甲烷氧化菌混合菌群对煤样瓦斯吸附特性影响试验研究

杨小彬 韩心星 王洪凯 廖 山

(1.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083；2.铁法能源公司小青矿，辽宁省调兵山市，112700)



★ 煤矿安全 ★

甲烷氧化菌混合菌群对煤样瓦斯吸附特性影响试验研究

杨小彬1韩心星1王洪凯2廖 山1

(1.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083；2.铁法能源公司小青矿，辽宁省调兵山市，112700)

随煤矿采掘深度增加，瓦斯治理越来越困难，利用合理的微生物来进行矿井瓦斯治理是一种新的尝试和思路。本文选取自主培养的甲烷氧化菌混合菌群液浸泡后的煤样、浸水煤样及原煤开展煤样瓦斯吸附解吸试验，试验研究结果发现，经过甲烷氧化菌混合菌群液浸泡后的煤样的瓦斯吸附量大于原煤的瓦斯吸附量，大于浸水煤样的瓦斯吸附量，分析试验数据得到代表煤样极限吸附量的瓦斯吸附常数a值也存在相同的规律。

瓦斯治理 甲烷氧化菌群 吸附解吸 瓦斯吸附常数

瓦斯一直是困扰我国煤矿安全高效生产的重要问题之一，随着煤矿开采深度的不断增加，瓦斯治理所面临的困难也将越来越严重。利用微生物治理矿井瓦斯是治理瓦斯的一种思路和方法，国外对于微生物治理矿井瓦斯的研究比较早，并且在利用甲烷氧化菌氧化甲烷方面的应用已经有了不错的进展。国内研究人员对于利用微生物治理矿井瓦斯的研究主要集中在近十年内，对于甲烷氧化菌工程应用的研究领域主要集中在石油化工、环保、甲烷处理、甲烷转化甲醇等方面，对于微生物治理矿井瓦斯的研究相对较少。毛飞利用从土壤中筛选培养出的甲烷氧化菌进行煤矿现场试验，试验结果显示甲烷氧化菌能够大大降解煤层中的瓦斯含量；魏聪从采集自卫河、牧野湖附近的土壤中成功筛选培养出甲烷氧化菌，并通过试验发现在高压缺氧的煤层中该菌能够氧化煤层中的瓦斯；任学清通过从土壤筛选培养出甲烷氧化菌并将其用于煤矿风流试验，结果显示培养出来的甲烷氧化菌能够降低煤矿回风系统中的瓦斯浓度。

通过文献调研得知，甲烷氧化菌的筛选、分离纯化、鉴定、基因解析等过程需要大量的人力物力，对于工程应用而言存在一定的难度。基于此，本文通过常规方法培育甲烷氧化菌群，并利用甲烷氧化菌群液对煤样进行浸泡后进行瓦斯吸附试验，比较甲烷氧化菌液浸泡后的煤样与原煤样的吸附特性，得到其吸附常数，为工程实际应用进行探讨性研究。

1 试样制备

通过采集稻田、污水处理厂土壤、沼气池土壤、煤矿土壤进行甲烷氧化菌混合菌群的培养，得到了D1、D2、D3、C1、Z1、Y1等6份甲烷菌群，各菌群的甲烷氧化效率分别达到52.1803%、61.7430%、56.2272%、64.7945%、45.8633%、48.0660%。

煤样采集自阳煤五矿8421综放工作面，将采集来的煤样处理成60～80目备用。在每个装有35 mL新鲜培养基的培养瓶中加入10 g煤样，再加入20 mL培养好的菌液，抽出瓶中50 mL空气并注入50 mL甲烷，密封培养瓶，并做好标记。为了进行对比试验，另取加入55 mL无菌水、10 g煤样的培养瓶做好标记。将培养瓶置于30℃、120 r/min的恒温培养箱中培养48 h，然后将所有培养瓶取出，自然风干1个月后，进行煤样瓦斯吸附解吸试验研究。

2 煤样瓦斯吸附试验分析

对制备的煤样进行瓦斯吸附解吸试验，本文选取了D3、C1、原煤和浸泡水后的煤样进行试验分析。

利用北京金埃谱科技有限公司生产的H-sorb2600型高温高压吸附仪进行上述4个煤样在不同压力下的瓦斯吸附、解吸试验，35℃恒温条件下瓦斯吸附、解吸试验各煤样的吸附解吸平衡点数据分别如表1、表2所示。

表1 各煤样瓦斯吸附平衡点数据

表2 各煤样瓦斯解吸平衡点数据

根据表1与表2中的数据绘制各煤样吸附解吸曲线，如图1所示。

图1 各煤样吸附解吸曲线

由表1、表2和图1可以得出：

(1)随着压力升高，各煤样的瓦斯吸附量都在增加。

(2)4种煤样吸附量大小依次为：D3煤样>C1煤样>原煤样>浸水煤样。D3和C1菌液处理的煤样瓦斯吸附量相较于原煤样增加，而浸水煤样的吸附量相较于原煤样减小，这表明，经过菌液处理过的煤样其甲烷氧化菌混合菌在其中起着重要作用，但是甲烷氧化菌对于煤样的具体作用还需要进一步研究。

(3)较低压力条件下，累积吸附量变化较大，当达到较高压力时，累积吸附量增加量变小。

(4)每个煤样的解吸曲线都在吸附曲线上面。这是由于煤在解吸过程中，会有一部分瓦斯吸附在煤中，并不能被完全的解吸出来，所以呈现出解吸曲线在吸附曲线上面的现象。

通过上述35℃条件下各煤样的瓦斯吸附平衡点数据来计算各煤样的a、b值。将Langmuir单分子层吸附等温式通过变换得到式(1)：

(1)

式中：a——煤层瓦斯极限吸附量，cm3/g；

b——与吸附速率有关的参数，MPa-1；

P——气体压力，MPa；

Q——吸附量，cm3/g。

取1/P=X，1/Q=Y，将其变换成一阶线性方程：

(2)

根据表2中各煤样瓦斯解吸平衡点数据，经过变换，将X、Y生成散点图，并且添加趋势线，如图2所示。通过趋势线所导出的方程来确定a、b值的大小。

图2 4种煤样1/P与1/Q曲线

最终得出各煤样的a、b值及拟合度R2如表3所示。

根据表3，可以得到以下结论：

(1)D3煤样与C1煤样的a值都比原煤样a值大，而水处理煤样的a值比原煤样a值小。

(2)浸水煤样b值与原煤样b值相差不大，D3煤样b值小于原煤样b值，而C1煤样b值大于原煤样b值。

表3 4种煤样a、b值和R2数据

3 结论

(1)随瓦斯压力增大，不同处理条件下的煤样的吸附量逐渐增大，但增加幅度逐渐减小。

(2)经过甲烷氧化菌群液浸泡后的煤样瓦斯吸附量大于原煤样的瓦斯吸附量，水浸泡后的煤样瓦斯吸附量最小。

(3)经过甲烷氧化菌群液浸泡后的煤样其瓦斯吸附常数a值最大，原煤的a值次之，水处理煤样的a值最小，而吸附常数b值却没有明显的规律。

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[10] 任学清. 甲烷氧化菌降解煤矿风流瓦斯试验研究[D]. 河南理工大学, 2014

(责任编辑 张艳华)

Experimental study on the effect of methane-oxidizing mixed microbial consortium on the gas adsorption properties of coal samples

Yang Xiaobin1, Han Xinxing1, Wang Hongkai2, Liao Shan1

(1. College of Resources and Safety Engineering， China University of Mining and Technology, Beijing， Haidian, Beijing 100083， China；2. Xiaoqing Mine, Tiefa Energy Company， Diaobingshan, Liaoning 112700, China)

With the increase of coal mining depth, gas control is becoming more and more difficult, and it is a new idea and method to use reasonable microorganism to deal with mine gas. The gas adsorption and desorption experiments were carried out by using the coal samples soaked by self-cultured methane-oxidizing mixed microbial consortium and water and raw coal. The research results showed that the gas adsorption capacity of coal samples soaked by methane-oxidizing mixed microbial consortium was greater than that of raw coal and the gas absorption capacity of coal sample soaked by water was the smallest. The gas adsorption constanta, which represents the ultimate adsorption capacity of coal samples, also had the same laws.

gas control, methane-oxidizing mixed microbial consortium, adsorption and desorption, gas adsorption constant

国家自然科学基金项目(51274207,50904071)

杨小彬，韩心星，王洪凯等.甲烷氧化菌混合菌群对煤样瓦斯吸附特性影响试验研究[J].中国煤炭，2017,43(7)：123-125，172. Yang Xiaobin, Han Xinxing, Wang Hongkai,et.al. Experimental study on the effect of methane-oxidizing mixed microbial consortium on the gas adsorption properties of coal samples [J]. China Coal, 2017，43(7):123-125，172.

TD712

A

杨小彬(1976-)，男，重庆合川，博士，副教授，主要从事煤矿动力灾害防治、数值仿真等方面的研究工作。