微生物技术在煤矿瓦斯综合治理领域的应用

侯养全

(太原生产力促进中心，山西 太原 030009)

众所周知，煤矿瓦斯事故是山西煤矿灾害频发的主要原因，是煤矿安全生产的重大隐患。目前，瓦斯灾害治理技术主要是煤层瓦斯含量和涌出量预测监测、矿井通风、矿井瓦斯抽放和“四位一体”的综合防突措施。这些技术属于物理技术和现代电子网络技术，并不能从根本上防止瓦斯灾害。

引起物质变化的技术有3种，即物理技术、化学技术和生物技术。基于煤矿矿井复杂的地质环境条件等，化学技术很难大规模应用于瓦斯治理领域。随着生物技术的飞速发展，如同微生物技术应用于油田提高原油采收率一样，将微生物技术用于煤矿瓦斯综合治理领域也是可行的［1-3］。虽然国内在该领域的研究起步较晚，但研究者已经认识到它的应用前景，并在相关的工程中心和院校展开了进一步的研究。

1 国内外研发现状

用生物技术治理煤矿瓦斯的研究始于20世纪30年代。到20世纪70年代，俄罗斯科学院微生物专家和莫斯科采矿研究院的科学家共同开发出一种能较好地控制煤层和采空区甲烷含量的微生物技术。该技术基于有氧条件下噬甲烷菌将甲烷氧化成二氧化碳的原理，曾在顿涅茨克和库兹涅茨克煤田矿井中进行工业性试验，并取得使瓦斯浓度降低30% ～60%的效果［4］。加拿大学者查克拉沃蒂等通过分离煤矿水样中存在的甲烷氧化菌，开发出“消除瓦斯危险的新技术”［5］。实验结果表明，通过细菌处理后的甲烷浓度大幅度降低(10倍以上)。澳大利亚研究人员在该领域也取得了一定的研究成果，他们把可降解甲烷的菌液喷洒到煤壁上，微生物菌液以甲烷为唯一碳源而繁殖，经过20 d后井下甲烷含量减少了 66%［4］。

国内利用微生物技术治理煤矿瓦斯理念是近几年才提出的，虽然还没有引起足够的重视，但前期研究工作已经展开。据悉，华东理工大学与俄罗斯科学院微生物所已开展合作研究，但目前尚未见工业化试验报道。北京科技大学土木与环境工程学院、中国矿业大学化工学院、西安科技大学地质与环境工程系、浙江大学等也正开始相关技术的研究。

2 降解煤矿瓦斯的微生物及其特性

煤矿瓦斯的主要成分是甲烷(CH4)。众所周知，瓦斯爆炸的三要素是瓦斯浓度(体积分数5% ～16%)、氧气浓度(体积分数≥12%)和高温热源(650℃ ～750℃)。其中，氧气浓度通过矿井通风较容易控制，而火源通过提高矿工煤矿安全意识等途径也是可以杜绝的。因此，防止瓦斯灾害的关键是控制瓦斯的浓度［6］。要降低瓦斯浓度，除现有的抽放等物理技术外，符合要求和可操作的技术就是微生物技术。

自然界中广泛存在一种微生物，即甲烷氧化菌(methanotrophs)，它是以甲烷为唯一碳源和能源的微生物，可通过其含有的甲烷单加氧酶(mathane monooxygenase简称MMO)和甲醇脱氢酶作用逐步将甲烷代谢为 CO2和 H2O［7］。

1906年，人类首次分离出甲烷氧化菌。到1970年，已经分离和鉴定的有100多种可利用甲烷的细菌。运用富集培养和现代生物学手段可从农田、森林、草地、垃圾填埋场、湖泊、沼泽等众多极端环境的土壤或水样中检测到甲烷氧化菌的存在。甲烷氧化菌的特征酶是甲烷单加氧酶(MMO)。MMO有2种存在形式，即颗粒状的甲烷单加氧酶(p-MMO)和可溶性甲烷单加氧酶(s-MMO)。研究表明，s-MMO比p-MMO具有更广泛的底物专一性［8］。目前，甲烷氧化菌的研究主要集中在其对降低温室效应的贡献及对存在于土壤、稻田、垃圾、油田等内部甲烷的氧化方面，涉及其代谢、营养、分离及降解效果。研究表明，甲烷氧化菌可有效地降解地面甲烷含量。虽然这些研究针对的是地面上低浓度的甲烷，但对降低高浓度的矿井瓦斯同样具有指导作用。

3 微生物降解煤矿瓦斯技术的可行性分析

我们知道，微生物技术应用于石油领域，即所谓生物采油技术，可提高原油采收率。这项技术已经是一项比较成熟的高新技术，其作用原理就是利用微生物及其代谢产物与油藏中原油发生作用而达到增采的目的。瓦斯在煤层中的附存和流动规律与石油相仿，区别在于煤层对瓦斯具有较强的吸附作用，瓦斯在煤层中运移比较复杂，生物采油技术对开发微生物治理煤矿瓦斯技术具有借鉴意义。

目前，开发微生物治理煤矿瓦斯技术的关键有以下几点:

1)甲烷氧化菌的筛选与培养

甲烷氧化菌普遍存在于农田，草地，垃圾填埋场，湖泊，沼泽，地下水，海洋及高温、高酸碱、高盐度等环境的土壤和水体中，通过现代生物技术手段把这类菌种从其他菌系中分离出来是可以实现的。分离出的甲烷氧化菌经选择性培养、富集活化、发酵培养得到高浓度菌的甲烷氧化菌发酵液，甲烷氧化菌发酵液可直接在煤矿进行工业化试验。研究发现的一种Ⅱ型甲烷氧化菌，在甲烷和氧缺乏的环境下可存活6周左右，且当甲烷和氧浓度升高后数小时即可恢复活性。还有一种甲烷氧化菌在高浓度甲烷和低氧气氛下具有更高的活性。从理论上讲，这种甲烷氧化菌菌种最适应煤矿瓦斯环境。

2)甲烷氧化菌及其代谢产物对环境的影响

应用于煤矿瓦斯治理的甲烷氧化菌仅能以一碳化合物为碳源，而不能以糖类或其他有机物为碳源而生长繁殖，具有高度的CH4专一性。在自然环境中，甲烷氧化菌本身对人体无害［4］，不会影响矿工的身体健康。目前，这方面的报道不多，应加快研究步伐，以便为甲烷氧化菌在煤矿的大规模应用提供理论保障。

3)微生物菌液投放部位及方法

结合煤矿生产实际，可通过以下几种形式实施菌液的投放:

a)采用超前钻孔方式将甲烷氧化菌液注入待挖掘的煤岩体中，超前进行微生物氧化降解反应，使得待掘煤层的瓦斯含量大幅度降低，煤矿瓦斯治理关口前移［9］。这种方法不会影响正常采煤，具有技术优越性和可实施性。

b)通过掘进工作面打眼孔将甲烷氧化菌液直接注入工作面的煤层中，进行瓦斯降解，减少挖掘时瓦斯的涌出量。这种方法由于生化反应时间短，所降解的瓦斯量会有所降低。

c)通过矿井导风筒或直接对采煤工作面(尤其是高瓦斯工作面)进行甲烷氧化菌液的喷洒［5］，消耗瓦斯气体，降低瓦斯浓度。

d)在矿井的巷道空间、硐室、采空区和封闭区中喷洒甲烷氧化菌液，以降解这些空间的瓦斯。

e)在矿后煤堆上喷洒甲烷氧化菌液，降解煤中残存的瓦斯气体，减少环境污染。

4 山西应加大煤矿瓦斯综合治理的基础研究和科技攻关

近年来，山西煤矿瓦斯事故频发，造成严重的社会影响和财产损失。主要原因除安全意识差外，还有技术层面的因素。目前，对瓦斯灾害的发生、发展及演化过程的认识还停留在假说阶段，仍未从经验转变为普遍规律［3，4］，并达到指导安全生产的要求。因此，在今后的煤炭生产技术研发中，除矿井通风技术、瓦斯抽采技术外，还应着重加强以下几方面的研究:

1)基础研究

组织科技工作者对煤矿瓦斯的附存、运移及涌出规律，对地应力，瓦斯压力，瓦斯渗流规律，瓦斯爆炸机理和爆炸特性等基础规律进行研究。除加强瓦斯灾害防治措施研究外，还应对瓦斯爆炸等灾害的发生和发展机理展开全面研究。

2)瓦斯预测探测技术研究

预防煤矿瓦斯灾害技术的研究要从局部性的单项技术向区域性的、以建设本质安全矿井为目的的综合技术发展，包括瓦斯灾害易发区域的预测技术、瓦斯浓度监测预警技术等。

3)微生物治理瓦斯技术的研究

内容涉及甲烷氧化菌降解煤矿瓦斯的机理研究，甲烷氧化菌菌源筛选、培养和放大工艺研究，甲烷氧化菌降解煤矿瓦斯实施工艺研究，甲烷氧化菌及其代谢产物对环境的影响研究等。

4)煤矿瓦斯综合治理技术研究

包括煤矿现有的通风技术、抽采技术、预测监测技术及微生物技术的匹配，高浓度瓦斯的抽采利用，低浓度瓦斯的变换技术，矿井工作人员的劳动保护技术等。

［1］侯晨涛，王生全，聂文杰，等.微生物技术治理煤矿瓦斯的初步研究［J］.矿业安全与环保，2008，35(2):11-13.

［2］侯 彤，陶秀祥，马 强，等.微生物降解瓦斯的可行性研究及展望［J］.洁净煤技术，2008，14(2):90-92.

［3］王 璐，金龙哲，陈东科.利用微生物技术治理煤矿瓦斯的研究展望［J］.中国安全科学学报，2005，15(10):97-99.

［4］侯晨涛.煤矿瓦斯的微生物治理技术［J］.煤田地质与勘探，2007，35(4):30-33.

［5］宋继臣，刘靖阳，臧立民.讨论掘进工作面末端通风及瓦斯管理［J］.煤炭技术，2001，20(7):33-34.

［6］蒋先统.矿井瓦斯综合治理及其利用研究［J］.矿业快报，2007(9):33-35.

［7］罗明芳，吴 昊，邢新会.一种促进甲烷氧化菌生长的方法:CN，1587382A［P］:2004-10-07.

［8］梁战备，史 奕，岳 进.甲烷氧化菌研究进展［J］.生态学杂志，2004，23(5):198-205.

［9］陈东科，赵铁锤，杜春宇，等.微生物降解煤矿瓦斯技术:CN，1701840A［P］:2005-10-06.