不同压力及氧环境条件下微生物降解煤层瓦斯实验研究

为了保障甲烷氧化细菌生物反应降解煤层瓦斯实验的顺利进行,自主研发了高压气体混合装置,研究了在不同压力及有氧、无氧条件下,甲烷氧化细菌降解煤层瓦斯的规律和对煤吸附瓦斯性能的综合影响。通过对实验前后CH4和CO2的变化量进行检测、对比和分析,发现在1~5 MPa压力范围内,压力越大越有利于甲烷氧化细菌对煤层瓦斯的降解;压力相同时,有氧环境下的CH4减少量明显多于无氧环境下的CH4减少量。     

甲烷氧化菌群在瓦斯煤样中有效存活时间试验研究

为了研究甲烷氧化菌群在瓦斯煤样中的有效存活时间,开展了相同瓦斯条件下煤样甲烷氧化菌群存活试验研究。首先,搭建了瓦斯浓度变化实时测试系统;其次,将制备好的煤样放入2个测试瓶中,注入相同瓦斯气体,一定时间后分别在2个测试瓶中注入相同体积的甲烷氧化菌菌液和无菌水,分别测试样瓶中瓦斯浓度变化。分析测试试验结果发现:注入甲烷氧化菌菌液的煤样瓶中瓦斯浓度变化较快,且菌液能在31~60 h左右时间内保持持续的降解作用,之后甲烷浓度变化变缓;在相同条件下,甲烷氧化菌液在含瓦斯煤样中的存活时间约在31 h以上。     

微生物降解煤矿瓦斯的研究

通过对在含吸附瓦斯煤样中加入微生物降解瓦斯的试验，研究了微生物降解煤矿瓦斯的降解规律和甲烷氧化菌在煤样中的生长规律，在煤样中加入甲烷氧化菌M3011，GYJ3的混合菌种后，对CH₄和CO₂浓度变化进行监测.结果表明：试验煤样中瓦斯的平均降解率为44％，最大达52％，且试验煤样中CO₂浓度的上升进一步证实了煤样中的瓦斯浓度降低正是甲烷氧化菌的氧化作用所引起的.     

模拟原煤赋存环境下甲烷氧化菌降解煤吸附甲烷实验

针对如何清洁高效地治理煤矿瓦斯问题,自行研制了模拟原煤体赋存环境下微生物降解煤吸附甲烷实验系统。通过实验培养筛选出一种兼性厌氧型甲烷氧化菌,采用单因素变量法,共设计3个水平,实验考察了环境温度、菌液注入压力和体积对该甲烷氧化菌的降解效能的影响。实验结果表明:该厌氧型甲烷氧化菌种在最适温度30℃,菌液注入压力2 MPa、注入体积20 mL时,甲烷降解率最高可达到34.2%;在温度30℃、菌液注入体积20 mL时,甲烷降解率随着菌液注入压力增大而增大,甲烷降解率最高为45.6%;在温度30℃、菌液注入压力2 MPa时,甲烷降解率随着菌液注入体积的增加而增大,甲烷降解率最高为54.6%。     

风流中低浓度甲烷微生物降解效能实验

为了解风流中低浓度甲烷的降解效果,培养了以甲烷为唯一碳源的好氧型耗甲烷微生物,并自主设计了模拟风流中低浓度甲烷降解实验系统,达到了调节风流中甲烷浓度、风速及菌液浓度的目的。通过实验发现,在保持恒定甲烷氧化菌液喷洒速度的前提下,喷洒菌液浓度越高,越有利于甲烷的降解;在保持风流中甲烷浓度相同的条件下,在风速(300~500 m L/min)范围内,风速越大越不利于甲烷的降解,并且有效降解持续时间也随之下降;在保持相同风速、甲烷浓度的前提下,发现在风流中甲烷浓度(10%~30%)范围内,甲烷浓度越高氧化效果越明显。     

甲烷氧化菌降解煤吸附瓦斯条件的优化

利用正交试验探究甲烷氧化菌降解煤吸附瓦斯的影响因素并优化其条件。试验结果表明:在试验范围内,氧气与甲烷体积比为最大的影响因素,其次为菌液量、p H值和时间,最优组合为氧气与甲烷体积比为1∶1、p H值为7、时间为5 d、菌液量为15 m L;甲烷降解率最高为35.47%。     

复合因素作用下煤样吸附甲烷的特性实验研究

为研究复合因素作用下煤样吸附甲烷的特性,利用高压瓦斯吸附装置进行温度、粒径对煤样吸附甲烷特性的影响实验,运用Langmuir单分子层吸附理论对实验数据进行拟合,应用多因方差分析的方法分析了温度、粒径二者复合条件下对煤样吸附甲烷性能的影响。实验结果表明:温度因素对煤样吸附甲烷的影响明显大于粒径因素对煤样吸附甲烷的影响,粒径对煤样吸附甲烷的影响较小,温度和粒径对煤样吸附甲烷的性能无交互影响作用,温度和粒径对煤样吸附甲烷的影响是相互独立的。     

好氧型甲烷氧化菌对风流中甲烷的降解实验

为了研究好氧型甲烷氧化菌对风流中甲烷的降解效能,分离纯化出可以甲烷为唯一碳源的好氧型耗甲烷菌株,设计出一种模拟巷道风流中甲烷降解实验装置,实现了对不同甲烷浓度、不同风流量、不同菌液体积的调控。实验结果表明:在保持风流量为200 m L/min、菌液体积为200 m L的条件下,甲烷浓度越高,越有利于甲烷的降解;在菌液体积为200 m L、甲烷浓度为50%的条件下,风流量从400 m L/min减到200 m L/min,最低甲烷浓度由42%下降到33%;在保持风流量为200 m L/min、甲烷浓度为30%的条件下,菌液量越多,越有利于甲烷的降解。     

甲烷氧化菌对煤样工业特性的影响试验研究

为了研究甲烷氧化菌对煤样工业性质的影响,制备了不同浓度瓦斯菌液改性煤样及对比煤样,对煤样进行工业分析。利用土壤培育出甲烷氧化菌,并配制浓度分别为100%、75%、50%的菌液,倒入相同粒度和质量的煤样中,浸泡一定时间后自然风干;利用工业分析仪分析不同瓦斯菌液浓度改性煤样的工业性质,对比甲烷氧化菌作用前后煤样的挥发分、灰分、固定碳含量得到:不同浓度的菌液处理过的改性煤样,其挥发分含量均有所增加、固定碳含量均有一定程度的减少;对于GY组菌液,随着菌液浓度的升高,改性煤样挥发分的增加量以及固定碳的减少量先增加后减少。     

变温条件下颗粒煤吸附甲烷微生物降解能力实验

从煤矿回风巷土壤中分离出1株TypeⅠ型Methylomarinum属甲烷氧化菌,利用微生物降解颗粒煤吸附甲烷实验装置,研究了该菌在高瓦斯压力、低氧含量静态环境中甲烷降解率随降解时间增加的变化规律,以及环境温度变化对其甲烷降解效能的影响。实验结果表明:甲烷降解率随着降解时间的增加而增大,表现为前期快速增大而后缓慢增大,最终趋于一定值,并满足关系式y=ax2+bx+c;不同氧气浓度环境下由于甲烷氧化菌代谢机制的不同,甲烷降解率呈现较大差异;在温度15～40℃内,甲烷降解体积随着温度的升高先增大而后迅速减小,符合关系式y=ax3+bx2+cx+d。     

低温氮吸附法和高压吸附甲烷法研究煤的吸附能力

选取几组不同变质程度的煤样(无烟煤、贫煤、瘦煤、焦煤、肥煤、褐煤),在液氮温度下,通过测试煤样在气体饱和蒸气压力范围内对N2的吸附过程及吸附量,绘制低温氮吸附下的Langmuir吸附曲线综合图;同时,对煤样进行高压等温吸附甲烷试验。结果表明,这几组不同变质程度煤低温氮吸附的能力依次为:无烟煤>肥煤>瘦煤>褐煤>贫煤>焦煤,高压吸附甲烷的能力为:贫煤>无烟煤>褐煤>肥煤>瘦煤>焦煤。经过比较分析,在高压条件下,二者的吸附量是有差别的。     

变压吸附法富集低体积分数含氧煤层气的研究

为了解决低体积分数含氧煤层气无法富集利用的问题,研究了甲烷体积分数为20%的煤矿抽排瓦斯的变压吸附富集过程。为了保证富集过程的安全,吸附过程中使用混合吸附剂,同时吸附甲烷和氧气,使得排放气和解吸气中甲烷和氧气体积分数都处在安全范围内。实验研究了吸附塔高径比、吸附时间、吸附剂比例、节流孔直径、反吹时间等对分离效果的影响。结果表明：在碳分子筛和活性炭作为混合吸附剂的体系中,其质量之比为3.4时可以将甲烷体积分数安全地提浓到30%以上,此时排放气中甲烷体积分数低于3%,氧气体积分数低于10%。     

等比例变压吸附法富集低浓度煤层气的安全性分析

在Coward爆炸三角形的基础上分析研究了低浓度煤层气（CH4浓度低于30%）吸附富集过程的安全性.研究结果表明,如果采用常规的变压吸附方法,使用单一吸附剂富集低浓度煤层气,在吸附过程中CH4浓度会进入爆炸极限,存在安全隐患.基于安全性和可行性分析,提出了一种安全的分离富集低浓度煤层气方法--等比例变压吸附法,采用活性炭和碳分子筛作为混合吸附剂,通过调节混合吸附剂中AC/CMS质量比,使低浓度煤层气中甲烷和氧气能按比例同时被吸附,确保整个吸附富集过程中吸附器内、排放气以及解吸气中的甲烷和氧气浓度都处于安全范围内,实现低浓度煤层气的安全有效吸附富集。     

煤的溶剂萃取物成分及对煤吸附甲烷特性影响

煤中有机小分子相是煤的重要组成部分，为分析其对煤吸附甲烷的影响，在常压下（50 ℃），采用正己烷对张集和大柳塔煤样分别进行微波辅助萃取，得到萃取后煤样（残煤）和萃取物。采用GC/MS分析萃取物成分，并依此选取柴油作为正己烷萃取物的模型物，配置含柴油煤样（简称含油煤），开展了原煤、残煤和含油煤的甲烷等温吸附实验。研究结果表明：原煤和残煤吸附瓦斯在低压阶段差异不大，随着压力的增大，原煤吸附甲烷量逐渐高于残煤；含油煤则不同，压力较大时，同一压力段的瓦斯吸附增量高于原煤和残煤，低压时吸附甲烷量虽小于原煤和残煤，但随着压力的增大，最终吸附甲烷量略高于原煤。用Langmuir和Langmuir-Henry二元吸附模型对等温吸附数据进行拟合，得出煤吸附甲烷可分为2个过程，低压阶段主要为符合Langmuir模型的煤基质表面吸附，高压阶段主要为符合Henry模型的渗入煤基质的内部（孔隙、内表面）吸附；且煤中有机小分子有助于提高煤高压阶段的甲烷吸附量。     

煤的分形维数及其对瓦斯吸附的影响

为了从分形的角度研究煤体性质对瓦斯吸附的影响,采用高压容量法测试了8种煤样的瓦斯吸附能力,并根据Langmuir方程拟合得到了表征煤样吸附能力的参数Langmuir体积和Langmuir压力。同时,根据液氮吸附实验,利用分形理论计算得到了煤样的分形维数,并研究了分形维数对瓦斯吸附的影响。研究结果表明：煤样在不同压力段时具有不同的吸附特性,因此具有不同的分形维数D1和D2。D1和D2对瓦斯吸附的影响作用不同,随着D1的增大,煤体吸附瓦斯的能力增强,而随着D2的增大,煤体吸附瓦斯的能力减弱,而且,D1对吸附能力的影响作用比D2强。随着D1的增大,Langmuir压力逐渐减小,煤样在低压段的吸附能力增强,煤体更容易吸附瓦斯,而D2对Langmuir压力无显著影响。     

煤的吸附作用对瓦斯渗流特性影响的实验研究

为研究煤的吸附作用对瓦斯渗流特性的影响,以贵州六盘水矿区的煤样为研究对象,进行了瓦斯吸附平衡前后和不同吸附气体的三轴渗流试验。试验表明,相同煤样在瓦斯吸附平衡后渗透率明显低于吸附平衡前的渗透率;相同煤样通过不同气体的渗透率具有KHe>KCH4>KCO2的规律,不同吸附气体煤样的渗透率与气体压力服从指数分布;煤体渗透率与煤的变质程度具有一定的相关性。     

基于活性炭从煤层气中分离甲烷

为探索不同工艺条件下活性炭204-Ⅱ用于从煤层气中分离CH4的效果,在温度253.2~313.2 K、压力0~0.8 MPa,采用容积法测试CH4,N2纯组分在活性炭204-Ⅱ上的吸附平衡,并在293.2 K、0.1~0.5 MPa进行CH4,N2纯组分及其混合体系在活性炭204-Ⅱ固定床上的动态穿透曲线两塔变压吸附分离试验。采用Langmuir-Freundlich模型描述纯CH4,N2在活性炭204-Ⅱ上的吸附等温线,分析不同温度和压力条件下CH4对N2的吸附选择性,明确降低压力和升高温度可以提高CH4和N2的吸附平衡差异。通过动态微分模型对CH4,N2纯组分的固定床穿透曲线进行理论模拟并计算得到传质系数,结果表明,二者传质系数基本相等,确定了CH4和N2在活性炭上的分离是基于吸附平衡差异的机理。低浓度的煤层气通过一步变压吸附过程的分离效果有限,CH4含量为20.13%和47.46%的煤层气可分别提纯至39.83%和71.38%,不同操作压力下的提纯效果接近(0.1~0.5 MPa)。     

基于吸附势理论的深部煤储层吸附气量研究

为了揭示深部煤储层煤吸附特性,量化表征煤储层吸附气量,以鄂尔多斯盆地东缘石炭—二叠系煤为研究对象,通过高温高压条件下煤的等温吸附实验研究,从煤级、温度及压力的角度解读高温高压条件下煤吸附特征。基于吸附势理论,建立了不同煤级煤的吸附特征曲线及吸附气量预测模型。应用预测模型对临兴地区石炭系8+9号煤层吸附气量进行了计算,结果表明:深部煤储层吸附气量受煤级、压力、温度的综合控制,煤级在0.77%~2.18%,即气煤—贫煤阶段,煤级和压力对煤吸附能力显示正效应、温度起负效应,且随着压力增大温度的负效应更为显著。不同煤级对应的煤吸附甲烷特征曲线不同,煤级越高则吸附势随吸附空间增大而减小的速度越缓慢。计算的绝对吸附量为19.6~31.1 cm~3/g,含气饱和度为37.8%~78.8%。     

瓦斯氛围下煤水固液接触特征

为了探明瓦斯氛围下煤水固液接触机制,搭建了瓦斯氛围下煤水润湿角测试系统,测试了CZ(山西成庄矿无烟煤)及DW(陕西大湾矿烟煤)2种煤样在不同甲烷及氦气压力条件下的润湿角变化,结合煤表面形貌测试、低压CO2吸附试验及XRD试验分析了瓦斯氛围下煤水接触角的变化规律.结果 表明,随着气体压力的增加,煤润湿角逐渐增加,但在吸附...     

吸附气体对突出煤渗流特性的影响

煤层中瓦斯渗流特性不仅受地应力、煤孔隙结构等因素的影响,还因气体吸附而发生变化。以重庆市万盛区某煤矿突出煤层原煤为实验对象,在有效轴向应力和有效围压为1 MPa条件下,利用自制的三轴渗流试验机研究突出煤吸附二氧化碳、甲烷气体对渗流特性的影响。结果表明:1突出原煤吸附-渗流过程具有明显的阶段特征,煤体变形经历了初始快速变形阶段、缓慢变形发展阶段、变形稳定阶段、收缩变形阶段和渗流稳定阶段;2气体压力越大,煤体膨胀变形越大,相同气体压力下,煤体吸附二氧化碳变形增量大于吸附甲烷变形增量;3随着气体压力的增大,气体渗流速度逐渐增大,呈显著的指数函数关系,突出煤渗透率先减小后增大,具有明显的阶段性。