1、华北科技学院瓦斯防治课程设计瓦斯抽放系统1 矿井概况某煤矿为某集团公司所属的大型煤矿之一. 1958 年投产 , 设计生产能力为 600kt/年. 1976 年进行了生产环节改造, 1980 年核定生产能力为 1200 kt/年. 根据该矿提供的矿井设计和矿井瓦斯涌出资料(2004 年鉴定报告), 矿井绝对瓦斯涌出量为 21.84m3/t, 相对瓦斯涌出量为 7.49 m3/min, 属于低瓦斯矿井. 由于二区瓦斯较大, 按高瓦斯矿井管理. 随矿井产量的增加和开采范围的扩大及开采水平的延伸, 该矿今后主采煤层采掘进工作面和采空区的瓦斯涌出量都将进一步增大. 该矿已在井下安装了为 21181 回
2、采工作面服务的移动式瓦斯抽放泵站和与其相配套的瓦斯抽放系统. 抽出的瓦斯直接排放到矿井的回风系统中. 随着矿井瓦斯涌出量的增大, 总回风的瓦斯浓度较高, 并时常出现超限. 另外, 井下泵站的管理也比较复杂, 经常需要对瓦斯抽放泵的水垢进行清理. 随着新风井的建成使用, 建立地面抽放泵站是非常必要的和可行的. 特1.1 煤层赋存情况主要可采煤层从上至下分别为 5、8、15、17、18、20、31、33 号煤层共八层。其中：全区可采 7 层(5、8、17、18、20、31、33 号煤层)、大部可采 1 层(15 号煤层)。可采煤层三层,煤层总厚度为 10.07m。表 1-1. 某井田可采煤层发育情
3、况地 层 煤 层 总 计 可 采 煤 层代号平均厚度(m)层数平均厚度(m)含煤系数(%)层数平均厚度(m)含煤系数(%)P3l 299.23 10-35 25.75 8.61 8 9.11 3.04P3l 3 123.83 5-14 8.49 6.86 5 6.30 5.09P3l 2 106.75 3-15 2.36 2.21 1 0.96 0.901P3l 1 68.92 2-3 1.85 2.68 2 1.78 2.58目前开采的煤层为 上段(P 3l3)：B2 底界至 18 号煤层底界。厚度 115.81-128.29m，平均123.83m。含煤 514 层，一般 6 层左右，煤层全
4、层总厚 7.21-9.77 m，平均 8.49 m，含煤系数为 6.86%；含可采煤层 5 层（5、8、15、17、18 号） ，可采煤层厚度5.41-8.11m，平均 6.30m，可采煤层含煤系数 5.09%。中段(P 3l 2)：18 号煤底界至 31 号煤顶界。厚度 95.58-115.30m，平均106.75m。含煤 3-15 层，一般 10 层左右，煤层总厚 1.98-3.91 m，平均 2.36 m，含煤系数为 2.21%；含可采煤层 1 层（20 号） ，可采煤层厚度 0.63-1.56m，平均0.96m，可采煤层含煤系数 0.90%。下段(P 3l 1)：31 号煤顶界至 B5
5、 底界铝土质泥岩。厚度 57.30-78.21m，平均68.92m。含煤 2-3 层，一般 2 层，煤层总厚 1.37-3.11m，平均 1.85m，含煤系数为2.68%；含可采煤层 2 层（31、33 号） ，可采煤层厚度 1.37-3.11m，平均 1.78m，可采煤层含煤系数 2.58%。1.2 矿井通风方式及邻近矿井瓦斯涌出表 12 邻近矿井瓦斯等级鉴定结果(2004 年 8 月) 瓦斯(全矿井) 二氧化碳(全矿井)年度矿名绝对量(m3/min)相对量(m3/t)绝对量(m3/min)相对量(m3/t)鉴定等级 审批等级某 2 矿井瓦斯抽放的必要性与可行性根据国家煤矿安全监察局 200
6、1 年颁布的煤矿安全规程第 145 条规定, 如果矿井绝对瓦斯涌出量超过 40.0m3/min, 无论井型大小, 也不管煤层有无煤与瓦斯突出危险性, 必须建立地面永久抽放瓦斯系统或井下临时抽放瓦斯系统. 煤矿安全规程, 矿井瓦斯抽放管理规范以及煤炭工业设计规范有2关条款规定: 当一个回采工作面的绝对瓦斯涌出量大于 5m3/min 或一个掘进工作面的瓦斯涌出量大于 3m3/min, 采用通风方法解决瓦斯问题不可能或不合理时应采用瓦斯抽放措施.除此而外,为贯彻国家安全生产监督管理局”先抽后采, 以风定产, 监测监控”的安全生产方针, 需建立了一个地面抽放瓦斯泵站为抽放瓦斯服务. 2.1 矿井瓦斯涌
7、出量预测结果表 21 至表 2-4 是二-1 和二-3 煤层开采时，对应于不同生产时期的回采工作面、掘进工作面、采区及矿井瓦斯涌出量鉴定结果，由此可知，无论是当前生产时期、中期还是后期，某煤矿都属于低瓦斯矿井.表 21 给出了回采工作面瓦斯涌出量预测(或鉴定)结果. 瓦斯含量是根据*工作面的瓦斯涌出统计, *工作面煤样的吸附实验等确定的，建议岩脚田矿将来进行这方面的实测工作.表 21 回采工作面瓦斯涌出量预测(或鉴定)结果 开采层瓦斯涌出量生产时期 采区 煤厚(m) 瓦斯含量 (m3/t) 日产量(t/d) (m3/t) (m3/min)煤层 当前时期煤层 煤层 中期煤层 煤层 后期煤层 表
8、22 掘进工作面瓦斯涌出量预测结果 瓦斯涌出量(m 3/min)生产时期煤层 煤厚(m)瓦斯含量(m3/t)巷长(m)掘进速度(m/月) 煤壁 落煤 合计前期 中期 后期 3备注：每个炮掘工作面掘进一条大巷，其瓦斯涌出量为这条大巷的煤壁瓦斯涌出量加上单头掘进落煤瓦斯涌出量；每个炮掘工作面掘进煤量均为 70t/d，瓦斯涌出量为：初期 2.40m3/min，中期 2.40m3/min，后期 2.40 m3/min. 2.3 瓦斯抽放的必要性2.3.1 相关法规的要求按照煤矿安全规程规程的有关规定及”先抽后采, 以风定产, 监测监控”的十二字方针，无论高瓦斯矿井的井型大小，也不管煤层有无煤与瓦斯突出
9、危险性，必须建立地面永久抽放瓦斯系统或井下临时抽放瓦斯系统.某煤矿设计生产能力为 600Mt/年, 目前生产能力达到 1000Mt/年. 从瓦斯涌出量预测结果 来看，矿井在生产过程中的瓦斯涌出量将达 38.6 m3/min, 单纯靠通风系统来稀释瓦斯是不可能的. 因此，必须建立瓦斯抽放系统.2.3.2 采掘工作面瓦斯治理的需要煤矿安全规程 、 矿井瓦斯抽放管理规范以及煤炭工业设计规范有关条款规定:当一个回采工作面的绝对瓦斯涌出量大于 5m3/min 或一个掘进工作面的瓦斯涌出量大于 3m3/min，采用通风方法解决瓦斯不可能或不合理时应采用瓦斯抽放措施. 虽然, 该矿回采工作面的绝对瓦斯涌出量
10、已经超过 5m3/min. 产量和瓦斯涌出量都有进一步增加的趋势.采掘工作面需要采取瓦斯抽放的必要性判断标准是: 在给定的巷道通风断面条件下，采掘工作面设计通风能力小于稀释瓦斯所需的风量,即式(21)成立时, 抽放瓦斯才是必要的.(21) CKQ/67.10 式中:Q0 - 采掘工作面设计风量, m 3/s；Q - 采掘工作面瓦斯涌出量, m 3/min；K - 瓦斯涌出不均衡系数,取 K=1.5；C -煤矿安全规程允许的采掘工作面瓦斯浓度，%，取 C=1.43 矿井瓦斯抽放方案初步设计3.2 抽放瓦斯方法选择某煤矿抽放瓦斯的目的是消除或缓解瓦斯突出的危险性及使工作面的瓦斯涌出量降低到通风能解
11、决的水平或减轻矿井通风负担. 因此, 确定矿井抽放瓦斯的方法为开采煤层抽放(包括开采工作面和掘进工作面抽放)和采空区抽放等方式.在二-1 和二-3 煤层开采时，必须对所有的回采工作面进行高位抽放或本煤层预抽、对大多数的掘进工作面进行瓦斯预抽放. 选择的瓦斯抽放方法如下：.采用边采边抽相结合方式抽放回采工作面采空瓦斯；.掘进工作面采用边掘边抽方法抽放本煤层瓦斯;.采用高位钻孔抽放回采工作面及采空区瓦斯.由于某矿煤层具有自燃倾向性, 不宜采用采用采空区抽放.3.2.2 掘进工作面瓦斯抽放掘进工作面抽放瓦斯的方法有边掘边抽和先抽后掘瓦斯抽放两种方式.考虑到某煤矿掘进工作面瓦斯涌出较小,采用边掘边抽比
12、较合适. 采用边掘边抽时, 抽放钻孔布置方式如图 32 示.推荐的钻孔布置参数如下：钻孔长度 60-100 m；钻孔直径 75 mm；相邻孔间夹角 35；钻场间距 50 m；钻场内钻孔数 3 个；封孔深度 5m；封孔方式 聚胺脂封孔.掘进工作面后 5m 处的巷道两邦各施工一个钻场. 钻场的规格应根据巷邦瓦斯抽放钻孔布置的要求, 选用钻机的外形尺寸及钻杆长度而定. 根据该矿的具体情况, 每组钻场在煤巷两侧错开布置, 其规格为: 4 x 4 x 2m, 采用木棚支护. 相邻两组钻场之间的间距为 40-50m. 5在每一钻场内, 沿走向布置 3 个边掘边抽钻孔, 即左, 右钻场各三个, 孔深 60m
13、左右. 掘进工作面先抽后掘就是在煤巷掘进工作面向前方煤层施工扇形钻孔, 每个循环 6-9 个钻孔 , 钻孔深度 50-60m, 每个循环间距 40-50m, 预计抽放时间为 20 左右. 钻孔终孔点分别距离巷道中心线 0m, 2.5m 和 4m.钻孔布置的原则就是保证将钻孔布置在煤层内, 钻孔倾角与巷道底板平行或根据煤层的厚度向上或下倾斜. 当掘进工作面抽放钻孔数量较多时, 为扩大钻孔覆盖范围, 抽放钻孔应以巷道中线为基准, 向周围煤体呈放散状排列, 以提高抽放效果.实际中, 应根据现场实际监测参数对抽放钻孔的布置进行调整, 以达到最好的抽放效果.3.2 抽放量预计及抽放服务年限3.2.1 回
14、采工作面本煤层预抽量预计由于二-1 和二-3 煤层的透气性低及回采工作面巷道面积较小等原因, 尽量不采用边采边抽的方式, 而着重考虑采用高位钻孔抽放的方式.3.2.2 掘进工作面边掘边抽瓦斯量预计 某煤矿回采工作面顺槽实行单巷掘进，每一条单巷掘进工作面的最大边掘边抽瓦斯量由下式计算：(3-1)140/)(10/321 teQLNQj式中:Q1 - 单巷掘进工作面边掘边抽瓦斯量，m 3 /min；N - 每个钻场内边掘边抽钻孔数，N3；L2 - 掘进工作面平均走向长度，m，L 2=2000m；L3 - 钻场间距， m，L 3=100m；L1 - 单孔有效抽放长度，m，L 1=95m；Qj - 百
15、米钻孔瓦斯极限抽放量，m 3，Q j =67825 m3； - 钻孔瓦斯流量衰减系数，d -1，=0.0014d -1；6t - 巷道掘进期间边掘边抽钻孔平均抽放瓦斯时间，d，在巷道长度为 240m（包括联络横贯长度） 、掘进速度 30m/mon 条件下，t 120d.代入各参数值，计算得 Q1=0.691m3/min.按全矿 4 个单巷掘进工作面考虑，边掘边抽瓦斯总量为 2.764m3/min. 3.2.3 矿井瓦斯抽放量预计当矿井实施高位钻孔抽放、边采边抽和边掘边抽等措施时，预计矿井最大瓦斯抽放总量可以达到 11.58m3/min.按年抽放 365 天、日抽放 24 小时计算，矿井年最大年
16、瓦斯抽放量可以达到 6086448m3.3.2.4 抽放服务年限由于矿井瓦斯抽放方式为高位钻孔抽放、边采边抽和边掘边抽，瓦斯抽放服务年限与矿井生产服务年限相同.3.2.5 抽放参数的确定根据目前矿井的具体情况和所选用的抽放瓦斯方法, 设计矿井的瓦斯抽放浓度为 30%.设计掘进工作面的预抽(尽量不采用预抽)时间为 20 天, 回采面的预抽时间大于 3 个月, 回采面预抽钻孔可作为边采边抽钻孔, 当采煤工作面推进至该孔孔口附近时, 拆除钻孔. 瓦斯抽放实践证明, 由于预抽煤体瓦斯, 使煤体发生收缩变形, 当煤体原来占据的空间体积相等时, 煤体的收缩既使原有的裂隙加大, 又可以产生新的裂隙. 从而使
17、煤层的透气性增加, 提高瓦斯抽放效果.3.3 瓦斯抽放钻孔施工及设备3.3.1 钻机的选择选择钻机需要考虑的因素包括: 1).钻进深度; 2).转速范围; 3).给进, 起拔能力; 4).液压系统; 5). 3.3.3 钻孔封孔抽放钻孔封孔方式主要有水泥注浆泵封孔, 人工水泥沙浆封孔和聚胺脂封孔等. 在岩层中封孔长度不小于 3m. 在煤层中封孔长度不小于 5m.7考虑到某煤矿的钻孔数量不大, 没有必要购买价格昂贵的封孔泵或采用人工水泥沙浆封孔. 因为使用水泥沙浆封孔, 凝固时间长, 对于倾斜钻孔不易充满. 因此, 应该使用人工聚胺脂封孔.聚胺脂封孔就是由异氰酸脂和聚醚并添加几种助剂反应而生成硬
18、质泡沫体密封钻孔. 聚胺脂封孔采用卷缠药液与压注药液两种工艺方法. 现主要应用卷缠药液法封孔, 封孔深度一般为 3-6m 即可符合要求.虽然聚胺脂封孔(见图 3-4)的成本略高于水泥浆封孔, 但聚胺脂封孔操作简单, 省时省力, 气密性好, 抽放效果好, 非常适用于某煤矿.1 集气孔段; 2聚氨酯封孔段; 3水泥砂浆封孔段; 4套管图 3-4 聚胺脂封孔示意图3.3.4 瓦斯抽放参数监测采用孔板或便携式数字钻孔瓦斯参数监测仪对钻孔或采空区抽放管进行监测很有必要. 除此之外, 在抽放巷道口设瓦斯抽放监测传感器, 对抽放管道的负压, 瓦斯浓度, 瓦斯流量, 温度进行监测. 井下抽放支管和地面主管都应
19、装备管道监测系统, 并将其尽可能地将管道监测系统挂靠入矿井环境监测系统.4 瓦斯管网系统选择与管网阻力计算及设备选型4.1 矿井瓦斯抽放设计参数根据煤矿提供的地质资料和矿井设计资料, 某煤矿的设计瓦斯抽放量按一台抽放泵同时服务两个回采工作面(目前只布置一个回采工作面)和三个掘进工作面, 纯瓦斯抽放量取 11.58m3/min(将来最大瓦斯抽放量). 瓦斯抽放浓度按 30%计算.4.2 瓦斯管网系统选择与管网阻力计算4.2.1 瓦斯抽放管网系统在选择瓦斯抽放管路系统时, 主要根据抽放泵站位置, 开拓巷道布置, 管路安1 2 3 4 8装条件等进行确定. 抽放管路应尽量选择敷设在巷道曲线段少和距离
20、短的线路中, 尽可能避开运输繁忙巷道, 同时还要考虑供电, 供水, 运输方便.抽放泵的位置可以布置在地面也可以布置在井下. 井下布置是将瓦斯抽放泵布置在井下靠近抽放地点的进风流中, 这样可以减少抽放管路的长度, 并随时根据抽放地点的需要改变抽放泵的位置, 可以节省管路投资, 节省防爆装置和避雷装置, 其必要条件是抽放管路的瓦斯排放到采区回风巷或总回风巷后, 在较小范围内经过稀释达到风流瓦斯浓度不超限.当矿井总回风巷瓦斯浓度高, 抽出的瓦斯不能排放到总回风巷, 或井下供水,供电及安装成本较高, 或地面距离抽放地点较近时, 把瓦斯抽放泵安装到地面具有明显的经济和管理方面的优势.某煤矿开采服务年限长
21、，工作面到新材料井井口的距离较短, 且工作面需要抽放的瓦斯量较大，因此，建立地面永久瓦斯抽放系统较为合理.根据矿井采掘工作面的具体位置及开拓布置, 确定将地面永久瓦斯抽放站布置在距离新材料井附近且地势平坦, 无地质灾害和洪水影响的地点. 要求瓦斯抽放泵站房 50m 范围内无主要建筑及民房, 在泵房周围 20m 设立围墙或栅栏, 并严禁明火.根据某煤矿的井下开拓巷道和地表设施的具体情况,考虑了两种井下管道布置最长路线.方案 1: 21171 工作面顺槽 二一区专用回风下山 东轨大巷 材料立井 抽放泵房 放空管;方案 2:21171 工作面顺槽 二一区轨道下山 东轨大巷 材料立井 抽放泵房 放空管
22、 ;如果把主管道延伸到 21171 工作面回风顺槽与二一区专用回风下山汇合处, 两个方案的井下主管道长度基本相同, 即 1280m. 4.2.2 瓦斯抽放管管径计算及管材选择瓦斯抽放管管径按下式计算：VQD/1457.0 （35）9式中 D-瓦斯抽放管内径，m；Q-抽放管内混合瓦斯流量，m 3/min；V-抽放管内瓦斯平均流速，经济流速 V5-15m/s, 取 V=7 m/s.约定： 采区、回风井及地面瓦斯抽放管为干管； 综采综放工作面瓦斯抽放管为支管 1； (将来 )综采工作面瓦斯抽放管为支管 2.根据各瓦斯抽放管内预计的瓦斯流量，按式（35）计算选择的瓦斯抽放管管径如表 32 示. 瓦斯抽
23、放管选用无缝钢管.表 32 瓦斯抽放管管径计算选择结果抽放管类别纯瓦斯抽放量（m 3/min）瓦斯浓度（ %）混合瓦斯抽放量（m 3/min）计算管内径（m）选择管径（mm）干管 11.58 30 38.60 0.342 40210支管 1 6.50 30 21.67 0.256 2757支管 2 5.08 30 16.93 0.227 2757备注：边掘边抽瓦斯管留做工作面高位瓦斯抽放管. 考虑将来有可能布置两个工作面, 故选支管 1 与支管 2 同径.抽放管材均选择无缝钢管, 经过计算得出主管直径 D = 0.342m, 支管 1 直径 D = 0.242m, 支管 2 直径 D = 0.242m. 故主管选择直径为 402mm 的无缝钢管, 壁厚可选择 9mm 或 10mm. 掘进及回采工作面支管可选择直径为 275mm 的无缝钢管, 壁厚可选择 7mm.4.2.3 管网阻力计算 . 摩擦阻力（ Hm）计算 )/(81.952DKLQ (36)式中:Hm 管路摩擦阻力，Pa；L 负压段管路长度，m；
