安全生产通风及安全.docx
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安全生产通风及安全
第四章通风与安全
4.1瓦斯资源分析和瓦斯涌出量计算
4.1.1瓦斯资源分析
4.1.1.1瓦斯赋存状况
根据河南理工大学编制的《山西长平煤业有限责任公司矿井瓦斯涌出量预测报告（3号煤层）》（简称《矿井瓦斯涌出量预测报告》），本矿井3号煤瓦斯含量测试结果如下：
河南理工大学对长平矿3号煤层的瓦斯含量进行了实测，测定地点及结果见表4.1-1。
表4.1-13号煤层瓦斯含量测定结果
测定地点
埋藏深度（m）
取样深度（m）
样品中气体组分（%）
瓦斯含量
（m3/t）
CH4
CO2
N2
第一回风巷距43072巷495m
427
15
90.14
--
9.86
8.41
第一回风巷距43072巷450m
409
14
95.96
--
4.04
6.56
第二回风巷距43072巷1065m
514
15
94.98
--
5.02
8.70
第二回风巷距43072巷1050m
513
13
93.46
--
6.54
8.29
第一回风巷距43072巷1000m
461
16
90.72
--
9.28
7.06
辅助运输巷距43042巷1000m
441
18
92.27
--
7.73
7.15
43041巷距辅助运输巷415m
420
15
90.15
--
9.85
6.43
43041巷辅助运输巷1010m
486
16
93.40
--
6.60
10.32
43041巷辅助运输巷1100m
453
14
96.53
--
3.47
12.07
43041巷辅助运输巷1235m
465
14
92.34
--
7.66
10.03
43042巷距辅助运输巷500m
442
15
85.53
--
14.47
6.10
43042巷距辅助运输巷875m
540
14
90.25
--
9.75
10.80
43042巷距辅助运输巷980m
540
15
95.93
--
4.07
15.58
43042巷距辅助运输巷1040m
545
17
93.21
--
6.79
12.22
43042巷距辅助运输巷1090m
545
15
94.58
--
5.42
10.53
43043巷距辅助运输巷945m
534
16
92.36
--
7.64
12.89
南翼泄水巷距辅助运输巷600m
427
15
87.31
--
12.69
6.44
南翼泄水巷距辅助运输巷800m
474
15
88.53
--
11.47
11.68
4304切眼距43043巷30m
505
15
90.13
--
9.87
11.91
1、瓦斯赋存规律
通过对表4.1-1中的瓦斯含量测值及其甲烷成分分析，得到长平矿3号煤层瓦斯具有如下赋存规律：
（1）该区域3号煤层甲烷成分均高于80%，处于甲烷带；
（2）3号煤层瓦斯含量主要受煤层埋深控制，两者间的散点关系如图4.1-1所示。
经回归分析，3号煤层瓦斯含量（W）具有随埋藏深度（H）增大而加大的整体趋势，两者之间具有如下形式的线性统计规律（相关系数r=72.50%）：
W=0.0413H—10.246
式中：
W——煤层瓦斯含量，m3/t；
H——煤层埋藏深度，m。
（3）3号煤层瓦斯含量增长梯度为4.13m3/t/100m。
图4.1-13号煤层瓦斯含量与埋藏深度关系散点图
2、瓦斯含量分布预测
根据煤层瓦斯含量与埋深关系，采用内插和外推的方法，编绘了长平矿3号煤层埋深等值线图和3号煤层瓦斯含量分布预测图，如图4.1-2、4.1-3所示。
从图4.1-3可知，长平煤矿井田内的3号煤层瓦斯含量由东向西逐渐增高，井田内最大瓦斯含量高达23.62m3/t。
3、瓦斯其他参数
3号煤：
瓦斯成份中CH4占85.53～96.53%，N2占3.47～14.47%，全部处于甲烷带；3号煤瓦斯含量为3.92～23.62m³/t，平均13.77m3/t；残存瓦斯含量为2.89m³/t；煤层透气性系数为0.0116～0.0520m²/Mpa²·d；百米钻孔初始瓦斯流量为0.0021～0.0029m³/min·100m，百米钻孔瓦斯流量衰减系数为0.1101～0.1147d-1。
4.1.1.2瓦斯含量梯度
据《矿井瓦斯涌出量预测报告》，长平矿3号煤层瓦斯含量增长梯度为4.13m3/t/100m。
4.1.1.3矿井瓦斯等级
根据矿井瓦斯鉴定等级和瓦斯涌出量预测结果，本矿井开采3号煤层时为高瓦斯矿井。
4.1.2瓦斯资源储量
矿井瓦斯储量是指矿井可采煤层的瓦斯储量、受采动影响后能够向开采空间排放的不可采煤层及围岩瓦斯储量之和。
根据中国煤炭科工集团重庆研究院编制了《山西长平煤业有限责任公司长平矿3号煤层瓦斯抽采系统初步设计（修改版）》，长平矿3号煤层瓦斯储量为3932.42Mm3，表明长平矿的瓦斯资源较为丰富。
根据AQ1026—2006《煤矿瓦斯抽采基本指标》及长平矿实际情况，长平矿3号煤层瓦斯可抽量为1771.05Mm3，可以为长平矿井的瓦斯抽采提供了充足的资源条件。
4.1.3瓦斯涌出量计算
2012年2月河南理工大学编制的《山西长平煤业有限责任公司矿井瓦斯涌出量预测报告（3号煤层）》，山西省煤炭工业厅以晋煤瓦字【2012】178号文对其进行了批复，这里将瓦斯涌出量预测进行简要描述。
依据AQ1018-2006《矿井瓦斯涌出量预测方法》规定的分源预测法对长平矿3号煤层煤三、四、五、六盘区瓦斯涌出进行预测。
瓦斯涌出来源构成见图4.1-4。
图4.1-4矿井瓦斯涌出源汇关系示意图
据《瓦斯涌出量预测报告》，长平矿3号煤层回采工作面、掘进工作面、采区以及整个下组煤瓦斯涌出量预测结果分别见表4.1-2、3、4、5。
1、回采工作面瓦斯涌出量预测结果见表4.1-2
表4.1-2回采工作面瓦斯涌出量预测结果
生产
盘区
平均
产量
（t/d）
最大瓦斯含量
（m3/t）
回采工作面瓦斯涌出量
开采层
（m3/t）
邻近层
（m3/t）
合计
相对量（m3/t）
绝对量（m3/min）
三盘区
7367
23.62
26.19
4.13
30.32
155.12
四盘区
7367
15.58
16.04
2.56
18.60
95.16
五盘区
7367
23.62
26.19
4.13
30.32
155.12
六盘区
7367
23.25
25.73
4.06
29.79
152.40
2、掘进工作面瓦斯涌出量预测结果见表4.1-3。
表4.1-3掘进工作面瓦斯涌出量预测结果
生产
盘区
工作面名称
瓦斯含量（m3/t）
巷道长度
（m）
掘进速度（m/mon）
瓦斯涌出量（m3/min）
煤壁
落煤
合计
三盘区
顺槽
23.62
2700
180
10.08
2.21
12.29
顺槽
23.62
2700
180
10.08
2.21
12.29
大巷
23.62
3300
180
11.61
2.43
14.04
四盘区
顺槽
15.58
1500
180
4.96
1.35
6.31
顺槽
15.58
1500
180
4.96
1.35
6.31
大巷
15.58
3300
180
7.66
1.49
9.15
五盘区
顺槽
23.62
2700
180
10.08
2.21
12.29
顺槽
23.62
2700
180
10.08
2.21
12.29
大巷
23.62
3300
180
11.61
2.43
14.04
六盘区
顺槽
23.25
1200
180
6.62
2.17
8.79
顺槽
23.25
1200
180
6.62
2.17
8.79
大巷
23.25
3300
180
11.43
2.38
13.81
3、采区瓦斯涌出量预测结果见表4.1-4。
表4.1-4采区瓦斯涌出量预测结果
生产
盘区
平均
产量
（t/d）
盘区瓦斯涌出量
回采
（m3/min）
掘进
（m3/min）
采空区
（m3/min）
合计
（m3/min）
（m3/t）
三盘区
9091
155.12
38.62
48.44
242.18
38.36
四盘区
9091
95.16
21.77
29.23
146.16
23.15
五盘区
9091
155.12
38.62
48.44
242.18
38.36
六盘区
9091
152.40
31.39
55.14
238.93
37.85
4、矿井瓦斯涌出量预测结果见表4.1-5。
表4.1-5矿井瓦斯涌出量预测
生产盘区
平均产量（t/d）
瓦斯涌出量
生产盘区（m3/min）
采空区
（m3/min）
合计
m3/min
m3/t
三盘区
9091
242.18
36.33
278.51
44.12
四盘区
9091
146.16
21.92
168.08
26.62
五盘区
9091
242.18
36.33
278.51
44.12
六盘区
9091
238.93
47.79
286.72
45.42
5、结论
批复结果为：
长平矿三、五盘区生产时，矿井最大绝对瓦斯涌出量278.51m3/min，最大相对瓦斯涌出量44.12m3/t；四盘区生产时，矿井最大绝对瓦斯涌出量168.08m3/min，最大相对瓦斯涌出量26.62m3/t；六盘区生产时，矿井最大绝对瓦斯涌出量286.72m3/min，最大相对瓦斯涌出量45.42m3/t，属高瓦斯矿井。
4.1.4瓦斯抽采的必要性和可行性
2012年4月，中国煤炭科工集团重庆研究院编制了《山西长平煤业有限责任公司长平矿3号煤层瓦斯抽采系统初步设计（修改版）》，2012年5月，山西省煤炭厅以晋煤瓦发【2012】551号文对瓦斯抽采设计进行了批复。
本设计对抽放系统及结论进行描述。
4.1.4.1瓦斯抽采的必要性
1、从瓦斯涌出预测情况来看抽采瓦斯的必要性
从矿井瓦斯涌出量预测结果来看，矿井最大绝对瓦斯涌出量286.72m3/min，大于40m3/min。
从采、掘工作面瓦斯涌出预测情况来看，回采面最大绝对瓦斯涌出量155.12m3/min，大于5m3/min。
3号煤层掘进面最大绝对瓦斯涌出量为38.62m3/min，大于3m3/min。
因此，从长平煤矿的瓦斯涌出预测情况分析，该矿已符合建立瓦斯抽采系统的必要条件，必须建立瓦斯抽采系统，采取瓦斯抽采措施，保证矿井安全生产。
2、从通风能力看抽采瓦斯的必要性
采掘工作面实行瓦斯抽采的必要性判断标准是：
采掘工作面设计风量小于稀释瓦斯所需要的风量，即下式成立时，抽采瓦斯才是必要的。
Q0＜
式中Q0——采掘工作面供风量，m3/min；
Q——采掘工作面瓦斯涌出量，m3/min；
K——瓦斯涌出不均衡系数，取K=1.5；
C——采掘工作面允许的瓦斯浓度，％。
3号煤层回采工作面最大绝对瓦斯涌出量将达到155.12m3/min，需要风量18614m3/min（按风流允许瓦斯浓度1%，考虑不均衡系数1.2），而后期设计最大供风量按80m3/s计算，只有4800m3/min，不能满足稀释瓦斯的要求。
掘进工作面采用综掘，最大绝对瓦斯涌出量为38.62m3/min，需要风量4634m3/min；而单个综掘面后期设计最大供风量为21m3/s计算，只有1260m3/min；可以看出掘进工作面配风难以满足稀释瓦斯的要求。
从上述分析来看，长平煤矿采煤工作面和掘进工作面的设计通风能力均不能满足稀释瓦斯所需风量的要求，根本无法保证采煤工作面瓦斯不超限，完全具备实施瓦斯抽采的必要条件。
3、从资源利用和环保的角度看抽采瓦斯的必要性
瓦斯是一种优质洁净的能源，将抽出的瓦斯加以利用，可以变害为宝，改善能源结构，保护矿区环境，取得显著的经济效益和社会效益。
根据前面的计算，长平煤矿3号煤层的瓦斯储量为3932.42Mm3，可抽瓦斯量为1771.05Mm3，这说明长平煤矿的瓦斯资源非常丰富，为瓦斯开发利用提供了充足的资源条件。
因此，从资源利用和环保的角度看也有必要建立瓦斯抽采系统，进行瓦斯抽采，变被动抽采为主动开发。
4.1.4.2瓦斯抽采的可行性
根据河南理工大学编制的《山西长平煤业有限责任公司矿井瓦斯涌出量预测报告（3号煤层）》可知，矿井瓦斯涌出量为168.08～286.72m3/min，其中，回采工作面瓦斯涌出为95.16～155.12m3/min，约占全矿井瓦斯涌出的53～57%；掘进工作面瓦斯涌出为21.77～38.62m3/min，约占全矿井瓦斯涌出的11～14%，采空区瓦斯涌出为51.15～102.93m3/min，约占全矿井瓦斯涌出的30～36%。
在回采工作面瓦斯涌出中，开采层瓦斯涌出为82.06～133.99m3/min，约占整个回采工作面瓦斯涌出的86%，邻近层瓦斯涌出为13.10～21.13m3/min，约占整个回采工作面瓦斯涌出的14%。
因此，以本煤层抽采为主。
开采层瓦斯抽采的可行性取决于煤层的自然透气性，其评价指标有两个：
煤层的透气性系数（l）和钻孔瓦斯流量衰减系数（a）。
国家安全生产监督管理总局于2006年颁布的AQ1027－2006《煤矿瓦斯抽放规范》规定的开采层预抽瓦斯可行性评价标准见4.1-6。
表4.1-6开采层预抽瓦斯难易程度分类表
抽采难易程度
钻孔瓦斯流量衰减系数（d-1）
煤层透气性系数l
（m2/MPa2·d）
容易抽采
<0.003
>10
可以抽采
0.003～0.05
10～0.1
较难抽采
>0.05
<0.1
根据河南理工大学2010年11月编写的3号煤层瓦斯基础参数测试报告可知，3号煤层透气性系数为0.0116～0.0520m2/（MPa2·d），钻孔瓦斯流量衰减系数为0.1101～0.1147d-1，因此，分析可知该煤层瓦斯可抽放类型为较难抽采。
由于目前长平矿煤矿当前主要开采一、二采区，缺乏井下钻孔预抽的相关考察数据和经验。
但是借鉴邻近类似条件矿井如赵庄矿（据重庆研究院2010年编制的该矿参数测定报告，煤层透气性系数l为0.21～0.46m2/（MPa2·d）、钻孔瓦斯流量衰减系数为0.1525～0.283d-1，两矿煤层条件近似）的瓦斯抽采经验表明，对于属于“较难抽采”类型的煤层，在缩小钻孔间距、保证一定的预抽时间及预抽负压的条件下，是能将瓦斯抽采出来的，其瓦斯抽采是可行的。
因此，长平矿3号煤层虽属“较难抽采”类型，但通过缩小钻孔间距，增加预抽时间，保证预抽负压，其预抽煤层瓦斯是可行的。
4.1.4.3瓦斯抽采规模
按先抽后采、先抽后掘、应抽尽抽、抽采达标、满足采掘衔接需要加密抽采的原则，矿井可能达到的最大抽采范围包括：
3个预抽面、1个边采边抽面、4个掘进面、1个采空区抽放、1个老空区抽放和1个临近层抽放；抽采量如下：
1、3个预抽面瓦斯抽放量：
3×37.76=113.28m3/min；
2、1个边采边抽面瓦斯抽放量：
25.17m3/min；
3、4个掘进工作面瓦斯抽放量：
4×5.34=21.36m3/min；
4、1个采空区瓦斯抽放量：
8.26m3/min；
5、1个老空区瓦斯抽放量：
10m3/min；
6、1个临近层瓦斯抽放量：
11.62m3/min。
长平矿瓦斯抽采量不应小于189.74m3/min，其中，高负压系统所需抽采量为159.86m3/min，而低负压系统抽采量为29.88m3/min。
因此本次设计确定矿井瓦斯抽采系统能力为190m3/min，其中高负压系统为160m3/min，低负压系统为30m3/min。
4.1.5瓦斯抽采方法
4.1.5.1瓦斯来源分析
3号煤层生产能力达3.00Mt/a时，回采工作面瓦斯涌出约占全矿井瓦斯涌出的53～57%；掘进工作面瓦斯涌出约占全矿井瓦斯涌出的11～14%，采空区瓦斯涌出约占全矿井瓦斯涌出的30～36%。
在回采工作面瓦斯涌出中，开采层瓦斯涌出约占整个回采工作面瓦斯涌出的86%，邻近层瓦斯涌出约占整个回采工作面瓦斯涌出的14%。
因此，根据上面的结果，长平矿3层煤层开采时的瓦斯涌出量主要来自于本煤层，设计采用以本煤层瓦斯抽采为主，采空区抽采为辅，预抽与边采边抽、边掘边抽相结合的综合抽采瓦斯方法。
4.1.5.2瓦斯抽采方法
1、选择抽采瓦斯方法的原则
选择矿井瓦斯抽采方法应根据煤层赋存条件、瓦斯基础参数、瓦斯来源、巷道布置、抽采瓦斯目的及利用要求等因素确定，长平矿开采的3号煤层属厚煤层，大量瓦斯来自本层，且无可利用解放层，因此主要采用本煤层瓦斯预抽，结合开拓部署和开采布置，同时采用边采边抽、边掘边抽以及采空区瓦斯抽采相结合的综合抽采方法。
2、回采工作面瓦斯抽采
工作面顺层钻孔采用双层立体交叉布置，工作面两侧顺槽相向施工的布孔方式进行回采工作面抽采。
钻孔间距为2.5m，孔长120m，在80%成孔率条件下，预计总进尺约26.112万m，工作面煤炭储量为304.69万吨（长×宽×煤厚=1700m×220m×5.58m，煤的密度为1.46m3/t），吨煤钻孔进尺为0.086m/t。
上排钻孔沿与顺槽呈85°夹角布置，开孔倾角为“煤层倾角+1.5°（煤层倾角实测确定）”；下排钻孔与顺槽呈75°夹角布置，开孔高度1.2m（如有夹矸宜避开开孔夹矸），开孔倾角为煤层倾角。
两种钻孔交替布置，使钻孔之间形成立体交叉，提高瓦斯抽采效果。
此外，鉴于矿井今后开采的三、四、五、六盘区瓦斯含量较高，建议矿井在这些区域提前几年进行地面井预抽，降低瓦斯含量，同时，回采工作面应该积极探索千米定向钻机施工技术，形成适合长平矿实际情况的区域大面积模块预抽措施，提高矿井安全性；建议严格按照《防治煤与瓦斯突出规定》《煤矿瓦斯抽采基本指标》等规定、规范的相关要求采取抽采措施和措施效果检验达标后，方准进行采掘作业。
3、掘进工作面瓦斯抽采
在掘进面向巷道前方及两侧布置钻场施工抽采钻孔，钻场及掘进面迎头各布置10个钻孔，钻孔呈三花形双排布置，钻孔开孔间距为0.8m，开孔倾角上排为“煤层倾角+1.5°”，下排钻孔沿煤层倾角布置，钻孔长度平均为200m，单元内钻孔总进尺约6400m，控制范围内煤资源约57027.6t（长×宽×煤厚=200m×35m×5.58m，煤的密度为1.46m3/t），吨煤钻孔进尺为0.11m/t。
掘进面经检验为预抽效果达标后，方可掘进，掘进时须至少留有20m的措施超前距，再施工下一循环的钻孔。
4、采空区瓦斯抽采
对已采完封闭的采空区（亦称作全封闭采空区），采用密闭法抽采采空区瓦斯。
对于生产工作面的采空区（亦称半封闭采空区），常用的有钻孔法抽采采空区冒落带瓦斯和埋管抽采采空区瓦斯。
根据邻近矿井采空区抽采方法的使用效果调研，长平矿采空区设计采用埋管抽采。
1）、回采工作面采空区埋管抽采
随着工作面的推进，当工作面推过横贯适当距离后，管路上的吸气口进入采空区内最佳抽采位置时，吸气口的组合阀门打开。
依次类推，使吸气口保持在最佳抽采位置，从而防止采空区瓦斯向工作面涌出。
在吸气口进入抽采采空区前撤掉三通管件上的法兰死堵，安装上组合阀门，在其上面安装筛管（周围钻很多小孔），并打开下一个横贯作为工作面回风通道。
当抽采支管进入采空区最佳抽采位置时，打开组合阀门，抽采采空区瓦斯。
埋管抽采参数需根据矿上实际抽采效果考察确定。
2）、老采空区插管抽采
对于已采完的采空区都要砌筑永久性密闭。
永久性密闭要选择顶底板坚固的岩（煤）层巷道，施工时一定要做到密闭周边掏槽、见硬帮硬底，符合通风设施质量标准要求。
最好是打双层密闭，双层密闭之间距离大于0.5m，两道密闭墙（砖或料石）中间充填黄土，还在密闭前及附近2～3m巷道四周进行喷浆封闭。
插管抽采的密闭上还应设置注砂（泥浆）管和采气测温管等观测管。
密闭墙厚度不小于1m，四周掏槽深度不小于0.3m，见图6.1-10。
抽采管口位置距离密闭里墙面不得小于0.5m，高度应大于巷道高度的1/3。
抽采管口应设防止杂物进入的保护设施，如果巷道的淋水较大，还应在密闭底部安设排水管或反水池。
4.1.5.3抽采负压
预抽钻孔的孔口负压为13kPa以上，边采边抽、边掘边抽的孔口负压为13Pa，采空区抽采钻孔的孔口负压为6kPa。
4.1.5.4施工钻机选型
根据上述瓦斯抽采方法、煤层赋存及国内外打钻设备的现状，抽采钻孔施工设备选型如下：
配备1台VLD-1000型千米钻机，16台ZDY-3200型普通钻机。
配套钻杆选用Φ73mm，每节长度1m或者1.5m的钻探钻杆，钻头选用金钢石钻头。
打钻施工供水采用由地面供水池向采区直接敷设管路，利用静压水直接供水，供水管路采用铁管供水。
：
4.1.6瓦斯抽采系统及抽采设备选型
4.1.6.1瓦斯抽采系统选择
（1）高负压系统：
地面、管道井及井下大巷管路选用一趟D1020×10mm螺旋卷焊钢管；工作面顺槽支管选用螺旋卷焊钢管，规格为D508×8mm，煤巷掘进面管路为D508×8mm螺旋卷焊钢管。
高负压系统：
地面抽采站→管道井→盘区回风巷→工作面顺槽巷道
（2）低负压系统：
地面、回风立井及井下回风大巷及盘区回风巷选用D720×10mm螺旋卷焊钢管；正在回采工作面采空区选用D457×8mm螺旋卷焊钢管。
低负压系统：
地面抽采站→回风立井→盘区回风巷→工作面顺槽巷道
4.1.6.2瓦斯抽采设备选型
根据抽采设计，高负压系统泵和低负压系统抽采泵均选用CBF810-2型水环式真空泵，泵的转速为259r/min，传动方式为减速机传动，减速机型号1C400N-3.7826，压力润滑，整机重量约32.5t，配套电机型号建议为YB710S2—6/1000kW，980rpm，电压等级10kV，IP44，dI。
查CBF810真空泵性能曲线，该泵在56KPa绝对压力下的工况流量为800m3/min，可以满足高负压系统的抽采要求；该泵在56KPa绝对压力下的工况流量为800m3/min，可以满足低负压抽采系统的要求。
泵房内共布置6台真空泵，高负压系统4台（2用2备），低负压系统2台（1用1备），真空泵的主要技术参数见表4.1-7。
表4.1-7真空泵参数一览表
型号
工况状态吸气压力（kPa）
工况状态抽气量（m3/min）
电机功率（kW）
极限吸气压力（kPa）
转速（r/min）
供水量（m3/h）
电压等级
备注
CBF810-2
56
800
1000
18
259
45
10KV
高负压2运2备
CBF810-2
56
800
1000
18
259
45
10KV
低负压1运1备
4.3.6预计抽采效果
根据《山西长平煤业有限责任公司长平矿3号煤层瓦斯抽采系统初步设计（修改版）》，采用上述抽采系统和抽采方法可以达到如下抽放效
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