1、1煤矿瓦斯抽放毕业设计论文摘要随着煤矿生产技术水平的快速发展，煤矿生产能力大大提高，但是随着开采深度的增加矿井瓦斯涌出量也大大增加，矿井瓦斯已成为制约煤矿安全生产的“头号大敌” 。一 XX 瓦斯赋存情况复杂，涌出量较大，仅靠通风方法难以解决瓦斯超限问题，因而对矿井进行瓦斯抽采势在必行。本文介绍了矿井的基本概况，对矿井瓦斯抽放的必要性与可行性进行了分析；运用分源预测法计算矿井瓦斯涌出量，并分析了不同的瓦斯抽放方法，设计了矿井的瓦斯抽放工艺；通过对井下环境的分析和抽采管径的计算，确定了抽采管路系统的相关参数；在计算抽放系统的管道阻力和瓦斯泵的流量与压力的基础上，选择了合适的瓦斯泵型号。本文对 XX
2、 煤矿进行的瓦斯抽放设计，对降低工作面回采时瓦斯涌出量，减少瓦斯事故的发生，实现安全生产有重要作用。关键字：瓦斯涌出、瓦斯抽放、瓦斯抽放系统、瓦斯抽放工艺2AbstractWith the rapid development of coal production technology, mine production capacity is greatly improved.Meanwhile，the mine gas emission increases more and more with the depth of mine. The gas has become the first re
3、striction of coal mine safety. The gas hazard of the mine is complex and the gas emission quantity is large, which seriously restricts the normal capacity of the mine, and it is difficult to solve with the method of ventilation alone.In the paper, the basic situation of the XX Coal Mine is introduce
4、d, and the feasibility and necessity of mine gas drainage are analysised too；Gas emission is calculated using the Separate source method, and the mine gas drainage technology is designed with analysising the different gas drainage method; through the analysis of the underground environment and the C
5、alculation of pumping, parameters of drainage pipeline system is determined. based on the resistance of drainage pipe and the gas pumps flow parameters， the suitable model of the gas pump is selected in the paper.The gas drainage design of XX coal mine can reduce the mine gas emission during mine pr
6、oducing , the gas accidents will be controlled, and achieving safe production.Keywords：gas emission ，gas drainage， gas drainage system，gas drainage technology3目录1 绪论 .11.1 选题背景及研究意义 .11.2 国内外瓦斯抽放现状 .11.2.1 国外瓦斯抽放现状 .11.2.2 国内瓦斯抽放现状 .31.3 研究内容及技术路线 .61.3.1 研究内容 .61.3.2 技术路线 .62 矿井概况 .82.1 矿井位置、交通 .82
7、.2 地层及构造 .82.3 煤层与煤质 .92.4 矿井开拓、开采情况 .112.5 通风与瓦斯 .122.6 矿井瓦斯灾害情况 .123 矿井瓦斯抽放的必要性与可行性 .133.1 矿井瓦斯来源分析 .133.1.1 回采工作面瓦斯涌出量 .133.1.2 掘进工作面瓦斯涌出量 .163.1.3 采区瓦斯涌出量 .183.1.4 矿井瓦斯涌出量 .193.1.5 瓦斯涌出分析结果 .193.2 瓦斯抽采的必要性 .203.3 瓦斯抽采的可行性 .214 抽放方法与抽放工艺 .224.1 瓦斯抽放设计参数 .224.1.1 瓦斯储量计算 .224.1.2 瓦斯可抽量计算 .234.2 瓦斯抽
8、放方法 .2444.3 瓦斯抽放方法的确定 .264.3.1 掘进工作面边掘边抽 .264.3.2 回采工作面顺层钻孔预抽 .284.3.3 采空区埋管抽采瓦斯 .284.3.4 走向顶板长钻孔抽采瓦斯 .294.4 封孔工艺 .314.5 抽采参数及钻孔施工设备 .324.5.1 抽采参数 .324.5.2 钻孔施工设备 .325 抽放管路系统选择 .345.1 抽采管路系统的选择原则 .345.2 抽放管路敷设 .345.3 抽采管路管径计算及管材选择 .345.3.1 瓦斯管径计算 .345.3.2 抽采管材的选择和管径确定 .355.4 抽采管路阻力计算 .355.5 抽采规模 .37
9、5.5.1 按瓦斯储量计算瓦斯抽采量 .375.5.2 按煤矿瓦斯抽采指标计算瓦斯抽采量 .395.5.3 抽采规模的确定 .395.6 附属装置 .395.7 瓦斯管路的敷设及质量验收 .396 抽采设备选型 .416.1 选型原则 .416.2 瓦斯泵流量计算 .416.3 瓦斯泵压力 .416.4 抽采泵选型 .427 主要结论及展望 .447.1 主要结论 .447.2 展望 .445致谢 .45主要参考文献 .4611 绪论1.1 选题背景及研究意义“安全第一、预防为主”是我国各行各业都要遵循的安全生产方针。采煤作业作为高危险行业，在安全生产方面尤为重视。但是随着煤矿开采技术的快速发
10、展，一方面煤矿机械化水平不断提高，煤矿生产越来越高效化、集约化；另一方面随着煤矿开采深度的不断加深，采煤作业的不断提速，使得矿井瓦斯涌出量一直处于上升状态，对煤矿的安全生产造成重大威胁。近年来我国煤矿安全生产状况有明显改善，百万吨死亡率从2002 年的 4.94 降至 2011 年的 0.564，但是与发达国家的百万吨死亡率相比仍相差甚远，煤炭行业在我国仍然是一个高风险的行业，煤矿事故发生率居高不下。而在这些事故中，瓦斯事故死亡人数所占比例最大；据统计我国煤矿一次死亡 10 人以上的特大事故中有70%以上是由于瓦斯（煤尘）爆炸事故；2002 年20011 年，工矿类相关行业死亡 10人/次以上
11、特重大事故中，煤矿死亡人数就占 72.8%89.3%；而在煤矿企业所发生的一次死亡 10 人以上事故中，瓦斯事故占死亡人数的 77%。这些血淋淋的事实无不说明了瓦斯事故是制约煤矿安全生产的“头号大敌” 1。为了减少或解除矿井瓦斯对煤矿安全生产的威胁，就要利用机械设备和专用管道造成负压，将煤层中赋存或释放的瓦斯抽放出来，送到地面或其它安全地点，也就是瓦斯抽放。瓦斯抽放对煤矿瓦斯治理有以下几方面的作用：首先，瓦斯抽放可以减少开采时的瓦斯涌出量，从而减少瓦斯隐患和各种瓦斯事故，是保证安全生产的一项预防性措施。其次，瓦斯抽放可以减少通风负担，能够解决通风不易解决的瓦斯难题，降低通风费用。尤其针对瓦斯涌
12、出量很大的矿井或采区，瓦斯抽放在技术上和经济上都是必须的。最后，煤层中的瓦斯同样是一种地下资源，将瓦斯抽采出来送到地面作为燃料和原料加以使用，可以起到保护环境和提高经济效益的作用。因此，瓦斯抽放已成为我国煤矿瓦斯灾害治理的主要技术手段。新疆焦煤集团 XX 煤矿设计生产能力 1.2Mt/a，服务年限为 44a，根据瓦斯涌出预测，XX 煤矿的矿井相对瓦斯涌出量为 41.13 m3/t,绝对瓦斯涌出量 108.36 m3/min，矿井绝对瓦斯涌出量远大于高低瓦斯矿井临界量的 40m3/min，该矿井属于高瓦斯矿井。并且该矿井通过通风方式无法消除瓦斯隐患，安全难以得到保证，所以本次对 XX 煤矿进行的
13、瓦斯抽放设计，具有防止该煤矿发生瓦斯事故，提高生产效率，实现该煤矿本质安全化的重要作用。1.2 国内外瓦斯抽放现状1.2.1 国外瓦斯抽放现状在抽放理论方面，在1907年美国学者Chamberlin 和Darton 研究概括出了甲烷聚集和2运移的机理；1928年Rice提出了在采煤前采用垂直钻孔从煤层中除去甲烷的设想；在随后的40年里，控制甲烷的通用做法仍然是降低煤炭产量和建立复杂的通风系统 2。1964年Lindine等根据所观察的瓦斯含量和残余瓦斯含量与深度之间存在的非线性函数关系，提出了第一个预测生产矿井瓦斯涌出量的经验模型；1968年，Airey从理论上导出了第一个预测矿井静止工作面瓦
14、斯释放量的偏微分方程，采用解析法求解，建立了一维、单孔隙、气相的产量预测模型；1972年Price-Abdalla提出了二维、单孔隙、气水两相综合性产量预测的数学模型和有限差分的数值模型，该模型能求解具不规则边界的条件和模拟工作面推进的移动内边界问题，并且开发了相应的计算机软件NTERCOMP_1；1978年美国煤矿局提出了定向倾斜钻孔法来抽采煤层瓦斯，该方法将是地面垂直钻孔和煤层中水平针孔相结合，实现了弯曲钻孔 3。在抽放量方面，1910 年为促进安全生产，减少甲烷灾害，美国成立了矿业局这一专门的政府机构，开始监督抽放密闭瓦斯；1934 年日本北海道新愰内矿抽放密闭区瓦斯，这是人类历史上首次
15、在工业规模上利用机械开采瓦斯；随后，煤矿瓦斯抽放在西欧、美国、前苏联、东亚开始迅猛发展；19491950 年间，比利时和英国先后进行的工业规模的瓦斯抽放，年抽放量达 5700m3；19511987 年间，世界煤矿瓦斯呈线性增加，自1951 年的 1.246 亿 m3 增至 1987 年的 54.31 亿 m3，抽放瓦斯的矿井由 68 个增至 619 个，单个抽放矿井的平均抽放量由 1951 年的 198 万 m3/井，增至 1987 年的 877 万 m3/井；到目前为止 3，世界上已有 17 个采煤国家进行了瓦斯抽放，年抽放量超过了 1 亿 m3 的国家有 10 个，如俄、德、英、中、法、美
16、、波、日、澳等；其中原苏联抽放的瓦斯量最多，达 21.2 亿 m3，德、英年抽放量均在 5 亿 m3 以上。这些国家都把抽放瓦斯的工作作为治理瓦斯的生产工序，是高瓦斯含量煤层回采中的一个必不可少的环节 4。年瓦斯抽放量得到井喷式发展主要有两个原因：一是这期间抽放瓦斯矿井数目大大增加，二是单个矿井的年瓦斯抽放量的增长。这期间为提高瓦斯抽放率，各国都对瓦斯抽采技术进行了研究：前苏联针对低透气性煤层难抽问题，在顿巴斯、卡拉干达和库基巴斯矿区最先提出并试验应用了交叉钻孔强化预抽煤层瓦斯的方法，显著提高了低透气性煤层的瓦斯抽放率；而日本针对开采深度大的煤层时采用大直径钻孔来提高抽采效果；德国和捷克通过向
17、煤层打放射状钻孔以延长抽采时间，成功达到了提高瓦斯抽采量的目的；在封孔工艺上，德国和日本在首先推广应用聚氨酯封孔技术，使抽放负压达到50KPa 以上 ， 近年来由于石油、天然气能源的急缺，煤层气作为煤炭的伴生能源更是受到热捧，美国等发达国家掀起了对瓦斯抽采开发试验的新浪潮 5。针对美国煤层埋藏稳定、构造简单、透气性好、倾角低的优点，美国则是采用石油钻井的成熟工艺在井下水平长钻孔预抽瓦斯，获得了很大的成功 6。3总体来说，国外瓦斯抽放技术已经较为成熟，现在主要采用综合的总体抽放方式，在掘进过程中抽放瓦斯，回采过程中边采边抽和采空区抽放千方百计增加瓦斯抽放量，提高瓦斯抽放率，同时建立瓦斯监控系统，
18、为矿井的安全生产提供保障。1.2.2 国内瓦斯抽放现状（1）抽放技术的发展情况我国工业抽放瓦斯始于 1938 年的抚顺龙凤矿，但系统地连续抽放瓦斯是 1952 年在龙风矿建抽放瓦斯泵站开始的，经过几十年的发展，无论瓦斯抽放方法，还是抽放瓦斯装备等均具有较先进的水平 7。特别是近十年来，随着煤炭工业的发展，矿井数量及煤炭产量迅速增加，矿井向深部延伸过程中，一些低瓦斯矿井变为高瓦斯矿井和突出矿井，因此需要抽放瓦斯的矿井越来越多。由此带动了中国煤矿瓦斯抽放技术的迅速发展，目前瓦斯抽放技术在煤矿生产中得到了普遍的推广应用。2000 年时我国共有 141 个矿井建立了地面永久瓦斯泵站进行抽放瓦斯，年抽放
19、量达 866 Mm3；到 2007 我国年抽放矿井数达到 237 个，抽放量达到 1984Mm3；近年来我国瓦斯抽放量如表 1.1 8。表 1.1 我国各年的瓦斯抽放量年份 抽放量/Mm 3 年份 抽放量/Mm 31992 年 534 2000 年 8661993 年 536 2001 年 9841994 年 564 2002 年 11461995 年 600 2003 年 15201996 年 634 2004 年 19291997 年 728 2005 年 21331998 年 742 2006 年 26141999 年 835 2007 年 1984我国煤矿瓦斯抽放技术，大致经历了四个发
20、展阶段 9：高透气性煤层瓦斯抽放阶段。50 年代初期，在抚顺高透气性特厚煤层中首次采用井下钻孔预拄煤层瓦斯，获得了成功。解决了抚顺矿区向深部发展的安全关键问题，而且抽出的瓦斯还被作为民用燃料得到了应用。邻近层卸压瓦斯抽放阶段。50 年代中期，在开采煤层群的矿井中，采用穿层钻孔抽放上邻近层瓦斯的试验在阳泉矿区首先获得成功，解决了煤层群开采中首采工作面瓦斯涌出量大的问题。此后在阳泉又试验成功顶板收集瓦斯巷(高抽巷)抽放上邻近层瓦斯，抽放率达 60一 70。60 年代以后，邻近层卸压瓦斯抽放技术在我国得到了广泛的推广应用。低透气性煤层强化抽瓦斯阶段。由于在我国一些透气性较差的高瓦斯煤层及突出危险煤层
21、采用通常的布孔方式预抽瓦斯的效果不理想、难以解除煤层开采时的瓦斯威胁，为此，从 60 年代开始。试验研究了多种强化抽放开采煤层瓦斯的方法，如煤层注水，4水力压裂水力割缝，松动爆破，大直径(扩孔)钻孔，网格式密集布孔，预裂控制爆破，交叉布孔等。在这些方法中。多数方法在试验区取得了提高瓦斯抽放量的效果，但仍处于试验阶段，没有大范围推广应用。综合抽瓦斯阶段。从 80 年代开始随着机采、综采和综放采煤技术的发展和应用，采区巷道布置方式有了新的改变，采掘推进速度加快、开采强度增大，使工作面绝对瓦斯涌出量大幅度增加，尤其是有邻近层的工作面，其瓦斯涌出量的增长幅度更大。为了解决高产高效工作面瓦斯涌出源多、瓦
22、斯涌出量大的问题，必须结合矿井的地质条件，实施综合抽放瓦斯。所谓综合抽放瓦斯就是：把开采煤层瓦斯采前预抽、卸压邻近层瓦斯采后抽及采空区瓦斯采后抽等多种方法在一个采区内综合使用，使瓦斯抽放量及抽放率达到最高。（2）瓦斯抽放方法根据我国煤层地质条件和瓦斯赋存特点，我国自主开展了多种瓦斯抽放方法。根据抽放对象的不同，可分为本煤层瓦斯抽放、邻近层瓦斯抽放和采空区瓦斯抽放。目前，煤矿应用最为普遍的瓦斯抽放方法有如下 6 种 10：本煤层采前预抽。指采用巷道或打钻孔的方式在开采前抽放开采煤层内含有的瓦斯的方法，可以分为巷道预抽和钻孔预抽。巷道预抽煤体卸压范围大，煤的暴露面积大，有利于瓦斯释放，但密闭困难，
23、巷道内易引起自燃发火，目前很少使用。钻孔预抽钻孔贯穿煤层，瓦斯很容易沿层理面流入钻孔，有利于提高抽放效果，而且抽放工作是在掘进和回采之前进行的，能大大减少生产过程中的瓦斯涌出量，但抽放的煤层没有受采动影响，煤层压力变化不大，透气性低的煤层可能达不到预抽效果，目前被广泛使用。本煤层边采边抽。即在工作面前方，在进风巷或回风巷中每隔一定距离打平行于工作面的钻孔，然后插管、封孔进行抽放，也可以每隔一段距离（20-30m ）掘一钻场，布置 3 个扇形钻孔，然后插管、封孔进行抽放。此方法由于采动影响，煤层已卸压，煤层透气性增加，抽放效果好，不受采掘工作影响和时间限制，具有较强的灵活性和针对性，但开孔位置在
24、煤层，封孔不易保持严密，影响抽放效果和瓦斯浓度。本煤层边掘边抽。即在掘进巷道两帮每隔一定距离掘一钻场，在钻场向工作面推进的方向打 2-3 个超前钻孔，然后插管、封孔进行抽放。随着工作面的推进，钻场和钻孔也向前排列。此方法的工作面前方和巷道两帮一范围内的应力已发生变化，因而游离和解吸瓦斯能直接被钻孔抽出，透气性低的煤层也会获得一定的效果，但增加了钻场和打孔的工程量和时间，对掘进速度有一定影响，有漏风，抽放率低。邻近层钻孔抽放。指煤层群条件下，受开采层的采动影响，其上部或下部的邻近煤层得到卸压后会发生膨胀，其透气性会大幅提高，邻近煤层的卸压瓦斯会通过层间裂5隙大量涌向开采层，为防止和减少邻近层瓦斯
25、涌向开采层，在井下钻孔来抽采这部分瓦斯的方法。此方法抽采负压与通风负压方向一致，有利于提高抽采效果，且斯管道设在回风巷，容易管理，有利于安全。邻近层巷道抽放。主要指在开采层的顶部处于采动形成的裂隙带内挖掘专用的抽瓦斯巷道，用以抽采上邻近层的卸压瓦斯。巷道可以布置在邻近煤层或岩层内。使用较少，阳泉矿是邻近层巷道抽放瓦斯方式的先驱，瓦斯抽放效果也最为显著，工作面瓦斯抽放率普遍高于 70，最高时达到 90以上。目前，该方法已在阳泉矿区 15 号煤层工作面广泛推广。采空区瓦斯抽放。采空区瓦斯是回采工作面瓦斯涌出主要来源之一，而采空区瓦斯抽放具有抽放流量大、来源稳定等特点，成为回采工作面瓦斯治理的重要手
26、段。尤其是对于本煤层预抽效果不理想、采空区瓦斯涌出量大的工作面，采空区抽放方法是首选的抽放方法。近年来，国内外对高瓦斯矿井采空区瓦斯抽放进行了大量的研究，随着煤矿安全生产以及对瓦斯利用的重视，采空区抽放比例正在逐步增大。（3）我国瓦斯抽放现存问题作为防治瓦斯灾害事故的主要技术措施的瓦斯抽放技术虽然取得了较快地发展，但总体上看水平仍然较低。我国目前的平均抽放率仅有 23，而俄罗斯、美国、澳大利亚等主要采煤国家的抽放率均在 50以上，大大高于我国。我国抽放率低的原因主要有几点 11：抽放不稳定，利用闲难。在瓦斯抽放过程中，对瓦斯浓度质量是否符合利用要求、抽放量是否稳定考虑不够，抽放水平不高、抽放形
27、式单一，混入空气较多，给综合利用造成很大困难。单纯抽放，利用量小，利用率低。目前我国大部分煤矿对瓦斯的抽放重点放在了抽放而非综合利用，造成了许多煤矿瓦斯的利用形式单一，一般均是以民用为主，个别煤矿用以发电、汽车燃料等项目，但总体利用率都很低。资金投入不足。目前，我国煤矿瓦斯抽放主要是靠专项资金来维持，也仅以维持煤矿安全生产为目的，对如何加大瓦斯抽放量，提高瓦斯质量，扩大利用范围考虑不多。同时，由于投放资金有限，抽放钻孔工程量太小，无法加大钻孔密度以形成网格式布孔，适应中国这样的低透气性煤层的抽放条件，增大煤层透气性。针对瓦斯抽放矿井，矿井回风流中的瓦斯直接排放。目前，中国的瓦斯综合利用工程只是针对瓦斯抽放矿井，实际上全国每年有 90%的来自回风流中的浓度低于 l的瓦斯被直接排放到空气中。“安全第一”的观念还没有牢固树立，对抽放瓦斯重要性的认识仍然不够，对抽
