO2和 H2O［7］。

1906年，人類首次分離出甲烷氧化菌。到1970年，已經(jīng)分離和鑒定的有100多種可利用甲烷的細(xì)菌。運(yùn)用富集培養(yǎng)和現(xiàn)代生物學(xué)手段可從農(nóng)田、森林、草地、垃圾填埋場、湖泊、沼澤等眾多極端環(huán)境的土壤或水樣中檢測到甲烷氧化菌的存在。甲烷氧化菌的特征酶是甲烷單加氧酶(MMO)。MMO有2種存在形式，即顆粒狀的甲烷單加氧酶(p-MMO)和可溶性甲烷單加氧酶(s-MMO)。研究表明，s-MMO比p-MMO具有更廣泛的底物專一性［8］。目前，甲烷氧化菌的研究主要集中在其對降低溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)及對存在于土壤、稻田、垃圾、油田等內(nèi)部甲烷的氧化方面，涉及其代謝、營養(yǎng)、分離及降解效果。研究表明，甲烷氧化菌可有效地降解地面甲烷含量。雖然這些研究針對的是地面上低濃度的甲烷，但對降低高濃度的礦井瓦斯同樣具有指導(dǎo)作用。

3 微生物降解煤礦瓦斯技術(shù)的可行性分析

我們知道，微生物技術(shù)應(yīng)用于石油領(lǐng)域，即所謂生物采油技術(shù)，可提高原油采收率。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)是一項(xiàng)比較成熟的高新技術(shù)，其作用原理就是利用微生物及其代謝產(chǎn)物與油藏中原油發(fā)生作用而達(dá)到增采的目的。瓦斯在煤層中的附存和流動規(guī)律與石油相仿，區(qū)別在于煤層對瓦斯具有較強(qiáng)的吸附作用，瓦斯在煤層中運(yùn)移比較復(fù)雜，生物采油技術(shù)對開發(fā)微生物治理煤礦瓦斯技術(shù)具有借鑒意義。

目前，開發(fā)微生物治理煤礦瓦斯技術(shù)的關(guān)鍵有以下幾點(diǎn):

1)甲烷氧化菌的篩選與培養(yǎng)

甲烷氧化菌普遍存在于農(nóng)田，草地，垃圾填埋場，湖泊，沼澤，地下水，海洋及高溫、高酸堿、高鹽度等環(huán)境的土壤和水體中，通過現(xiàn)代生物技術(shù)手段把這類菌種從其他菌系中分離出來是可以實(shí)現(xiàn)的。分離出的甲烷氧化菌經(jīng)選擇性培養(yǎng)、富集活化、發(fā)酵培養(yǎng)得到高濃度菌的甲烷氧化菌發(fā)酵液，甲烷氧化菌發(fā)酵液可直接在煤礦進(jìn)行工業(yè)化試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)的一種Ⅱ型甲烷氧化菌，在甲烷和氧缺乏的環(huán)境下可存活6周左右，且當(dāng)甲烷和氧濃度升高后數(shù)小時(shí)即可恢復(fù)活性。還有一種甲烷氧化菌在高濃度甲烷和低氧氣氛下具有更高的活性。從理論上講，這種甲烷氧化菌菌種最適應(yīng)煤礦瓦斯環(huán)境。

2)甲烷氧化菌及其代謝產(chǎn)物對環(huán)境的影響

應(yīng)用于煤礦瓦斯治理的甲烷氧化菌僅能以一碳化合物為碳源，而不能以糖類或其他有機(jī)物為碳源而生長繁殖，具有高度的CH4專一性。在自然環(huán)境中，甲烷氧化菌本身對人體無害［4］，不會影響礦工的身體健康。目前，這方面的報(bào)道不多，應(yīng)加快研究步伐，以便為甲烷氧化菌在煤礦的大規(guī)模應(yīng)用提供理論保障。

3)微生物菌液投放部位及方法

結(jié)合煤礦生產(chǎn)實(shí)際，可通過以下幾種形式實(shí)施菌液的投放:

a)采用超前鉆孔方式將甲烷氧化菌液注入待挖掘的煤巖體中，超前進(jìn)行微生物氧化降解反應(yīng)，使得待掘煤層的瓦斯含量大幅度降低，煤礦瓦斯治理關(guān)口前移［9］。這種方法不會影響正常采煤，具有技術(shù)優(yōu)越性和可實(shí)施性。

b)通過掘進(jìn)工作面打眼孔將甲烷氧化菌液直接注入工作面的煤層中，進(jìn)行瓦斯降解，減少挖掘時(shí)瓦斯的涌出量。這種方法由于生化反應(yīng)時(shí)間短，所降解的瓦斯量會有所降低。

c)通過礦井導(dǎo)風(fēng)筒或直接對采煤工作面(尤其是高瓦斯工作面)進(jìn)行甲烷氧化菌液的噴灑［5］，消耗瓦斯氣體，降低瓦斯?jié)舛取?/p>

d)在礦井的巷道空間、硐室、采空區(qū)和封閉區(qū)中噴灑甲烷氧化菌液，以降解這些空間的瓦斯。

e)在礦后煤堆上噴灑甲烷氧化菌液，降解煤中殘存的瓦斯氣體，減少環(huán)境污染。

4 山西應(yīng)加大煤礦瓦斯綜合治理的基礎(chǔ)研究和科技攻關(guān)

近年來，山西煤礦瓦斯事故頻發(fā)，造成嚴(yán)重的社會影響和財(cái)產(chǎn)損失。主要原因除安全意識差外，還有技術(shù)層面的因素。目前，對瓦斯災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展及演化過程的認(rèn)識還停留在假說階段，仍未從經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槠毡橐?guī)律［3，4］，并達(dá)到指導(dǎo)安全生產(chǎn)的要求。因此，在今后的煤炭生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)中，除礦井通風(fēng)技術(shù)、瓦斯抽采技術(shù)外，還應(yīng)著重加強(qiáng)以下幾方面的研究:

1)基礎(chǔ)研究

組織科技工作者對煤礦瓦斯的附存、運(yùn)移及涌出規(guī)律，對地應(yīng)力，瓦斯壓力，瓦斯?jié)B流規(guī)律，瓦斯爆炸機(jī)理和爆炸特性等基礎(chǔ)規(guī)律進(jìn)行研究。除加強(qiáng)瓦斯災(zāi)害防治措施研究外，還應(yīng)對瓦斯爆炸等災(zāi)害的發(fā)生和發(fā)展機(jī)理展開全面研究。

2)瓦斯預(yù)測探測技術(shù)研究

預(yù)防煤礦瓦斯災(zāi)害技術(shù)的研究要從局部性的單項(xiàng)技術(shù)向區(qū)域性的、以建設(shè)本質(zhì)安全礦井為目的的綜合技術(shù)發(fā)展，包括瓦斯災(zāi)害易發(fā)區(qū)域的預(yù)測技術(shù)、瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測預(yù)警技術(shù)等。

3)微生物治理瓦斯技術(shù)的研究

內(nèi)容涉及甲烷氧化菌降解煤礦瓦斯的機(jī)理研究，甲烷氧化菌菌源篩選、培養(yǎng)和放大工藝研究，甲烷氧化菌降解煤礦瓦斯實(shí)施工藝研究，甲烷氧化菌及其代謝產(chǎn)物對環(huán)境的影響研究等。

4)煤礦瓦斯綜合治理技術(shù)研究

包括煤礦現(xiàn)有的通風(fēng)技術(shù)、抽采技術(shù)、預(yù)測監(jiān)測技術(shù)及微生物技術(shù)的匹配，高濃度瓦斯的抽采利用，低濃度瓦斯的變換技術(shù)，礦井工作人員的勞動保護(hù)技術(shù)等。

［1］侯晨濤，王生全，聶文杰，等.微生物技術(shù)治理煤礦瓦斯的初步研究［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2008，35(2):11-13.

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［3］王 璐，金龍哲，陳東科.利用微生物技術(shù)治理煤礦瓦斯的研究展望［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，15(10):97-99.

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［6］蔣先統(tǒng).礦井瓦斯綜合治理及其利用研究［J］.礦業(yè)快報(bào)，2007(9):33-35.

［7］羅明芳，吳 昊，邢新會.一種促進(jìn)甲烷氧化菌生長的方法:CN，1587382A［P］:2004-10-07.

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