（环境工程专业论文）利用微生物技术治理煤矿瓦斯的研究.pdf

浙扛大学博士学位论文 摘要 本论文以浙江大学华家池校区实验农场水稻田土壤作为甲烷氧化菌体系的富集源，经长 期羽化以及培养基、培养条件的优化后得到一种具有优良的氧化甲烷能力的甲烷氧化菌混合 体系以略大于煤矿瓦斯爆炸范目( 5 1 6 ) 的甲烷浓度( 0 - 2 0 ) 作为研究对象，设计 了一种生物滴滤塔，用该甲烷氧化菌体系作为挂膜的微生物，进行煤矿瓦斯甲烷的氧化从而 达到提高煤矿安全性的目的。对该滴滤塔挂膜过程以及运行工艺进行了较系统地探讨，当反 应器稳定运行后，对其去处甲烷的过程进行数学模拟，建立了生物法氧化煤矿瓦斯中甲烷的 动力学模型，预测在操作条件改变时滴滤塔净化甲烷效果的变化，从而实现对实际净化过程 的预测计算主要的研究结论如下： ( 1 ) 以浙江大学华家池校区实验农场水稻田以及杭州天子岭垃圾填埋场2 种土壤作为 甲烷氧化菌体系的富集源，经3 0 1 t 的富集培养后，比较两者甲烷氧化菌氧化甲烷的效果结 果表明，经水稻田土壤样品富集而来的甲烷氧化菌体系氧化甲烷的能力明显强于经垃圾填埋 场土壤富集而来的甲烷氧化菌体系。然后。以水稻田富集的甲烷氧化菌体系作为研究对象， 对该甲烷氧化菌体系的培养基以及培养条件进行优化，得出适合该甲烷氧化菌体系生长的培 养基组成为( g 儿) ：m g s 0 4 - 7 1 - i ：, 0 0 5 ：1 0 1 0 , 1 ；n a 2 e p 0 4 l m 2 0 0 3 6 ：k i - i ” o , 0 2 8 ：c _ , a c l 2 - 6 h 2 0 0 1 ：n i - 1 4 c 10 2 5 = 微量元素溶液l m l ；微重元素溶液配方( g 几) ：n a 2 e d t a 0 5 , 姗4 - 7 1 1 2 0 0 4 ：c e s 0 4 5 1 啪0 0 6 。对影响甲烷氧化菌体系生长以及甲烷氧化的环境条件的实验结果表 明，当培养基初始p h 为6 培养温度为3 0 c 垃：v i m 2 ：l 时，最适宜该甲烷氧化菌体系 的生长和对甲烷的氧化。在经优化的培养基以及培养条件下，该甲烷氧化菌体系能在较短时 闻内对处于瓦斯爆炸范围内的甲烷进行彻底的氧化当阻含量为5 时，4 0 h 内即可被甲 烷氧化菌体系完全利用；当c l - h 含量为1 0 时，达到1 0 0 的氧化只需要4 8 h 1 而当c l i 含 量升高到1 5 时，达到1 0 0 的氧化也只需要5 6 h ，而且，在此过程中甲烷氧化菌苗体生长 值一直呈上升趋势，表明该甲婉氧化菌体系具有氧化更高浓度甲烷的潜力存在 ( 2 ) 煤矿有毒气体对微生物技术治理煤矿瓦斯效果影响的研究表明，c o 、1 1 2 s 、s 0 23 种气体单独存在时，当c o 浓度由0 增加到煤矿安全规程规定的煤矿最高允许浓度的2 5 0 倍， h 盛和s o - 2 浓度由0 增加刭嫫矿安全规程规定的煤矿最高允许浓度的1 0 0 倍，甲烷氧化菌对 甲烷的氧化率变化都不大，甲烷单加氧酶活性虽有时表现为显著差异，但其绝对数值与对照 浙江大学博士学位论文 a 【差雁并不大，对甲烷氧化菌氧化甲烷的过程并未造成显著摊翩作用，有时候反而表现为 一定的促进作用。因此，可以说在煤矿可产生的c o 、i t & s 0 2 浓度范围内。单一的c o 、 i 硒、s 0 2 对本甲烷氧化菌体系无明显的毒害作用由3 种气体混合影响试验表明。尽管3 种气体的混合对甲烷氧化菌体系氧化甲烷的效果产生了轻微的抑翻作用，甲烷氧化率与对照 闻差异不显著( p ，o 胚) 。由于所设定的实验浓度远远超出煤矿所规定的这3 种气体的安全 浓度，所以在煤矿可产生的c o 、1 1 2 s 、s 0 2 浓度范围内，、h 2 s 、s 0 2 对本甲烷氧化菌体 系也不会产生明显的毒害作用在舍有c o 、i - 1 2 s 、, s 0 2 而不接种甲烷氧化菌的样品中均能检 器到c o 、1 1 2 s 、s 0 2 的存在，但接种有甲烷氢化菌的样品中却检溅不弱c o 、i t & s o e 的 含量，说明在本甲烷氧化菌体系中存在着可以利用c o 、t 1 2 s 、s 0 2 的微生物种。这可能是 c o ，x 2 s 、s 0 2 在所研究的浓度范围内对甲烷氧化菌体系氧化甲烷的效果无显著影响的原因 之一。s d s - p a g e 图谱表明，在c o 、h e s 、s 0 2 的单独存在下，所有样品的条带数量以及 位置并无显著差异，这说明所研究浓度范围内的c o 、h 2 s ，s 0 2 对甲烷氧化菌体系并无明显 的毒害作用。3 种气体一起存在时，s d s - p a g e 图谱上缺失一条条带，但此时甲烷氧化菌体 系韵甲烷氧化率以及m m o 活性变化都不大。说明该缺失的条带与甲烷单加氧酶无关，所有 试验结果都表明，在煤矿可产生的c o 、i b s 、s 0 2 浓度范围内，对本甲烷氧化菌体系不产生 明显的抑制作用因此，用本甲烷氧化菌体系处理煤矿瓦斯是稳定、安全、可靠的。 ( 3 ) 对生物滴滤塔处理煤矿瓦斯的工艺研究表明，对6 种填料通过静态以及动态挂膜 进行比较筛选，大陶粒以其适宜的比表面积、粒径以及密度，用其作为填料的滴滤塔能得到 较大的氧化甲烷能力以及较强的抗冲击能力，非常适合作为处理煤矿瓦斯的生物反应器的填 辩。生物滴滤塔处理煤矿瓦斯的性能研究表明，生物滴滤塔的容积去除负荷随容积负荷的增 加而增加。当导入口体积负荷增加到一定程度时，容积去除负荷将不再随着导入口体积负荷 变化而变化，而是维持在一个稳定水平而且对于不同的停留时问，这个稳定值基本相当， 约为1 4 7 0 m g 甲烷，l 填料h ，此值也就是滴滤塔最大的氧化甲烷能力；当导入口甲烷浓度 较低时，生物滴滤塔具有较高的甲烷去除率。而当入口甲烷浓度升高时，滴滤塔对甲烷的氧 化效率开始下降，且停留时间越短，漓滤塔对甲烷的氧化效率也下降得越快；当导入口甲烷 浓度较小( 2 ：1 t h em e t h a n o m ) p h i cs y s t e mc o u l do x i d i z em e t h a n e a b s o l u t e l y w i t h c o n c e n t r a t i o n i n t h e e x p l o s i o nr a n g e o f c o a l m i n e g a g w i t h i n a s h o r t l i m e u n d e r t h e o p t i m u mm e d i u ma n dt h ec u l t u r i n gc o n d i t i o n s i tt o o ko n l y4 0 hf o rt h em e t h a n o t r o p h i cs y s t e mt o e l i m i n a t em e t h a n et h o m u g l d yw i t hm e t h a n ec o n c e a t r a t i o no f5 a n d4 8 hw h e nt h em e t h a n e c o n c e n 缸a t i o nw a s1 0 畦5 6 hw i t ht 5 m e t h a n e t h em e t h a n u o p h i cs y s t e ma l w a y sk e p t i v 浙扛大学博士学位论文 i n c r e n s i n go fo d 缸t h ep l o fm e t h a n eo x i d a l j o l m , i n d i c a t i n g t h a tt h em 甜啪呻眦l p h i c s y s t mh a dt h ei m 蜘t i a lt oo x i d i z ei n n h l l n cw i t hah i g h 日c o n e e n t r a t i o n 圆t h e 朋诅i 皿o fp o i s o n o u sg a s e s t h eb i o - o 殖l a l i o no fm e t h a n ei nc o a lm j 衅g a s 眦勰t kf o l l o w s = 九勰t h er e s u l t so fl k 嘞f l c ：t o l r 壤弘而蚴扭，山帆嘲击蝴 吐霉e so fc i - 1 4o x i d a t i o nt a l cw h e nt kc o n t e n to f1 2 0i n c r e a s e df r o m0 岫2 5 0a m e s , a n d t h e s m ew h i l el t 2 sa n ds 0 2i n c r e a s e df r o mo1 01 0 0t i m e sa st h ep e r m i u e d ：o n l e l a ls e tb yt h e l l a t i o m dc o a lm i n es a f e t yr e g u l a t i o n s , a n d s i g l a l i f i e a n ti n h i b i t i o nw a so b s e e di nt h ea i o x i d a t i o np r o c e 甄a l t h o u g l a s o m e t i m e st l a e r ev g c i ：d e a rd i 野i nt h ea c t i v i t yo fm m o t h e r e s u i ! i n d i c a t e dt h a tt h ep o s s a 曲i ec o n e l r a l i o n so fs i i i g l cc o , i - i s s o ；i nt h ec o a lm 函e 萨 c o u l dn o l 把s 岫t km 伽d 扣i i yo fm n k 咂岫枇s y 鼬眦h m 盹喝t h em i x t l mo ft h el h 蛐o f g bh 柏丑i n l b i t o t yc 触幻t h ea i 伪词妇o f t h em 甜l 柚讷曲i cs 笋把ma l t h o u g hi t w a s s l i g h t dn o td i s t i n c t ( p 0 0 6 ) i tc o u l db ec o l l u d e dt h a tt h ec o - e y i i 蜘c co f c o , r l z s , 柚d s 0 2i nc o a lm i n eg a sw o u l dn o tp r o d u c eo l w i o t t si n l , b i l i o n 幻t h cm e t h a n t r o p l a i es y s t e m 罄t h e c o n t e n to ft l a ct l n c ek i n d so fg a st e s t e d f a rh i g h e rt l a mt h ec o n t e n tl i m i to ft h a t1 3 c r m i t t e d 姆 t h e n a t i o n a l c o a l m i n e s a t e t y l t e g t l l a t i o n n b v a l u a b l e c o n t e n t s o f c o 、l 磷、s 0 2 i n t h es a m p l e s c o u l d b ed e t e c t e da f t e r i 咖蛔l 蛔血茁4 8 h o l l a s , i l l u s t r a t e d t h a ts 0 1 1 舱s p e c i c s o f b a c t e r i a t h a t 鲫h a 由删c o , l - i 。s , a n ds o zs l m , q v e di nt h cm e t h a n t r o p hs y s t e m t h i sm a y l 毙w a so 噼o f 曲t p o s s i b l er e a s o l o l s t h a tc o ，r l z s ，a n ds 0 2 缸t h et c s l e dc o l l e e n l t a f i o j 畦d i dn o tp f o d u c l c 盯 i n h i b i t i o ot ot h em e t h a t r o l , hs y s t m n od i s t i n c t 击矗h h c o u l db co b s e r v e da m o n gt h eb a n d s o fs i ) s - 1 p a g i bo ft h e 唧l ca 【 c o - z , c 0 - 5 , i - i ，s - 3 ，l 玲5 ，s o t - 3 ，a a ds o t s , “g 脚gt 虹 m cm e t h a n o t m p l as y s t e mw o i i 埘n o l 弘。岫c i e 缸a 船掣：珥= ym 邓。嗍i oc o , 嶙柚ds 0 2 糠 t h et e s l e l tc o n t e n t i - l o w e w r , eb a n do f 曲bs a m p l ew i t h 棚t l r e eg a s e se x i s t e dw a s 面酬 c o m l , a i c dw i t ht h eo l h e r 唧l a l t h o r 日g h 协em e t h a i l eo x i d a t i o n 眦a 瓤dt h em m oa e t l v l t y d i d n th a v ee v i d e n tv a f i 铀擀w h i e l ai m p l i e at h a t 曲时m i s s e db a n dh a di _ od i r c c r e l a t i o nw i t ht h e m m o a l lt l a e p c r 洫蛐tr e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt i l ep o s s i b l ec o n t c n l so fc o , l i 焉a n ds 0 2i a t h ec o a lm 硫g l si nt h i s 嗍hd 硒b o tp 妇d e 缸i n h i b i t i o nt ot h ea i o x i d a t i o n 岫醛 m e t h a , l r o p h i cs y 醴e m 1 h e l c f o l r c , t h e “l o 州o f t l a i sm c l h t i l d p h i cs y s t e mw o u l db es t a b l e , s a f e a n dr e l i a b l ef o rt m a f i l gt h ec o a lm i n eg a s ( 3 ) 1 五eo p e r a t i o np f o 氍o ft l a eb i o f i l l a rw h i c hw 疆u 耻dt 0c o n t r o lm c d l a n ee 0 1 e e n t r a t i o n t r a d e rc o a lm i m1 i v i i ss y s t e r n a t i c a l l y 咖醅。d s i xk h i d so f 1 m c k i a gm a t e r i a l sw e mc o m i c a l , i t v 新扛大掌博士学位论文 s t a t i ca n d 由础s l a t e s t h er e s u l t s 白凼嘶酣m 吐t kb i o 血盱f i n e dw i t hl a r g es i z ef i l t l a t i o n l 喇r e e l a i n 蛐h a d t h c b i g g e r 蝴妇诫酗g 喇妇a n d s t a m l 逾缮缸t h e w a l l o p o f t h ei n l e tg a sw i t hi t s d p 盯印础cs l l l f l l c ea r e a , 岫d i a m e t e r 砌d e n s i t y , a n d 硼t h em o s t a v a i l a b l e o 鸹t h e 五啦喀m a t e r i a l o f t l k b i o t i l l e l r t o m o m e t h a n e i n c o a l m i n e s t h e m e t h a n e e l l m i n a l i o nc a p a c i t yw c l l t 坤a l o n gw i t hm e t h a n ei n l e tl o a a 迦如嘞ga f t e rt h eb i o f i l t e r o l r a t e dm b l y h o w e v e r , i tw o u l dk e q , a las t a b l el e v e l l h c nt h ei n l e tl o a d i n go fm c l l a a t l t l e i n c r e a s e dt o 蜘ct k - g r c e 1 1 略m e t i n t 地r e m o v a le f f i c i e n c yd i dn o t 吐a 鸣c ，b mr e m a i n e dn r a r l y 1 4 7 0 m g 加b f o r d i 矗 c r c n t m 3 r t ( e m p t y b e dr e t t i o n 峨w h i c h w a s j u s t & o l , a m a lr e m o v a l a 噼a d l y o l t l a i s m 讲瑚觑t h c b i o e t l t e r h a d i i h i g h e r m e t h a n e r e m o v a l r a l l ：辅1 1 1 c l m t h e i n l e t m d h 柚c e o n c e n l r a l l o nw a sl o w e r , a u dw o u l dd i m i n i s hi tw 刘ht h cf l i r t e ri l d i c i e , a l o fi n l e tm e t h , 1 m c o n c e n t r a t i o n 1 km e t l w * r e m m , a l 鹏矗譬”a s e dd r a m a t i c a l l yi lt l a ce b r tw a ss h o r t e r 砸k e t i e e to fe b 盯t h em e t h a n er e m o v a lr a t ew a sn o e v i d e n tw h e 丑t h ee o o c e a l r a f i o no fm e t h a n e w a sl o w e rt h a n5 0 m g lw i t ht h ee o n o m t r a t i o ni n c r e a s i n g , t h eb i o f i l t e rh a dah i g h e rr e m o v a lr a t e o f m e t l w l e 袖c n f i l e e b r t w a s l o n g e r e a c h s e c t i o n o f t h c b i o t i l t e r h a d v a l j o u s n t l i b i i l i o l 堪t o t h em e t h n n er e m o v a lw i t hd i f f e r c l a ti n l e tm e t h a n ec o n c e n t r a t i o n t h ef i r s t l j o no f b i o f i l t e rh a d t h em o s tc o l l m t m t i o nt ot h em e t h a n er e m o v a lw i t hl o w e ri n l e tm e t h a n ec o n c e n t r a t i o na n dl o n g e r e b r to h cg a sf l o wr a t e 卿) w l o w ) m o ft h ee o n t f i l r a t i o l lf a l e sb e t w e e nc 曲 s l t i o i bv i o l l l dd i m i n i s hw h e ni n l e tm e t h a n ee o n e e n l r a f i o ni n c r e a s e d m o r ee o n l n l o u f i o n 沁 m e t h a n er e m o v a le t t i c n c yb yt h es e c o n ds e c t i o no ft h er e a c l o rw a so b s e n c e dw h e ne b r tw a s s h o l t l c l tf n i n l e tg f rw a s h i g h ) t h c 醴f e c lo f l i q u i df l o w r a t et l - 风) o n 伍co p e r a t i o no f b i o t i l t e r w a sn x b s i g n i 矗e a o ta lh i g h e ri n l e tm e t h a n ec o n c e n t r a t i o n sa n d ( 3 f r w h e ng f ra n dt l a ei n l e t m e t h a n ec o a c ：e n l t a f i o nv c r l ：l o w ( 3 0 t h 3 5 r a g l ) , t h em e t h a n cx l m o v a lt a t ch a dr i oe v i d e n t v a r i a n c ew i t ht h el i q u i df l o wn l eo f r ) f l r o m2 5 m l m i ni oz r n l l 向畦mt h a tl f rk e - p ta t7 5 m l m i n 咄a l , p r o p r i a t ew h e n ( 3 f r w a l la t3 0 - 9 0 i _ h w h e n ( 3 f rm si o w c l rt h a n6 啦庙。a n dl 1 f r 砒 7 5 m 1 m i n ，n u t r i t i o nl i q u i dm u s tb es p r a y e de a c hl o ba g a i nt oh a v ee j l o u s hw a l c rf o ras t a b l e m e t h a n eo x i d a t i o n ：l t o w c v e l r , w h c l b ( 3 1 7 ri sh i g h e rt h a n6 0 t b , t h es p r a y i , gf r e q u e n c ym u s tb e e n l l a l l c e df o ri 【e e p i n gt h eb i o f i l mg r o w i n gr e g u l a r l y 1 l * b i o l i l t e rh a d a t c e l l c n ta b i l i t yt od e a l w i 血u n e x p e c t e de v e n 扭a n dl l d l 3 1 f q l i l l c l i o l f l l i tt o o ka b o u t9 1 af o rt h eb i o f i l t c rt on 埔“ i et h em e t h a n e o x i d a t i o nr a i l = a t l e r3 d a y so fr o n 血gi n t e r r e g n u mw h e ng f rw a s4 5 l h 。a tl e a s t1 6 hi ft h e b i o t i l t e ri n t e r m i t t e dr u n n i n gl o r 勿毋蕊刀* o l j c n t i o nl i f e , - s p o fb i o f i l t e rb i o f f l mw i t ht h el a r g e 访 浙江大学博士学位论文 s i z em 蛔t i o np o r c e l a i nb a l l s 鸹阳她m a t e r i a lh a da b 0 毗1 出y sw h e ng 风4 5 i k l f rw a s7 5 岫d 唰l h = i y l o l m , a , l r i gw h i 也位b 砌衄h a dag o o d l , c r f o , m a m 幻o x i d i z em e t h a n e a f t e rt h a t , i t ie a l e i t yt o ”im t h a l a cg o tw o i s cn 曲 i km o u l dl , r o p a g a t e a 缸t h cb i o f i l t n ( 4 ) t h em i i 州ck i n e t i cm o d e l 细m 岫m ，sh i r e m o v a la n da b s o l 脚恤妇o f t k b i o t i l m 洫t k m o 句阻缮咖o m a r d e t e dm , = o r a i n g 幻位m a t e r i a l h d 柚a n d t y p i c a l l 血p m l r 曲g 啊舾f o r m u l a , 卸ds h o w e d f o l l o w e + h 一 h + 一瓮等 t h er e s u l to fc o n t r a s l i n ge x p e r i m 酬v 舡1 1 d l e s协也es i m 埘鲥i 叫d a t aw i t h 幢a b o v e f o r m u l ao 重t h co u t l e t 枷a 地e o n c e n t m l k mi n d i c a 蜘t h a tt ks 洫u l a t i o nd a t a 丽血血ek 函d i c m o d e lw m r e a l l ya p p r o a c h i n gt ol h ca 【p 幽e 哪d v 2 h l l c i ka l lt k 一le o e l t l c i c n 纽m k g h 日t h l m0 9 4 t h es i m u l a t i o nd 出h a dg o o am mw i t h 妞唧啪m md 出0 f 恤 b i o - r e m o v a la 啦a c i t yw h c ng i 嗽a n d 山c 幽c m 伐丑h a l i o no fm e t h a n ew e i o w 既os o m e d e v i a t i o na 卵伽谢g r a d u a l l yb c 蛔mt ks i m u l a t e dd a 妇dt h c “弘妇t 缸v a l l l e sw i t hg 豫 a n dt b ci n l e tm e t h a n e h d 妇m 咖昏h 0 w l h en 妇fe o e t j f i e i e n t s0 f 也ct w o s u r p a s s e d0 8 9w h e l l lt h cm e t h a n e n c e n t r a t i o n s w i l h i nt h em 孵o fm 2 0 t e s t e d 缸t h i s w o r k s u c hr e s u l 忸d 咖s 打a 砌t h a tt h ck i n c l i cm o d e lc o n s m l e t c di r a s e dmt h c 。a h 町p t i 蛐由i 0 拭m ”t h e o r yw 鹋v a l l i a b l ya 弭d i e dt ot h em e 血抽e m 明证l m r o c e s s0 fm eb i o t i l 虹 hc o a lm i n e s 1 ks i l l m _ _ l , 州i o nf o 删hc o u l db er e a l i z e d 面t h c 班孤呔粗p r o e e u , m i 删ho 曲盯 s e 伊i d a n e ea n dh e l pf 研t h er e l a f i v ct h e o l 3 , s t d ywl r a c t i e a lo l , c r a t 缸 l k e y r o r d l s = c o a lm i n e 髓s ；m e t h n e ；m e t l l a n o t 螂b ；m e d b mo p l i m i z a f i o n ；p o i s o n o u sg a s ； b i o 伺t c f ：k i n e t i cm o d e l 浙扛大学学位论文 第一章绪论 随着科学技术的飞速发展，我国的国民经济也在迅速提高而社会的进步，始终离不开 充足的能源。煤炭，虽然不是一种清洁能源，但在各种新兴清洁能源尚难以满足国民大生产 需要的今天，其在各种自舔中的地位仍然是举足轻重的但是煤矿生产环境恶劣，重大灾害 事故时有发生，其中以瓦斯灾害最为严重，造成大量的人身伤亡和巨大的财产损失，被称为 煤矿安全生产的。头号杀手，是我国矿业发展中亟待解决的重大问蘑，国家一直把瓦斯治 理作为安全工作的重点 1 煤矿瓦斯灾害以及现有防治措施 1 1 煤矿瓦斯的定义以及其造成灾害的现状 矿井瓦斯是井下有害气体的总称( 刘其志等，l 螂) 古代植物在成煤过程中，经厌氧 微生物作用，植物的纤维质分解产生大量瓦斯此后，在煤的碳化变质过程中，随着煤的化 学成分和结构的变化，继续有瓦斯不断生成，以吸附或游离状态储存在煤层及邻近岩层之中 在长期的地质年代里，由于沼气的比重小，扩散能力强，地层又具有一定的透气性，以及地 层的隆起、侵蚀，大部分瓦斯都已逸散到大气中去，只有小部分至今还被储存，随着井下采 煤过程的进行，会不断地从煤和围岩中涌出其主要成分是a k0 0 2 、c o 、1 1 2 s 、c z r l h 、 劬k 玛、s 0 2 等由于c l i 占9 0 以上，因此瓦斯一般就是指甲烷c i i 瓦斯无色、无味、比空气轻，化学性质在常温状态下非常稳定。但是，若其在空气中达 到一定浓度，就会对矿井造成安全威胁。瓦斯对矿井安全的威胁主要有：爆炸、突出、窒息 3 种表现形式( 魏振宽等，2 0 0 2 ) 瓦斯突出是指随着煤矿开采深度的增加、瓦斯含量逐渐 升高，软弱煤层突破抵抗线，瞬问释放大量瓦斯和煤而造成的一种地质灾害( 李军涛等， 2 0 0 5 ) 煤矿开采深度越深，瓦斯瞬阄释放的能量也会越大瓦斯突出和瓦斯爆炸是2 个概 念，但灾害都源自瓦斯瓦斯突出是一种地质灾害，在大量的有害气体瞬问涌入后，瓦斯浓 度达到3 0 以上，会形成窒息，但不一定会发生爆炸事故但如果出现以下3 种情况后， 会引发爆炸事故。一是空气中氧气含量达到1 2 以上，二是瓦斯浓度达到5 1 6 之问， 三是遇到明火，点火温度达到6 5 0 ( 2 以上( 王兴宝，2 0 0 3 ：张华等，1 9 9 8 ) 。在煤矿安全事 浙扛大学博士学位论文 故中，瓦斯爆炸是经济损失最大、人员伤亡最多的事故，也是对社会影响最大的重特大事故 煤矿中一旦发生瓦斯爆炸，将会给矿井带来严重的后果，其危害主要体现在以下几方面： 人员伤亡瓦斯爆炸后产生的冲击波超压给附近人员造成冲击伤，高温火焰还造成烧伤。我 国煤矿伤亡事故中瓦斯爆炸伤亡人数占首位，其中掘进工作面发生瓦斯辱炸事故的次数又最 多圆诱发煤尘爆炸一般局部瓦斯爆炸的破坏范围不会太大，但如果诱发巷道中沉积煤 尘謦炸，则必然扩大破坏范围，有时会波及整个矿井另外蠛尘燃烧反应不完全时会产生大 量c o 致使人员中毒死亡，给救护造成困难大量事故调查报告证明煤矿中的重大恶性事故 往往是瓦斯、煤尘都参与爆炸造成的。( 3 ) 造成火灾矿井火灾易引发瓦斯爆炸，反之瓦斯 爆炸也易引起矿井火灾，瓦斯爆炸产生的高温火焰能使井下坑木、煤炭等易燃物燃烧，扩大 灾害范围。( 4 ) 破坏设备及通风系统瓦斯爆炸产生的高温高压气体会使波及到的通风、 生产设备受到不同程度的损害，有的甚至造成巷道垮塌和整个通风系统破坏 目前，我国所有煤矿均为瓦斯矿井，据统计，在1 0 0 个国有重点煤炭生产企业的6 0 9 处矿井中，高瓦斯矿井占2 6 8 ，煤与瓦斯突出矿并占1 7 6 ，低瓦斯矿井占5 5 6 。国有 地方和乡镇煤矿中，高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井占1 5 左右( 国家安检局，2 0 0 3 ) ，瓦 斯事故频繁( 表1 - 1 ，1 - 2 ) ，每年因瓦斯灾害造成的死亡人数达2 0 0 0 人以上，直接经济损失 高达7 5 亿元仅根据最近1 5 年的统计，因瓦斯事故而死亡的人数约占煤炭行业工伤事故 死亡人数的3 0 4 0 ，占重大事故的7 0 8 0 ，直接经济损失超过5 亿元( 王一娟， 2 0 0 5 ) 。瓦斯事故造成的人员伤亡和巨大经济损失，在社会上形成很大负面影响。近年来， 我国煤矿瓦斯灾害事故仍呈不断上升趋势，给煤矿安全生产造成了极大的威胁，煤矿安全生 产的形势严竣 衰1 - 12 0 0 5 年4 月十月发生的瓦新事故( 1 5 起) t a b l e l - 1f i f t c e ac o a l m i a c g a s d i s a s t e r s i a a p r i l , 2 0 0 5 时同地点事故死亡人数 4 3 0 责州毕节地区纳雍县鬃岭镇嫩草冲煤矿 瓦斯爆炸1 2 4 2 8 陕四捐罔巾界城曲郓工贾公_ 可上峪u 联r瓦斯爆炸 挖 4 2 8重庆巫山县福田镇大门坡煤矿瓦斯窒息 3 4 2 8贵州遵义市风冈县安山煤矿瓦斯爆炸6 4 2 8 江西省乐平矿务局涌山煤矿瓦斯突出 4 4 2 7 安徽省滁州市琅琊区铜鑫矿业公司瓦斯火灾 3 4 2 6 内蒙古自治区乌海市海南区康海煤矿瓦斯爆炸 1 2 4 2 4 贵州省遵义市习水县和佳堰煤矿瓦斯窒息 4 4 2 4 山西晋城市高平县野川镇杜寨煤矿瓦斯火灾 4 4 2 3河南省许昌市禹州苌庄乡梨园沟福顺煤矿瓦斯火灾1 2 2 浙扛大学博士学位论文 伯安徽省淮南矿业集嘣庄孜矿 瓦新突出 7 4 1 5 河北省张家口市下花园区兴隆山煤矿瓦斯爆炸 5 4 1 5 贵州省黔西南州安龙县龙山镇龙宫煤矿瓦斯爆炸 1 0 4 1 0 重庆永川i 县双石镶石门联合煤矿瓦斯爆炸 3 u 重庆市天府矿业有限公可三汇一矿瓦斯爆炸 2 3 表1 - 2 最近几年来1 次死亡人以上的瓦斯事故 h b l e l - 2 c o a l m i n e g a s 击嘲m i e s u l t e d 缸3 0 p e o p l e s d e a t h h i e c e m s e v e r a l 邺 年份地点死亡人数 2 0 艏1 0 河南省鹤煤( 集团) 公司二矿 3 4 2 d 0 5 7阜康煤矿 8 3 2 i 加5 7山西宁武贾家堡煤矿 3 6 2 0 晒6繁峙县义兴寨金矿3 7 力d 0 5 j 河北省承德市暖儿河煤矿 4 5 2 0 0 s 3山西朔州细水煤矿 7 2 2 0 0 5 2 辽宁孙家湾煤矿瓦期爆炸 2 1 4 2 0 0 4 1 1 陕西陈家山煤矿 1 6 6 2 0 0 4 1 l河北沙河煤矿 6 5 0 d 0 4 1 0河南大乎煤矿1 4 8 2 0 0 4 j山西省吕集地区蔡家沟煤矿 3 3 2 l m 3 1 l江西丰城煤矿 4 9 2 0 0 3 5安徽芦岭煤矿 8 6 2 c 1 0 3 3山西吕粱孟南庄煤矿 7 2 2 0 0 2 - 7 黑龙江鹤岗鼎盛煤矿 3 9 2 d 0 2 6黑龙江鸡西煤矿 1 2 4 2 0 0 1 1 1山西1 0 0 多 2 1 4 陕西铜川煤矿 3 8 经过几十年的开采，我国大多数煤矿都将或部分已经转入深水平开采，瓦斯浓度越来越 大，隐患越来越严重，很多低瓦斯矿井也将陆续转变为高瓦斯矿井或煤与瓦斯突出矿井瓦 斯灾害治理得好坏，已成为目前各类煤矿尤其是高瓦斯矿井兴衰存亡的关键因素之一 1 2 煤矿瓦斯灾害防治的研究现状及存在问题 l 工l 煤矿瓦斯灾害防治的研究现状 长期以来，瓦斯灾害防治一直是众多专家、学者和煤炭生产一线技术人员研究并寻求解 决的重要课题为了防止瓦斯爆炸，现在采取的主要措施就要避免瓦斯爆炸的3 个条件同时 成立。矿井生产中，常规的办法，一是防止瓦斯积聚，不允许采掘空间出现瓦斯浓度超限， 即采掘空间的瓦斯浓度远远低于瓦瓤爆炸的最低值l ；是防止瓦斯被引燃，采掘空间内不允 3 浙江大学博士学位论文 许出现火源。三是防止瓦斯爆炸事故的扩大根本措旌是前面两个控制氧气的浓度目前不 是报现实，采掘工作面的氧气浓度不能低于1 2 ，否则无法保证人员正常呼吸的要求，氧 气浓度太高容易发生燃烧和煤尘謦炸多年来所形成的防治方法主要有( 郭西山等，2 0 0 3 ) ： 1 对高瓦斯矿井进行预抽放 瓦斯抽放是高瓦斯和突出矿井不可缺少的一个重要预防措燕，是减少矿井瓦斯涌出量、 防止瓦斯爆炸和突出的治本措施，同时也是开发利用瓦斯能源、保护大气环境的重要手段 2 强化矿井通风以稀释瓦斯浓度 采掘工 乍面的瓦斯随着工作面的生产不断涌出，对于瓦斯浦出不太大的矿井，可以通过 向工作面不断供风将生产中产生的瓦斯稀释，并通过主要扇风机带出地面捧入大气来降低采 掘工作面的瓦斯浓度 3 根据地质信息圈定鑫瓦斯地带，进行瓦斯的强测预摄 瓦斯赋存运移与地质因素有着密切的关系用地质的观点来分析瓦斯赋存运移规律，对 于瓦斯的预测预报有十分重要的意义，有助于矿井瓦斯地质预报和矿井安全生产。 4 从管理上严格井下 # 业规程并加强瓦斯监箦 目前，煤炭行业对矿井瓦斯管理的方针是。以风定产、先抽后采、监测监控。，明确要求 矿井的产量要根据矿井的通风能力来核定，产量越大，绝对瓦斯涌出量就越大，风捧瓦斯的 难度就越大。对高瓦斯矿井，是不可能通过通风来解决采掘空间的瓦斯i 目最的，必须迸行抽 放瓦斯矿井必须通过建立监测监控系统来加强安全管理。现在许多矿井都建立了矿井安全 生产监测监控系统，这是提高瓦斯矿井的安全管理的最有效的辅助手段 瓦斯灾害防治的其他辅助手段主要是控制并下火源、建立防隔爆、抻爆和个人防护体系、 加强瓦斯监溯。电器防爆、使用抗静电和阻燃性材料、使用煤矿许用安全爆破器材、有效防 治煤层自然发火、有效控制外因火灾等措旋是控制井下火源的主要途径；建立防爆抑爆体系 是把瓦斯馔尘嚣炸控制在最小破坏范围内；建立个人安全防护体系以确保灾害发生时尽量减 少人员伤亡；加强瓦斯监测可实时发现瓦斯灾害预兆，以便及时采取措旎消除灾害隐患 此2 存在闩题 瓦斯的治理是一个世界性的难题，目前还没有根本解决瓦斯灾害的办法因此，许多发 达国家，为了减少事故的发生，禁止开采瓦斯涌出量大的矿井。而只开采瓦斯涌出量小的矿 井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7 0 以上，煤炭 4 浙江大学肚掌位论文 的产量直接影响国民经济的发展( 朱旺喜等，2 0 0 4 ) 这就导致了在我国只要有煤炭储备的 地方，不管是低瓦斯还是高瓦斯矿区，都在积极地创造条件开矿而我国的矿井之多。分布 之广高居世界首位。我国所有煤矿均为瓦斯矿井，大中型煤矿中，高瓦斯矿井占2 0 3 4 ， 突出矿井占1 9 7 7 ( 籀启炜等，2 0 0 3 ) 小型煤矿中，高瓦斯矿井占1 5 2 e ；6 ，这是造成瓦 斯灾害较多的原因之一 第二，我国煤矿地质条件以及由此而形成的煤矿