某矿井综采面瓦斯抽放系统设计.docx

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某矿井综采面瓦斯抽放系统设计

《瓦斯防治技术》

课程设计

设计题目某矿井综采面瓦斯抽放系统设计

班级

指导教师

前言

《矿山安全技术》课程设计是学生学习该课程理论学习结束后进行的一项实践教学环节，是课程体系的主要组成部分。

其目的是通过课程设计加深对《矿山安全技术》和其它课程所学专业理论知识的理解。

综合应用理论解决实际问题，培养学生计算、绘图和设计的能力为毕业设计奠定基础。

一矿戊9-1032101工作面开采戊9-10煤层，煤层厚度为4.8－5.2m平均厚度为5m；赋存稳定，倾角为2～5°。

顶板为砂质泥岩，岩层不很致密，距戊9-108～10m，顶部为戊8煤层，该煤层在本区域内厚度0～0.4m为不可采煤层。

本区域有小断层，对开采影响不大。

编制设计方案的依据

（1）《矿井抽采瓦斯工程设计规范》MT5018-96中华人民共和国煤炭工业部；

（2）《矿井瓦斯抽采管理规范》1997中华人民共和国煤炭工业部；

（3）《煤矿安全规程》（2006）国家煤炭安全监察局；

（4）《采矿工程设计手册》煤炭工业出版社；

（5）《煤矿瓦斯抽放规范》（AQ1027-2006）中华人民共和国安全生产行业标准；

（6）《煤矿瓦斯抽采基本指标》（AQ1027-2006）中华人民共和国安全生产行业标准；

目录

第一章综采工作面概况3

第一节　采区位置范围、地质条件和煤层综合柱状图3

第二节　煤层瓦斯参数和抽放瓦斯参数4

第三节　采区和工作面巷道布置、采煤方法4

附：

综采工作面巷道布置范围5

第二章瓦斯储量计算、抽放瓦斯必要性论证5

第一节　煤层瓦斯储量计算7

第二节　工作面可抽放量计算和抽放必要性可行性论证7

第三章煤层瓦斯抽放方法设计8

第一节抽放方法的比较和选择8

第二节抽放钻孔参数确定9

第三节绘制抽放钻孔布置平面图和剖面图9

第四章综采工作面瓦斯抽放系统10

第一节工作面瓦斯抽放设施的配置和布置10

第二节抽放管路的计算和选择11

第五章瓦斯泵选型12

第一节抽放系统管道阻力计算12

第二节瓦斯泵流量和压力计算13

第三节瓦斯泵选型确定14

第六章工作面瓦斯抽放安全技术措施14

第一章综采工作面概况

第一节采区位置范围、地质条件和煤层综合柱状图

地质条件

    本采区开采戊9-10煤层，煤层厚度为4.8－5.2m平均厚度为5m；赋存稳定，倾角为2～5°。

顶板为砂质泥岩，岩层不很致密。

顶部为戊8煤层，距戊9-10煤层8～10m，该煤层在本区域内厚度0～0.4m，为不可采煤层。

本区域有小断层，对开采影响不大。

第二节　煤层瓦斯参数和抽放瓦斯参数

主要瓦斯参数

    本工作面位于标高－650水平，为矿井开采第三水平，煤层瓦斯含量为11m3/t，煤的密度为1.45t/m3，预测有突出危险，经预测工作面绝对瓦斯涌出量QCH4为19m3/min。

已知抽放瓦斯参数：

    经实测煤层透气性系数λ＝0.0276（m2/MPa2.d），如用未卸压长钻孔预抽煤层瓦斯，百米钻孔瓦斯抽出量为0.01m3/min·hm；如用卸压浅孔抽放瓦斯，百米钻孔瓦斯抽放量为1.0m3/min·hm，同时λ值提高到27.6（m2/MPa2.d）；如用卸压长钻孔预抽煤层瓦斯，百米钻孔瓦斯抽放量为0.05~0.1m3/min·hm；可根据以上测定的抽放参数选择抽放方法。

（1）卸压浅孔抽放时，抽放影响半径为0.8m，钻孔所需要的抽放孔口负压为12KPa，边采煤边抽放瓦斯。

（2）未卸压长钻孔抽放：

钻孔抽放半径为2.5m，钻孔孔口需负压为20KPa，掘进期间边掘进边抽放瓦斯。

 （3）卸压长钻孔抽放，钻孔抽放影响半径为2.5m，钻孔孔口需要负压为20KPa，边采煤边抽放。

第三节采区和工作面巷道布置、采煤方法

采用走向长壁全部跨落顶板管理法，工作面后退式倾斜分层开采，上分层采用综合机械化采煤，采高为2.8m采用两班采煤，一班抽放瓦斯，工作面日推进度为3m；下分层采高为2.2m。

巷道布置如图1所示。

附：

综采工作面巷道布置范围

第二章瓦斯储量计算、抽放瓦斯必要性论证

第一节　煤层瓦斯储量计算

1.按煤层全厚计算（即戊9-10煤层全厚）

    式中：

W1—戊9-10煤层瓦斯储量,万m3；

    k1—围岩瓦斯储量系数可取1.1~1.3；

    k2—不可采邻近煤层瓦斯储量系数,可取1.2~1.4；

Ai—第i可采煤层煤炭地质储量,万吨；

    Xi—第i可采煤层平均瓦斯含量,m3/t。

由于储量的计算关系到生产和瓦斯抽放的准确性，因此，在选择K1、K2的修正值时选取中间数值，即：

K1=1.2，K2=1.3;

采煤层煤炭地质储量，（万吨）

A=1500×200×5×1.45=217.5万吨

瓦斯总储量

W1=1.2*1.3*（1500*200*5*1.45*11）=3732.3000万m3

2.按采高计算：

   式中:

W2－按采高计算煤层瓦斯储量，万m3；

    Xi—第i可采煤层平均瓦斯含量,m3/t。

；

   Ai－采面长度（m）×采面走向长（m）×采高（m）×煤的密度（t/m3）

上分层采高2.8m，煤层瓦斯储量：

W2=1.2×1.3×1500×200×2.8×1.45×11×10-4=2090.088万m3

下分层采高2.2m，煤层瓦斯储量：

W2＝1.2×1.3×200×1500×2.2×1.45×11×10-4＝1642.212万m3

 3.工作面瓦斯抽放率

   式中:

d－工作面瓦斯抽放率（％）

   q纯－工作面瓦斯可抽放量

   Q·CH4－工作面绝对瓦斯涌出量

d=100*10.368/19=54.57%

  4．工作面瓦斯可抽放量W3

   式中W3－工作面瓦斯可抽放量m3/min

   W2－按采高计算煤层瓦斯储量m3/min

   d－工作面瓦斯抽放率（％）

上分层瓦斯可抽放量W3：

W3＝W2d＝2090.088×54.57％＝1140.56万m3

下分层瓦斯可抽放量W3：

W3＝W2d＝1642.212×54.57％＝776.05万m3

第二节　工作面可抽放量计算和抽放必要性可行性论证

 1.抽放瓦斯的必要性

   根据供风量为1500m3/min，工作面瓦斯浓度按0.6％计算风排瓦斯量Qp=Q×C=1500×0.6/100=9m3/min。

而工作面绝对瓦斯涌出量为19m3/min，如不可抽放瓦斯，则工作面的瓦斯浓度将超限，尚需抽放瓦斯量＝QCH4-Qp=19-9=10m3/min工作面瓦斯浓度才能维持0.6％

    2.抽放的可行性

本煤层瓦斯抽放的可行性是指在自然透气条件下进行预抽的可能性，衡量本煤层瓦斯预抽可行性指标有三个：

煤层透气性系数（λ），钻孔瓦斯流量衰减系数（α）和百米钻孔瓦斯极限抽放量衰减系数（Qj）。

按λ、α和Qj判断本煤层瓦斯抽放可行性标准如表2-2示。

表2-2本煤层预抽瓦斯难易程度分类表

根据已知条件，煤层透气性系数λ=0.0276（㎡/MPa2·d）,2号煤属于较难抽采煤层，如不采取其他技术措施，基本不具备预抽本煤层瓦斯的可能性，因此，我们要选取合适的抽采方法来治理工作面的瓦斯超限。

   根据我局四矿、八矿、十矿综采面采用卸压浅孔抽放瓦斯技术，实现了安全。

高产。

高效，取得了良好的经济效益的情况，应当认为浅孔抽放瓦斯方案是完全可行的，如八矿戊9-10—12170综采面应用浅孔抽放技术,钻孔直径为89mm，钻孔间距为1.0m,钻孔深度为10m，平均瓦斯抽放量为0.8m3/min，最高日产量达到8.4万t，又如十矿戊9-10—21170综采面钻孔直径为89mm，钻孔间距为1.5m，钻孔深度为6m,平均瓦斯抽放量为2.1~3.2m3/min，最高日产量达到4.9万吨。

第三章煤层瓦斯抽放方法设计

第一节抽放方法的比较和选择

1.本工作面采用本煤层瓦斯抽放有三种方式可供选择

（1）本煤层未卸压长钻孔预抽煤层瓦斯，边掘边抽；

（2）本煤层卸压浅孔预抽瓦斯，边采煤，边抽放。

（两班采煤，一班抽放）；

  （3）本煤层未卸压长钻孔抽放，边采边抽。

    2．经济技术比较

（1）煤层透气性系数比较：

未卸压顺层长孔抽放时,煤层透气性系数λ值为原始值，即0.0276。

卸压钻孔抽放λ值可提高（100—1000）倍，达到27.6（m2/MPa2·d）

（2）百米钻孔抽放量比较：

未卸压顺层长孔抽放时为0.01m3/min·km，卸压浅孔抽放时可达到1~3m3/min·km，卸压长钻孔抽放为0.05~0.1m3/min·km。

   （3）抽放工艺比较：

未卸压长孔抽放和卸压长孔抽放，需要MK系列大钻机（30KW）操作移动不便。

封孔方法用水泥、沙浆或聚胺脂操作比较复杂。

而卸压浅孔抽放用QFZ-22轻便防突钻机，用CF-Z型等胶囊封孔器，操作极为简便。

（4）采用卸压浅孔抽放瓦斯。

第二节抽放钻孔参数确定

1）主要参数的确定

（1）钻孔直径为89mm；钻孔深度为9m；钻孔距为2m；钻孔抽放影响半径=2×0.8=1.6m。

（2）钻孔数N

     N=工作面长度-10（m）/孔距+1

N＝﹙200－10﹚／2﹢1＝96个

因为采高5米，所以布置四层钻孔

钻孔总数96×4=384

    （3）钻孔总长度为M：

       M=钻孔深度×N（m）

M＝9×384＝3456m

   （4）工作面每分钟可抽放量q纯

    q纯=M×百米钻孔可抽放量（m3/min）

q纯＝3456×3/1000＝10.368m3／min

第三节绘制抽放钻孔布置平面图和剖面图

绘制钻孔布置图

     根据选择的卸压抽放瓦斯方法，绘制钻孔布置施工图。

抽放钻孔布置平面图

抽放钻孔布置剖面图

第四章综采工作面瓦斯抽放系统

第一节工作面瓦斯抽放设施的配置和布置

根据巷道长度和巷道布置，绘制抽放瓦斯管道系统图。

（1）系统图必须绘制阀门，流量计和放水器位置注明各巷道管道的管径和长度，包括吸入段和排出段管道布置；管道长度应根据巷道长度来确定；根据巷道布置可知，风巷长度为1500m,采区轨道上山长度为500m（至泵站位置），采区轨上山瓦斯泵站距离为20m;采区回风上山长度为550m,采区总回风巷长度瓦斯管道终端为50m,瓦斯泵站至采区回风上山斜巷长度为30m。

（2）抽放管道吸入段长度=风巷长度+采压轨道上山至泵站长度+采区轨道上山（至泵站位置）长度。

 （3）抽放管道排出段长度=泵站至回风上山距离+采区回风上山长度+采区回风巷长度（瓦斯管道终端）。

第二节抽放管路的计算和选择

 1、管道内径计算

  式中：

D内—瓦斯管道内径m

   Q—管道混合瓦斯流量m3/min

   V—管道中混合瓦斯的经济流速，m/s，一般取6~10m/s，考虑到管道内瓦斯浓度为20%。

    Q混=q纯/C

   式中：

Q混—管道混合瓦斯流量m3/min

   q纯—工作面纯瓦斯可抽放量，m3/min；

   C—管道内纯瓦斯浓度为20%

 根据以上公式可以计算：

管道内管道混合瓦斯流量的大小：

Q混＝q纯／C＝10.368／20％＝51.84m3／min

管道内径的大小；

D内＝0.1457﹙Q／V﹚1／2＝0.1457×﹙51.84／8﹚1／2＝0.371m=371mm

根据条件

   根据以上公式可以计算管道内径的大小；根据流速流量，选择合适内径的管材。

内径选择375mm

 2、管道材料及壁厚

   考虑运输安装方便，目前广泛采用玻璃钢管时Φ300~500壁厚为16mm

则：

根据以上计算可初步选定管道内为375管材为玻璃钢.

第五章瓦斯泵选型

第一节抽放系统管道阻力计算

 1．抽放阻力计算

（1）直管阻力损失计算：

 H真＝9.81﹙L△Q2混／K0D5内﹚

   式中：

H直—瓦斯管道直管阻力损失，Pa；

   L—瓦斯管道直管长度，m；

   △—混合瓦斯对空气的相对密度，管道内纯瓦斯浓度为20%时，△=0.91；

   Q混—管道混合瓦斯流量m3/h，由指导书可知，单位必须换算成m3/h；

K0—管路系数，取0.71；

   D内——瓦斯管道内径mm由指导书四（六）1可知，单位必须换算成cm，才能代入公式。

 根据计算公式列表计算管道吸入段及排出段的阻力损失：

管道段名称

L（m）

△

Q混（m3/n）

D内（cm）

K0

H（Pa）

吸入段（Pa）

排出段（Pa）

工作通风巷

1500

0.91

3110

37.5

0.71

2459.85

轨道上山至泵站

500

0.91

3110

37.5

0.71

819.95

轨道上山瓦斯泵站

 20

 0.91

3110

37.5

0.71

32.80

采区回风上山

550

0.91

3110

37.5

0.71

901.94

泵站至回风上山

30

0.91

3110

37.5

0.71

49.20

采区回风巷

50

0.91

3110

37.5

0.71

81.99

合计

4345.73

3312.59

1033.13

直管阻力损失=吸入段阻力+排出段阻力损失

（2）局部阻力损失计算（管路局部阻力损失按直管阻力损失15%计算）

  总局部阻力损失

    H局总＝H直总×0.15﹙Pa﹚

总局部阻力损失＝4345.73×0.15＝651.86Pa

（3）抽放系统总阻力计算：

   抽放系统总阻力损失

   H总＝H直总＋H局总﹙Pa﹚

抽放系统总阻力损失＝4345.73＋651.86＝4997.59Pa

第二节瓦斯泵流量和压力计算

1、瓦斯泵流量计算

     Q泵＝q纯·K／Cη

   式中:

Q泵-瓦斯抽放泵额流，m3/min；

   Q纯-工作面抽放纯瓦斯含量，m3/min；

   C-瓦斯泵入口处纯瓦斯浓度，取20%；

   η-瓦斯泵机械效率，取80%；

   k-瓦斯抽放综合系统，取K=1.2。

Q泵＝q纯·K／Cη

＝10.368*1.2/0.2/0.8=77.76m3/min

2、瓦斯泵压力计算

   H泵=（H总+H孔）K备

   式中：

H泵-瓦斯泵压力Pa

   H总-瓦斯管路总阻力损失（排出段与吸入段阻力损失之和）；

   H孔-抽放钻孔所需的负压，对液孔抽放H孔取12000Pa；

   K备-抽放备用系数K取1.2。

H泵＝﹙4997.59＋12000﹚×1.2＝20397.1Pa

第三节瓦斯泵选型确定

按教材P164表2-95选（注意表中1mbar=102Pa）ZBE1系列水环式真空泵选型的原则：

   选出的泵的压力≥计算出来的H泵;

   流量≥计算出来的Q泵。

结合上述情况，选择SK-85型水循环式真空泵，起工作流量为85m3/min，泵的压力为650mmHg，均大于设计要求，符合条件，满足使用要求。

适用于此工作面的瓦斯抽放系统。

根据SK-85型水循环式真空泵的转速365r／min和功率130KW，选择合适的电动机与之配合。

第六章工作面瓦斯抽放安全技术措施

1、瓦斯管路在运输巷道内，应架设一定的高度并固定在巷道壁上，避免被车辆撞坏漏气。

2、瓦斯管路不得与带电物体接触，在工作面巷道中应与电缆分开铺设，若分开有困难，二者间距不得小于300mm，且瓦斯管路必须在上方。

3、施工单位在运输时，应注意保护瓦斯抽放管路，严禁人员随意破坏或车辆撞坏，一旦损坏应立即通知通风区，并向矿调度室汇报，由相关单位及时派人采取措施处理。

4、瓦斯管路吊挂牢固、整齐，并要对瓦斯管路加强日常检查、维修和更换。

5、工作面瓦斯抽放过程中，上隅角编织袋墙要打严密，防止大量气体溢出。

6、抽出的瓦斯排入回风巷时，在管路出口上风侧5m以外，下风侧30m以外处必须设置隔离栅栏，悬挂警标，禁止人员入内，两栅栏间禁止任何作业。

7、在瓦斯抽放站内安装一瓦斯监测探头，报警浓度为0.5%。

8、在排瓦斯管路出口下风侧栅栏外设置一瓦斯监测探头，报警断电点均为1％，复电浓度为小于1%，当瓦斯超限时，能自动切断抽放瓦斯泵电源，停止瓦斯抽放工作。

9、安设瓦斯抽放监测装置一套，对抽放管路内的瓦斯浓度，流量等参数进

10、每班加强瓦斯抽放管路中CO浓度及温度检查，发现有自然发火征兆时，立即向通风调度汇报，并停止抽放。

11、要经常检查抽放管路系统中的防回火、防回气、防爆炸等安全措施，使其保持良好状态。

12、对测量气体浓度、温度的测定孔，平常不用时要用塞子堵严，防止漏气。

13、瓦斯泵房内的电气设备和照明都要采用防爆型。

14、在瓦斯泵房外制作一个容积为3m3的铁水箱，并利用潜水泵向箱体内供水，平时要保持箱体内有足够的容水量，一旦大巷内无水，可做为抽放泵的备用水源使用。

15、抽放硐房内要有专人值班，每小时检查记录一次有关参数，如瓦斯浓度、CO浓度及抽放负压等。

16、在抽放过程中，随着工作面的推进，要及时移动上隅角抽放管路，确保抽气端弹簧管不打死弯和埋管深度符合要求。

17、要加强对上隅角周围巷道的支护工作，防止巷道落碴砸坏抽放管路，影响抽放工作。

18、抽放硐室内应配备一部直通矿调度室的专用电话和做记录用的桌椅。

19、硐室内的消防器材应不低于《规程》的规定值。

20、硐室值班人员要加强责任心，密切关注泵的运转情况，发现问题及时汇报处理，并现场交接班。

21、煤与瓦斯突出矿井在开采一矿戊9-1032101工作面的年度作业计划及月作业计划中必须明确瓦斯抽放工程计划。

22、煤与瓦斯突出矿井必须根据该矿的年度作业计划在安全技术措施、资金及维检工程中排足瓦斯抽放工程计划所需的瓦斯抽放资金。

23、规范瓦斯抽放设计。

根据不同地点的地质情况，采取有针对性的设计方案。

消除瓦斯抽放空白带。

24、在过小断层时，必须按规定报批施工设计和防突措施。

钻孔控制范围、数量达到《煤矿瓦斯抽采基本指标》和《防突细则》要求。

25、加强抽采瓦斯系统维护管理。

抽采管道要吊挂平直，在通往各抽放地区的抽放支管分叉处必须安设阀门、孔板；低凹处应安装放水器；钻场、钻孔等地点实行挂牌管理，定期测量负压、流量、瓦斯浓度等参数，并及时进行调整。

各抽放地区放水、管路维修、参数观测等工作责任到人，实行工作目标与工资挂钩制度。