[发明专利]一种模拟煤矿井下环境的甲烷氧化菌驯化培养装置及方法

说明书

本发明公开了一种模拟煤矿井下环境的甲烷氧化菌驯化培养装置及方法。包括原煤应力加载部分、环境温度控制部分、环境气体氛围注入部分、甲烷气体注入部分、甲烷氧化菌液注入部分、甲烷气体在线监测部分、环境气相色谱分析部分、环境液相质谱分析部分和环境pH控制部分九部分组成。本发明的有益效果是能够准确有效地模拟煤矿井下条件的微生物富集状态，模拟煤层应力、温度、pH、气体氛围条件。

技术领域

本发明属于煤炭开采技术领域，涉及一种模拟煤矿井下环境的甲烷氧化菌驯化培养装置及方法。

背景技术

我国是一个发展中国家，能源十分紧缺，煤炭占我国能源总消耗量的70％以上，煤炭的产量直接影响国民经济的发展，这就导致了在我国只要有煤炭储备的地方，不管是低瓦斯还是髙瓦斯矿区，都在积极地创造条件开矿。而我国所有煤矿均为瓦斯矿井，据统计，大中型煤矿中，髙瓦斯矿井占20.34％，突出矿井占19.77％。小型煤矿中，高瓦斯矿井占15％左右。这是造成瓦斯灾害较多的原因之一。仅2007～2016年期间，全国共发生各类瓦斯灾害事故389起，死亡3307人。其中，瓦斯爆炸事故196起，占比50％；死亡人数2022人，占比61％。煤与瓦斯突出事故150起，占比39％；死亡人数1084人，占比33％。瓦斯中毒和窒息事故43起，占比11％；死亡人数201人，占比6％。瓦斯灾害造成了巨大的经济损失和人员伤亡，给经济发展和社会安定带来了负面影响。瓦斯灾害严重威胁着煤矿的安全生产，其中煤与瓦斯突出尤为严重，同时对瓦斯突出的治理也越来越受到重视。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。但是，我国煤矿地质条件以及由此而形成的煤矿自身特点决定了现有瓦斯抽放技术的局限性。由于原始煤层瓦斯含量大，煤系地层煤层的原始透气性差，致使原始煤层预抽难以实施，而且效果甚差。此外，抽放出去的瓦斯如果释放到环境中，会对环境产生很大的不良影响。其次，矿井的主要风机和通风网络的通风设计能力是有限的，在相当长的一段时期内不变，因而依靠通风排除瓦斯也有局限性。近年来，随着科技的进步，利用化学和微生物治理瓦斯的技术取得了较大进展。其中，绝热氧化法通过热分解、催化热分解和吸附热分解相结合，可以将瓦斯中的CH₄和CO氧化为CO₂和H₂O的无污染混合物，从而使接近爆炸浓度的瓦斯气体和己达爆炸浓度的瓦斯气体稀释至爆炸浓度以下，但因该方法对装置要求较高，且对高浓度瓦斯要求预稀释，操作过程复杂，成本较高，不利于大规模工业应用。相比较而言，微生物治理瓦斯的方法实用性更强，通过利用自然界广泛存在的甲烷氧化菌降解采空区和煤层瓦斯，减少在煤层开采时的瓦斯涌出量，抑制煤矿瓦斯积聚，或者使高浓度瓦斯气体在短时间内下降到瓦斯爆炸下限以下，可以对其他治理瓦斯的措施起到辅助作用，从而达到提高煤矿安全性的目的。甲烷氧化菌在自然界分布十分广泛，从污泥、沼泽、垃圾填埋场、河流、落叶、下水道、水稻田、海洋、池塘、草场土壤等环境中都可以分离得到。然而，煤层中的煤是具多空隙结构和很强吸附性的物质，在地下未开采下处于高压力状态，瓦斯气体是以吸附态形式存在，而非以游离状态存在，当开采时，暴露出作业面压力降低，瓦斯以气体形式得以释放。除了存在状态和高压条件的不同，煤层又是一种缺氧的状态，且煤层中还赋存CO、CO₂以及H₂S等对甲烷氧化菌生长繁殖有害的气体。因此，研究发明一种模拟煤矿井下环境的甲烷氧化菌驯化培养装置及方法，实验不同温度、气氛环境、煤层应力及pH等条件下的煤层条件，筛选、驯化出能够适应煤矿环境的以甲烷为主要碳源的兼性厌氧型矿用甲烷氧化菌，具有至关重要的意义。