一种矿井采空区瓦斯的好氧与厌氧微生物联合治理系统和方法与流程

本发明涉及一种矿井采空区瓦斯的好氧与厌氧微生物联合治理系统和方法，属于煤矿瓦斯治理技术领域。

背景技术

我国经济的快速可持续发展，对煤炭的需求量越来越大。目前浅部煤炭资源已接近枯竭，许多煤矿已开始进入深部开采。随着开采深度的增加，瓦斯灾害日趋严重，煤矿瓦斯治理难度在不断加大。工作面回采后顶板岩层冒落形成采空区，该区域范围大，并随工作面回釆不断增大。同时，采空区内的遗煤受漏风和瓦斯抽采影响不断氧化，存在蓄热环境，满足温度条件后发生自燃，引起采空区瓦斯爆炸，造成重特大事故发生，所以采空区是煤矿井下瓦斯灾害的重点防治区域。

目前，我国煤矿瓦斯的主要治理技术是煤层瓦斯含量与涌出量的预测、矿井通风、矿井瓦斯抽放和四位一体的综合防突措施。针对煤矿采空区瓦斯，主要有上隅角瓦斯抽放、采面回风巷钻孔抽放采空区高浓度卸压瓦斯、采面高位瓦斯抽放和地面钻井抽放采空区高浓度瓦斯等。虽然成效显著，但由于我国煤层地质构造复杂、煤层透气性差，煤矿采空区瓦斯灾害仍没有得到彻底的治理，重、特大瓦斯事故时有发生。近年来，随着科学技术的不断发展，微生物技术的研究成果越来越大，利用微生物技术来降解煤矿瓦斯技术正日益受到国内外学者的重视。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种矿井采空区瓦斯的好氧与厌氧微生物联合治理系统和方法，通过向采空区喷洒可对瓦斯进行生物降解的甲烷氧化菌菌剂，可促进采空区瓦斯的生物降解，防治采空区瓦斯集聚，从生物的角度提供一种煤矿井下采空区瓦斯治理方案。

本发明中，甲烷氧化菌是以甲烷为唯一碳源和能源的微生物，在自身含有甲烷单加氧(mmo)的作用下甲烷被氧化成甲醇，甲醇进而被氧化成甲醛。生成的甲醛一部分通过丝氨酸途径或通过戊糖二磷酸途径合成细胞物质。另一部分甲醛则在甲醛脱氢酶作用下转化为甲酸，甲酸进而被氧化分解为co2和h2o重新回到大气碳库中。

本发明提供了一种矿井采空区瓦斯的好氧与厌氧微生物联合治理系统，包括好氧甲烷氧化菌菌剂喷洒系统和厌氧甲烷氧化菌菌剂喷洒系统两部分；

所述好氧甲烷氧化菌菌剂喷洒系统包括好氧甲烷氧化菌菌剂的储罐、加压泵、喷洒管网和喷嘴，好氧甲烷氧化菌菌剂的储罐布置在回风顺槽平板轨道车上，该储罐与加压泵的输入端相连，加压泵输出端与喷洒管网相连，喷洒管网与液压支架后部设置的喷嘴相连；

所述厌氧甲烷氧化菌菌剂喷洒系统包括布置在进风顺槽的第一厌氧甲烷氧化菌菌剂喷洒系统和布置在回风顺槽的第二厌氧甲烷氧化菌菌剂喷洒系统：

a.第一厌氧甲烷氧化菌菌剂喷洒系统包括第一厌氧甲烷氧化菌菌剂的储罐、第一厌氧加压泵、第一厌氧喷洒管网和喷嘴，第一厌氧甲烷氧化菌菌剂的储罐布置在进风大巷靠近工作面拐角，该储罐与第一厌氧加压泵的输入端相连，第一厌氧加压泵输出端与第一厌氧喷洒管网相连，第一厌氧喷洒管网与喷嘴相连；

b.第二厌氧甲烷氧化菌菌剂喷洒系统包括第二厌氧甲烷氧化菌菌剂的储罐、第二厌氧加压泵、第二厌氧喷洒管网和喷嘴，第二厌氧甲烷氧化菌菌剂的储罐布置在回风大巷靠近工作面拐角处，该储罐与第二厌氧加压泵的输入端相连，第二厌氧加压泵输出端与第二厌氧喷洒管网相连，第二厌氧喷洒管网与喷嘴相连。

所述喷洒管网由内外两层嵌套而成，外层为加入抗静电剂的水管，内层为不锈钢钢管，注入管与喷头接合处内置可旋转式活塞阀。

上述喷洒管网的内层为菌液注入管，外层为培养液注入管。当喷洒系统注入甲烷氧化菌菌剂时，受菌液注入管的注入压力影响，可旋转式活塞阀向外打开，菌液通过管路接口进入喷头，从而进行菌液的喷洒；当喷洒系统注入培养液时，受培养液注入管的注入压力影响，可旋转式活塞阀向内闭合，培养液通过管路接口进入喷头，从而进行培养液的喷洒。

所述喷洒管网，在工作面进风顺槽和回风顺槽煤柱分别距顶板200~400mm开槽，喷头每隔20~30m布置一个，喷头距巷帮的距离为100~300mm。

本发明提供了一种采用上述系统进行煤矿采空区瓦斯治理的喷洒方法，包括以下步骤：

ⅰ好氧和厌氧甲烷氧化菌菌剂培育：收集目标煤矿采空区瓦斯富集资料，培养适合目标煤矿瓦斯治理需求的好氧甲烷氧化菌和厌氧甲烷氧化菌；

ⅱ好氧甲烷氧化菌菌剂喷洒管网系统布置：在目标煤矿备采工作面的液压支架、回风顺槽内布置好氧甲烷氧化菌菌剂的储罐、加压泵、喷洒管网和喷嘴；

ⅲ厌氧甲烷氧化菌菌剂喷洒管网系统布置：在目标煤矿备采工作面的进风大巷、进风顺槽巷壁、回风大巷和回风顺槽巷壁上布置厌氧甲烷氧化菌菌剂的储罐、加压泵、喷洒管网和喷嘴；

ⅳ定期喷洒甲烷氧化菌菌剂及培养液：将ⅰ中获得的菌剂和相应培养液在一定压力下通过喷洒管网系统喷洒于采空区内；注入压力为3~6mpa，喷洒过程：按循环周期先注入菌剂，后注入培养液；

ⅴ效果检验：通过束管系统检测采空区内瓦斯含量，明确采空区瓦斯的生物防治效果。

上述喷洒方法，具体包括以下步骤：

（1）收集目标煤矿采空区瓦斯已有资料，重点收集瓦斯富集、分布、浓度的资料；

（2）以目标煤矿采空区瓦斯浓度范围为富集条件，从湿地、煤矿周边土壤环境中分别筛选、培养好氧甲烷氧化菌和厌氧甲烷氧化菌菌剂；

（3）好氧甲烷氧化菌菌剂喷洒管网系统在目标矿井的布置过程如下：好氧甲烷氧化菌菌剂的储罐和加压泵布置在目标矿井工作面回风顺槽平板轨道车上，随工作面推进进行移动供液；喷洒管网布置在目标矿井工作面以及回风顺槽中，分别沿工作面液压支架和回风顺槽平板轨道车的轨道布置；喷嘴布置在工作面液压支架处喷洒管网之上，朝向采空区；

（4）厌氧甲烷氧化菌菌剂喷洒管网系统在目标矿井的布置过程如下：厌氧甲烷氧化菌菌剂喷洒系统包括布置在进风顺槽的第一厌氧甲烷氧化菌菌剂喷洒系统和布置在回风顺槽的第二厌氧甲烷氧化菌菌剂喷洒系统：

a.第一厌氧甲烷氧化菌菌剂的储罐、加压泵分别布置在目标矿井进风巷距工作面进风顺槽拐角处，为进风顺槽的第一喷洒管网供液，第一厌氧喷洒管网布置在进风顺槽巷壁中，在回采开始前开槽，埋入第一厌氧喷洒管网；喷嘴布置在进风顺槽第一厌氧喷洒管网之上，朝向采空区；

b.第二厌氧甲烷氧化菌菌剂的储罐、加压泵分别布置在目标矿井回风巷距工作面回风顺槽拐角处，为回风顺槽的第二喷洒管网供液，第二厌氧喷洒管网布置在回风顺槽巷壁中，在回采开始前开槽，埋入第二厌氧喷洒管网；喷嘴布置在进风顺槽第二厌氧喷洒管网之上，朝向采空区；

（5）喷洒：厌氧和好氧喷洒系统同步进行喷洒；

回采开始后喷嘴保持开启状态，定期对工作面附近采空区进行好氧甲烷氧化菌菌剂的喷洒；

随工作面的推进依次打开厌氧甲烷氧化菌菌剂喷洒管网系统的喷嘴，定期对采空区进行厌氧甲烷氧化菌菌剂的喷洒；

（6）效果检验，根据目标矿井采空区各项参数，每隔30~50m选取1~2个采样点，埋入监测管路；通过束管监测系统在每个工作日检测采空区内瓦斯含量，明确生物防治效果。

上述喷洒方法中，定期喷洒好氧甲烷氧化菌菌剂或厌氧甲烷氧化菌菌剂及培养液时，时间控制在：每个月第一周首个工作日先后分别注入甲烷氧化菌菌剂和培养液1~3h，之后三周每周首个工作日注入培养液1~3h，每个月为一个循环。

进一步地，所述甲烷氧化菌菌剂及培养液的注入，单个喷头的菌液注入量为0.5~1m³/h，单个喷头培养液注入量1~3m³/h，注入压力为3~6mpa。

本发明的有益效果：

（1）本发明利用甲烷氧化菌将甲烷作为唯一碳源和能源进行生长的特性，利用其对甲烷的生物降解，有效解决了采空区瓦斯积聚问题，为煤矿采空区瓦斯灾害防治提供了一条有效途径。

（2）微生物对环境的危害性较小，并且甲烷的温室效应是二氧化碳的20～30倍，所以在甲烷氧化菌的作用下将甲烷转化为微生物生命物质而固定下来，对于减少大气中的甲烷含量，减缓全球温室效应具有重要作用。

（3）本发明分别利用好氧和厌氧甲烷氧化菌对采空区靠近工作面的富氧区以及采空区深部的窒息区的瓦斯进行生物降解，实现对采空区有氧区到无氧区全覆盖，对采空区瓦斯的去除效果显著，可降低采空区瓦斯危险性，从而实现采空区瓦斯的生物治理。

附图说明

图1是本发明的微生物治理煤矿采空区瓦斯技术的备采工作面喷洒管网布置示意图；

图2是本发明中采用1个管道实现菌剂和培养液分别注入的可旋转式活塞的纵切面结构示意图；

图3是本发明中采用1个管道实现菌剂和培养液分别注入的可旋转式活塞的沿图2剖面线ⅰ-ⅰ的剖视图；

图中，1、进风巷，2、第一厌氧甲烷氧化菌菌剂的储罐，3、第一厌氧加压泵，4、回风巷，5、进风顺槽，6、回风顺槽，7第一厌氧喷洒管网，8、第一厌氧喷洒喷嘴，9、工作面，10、采空区，11、加压泵，12、好氧甲烷氧化菌菌剂的储罐，13、喷洒管网，14、液压支架，15、喷嘴，16、第二厌氧甲烷氧化菌菌剂的储罐，17、第二厌氧加压泵，18、第二厌氧喷洒管网，19、第二厌氧喷洒系统喷嘴，20、可旋转式活塞阀，21、水管，22、不锈钢钢管。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1、图2和图3所示，一种矿井采空区瓦斯的好氧与厌氧微生物联合治理系统，包括好氧甲烷氧化菌菌剂喷洒系统和厌氧甲烷氧化菌菌剂喷洒系统两部分。

所述好氧甲烷氧化菌菌剂喷洒系统由好氧甲烷氧化菌菌剂的储罐12、可移动式加压泵11、工作面喷洒管网13和液压支架后设置的喷嘴15等组成，布置在回风顺槽6平板轨道车上的好氧甲烷氧化菌菌剂的储罐12与可移动式加压泵11的输入端相连，可移动式加压泵11输出端与工作面喷洒管网13相连，喷洒管网与液压支架后喷嘴15相连构成好氧甲烷氧化菌菌剂喷洒系统。

所述厌氧甲烷氧化菌菌剂喷洒系统包括布置在进风顺槽5的第一厌氧甲烷氧化菌菌剂喷洒系统和布置在回风顺槽6的第二厌氧甲烷氧化菌菌剂喷洒系统：

a.第一厌氧氧甲烷氧化菌菌剂喷洒系统由第一厌氧甲烷氧化菌菌剂的储罐2、第一厌氧加压泵3、第一厌氧喷洒管网7和第一厌氧喷洒喷嘴8等组成，布置在进风巷1距133综放工作面拐角50m的第一厌氧甲烷氧化菌菌剂的储罐2与第一厌氧加压泵3的输入端相连，第一厌氧加压泵3输出端与第一厌氧喷洒管网7相连，第一厌氧喷洒管网7与第一厌氧喷洒喷嘴8相连构成第一厌氧甲烷氧化菌菌剂喷洒系统；

b.第二厌氧氧甲烷氧化菌菌剂喷洒系统由第二厌氧甲烷氧化菌菌剂的储罐16、第二厌氧加压泵17、第二厌氧喷洒管网18和第二厌氧喷洒系统喷嘴19等组成，布置在回风巷4距133综放工作面拐角50m处的第二厌氧甲烷氧化菌菌剂的储罐16与第二厌氧加压泵17的输入端相连，第二厌氧加压泵17输出端与第二厌氧喷洒管网18相连，第二厌氧喷洒管网18与第二厌氧喷洒系统喷嘴19相连构成第二厌氧甲烷氧化菌菌剂喷洒系统。

所述喷洒管网外层为加入抗静电剂的水管21，内层为不锈钢钢管22，内外两层嵌套而成，注入管与喷头接合处内置可旋转式活塞阀20。其内层为菌液注入管，外层为培养液注入管。当喷洒系统注入甲烷氧化菌菌剂时，受内管注入压力影响，可旋转式活塞阀20向外旋转至与外层管路接合处，菌液通过管路接口进入喷头，从而进行菌液的喷洒；当喷洒系统注入培养液时，受外管注入压力影响，可旋转式活塞阀向内旋转至与内层管路接合处，培养液通过管路接口进入喷头，从而进行培养液的喷洒。

所述喷洒管网开槽及喷头布置，在工作面进风和回风顺槽煤柱分别距顶板300mm开槽，喷头每隔25m布置一个，喷头距巷帮200mm。

采用所述的一种矿井采空区瓦斯的好氧与厌氧微生物联合治理系统的进行喷洒治理的方法，包括以下步骤：

ⅰ好氧和厌氧甲烷氧化菌菌剂培育：收集目标煤矿采空区瓦斯富集资料，培养适合目标煤矿瓦斯治理需求的好氧甲烷氧化菌和厌氧甲烷氧化菌；

ⅱ好氧甲烷氧化菌菌剂喷洒管网系统布置：在目标煤矿备采工作面9的液压支架14、回风顺槽6内布置好氧甲烷氧化菌菌剂的储罐12、加压泵11、喷洒管网13和喷嘴15等；

ⅲ厌氧甲烷氧化菌菌剂喷洒管网系统布置：在目标煤矿备采工作面9的进风巷1、进风顺槽5巷壁、回风巷4和回风顺槽6巷壁上布置第一厌氧甲烷氧化菌菌剂的储罐2、第一厌氧加压泵3、第一厌氧喷洒管网7和第一厌氧喷洒喷嘴8等；

ⅳ定期喷洒甲烷氧化菌菌剂及培养液：将ⅰ中获得的菌剂和相应培养液在一定压力下通过喷洒管网系统喷洒于采空区10内；

ⅴ效果检验：通过束管系统检测采空区内瓦斯含量，明确采空区瓦斯的生物防治效果。

采用所述的矿井采空区瓦斯的好氧与厌氧微生物联合治理的喷洒系统进行喷洒的方法，具体包括以下步骤：

（1）收集目标煤矿采空区瓦斯已有资料，重点收集瓦斯富集、分布、浓度等资料；

（2）以目标煤矿采空区瓦斯浓度范围为富集条件，从湿地、煤矿周边土壤等环境中分别筛选、培养好氧甲烷氧化菌和厌氧甲烷氧化菌菌剂；

（3）好氧甲烷氧化菌菌剂喷洒管网系统在目标矿井的布置如下所述：好氧甲烷氧化菌菌剂的储罐12和加压泵11布置在目标矿井工作面回风顺槽6平板轨道车上，随工作面9推进进行移动供液；喷洒管网13布置在目标矿井工作面9以及回风顺槽6中，分别沿工作面液压支架14和回风顺槽6平板轨道车轨道布置；喷嘴15布置在工作面液压支架14后喷洒管网之上，朝向采空区10，回采开始后常开，定期对工作面附近采空区进行好氧甲烷氧化菌菌剂的喷洒。

（4）厌氧甲烷氧化菌菌剂喷洒管网系统在目标矿井的布置如下所述：厌氧甲烷氧化菌菌剂喷洒系统包括布置在进风顺槽5的第一厌氧甲烷氧化菌菌剂喷洒系统和布置在回风顺槽6的第二厌氧甲烷氧化菌菌剂喷洒系统：

a.第一厌氧甲烷氧化菌菌剂的储罐2、第一厌氧加压泵3分别布置在目标矿井进风巷1距133综放工作面9进风顺槽拐角50m处，为进风顺槽5的第一厌氧喷洒管网7供液，第一厌氧喷洒管网7布置在进风顺槽5巷壁中，在回采开始前开槽，埋入第一厌氧喷洒管网7；第一厌氧喷洒喷嘴8布置在进风顺槽第一厌氧喷洒管网7之上，朝向采空区10，随工作面的推进依次打开，定期对采空区进行厌氧甲烷氧化菌菌剂的喷洒；

b.第二厌氧甲烷氧化菌菌剂的储罐16、第二厌氧加压泵17分别布置在目标矿井回风巷4距133综放工作面9回风顺槽拐角50m处，为回风顺槽6的第二厌氧喷洒管网18供液，第二厌氧喷洒管网18布置在回风顺槽6巷壁中，在回采开始前开槽，埋入第二厌氧喷洒管网18；第二厌氧喷洒系统喷嘴19布置在进风顺槽第二厌氧喷洒管网18之上，朝向采空区10，随工作面的推进依次打开，定期对采空区进行厌氧甲烷氧化菌菌剂的喷洒。

（5）定期喷洒甲烷氧化菌菌剂及培养液，每个月第一周首个工作日先后分别注入甲烷氧化菌菌剂和培养液2h，随后三周每周首个工作日注入培养液2h，每个月为一个循环。循环多次才能结束。

（6）甲烷氧化菌菌剂及培养液的注入，单个喷头菌液注入量1m³/h，单个喷头培养液注入量2m³/h，注入压力为4mpa。

（7）效果检验，根据目标矿井采空区各项参数，每隔40m选取1个采样点，埋入监测管路。通过束管监测系统在每个工作日检测采空区内瓦斯含量，明确生物防治效果。

采用上述方法，好氧和厌氧甲烷氧化菌对采空区靠近工作面的富氧区以及采空区深部的窒息区的瓦斯进行生物降解，实现对采空区有氧区到无氧区全覆盖，对采空区瓦斯的去除效果显著，可降低采空区瓦斯危险性，从而实现采空区瓦斯的生物治理。