基于微生物溶气技术的低渗煤层瓦斯治理效果研究

《Processes》：Research on the Effectiveness of Gas Control in Low-Permeability Coal Seams Based on Microbial Gas Dissolution

　　

为缩短低渗煤层瓦斯治理周期，通过现场试验与数值模拟相结合的方法，研究了微生物溶气技术用于瓦斯治理的有效性。首先，施工三组注入钻孔，将微生物溶气液注入煤层，并在处理3天后评价治理效果。进一步，基于多物理场耦合建模框架，利用COMSOL Multiphysics的偏微分方程（Partial Differential Equation，PDE）模块模拟了常规钻孔抽采过程，以对比常规抽采条件下煤层瓦斯压力的演化规律与溶气处理现场表现。结果表明，注入的生物活性溶液促进了甲烷氧化，并迅速降低了处理区域的瓦斯含量和瓦斯压力。经过3天的溶气处理后，注入钻孔组间重叠影响区域内的平均瓦斯含量和瓦斯压力分别较初始值下降了38.0%和80.7%。然而，随着与注入区域距离的增加，处理效果逐渐减弱，表明生物活性溶液在低渗煤层中的有效影响范围存在空间衰减。相比之下，常规抽采需约68天才能将瓦斯压力降至溶气处理3天所达到的水平，表明溶气技术可大幅缩短瓦斯治理周期。尽管如此，进一步的大规模应用仍需考虑经济可行性，并持续优化注入参数和现场施工流程。

一、研究背景与意义

煤与瓦斯突出是我国煤矿开采中最具危险性和破坏性的动力灾害之一，严重制约深部煤炭资源的高效集约化开发。目前，保护层开采和煤层瓦斯预抽采是主要的瓦斯灾害防治工程手段。常规钻孔抽采主要依靠负压抽采产生的压力梯度，驱动游离态和脱附态甲烷经煤体既有孔隙-裂隙网络向抽采钻孔运移，其效果强烈受制于煤层渗透率、裂隙连通性和钻孔有效影响半径。在低渗煤层中，甲烷的脱附、扩散和渗流过程相对缓慢，常导致单孔抽采量低、有效影响半径小、瓦斯浓度和流量衰减快、达标周期长等问题。此外，随着抽采进行，钻孔附近瓦斯压力逐渐降低，而远处甲烷补给有限，造成瓦斯卸压的空间非均质性显著，深部煤体和孔裂隙连通性差的区域瓦斯难以有效抽除。因此，常规钻孔抽采难以在低渗煤层中实现快速、高效且空间均匀的瓦斯削减。

为克服煤层低渗特性，工程上广泛采用水力压裂、无水压裂（如CO₂压裂）和爆破增透等物理增透技术，但统计数据表明我国超过95%的突出危险煤层属于典型低渗储层，孔结构复杂且连通性差，常规物理增透方法常面临抽采周期长、单孔瓦斯流量衰减快、现场适用性受限等问题，可能影响采掘衔接甚至危及矿井生产接续。因此，开发一种超越常规物理增透思路、兼具"化学降解"与"物理增透"双重潜力的原位瓦斯治理技术，已成为煤矿瓦斯治理领域的重要科学课题。

近年来，微生物溶气技术作为一种绿色、高效且具有前景的瓦斯治理新途径受到广泛关注。其基本原理是通过专用钻孔向深部煤层注入富含甲烷氧化菌（Methane-Oxidizing Bacteria，MOB）的生物活性溶液，在注入压力驱动下使菌液沿煤体孔裂隙网络运移，促进甲烷的原位生化氧化，将其转化为H₂O和CO₂等稳定产物，从而降低煤层瓦斯含量和储层压力。已有实验室研究证实，常见矿井气体对甲烷氧化菌无明显毒害或抑制作用，甲烷氧化菌对原煤中吸附态甲烷的降解效率可达43%以上，且温度、注入压力、注入量和pH值均会影响降解效率。此外，微生物处理还能在一定程度上改善煤体的平均孔径、孔容和孔连通性，使部分原本闭合或连通性差的孔隙转化为有效连通孔隙，为甲烷的脱附、扩散和渗流提供更有利的通道。前期现场应用试验也初步验证了微生物瓦斯治理的可行性，但针对低渗煤层特定条件下该技术的时空演化规律和工程适用性的系统研究仍不充分。

基于此，本研究选取贵州省某矿6号低渗煤层作为代表性研究地点，通过原位现场试验与数值模拟相结合的方式，系统研究微生物溶气技术在低渗条件下的瓦斯治理效果及时空演化特征，以期为复杂地质条件下微生物瓦斯治理技术的精准应用和规模化推广提供科学依据和工程指导。

二、研究内容与技术方法

研究人员在贵州某矿6号低渗煤层开展了微生物溶气技术瓦斯治理现场试验。首先在110609运输巷瓦斯抽采巷侧帮施工三组共12个注入钻孔，将2 t基础微生物菌剂与5 t水混合制备7 t工作液，通过乳化液泵以7 MPa恒压注入煤层。注入完成后3天，在同一区域施工6个效果检验钻孔，测定瓦斯含量和瓦斯压力以评价治理效果。同时，基于煤体双重孔隙介质假设，利用COMSOL Multiphysics 6.2的偏微分方程（PDE）模块建立多物理场耦合数值模型，模拟常规钻孔抽采条件下瓦斯压力的时空演化过程，建立与现场溶气处理对比的常规抽采参照场景。数值模型尺寸为22.5 m×12.3 m，包含12个半径0.06 m的钻孔，初始瓦斯压力设定为4.30 MPa，抽采负压为85 kPa。数值模拟所采用的瓦斯运移模型基于先前已验证的数学建模框架，模拟目的并非复现现场溶气过程，而是在与现场试验相同的地质和初始条件下建立常规抽采参照。

三、研究结果

3.1 溶气处理效果

现场试验表明，注入钻孔卸压放气初期（1 min内）有少量绿色雾状物瞬间排出，其颜色和外观与原始溶气液一致，主要为钻孔腔体和近孔区域残留的溶液。随后钻孔进入持续稳定的放气阶段，伴有明显白色雾状物，现场便携式CO₂气体分析仪确认排出气体中含有大量CO₂。白雾主要与卸压过程中液体雾化和水蒸气凝结有关，而CO₂的存在则由现场仪器测量确认。结合甲烷氧化菌的生化甲烷氧化机制和现场测定结果，可推断注入煤层的生物活性溶液与煤层甲烷发生了氧化反应。

注入微生物溶液后，位于三组注入钻孔重叠影响区域内的检验钻孔Nos. 1、2、4、6处，瓦斯含量和瓦斯压力均显著下降，平均值分别为8.87 m³/t和0.83 MPa，表明多组注入产生了明显的叠加处理效应。距注入集中区最远的检验钻孔No. 3受微生物溶液直接影响较小，其瓦斯含量和瓦斯压力在所有检验钻孔中最高，分别为12.79 m³/t和2.41 MPa。值得注意的是，No. 3钻孔瓦斯压力的降幅显著大于瓦斯含量的降幅，这主要与甲烷在煤中的赋存状态和传质行为有关——瓦斯压力主要反映孔裂隙系统中游离气的压力状态，对压力扰动响应较快；而大量甲烷以吸附态赋存于煤基质中，其释放需要经历逐级脱附和扩散过程，响应存在滞后。距第三组注入钻孔左侧、主要受单组注入影响的No. 5钻孔，瓦斯参数降幅小于重叠处理区域。综合分析，溶气处理后煤层平均瓦斯含量和瓦斯压力分别较初始值下降了38.0%和80.7%，表明高压注入条件下生物活性溶气液可沿煤体既有孔裂隙网络运移，通过甲烷氧化菌介导的甲烷氧化作用促进瓦斯削减，在3天内显著降低处理区域瓦斯参数。同时，不同检验钻孔的处理效果呈现明显空间差异，表明生物活性溶液的有效影响范围随距注入区距离增加而逐渐减小，这种空间衰减可能与低渗煤层孔裂隙连通性差、液体运移阻力大以及生物活性溶液传质范围有限有关。

3.2 常规钻孔抽采效果

以0.83 MPa为目标压力，数值模拟结果显示常规抽采条件下瓦斯压力衰减存在显著空间非均质性，距抽采钻孔越近压力降幅越大。抽采约70天后，相邻钻孔周围的低压区开始因抽采影响叠加而在钻孔间距较密区域出现重叠，但钻孔组间连通区域直到抽采约130天才完全达到目标压力。这表明常规抽采存在明显的时间滞后效应。沿监测线AB的瓦斯压力演化进一步揭示，抽采初期1天内，裂隙系统瓦斯压力从4.30 MPa骤降至约1.48 MPa（约为初始值的34.4%），形成明显"漏斗形"压力汇；而基质瓦斯压力同期变化甚微。这是由于裂隙系统渗透率较高，为瓦斯流动提供了优势通道，在煤层与抽采钻孔间大压差驱动下，裂隙中游离气快速流向钻孔。随着抽采持续，裂隙瓦斯压力持续降低，增大了煤基质与裂隙系统间的压差，促进瓦斯从基质向裂隙扩散，基质瓦斯压力逐渐下降并最终与裂隙系统趋于动态平衡。

3.3 对比分析

监测点C对应现场溶气技术应用中的2号效果检验钻孔位置。结果显示，3天处理期内，常规抽采条件下瓦斯压力从4.30 MPa降至1.30 MPa，降幅为69.8%；而溶气处理条件下瓦斯压力降至0.77 MPa，降幅达82.1%。溶气技术在相同处理时间内实现了更快的压力下降和更显著的压力削减效果。这一差异主要源于两种技术甲烷运移和去除机制的不同：常规抽采依赖负压产生的压力梯度驱动甲烷沿既有孔裂隙运移，效果受煤层固有渗透率制约；而溶气技术通过高压注入将富含甲烷氧化菌的生物活性溶液输送到煤基质孔裂隙中，微生物处理可改善煤体孔结构、增大平均孔径和孔隙率、增强孔连通性，同时甲烷氧化菌可对进入液相或与菌液接触的甲烷进行生物氧化消耗，因此更快的瓦斯压力下降是孔结构和传质条件改善与微生物氧化消耗甲烷共同作用的结果。常规抽采呈现先快速衰减后渐近缓慢下降的两阶段演化特征，需68天才能达到溶气技术3天所实现的压力降幅（0.77 MPa）；达到0.74 MPa的规控阈值需约77天，而溶气处理在继续补充注入溶液的条件下可在更短时间内达到该阈值。因此，与常规钻孔抽采相比，溶气技术可将瓦斯治理周期缩短约两个月，显著缩短低渗煤层瓦斯治理循环时间，提高作业效率。

四、讨论与结论

研究结果表明，微生物溶气技术可作为低渗煤层快速瓦斯治理的有效补充手段，尤其适用于常规抽采受低渗透率和缓慢瓦斯运移制约的场景。该技术的核心创新在于其主动的原位甲烷削减机制——不同于常规抽采依赖压力梯度驱动甲烷经既有孔裂隙网络运移，溶气技术通过注入压力将富含甲烷氧化菌的生物活性溶液主动输送到煤基质中，通过微生物活性促进甲烷的原位氧化削减，从而大幅缩短瓦斯治理周期。研究结论如下：（1）现场试验证明微生物溶气技术可实现快速瓦斯消减，处理3天后重叠处理区域平均瓦斯含量和瓦斯压力分别下降38.0%和80.7%；（2）数值模拟结果显示常规抽采需约130天才能使钻孔组间连通区域达到0.83 MPa目标压力，而溶气处理仅需3天即可达到相同压力阈值；（3）微生物溶气技术可作为低渗煤层快速瓦斯治理的有效补充手段，但大规模应用仍需优化注入参数、有效处理半径和生物活性溶液的空间分布，并系统评估其长期有效性和经济可行性。