CN105587335A - 利用微生物技术防治煤自燃 - Google Patents
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Abstract
为完善煤自燃问题的防治方法，本专利提出利用微生物技术控制氧浓度并达到防治煤自燃的效果。通过微观研究观察煤样表面孔隙结构特征，提出煤中的氧浓度是影响煤自燃过程关键因素的观点，专利本着控制氧浓度的思想，选取枯草芽孢杆菌进行培养制备,得到了以不同培养基和牛肉膏蛋白胨液相混合后，在室温条件下枯草芽孢杆菌导致CO2和O2变化的规律，实验证明枯草芽孢杆菌产生的CO2导致氧浓度大幅度降低。得出结论：利用微生物菌群产生的CO2可以有效地防治煤自燃，专利得到的枯草芽孢杆菌与不同培养基产生CO2的规律在工程中的应用证明了该方法具有广泛的工程应用前景。
Description
TheMethodofPreventionandTreatmentontheCoalSpontaneousCombustionbyMicrobialTechnology
(一)技术领域
本发明涉及在矿业领域防治煤自燃过程
(二)背景技术
矿井自燃火灾在主要的产煤国家发生现象严峻，大量损耗着煤的贮量，其产生的有毒有害气体严重污染大气环境，对自然资源造成不可估量的损失。我国煤炭资源十分丰富，煤炭产量和消费量均居世界前列，煤炭占我国一次能源生产和消费结构中的70％左右，预计到2050年还将占50％以上，但是我国煤炭自燃火灾十分严重，国有煤矿中56％的矿井存在自然发火危险煤炭自燃火灾,一直以来就是我国煤矿的重大灾害之一。在我国的现有煤矿中，国有重点煤矿54.9％的矿井，有自燃发火的危险；地方国有煤矿年产3万吨以上的矿井中，29.1％有自燃的危险。因此,煤矿的自燃火灾占火灾总数的90％以上,给国家和矿井带来了极大的危害及经济损失。特别是自20世纪九十年代以来，由于综采放顶煤高产高效技术的推广，煤层自燃火灾更是成为影响煤炭生产安全的最主要灾害之一，由矿井自燃火灾诱发瓦斯、煤尘爆炸事故时有发生，严重地威胁着人民的生命财产安全，阻碍了煤炭工业的可持续发展，影响社会稳定。
关于煤自燃问题的研究，国内外学者已经做了大量的工作并去得了卓越的成绩，一般认为煤自燃过程是因为煤结构中不同官能团(活性结构)由于活化需要的温度与能量不一样,先被活化而发生氧化反应的官能团释放能量的过程，其中包括不同官能团依次分步渐进活化而与氧发生反应的自加速升温过程。
本专利是在前人研究的基础上，为了完善煤自燃问题的防治方法，提出利用微生物技术来控制氧浓度并达到防治煤自燃的效果。最终得出结论：利用微生物菌群产生的CO2可以有效地防治煤自燃，实验中的枯草芽孢杆菌与不同培养基产生CO2的规律及在工程中的应用，证明了该方法具有广泛的工程应用前景。
(三)发明内容
为了切实完善煤自燃问题的防治方法，本专利提出利用微生物技术来控制氧浓度并达到防治煤自燃的效果。专利首先以微观研究的思路观察某矿煤样表面孔隙结构特征，针对观测实验得到的结果分别从煤样内Fe和C元素占比变化的角度以及孔洞尺寸变化的角通过度进行了定性分析，总体来说，在一定温度下，煤样孔洞的孔径随着反应的时间是不断增大的，一开始孔径增大的速率比较慢，原因是最开始氧气含量不充足，加快了煤自燃反应的进行；随着反应时间的不断推进，孔径增加的速率逐渐变快，主要原因是随着氧化反应的进行，煤体内部孔隙逐渐增大利于涌入更多的氧，再加上之前反应自身放出的其他容易与煤体发生反应的气体含量增大，致使煤自燃反应进程加快。图1和图2分别是温度在150℃时的煤样表面的孔洞图和煤样表面的元素比例图。
根据能谱分析仪(EDS)实验得出的不同温度下取出煤样内部的元素质量占比数据，本专利选取数值较大，且对煤样而言具有代表性的两种元素C和Fe进行定量分析，绘制二者的对比变化曲线，图3是C/Fe质量百分比随温度变化曲线图。
从上图不难看出，随着温度是升高，煤样中的C元素质量占比随之降低。这主要是因为煤氧反应的主要化学方程式表现为：C+O2→CO+CO2，而Fe元素质量占比则随之有明显的上升势头，这主要是由于煤中富含的铁元素经过氧化后并不能以气体的形式被带走，因此两种元素在随着温度的升高的过程中出现质量占比方面的此消彼长现象。本专利提出热点理论，即认为在一定温度下，煤自燃的过程最先是从煤体表面的微观孔隙内的局部热点开始发生的，并且随着温度的增加，热点所在的孔隙尺寸也逐渐增大。随着孔径的不断增大，更加有利于空气的流通，从而促使煤吸附更多的氧气、甲烷等可燃性气体，极大地加速了煤自燃的速度，最终由起始的局部热点引发自燃现象。
本专利提出煤中的氧浓度是影响煤自燃过程关键因素的观点，即煤自燃过程是从煤体表面的微观孔隙产生的，且这些孔隙由于具备储存氧的能力而体现出随着煤氧化放热导致的温度升高而逐渐变大的特性。基于上述理论前提，专利中本着控制煤层中氧浓度的思想，选取枯草芽孢杆菌进行培养制备，并进行了实验室对比验证试验以及工程现场的防治实践，得到了以不同培养基和牛肉膏蛋白胨液相混合后，在室温条件下枯草芽孢杆菌导致CO2和O2变化的规律，实验证明在该条件下，由于枯草芽孢杆菌产生的CO2导致氧浓度大幅度降低。枯草芽孢杆菌在面粉环境下的结合，由于面粉与培养液结合形成的粘稠液能够有效的封闭碎煤漏风效果，在封闭的同时还能产生大量的CO2，因此达到防治煤自燃的最佳效果，该效果通过进一步的工程实践得到了有力证明。
首先，本专利利用CO2浓度监测实验测试系统分别监测了枯草芽孢杆菌在三种不同环境条件下的耗氧过程：
(1)枯草芽孢杆菌在碎煤环境下耗氧过程的实验研究，测试曲线及分析如图4是碎煤环境下CO2/O2浓度变化曲线图，得到采用牛肉膏蛋白胨液体培养基培育的枯草芽孢杆菌在碎煤环境中生产的CO2气体过程较慢，但总体来看，随着时间的增加，O2浓度不断降低，CO2浓度不断增高，说明在该环境下枯草芽孢杆菌可以生长发育存活。
(2)枯草芽孢杆菌在玉米粉环境下耗氧过程的实验研究，测试曲线及分析如图5是玉米粉环境下CO2/O2浓度变化曲线图，得到采用牛肉膏蛋白胨液体培养基与玉米粉相结合后培育的枯草芽孢杆菌在该环境中生产的CO2气体过程较快，随着时间的增加，O2浓度快速降低，CO2浓度快速增高，说明在该环境下枯草芽孢杆菌有利于生长发育存活，枯草芽孢杆菌在玉米粉中形成的菌群如下图所示，图6是玉米粉环境下枯草芽孢杆菌群变化图，从中可以看出，枯草芽孢杆菌在玉米粉中快速生成了白色菌群。
(3)枯草芽孢杆菌在面粉环境下耗氧过程的实验研究，测试曲线及分析如图7是面粉环境下CO2/O2浓度变化曲线图，得到采用牛肉膏蛋白胨液体培养基与面粉相结合后培育的枯草芽孢杆菌在该环境中生产的CO2气体过程同样较快，说明在该环境下枯草芽孢杆菌也有利于生长发育存活，枯草芽孢杆菌在糊状面粉中会形成大量气泡并放出CO2。由于糊状面粉混合液有利于封闭裂隙的供氧通道，所以更有利于应用于煤自燃灭火。
该测试曲线说明，枯草芽孢杆菌在面粉环境下的结合，由于面粉与培养液结合形成的粘稠液能够有效的封闭碎煤漏风效果，在封闭的同时还能产生大量的CO2，因此达到防治煤自燃的最佳效果，该效果通过进一步的工程实践得到了有力证明。
本专利技术有如下特点：
(1)微生物菌种可以不断产生CO2，持续时间越长CO2浓度越高，防治煤自燃的效果更好。
(2)微生物菌种结合具有一定粘稠度的培养液，可以达到既封闭供氧渠道又能大量产生CO2，和常用的浇水灭火技术相比，灭火效率更高，可以有效防止煤的二次燃烧并快速扑灭由煤自燃引发的明火。
(3)由于微生物菌种产生的CO2比重比空气重，对于分层开采，其微生物菌种产生的CO2将随着裂隙的扩展扩散至下层采空区，有利于防止煤自燃。
(4)随着开采深度的增加，地温不断升高，在30℃左右的恒温恒湿环境下，有利于微生物菌种的生长。因此，微生物菌种的地下采场培育是可行的。
由此，本专利提出利用微生物技术来控制氧浓度并达到防治煤自燃。
(四)附图说明
图1是温度为150℃时的煤样表面的孔洞图
图2是温度为150℃时的煤样表面的元素占比图
图3是C/Fe质量百分比随温度变化曲线图
图4是碎煤环境下CO2/O2浓度变化曲线图
图5是玉米粉环境下CO2/O2浓度变化曲线图
图6是玉米粉环境下枯草芽孢杆菌群变化图
图7是面粉环境下CO2/O2浓度变化曲线图
图8是CO2/O2浓度测试实验系统图
图9是枯草麦芽杆菌和面粉的混合液制备过程图
图10是智能无纸温度记录仪图
图11是自燃煤内部温度变化曲线图
图12是混合液对于煤自燃的现场降温效果图
(五)具体实施方式
5.1枯草芽孢杆菌的制备材料及仪器设备
5.1.1制备材料及仪器设备
菌株：枯草芽孢杆菌
培养基主要试剂：蔗糖、葡萄糖、淀粉、玉米淀粉、麦芽糖、酵母浸出物、胰蛋白胨、牛肉膏、尿素、氯化铵、硫酸锰、硫酸镁、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、硫酸亚铁、氯化钠和氯化钙。
LB培养基：蛋白胨10g、酵母膏5g、NaCl10g、蒸馏水1000ml、PH为7、可溶性淀粉20g、琼脂20g。
牛肉膏蛋白胨液体培养基：5g牛肉膏，10g蛋白胨，5gNaCl，1000mL蒸馏水，PH7.2—7.5。
牛肉膏蛋白胨固体培养基：5g牛肉膏，10g蛋白胨，5gNaCl，20g琼脂，1000mL蒸馏水，PH7.2—7.5。
仪器与设备：高压灭菌锅、超净工作台、37℃摇床培养箱、培养箱、光学显微镜、电烘箱、电子天平、分析天平、冰箱、三角瓶、接种环、试管、培养皿、酒精灯等。
5.1.2枯草芽孢杆菌的制备过程中培养基的优化
用接种环接种1环试管菌种到牛肉膏蛋白胨液体培养基中，200r/min，37℃培养24h，进行扩大培养和活化，然后再取1mL液体种接种到发酵培养基中，37℃培养48h，具体步骤可分为：称量、溶化、调PH、分装、加塞、包扎、灭菌、斜面搁置等步骤。
综上所述，本专利通过控制各个步骤，确定枯草芽孢杆菌的最佳发酵条件。在下一步的利用枯草芽孢杆菌控制氧浓度的研究中，还需要对相关的一系列因素进行严格控制，才能保证枯草芽孢杆菌发酵控制氧浓度达到所需效果。
5.2枯草芽孢杆菌控制氧含量的实验研究
本专利建立了利用枯草芽孢杆菌控制氧含量的实验测试系统。首先，建立空气混合系统。由于二氧化碳相对分子质量44，其分子式为O-C-O，16×2+12＝44，所以CO2的摩尔质量为44g/mol；而空气平均相对分子质量29，故空气的平均摩尔质量为29g/mol，为了保证测量数据的准确性，首先应将测试空间的气体进行动态混合，保证所测气体的浓度能够代表所测空间的均匀浓度。其次，改装设计了一套可同时测试CO2与O2浓度的实验系统，该系统工作原理如下。
CO2浓度测试原理：电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。该系统组装后如图8是CO2/O2浓度测试实验系统图：
利用该实验测试系统分别监测枯草芽孢杆菌三种不同环境条件下的耗氧过程
(1)枯草芽孢杆菌在碎煤环境下耗氧过程的实验研究，该实验环境温度为32℃，测试得的曲线及分析如图4是碎煤环境下CO2/O2浓度变化曲线图。
(2)枯草芽孢杆菌在玉米粉环境下耗氧过程的实验研究，该实验环境温度同样为32℃，测试得的曲线及分析如图5是玉米粉环境下CO2/O2浓度变化曲线图。
(3)枯草芽孢杆菌在面粉环境下耗氧过程的实验研究，该实验环境温度同样为32℃，测试得的曲线及分析如图7是面粉环境下CO2/O2浓度变化曲线图。
5.3利用微生物菌种产生CO2治理煤自燃的施工措施
1、首先应分析煤自燃的裂隙区分布及温度场，选择合理的菌种布置部位。一般形成煤自燃主要是由于煤层中残留巷道，经测量着火点主要分布于残留巷道上方内部约1米处，所以为提高防治煤自燃的效率，应尽量将枯草麦芽杆菌和培养基的混合液浇筑于残留巷道上方，以堵塞煤自燃的供氧渠道，一方面可以起到直接切断煤自燃的供氧途径，另一方面产生的CO2可以达到迅速灭火的效果。
2、由于枯草麦芽杆菌在生长过程中需要O2的供应，所以应尽量将枯草麦芽杆菌种布置在裂隙区，一方面降低了煤自燃供氧的浓度，另一方面有利于菌种的不断生长。
3、枯草麦芽杆菌和面粉的混合液制备，如图9是枯草麦芽杆菌和面粉的混合液制备过程。
4、枯草麦芽杆菌在布置过程中，应充分考虑该菌种的生长环境要求，防止阳光直接照射，表面覆盖碎煤，并保持一定的潮湿，增加防灭煤自燃的时效性。
5.4工程实践效果分析
在煤自燃着火点处插入带有温度传感器的钢管，并通过使用智能无纸温度记录仪记录温度变化，该仪器如图10是智能无纸温度记录仪图：
通过上述仪器可以测出煤层内部1米处温度为220℃，然后在着火点表面浇筑枯草麦芽杆菌种与面粉的混合液体后，可以测得内部温度迅速降低至35℃，图11是自燃煤内部温度变化曲线图。从曲线可以看出，由于枯草麦芽杆菌种与面粉的混合液具有封闭供氧渠道和产生CO2的双重效果，所以对于煤自燃的降温效果十分明显，3分钟后该着火点的温度降至环境温度。图12是混合液对于煤自燃的现场降温效果图。
基于上述分析，本专利提出利用微生物技术来控制氧浓度并达到防治煤自燃的效果。
Claims (3)
1.一种利用微生物技术防治煤层自然发火的方法。
2.一种利用枯草芽孢杆菌和培养基扑灭已燃煤体的工业技术措施。
3.基于微观结构的煤自燃热点分析方法。
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| WO2021208112A1 (zh) * | 2020-04-16 | 2021-10-21 | 山东科技大学 | 一种防止煤炭自燃的生物阻化剂及其制备方法 |
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