3.7. Теоретические положения микробиологических воздействий

Параметры процесса. Выше отмечалось, что процесс окисления метана бактериями неразрывно связан с их размножением в экспоненциальной фазе развития, которой предшествует фаза адаптации к условиям уголь­ного пласта. Основным источником углеродного питания бактерий является метан, заключенный в угле. Угольный пласт имеет систему пор и трещин, обусловливающих фильтрацию бактериальной сус­пензии и воздуха по пласту. Фильтрация суспензии и воздуха на­рушает равновесие в системе уголь - газ, в результате чего проис­ходит десорбция метана, который, растворяясь в бактериальной суспензии, усваивается микроорганизмами.

Такое представление о процессе позволяет рассматривать уголь­ный пласт и бактериальную суспензию как некоторую систему.

Исходя из общих закономерностей развития микроорганизмов в закрытых и открытых системах, реализацию микробиологического воздействия на угольные пласты можно осуществить в цикличном и непрерывном режимах.

Под цикличным режимом воздействия понимается последова­тельное нагнетание в угольный пласт бактериальной суспензии и воздуха (пневмообработка).

Непрерывный режим характеризуется одновременным нагнета­нием в угольный пласт бактериальной суспензии и воздуха (бакте­риального аэрозоля).

Реализация цикличного режима воздействия позволяет диффе­ренцированно оценить эффективность микробиологического воздей­ствия за счет увлажнения, пневмообработки и непосредственного окисления метана бактериями.

Реализация непрерывного режима воздействия позволяет наи­более полным образом использовать потенциальные возможности бактерий по утилизации субстрата (метана) и, кроме того, непре­рывные процессы поддаются управлению, следовательно, и авто­матизации процесса.

Поэтому непрерывный режим воздействия более эффективен по своим показателям, чем цикличный.

При фильтрации бактериального аэрозоля по пласту в каждом элементарном участке пласта происходит приращение биомассы, которой соответствует некоторое потребление метана. Вследствие неразрывности потока в каждом элементарном объеме угля проис­ходит замещение объема бактериального аэрозоля новым объемом. В результате постоянного обновления бактериального аэрозоля в угольном пласте осуществляется равномерное окисление метана бактериями в пространстве и во времени.

Основным условием реализации непрерывного режима воздей­ствия является согласование темпа нагнетания бактериальной сус­пензии с динамикой развития клеток. Поэтому общее время пребы­вания бактерий в угле будет складываться из времени их адаптации t_ад к условиям угольного пласта и времени развития их в экспонен­циальной фазе :

, (3.73)

при

, (3.74)

где - константа скорости роста клеток; х₀, х_п - начальное и конечное значения биомассы в суспензии.

Объем бактериальной суспензии V_ф, который может принимать участие в процессе фильтрации, определяется исходя из фильтрую­щего объема угля q_ф и веса обрабатываемой зоны участка плас­та G:

. (3.75)

Тогда темп нагнетания бактериальной суспензии составит:

. (3.76)

Исходя из условий непрерывности потока мгновенное окисление метана бактериями определяется по формуле:

, (3.77)

или

, (3.78)

где а - активность клеток; х - концентрация бактерий в момент времени ; - исходное значение биомассы.

Проинтегрировав выражение (3.78), получим значение съема метана ( х) за счет жизнедеятельности бактерий в экспоненциаль­ной фазе развития:

. (3.79)

Значение , отнесенное к общему времени выдержки бактерий в угле, позволяет получить скорость окисления метана микроорга­низмами:

. (3.80)

Уравнение (3.80) показывает, что с повышением активности (а) и насыщения пласта суспензией скорость окисления метана бактериями увеличивается. На скорость окисления большое влия­ние оказывает период адаптации клеток (t_aд) к условиям угольно­го пласта.

При t_aд -> 0 можно получить максимальную скорость окисле­ния. С точки зрения физиологии микроорганизмов данное условие можно реализовать путем применения специальных технических систем, позволяющих предварительно адаптировать культуру метанокисляющих бактерий к условиям угольного пласта.

Зная скорость окисления v и необходимый объем метана х_н, можно рассчитать время микробиологического воздействия:

. (3.81)

При выражении необходимого съема метана бактериями через эффективность Э_м по снижению природной метанообильности уг­ля х₀ общее время воздействия равно:

. (3.82)

Достаточным условием реализации непрерывного режима воз­действия является насыщение бактериальной суспензии воздухом в соответствии с физиологическими особенностями развития метанокисляющих бактерий в пределах действия определенного парци­ального давления кислорода в метано-воздушной смеси.

По закону Генри доля воздуха ( ) в метано-воздушной смеси должна составлять:

, (3.83)

где - парциальное давление кислорода; - давление метана в угле; 0,2 - доля кислорода в воздухе.

Известно, что свободный объем метана х_св в единицах веса уг­ля составляет n %:

. (3.84)

Объем воздуха по отношению к объему свободного метана в угле должен состав­лять:

, (3.85)

При

, (3.86)

где - объемный вес угля; Н — глубина разработки.

Известно, что большинство углей активны по отношению к кис­лороду. Сорбция кислорода углем в нашем случае приводит к уменьшению его доли в газовой смеси, в результате чего парциаль­ное значение кислорода падает. С учетом этого необходимо ввести коэффициент K_с, учитывающий уменьшение кислорода вследствие его сорбции углем.

В связи с тем, что в процессе окисления метана принимает уча­стие объем пор, доступных для микроорганизмов, отношение объе­ма воздуха на объем бактериальной суспензии составит:

. (3.87)

Тогда расход воздуха при микробиологическом воздействии в непрерывном режиме составит:

. (3.88)

Таким образом, предложенные зависимости позволяют по условиям залегания пласта, его природной метаноносности и его сорбционным и фильтрационным свойствам, а также физиологическим параметрам развития метанокисляющих бакте­рий определить основные параметры микробиологического воздей­ствия на угольный пласт с целью снижения его метаноопасности.

В реальных условиях на процесс окисления метана бактериями в угле оказывают влияние температура пласта, рН среды и сорбционные свойства угля по отношению к клеткам бактерий. Поэто­му при расчете основных параметров микробиологического воздей­ствия необходимо учитывать влияние окружающей среды на про­цесс окисления. Оценить влияние данных факторов на процесс в настоящее время не представляется возможным. Поэтому возника­ет необходимость проведения специальных лабораторных экспери­ментов, направленных на определение численного значения эколо­гического коэффициента, учитывающего совокупное влияние темпе­ратуры пласта, рН среды и сорбционных особенностей угля на раз­витие метанокисляющих бактерий.

Материальный баланс процесса окисления. Выше отмечено, что углерод метана распределяется на строи­тельство новых клеток (биомассы) и продукты жизнедеятельности (углекислый газ).

Распределение углерода при микробиологических процессах учитывается законом сохранения веществ.

-dx'=dX'+dZ', (3.89)

где dx'- уменьшение углерода в субстрате, моль С; dX' и dZ' — приращение биомассы и продуктов жизнедеятель­ности, моль С.

В результате потребления метана бактериями приращение био­массы составит: dx' = dx', где — экономический коэффициент использования метана бакте­риями. Если в начальный момент t(0) имеется исходная концентрация метана х'(0) с начальной биомассой Х'(0) и отсутствует углекис­лый газ Z'(0)=0, то интегрирование позволяет получить уравнение материального баланса:

. (3.90)

Количество метана, окисленного бактериями, составит:

х' (0) - х' = [X' - X" (0)] + Z' (3.91)

или

. (3.92)

Число молей метана, содержащихся в единице веса угля, состав­ляет:

, моль (3.93)

где 22,4 - объем одного моля метана, л.

Концентрация метана в молях углерода составит:

, моль С, (3.94)

где n - число атомов углерода в молекуле метана, n=1.

Концентрация углерода в одной клетке бактерий составляет примерно 50%, поэтому молекулярный вес биомассы в молях уг­лерода равен:

, моль С, (3.95)

где р - процентное содержание углерода в биомассе, р=50%; А - атомный вес углерода, А=12.

Аналогично выражается в молях углерода и образующийся уг­лекислый газ:

, моль С. (3.96)

Следовательно, можно записать,

. (3.97)

Количество образующегося углекислого газа можно определить по стехиометрическому коэффициенту к реакции окисления метана бактериями. Тогда

, (3.98)

Уравнение (3.98) показывает, что при прочих равных условиях в и , определяющим показателем процесса окисления являет­ся экономический коэффициент культуры метанокисляющих бак­терий.

Правомерность уравнения (3.98) доказана лабораторными и производственными экспериментами, проведенными сотрудниками МГГУ в 1969-1976гг.

Таким образом, для повышения эффективности процесса окис­ления метана бактериями в угольном пласте желательно иметь культуру метанокисляющих микроорганизмов, обладающих по возможности низким экономическим коэффициентом. Поэтому дан­ный факт необходимо учитывать при выделении культуры метан­окисляющих микроорганизмов.

Тепловая оценка процесса окисления метана бактериями в угле. При рассмотрении механизма окисления метана бактериями мы отмечали, что энергия, заключенная в молекуле, метана, использу­ется частично на биосинтетические нужды клеток и частично на образование продукта жизнедеятельности - углекислого газа.

Общее выделение энергии на моль реагирующих веществ опре­деляется по нижеследующему уравнению:

. (3.99)

Выделение энергии обусловлено образованием углекислого газа (94,3 ккал/моль). С учетом (3.99) и стехиометрического коэффи­циента образования СО₂ изменение энергии будет выглядеть следу­ющим образом:

, (3.100)

; (3.101)

; (3.102)

ккал/моль (3.103)

На основании проведенных расчетов видно, что из всей энергии молекулы метана (208 ккал/моль) 180 ккал используется клетками на биосинтетические нужды и только 28 ккал может быть выделе­но в виде тепла.

Генерируемое бактериями тепло при микробиологическом воз­действии расходуется на изменение внутренней тепловой энергии и на работу, связанную с расширением угля. Для угля энергия рас­ширения пренебрежительно мала, поэтому генерируемое тепло, оче­видно, вызывает повышение температуры угля.

Оценить повышение температуры можно на основе уравнения теплового баланса:

генерация тепла = нагревание угля + вынос тепла бактериальным аэрозолем + отдача тепла теплопроводностью + отдача тепла излучением +… и т. д.

Скорость генерации тепла за счет деятельности бактерий про­порциональна энергии образования углекислого газа и воды (34 ккал/моль) и обратно пропорциональна времени воздействия:

, ккал/ч, (3.104)

где q - скорость генерации тепла, ккал/ч; - свободная энергия образования СО₂ и Н₂О, ккал/моль; n - число молей метана, окисленного клетками; t - время микробиологического воздействия, ч.

Исходя из предположения, что все генерируемое тепло идет на нагревание угля (вынос тепла отсутствует), можно выразить урав­нение теплового баланса следующим образом:

, (3.105)

где - коэффициент теплопроводности, ккал/м·ч·град; S - площадь контакта бактериальной суспензии с углем, м²/т; b - высота единицы веса угля, м/т; - приращение температуры, град.

Решая (3.105) относительно , получим,

, град. (3.106)

Количественная оценка возможности повышения температуры угля в период микробиологического воздействия проводится по следующим условиям:

- энергия образования СО₂, = 28 ккал/моль; n - число окисленных молей метана, n= 1000 (съем метана бактериями 22,4 м³/т); t - время микробиологического воздействия, t = 7200 ч (300 сут.); b - высота единицы веса угля, b = 0,92 м (форма кубическая, объемный вес угля 1,3 т/м³); - коэффициент теплопроводности, =0,5 ккал/м·ч·град; S - площадь контакта суспензии с углем, S=l·10⁶ м²/т (по­ристость 2 %, поверхность пор 200 м²/г).

град.

Таким образом, видно, что при микробиологическом воздействии на угольный пласт температура угля вследствие окисления метана бактериями практически не изменяется. Данные теоретические ис­следования подтверждаются более чем десятилетним периодом про­изводственных экспериментов и промышленных испытаний спо­соба.

Методика инженерных расчетов параметров микробиологического воздействия в непрерывном режиме. На основании теоретических, лабораторных и натурных иссле­дований, а также промышленных испытаний способа разработана методика инженерных расчетов параметров микробиологического воздействия на угольный пласт с целью снижения его газоносности. Во всех расчетных формулах используются величины в тех размер­ностях, в каких они применяются на практике. Приведение размер­ностей учитывается соответствующими коэффициентами.

Расчету подлежат следующие параметры микробиологического воздействия: общее время микробиологического воздействия, ско­рость окисления метана метанокисляющими бактериями, предель­но допустимое давление нагнетания бактериальной суспензии, темп подачи суспензии и воздуха.

Общее время микробиологического воздействия на угольный пласт определяется по следующему выражению:

, сут. (3.107)

Снижение метаноносности угольного пласта за счет жизнедеятель­ности метанокисляющих бактерий определяют по выражению:

. (3.108)

Скорость окисления метана бактериями рассчитывается с учетом параметров роста бактерий и фильтрационных свойств пласта по уравнению:

. (3.109)

Темп нагнетания бактериальной суспензии рассчитывают по фор­муле:

, л/мин. (3.110)

Общий фильтрующий объем V_ф рассчитывают при воздействии на угольный пласт:

• из подземных горных выработок:

; (3.111)

• с поверхности:

; (3.112)

Длина фильтрующей части скважины равна:

, м. (3.113)

Глубина герметизации при воздействии на угольный пласт бак­териальной суспензией из подземных горных выработок равна:

m, м. (3.114)

Расход воздуха в период обработки угольного пласта бактери­альной суспензией рассчитывают по формуле:

. (3.115)

Давление нагнетания бактериального аэрозоля в угольный пласт определяется по выражению: .

Особенности теории микробиологического воздействия для предупреждения внезапных выбросов. Для предупреждения внезапных выбросов целесообразно стре­миться к снижению внутрипластового давления, количества сорби­рованного газа, свободного объема метана в угле, выделения мета­на в период разрушения, увеличению модуля упругости и энерго­емкости разрушения угля.

Микробиологическое воздействие оказывает влияние на измене­ние газового состояния угольного пласта вследствие разрушения молекул метана бактериями и увеличения влажности угля за счет насыщения пласта бактериальной суспензией, так как она на 90-95% состоит из воды.

Исследованиями, проведенными О.И. Черковым, установлено, что одним из средств предупреждения внезапных выбросов являет­ся предварительное увлажнение. При этом уменьшается скорость газовыделения и наблюдается изменение характера распределения напряжений в плане. Величина напряжений впереди забоя умень­шается и отодвигается в глубь массива. В то же время исследова­ниями, проведенными ИГД им. А.А. Скочинского, установлено, что энергоемкость разрушения увлажненного угля возрастает в 1,2- 2 раза по сравнению с неувлажненным вследствие возникновения дополнительных сил сцепления, создаваемых водой.

Поэтому с учетом рассмотренных сведений о влиянии увлажне­ния на предупреждение выбросов можно ожидать, что микробиоло­гическое воздействие по показателю увлажнения пласта бактери­альной суспензией будет играть аналогичную роль в изменении га­зодинамических свойств угольного пласта.

Микробиологическое воздействие, как отмечалось выше, приво­дит к снижению природной метаноносности пласта за счет окисле­ния метана бактериями и к снижению свободного объема метана в угле вследствие заполнения объема пор бактериальной суспензи­ей. Поэтому по изменению этих факторов, исходя из энергетиче­ской теории выбросов, микробиологическое воздействие может яв­ляться одним из дополнительных способов предупреждения внезап­ных выбросов угля и газа.

Таким образом, предпосылками применения микробиологиче­ского воздействия для предупреждения внезапных выбросов могут служить изменения некоторых газодинамических свойств угольного пласта, включающие снижение метаноносности, содержания мета­на в свободном объеме, газовыделения из угля, концентрации на­пряжений впереди очистного забоя и повышение показателя энер­гоемкости разрушения угля.