23采区瓦斯抽放设计说明书.docx
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23采区瓦斯抽放设计说明书
龙门煤矿23采区瓦斯抽放设计说明书
一、概述
（一）设计的主要依据
1.《煤矿安全规程》（2011版）；
2.《煤炭工业矿井设计规范》（GB50215-2005）；
3.《煤矿瓦斯抽采工程设计规范》（GB50471-2008）；
4.《矿井瓦斯涌出量预测方法》（AQ1018-2006）；
5.《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》（安监总煤装［2011］163号）；
6.其他关于瓦斯抽放的政策和规定
（二）设计的指导思想
1.在符合规范要求、满足使用的前提下，尽可能降低造价、节省投资；
2.设备、管材选型留有余地，便于系统的优化改造；
3.采用工艺先进、符合实际。
（三）矿井概况
龙门煤矿位于偃龙煤田西部诸葛井田，行政区划属洛阳市龙门镇及偃师市诸葛镇、李村镇。
长约6.60km，宽1.05km，面积5.7642km2，2009年核定生产能力51万吨/年,目前剩余可采储量724.9余万吨，服务年限14年，现已开采至深部边界。
二、23采区瓦斯抽放必要性
（一）23采区二1煤层瓦斯主要参数
根据河南理工大学在2312上顺槽掘进头开口端77m和2311岩中巷8钻场、9钻场1#、2#、3#孔测瓦斯含量，瓦斯压力测定结果，平均瓦斯含量按5.18m3/t计算（见表2-1）。
表2-1-200m水平23采区瓦斯含量及瓦斯压力测定结果
测点位置
孔号
瓦斯含量（m3/t）
瓦斯压力（MPa）
2312上顺槽掘进头开口端77m和211岩中巷8钻场
1#
4.84
0.54
2#
3.5
0.31
3#
7.2
0.31
平均
5.18
0.39
根据地质勘探报告及河南理工大学测试结果，龙门煤矿二1煤层瓦斯基本参数如下：
煤层原始瓦斯压力0.31～0.54MPa
煤层平均瓦斯含量5.18m3/t
平均残存瓦斯含量3.17m3/t
煤的视密度1.56t/m3
煤的挥发分7.7％
（二）23采区瓦斯抽放必要性
龙门煤矿23采区现回采2312工作面，2312工作面位于矿井东翼，东部以23延伸轨道下山为界，西部是未采实体煤，南部以2310采空区为界，北部是2314工作面（未采实体），该工作面标高为-215.57～-163m，工作面走向长452m，倾向长度平均160m。
目前该采面配风量为750m3/min，瓦斯浓度为0.40%，绝对瓦斯涌出量为3.00m3/min。
为保证2312工作面安全生产，防止瓦斯超限事故发生，有必要建立23采区瓦斯抽放系统。
三、23采区瓦斯抽放可行性
根据《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》（安监总煤装［2011］163号）有关规定，衡量未卸压的原始煤层瓦斯抽放可行性指标有：
煤层透气性系数（λ），钻孔瓦斯流量衰减系数（α）。
按λ、α判定本煤层瓦斯抽放可行性标准（见表3-1）。
表3-1本煤层预抽瓦斯难易程度分类表
抽放难易程度
钻孔瓦斯流量衰减系数
α（d-1）
煤层透气系数
λ（m2/MPa2·d）
容易抽放
<0.003
>10
可以抽放
0.003～0.05
10～0.1
较难抽放
>0.05
<0.1
根据河南理工大学测试结果，龙门煤矿二1煤层透气性系数约为1.09m2/MPa2·d，属于可以抽放煤层。
四、23采区瓦斯储量及抽放年限
（一）瓦斯储量和可抽量
1.瓦斯储量计算范围
本矿井瓦斯赋存不均，局部异常，本次主要针对东翼瓦斯含量较高的23采区二1煤层瓦斯编制抽放设计，瓦斯储量计算范围为23采区的二1煤层赋存的瓦斯和二1煤层顶底板围岩赋存瓦斯。
2.瓦斯储量
邻近煤层瓦斯对二1煤层影响较小，23采区瓦斯储量可按单一煤层计算，瓦斯储量计算公式如下：
Wk=KW1+W1
=（K+1）A1X
=（0.1+1）×0.78×5.18=4.45（Mm3）
式中：
Wk—23采区瓦斯储量，Mm3；
K—围岩瓦斯储量系数，取0.10；
W1—23采区二1煤层瓦斯储量，Mm3；
其中A1—23采区二1煤地质资源储量，A1=0.78Mt；
X—23采区二1煤平均瓦斯含量，X=5.18m3/t。
由此可得，龙门煤矿23采区瓦斯储量为4.45Mm3。
3.23采区瓦斯可抽量
为计算矿井的瓦斯可抽量，需首先确定矿井的瓦斯抽采率。
瓦斯抽采率可根据煤层瓦斯抽采难易程度、瓦斯涌出情况、采用的瓦斯抽采方法等因素综合确定，也可参照邻近矿井或条件类似矿井数值选取，并参照《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》（安监总煤装［2011］163号文件）内容，提高瓦斯预抽率。
根据以上原则确定本矿井23采区瓦斯预抽率为30%。
23采区瓦斯可抽量是指23采区瓦斯储量中能被抽出的瓦斯量，由下式计算：
式中：
Wkc—23采区瓦斯可抽量，Mm3；
ηk—矿井瓦斯抽采率，取ηk=30%；
Wk—23采区瓦斯储量，Mm3。
由此可得23采区瓦斯可抽量为1.34Mm3（见表4-1）。
表4-123采区地质储量、瓦斯储量、可抽量计算表
23采区
地质储量
（Mt）
平均瓦斯含量（m3/t）
瓦斯地质储量
（Mm3）
可抽瓦斯量
（Mm3）
煤层
0.78
3.5-7.2
4.04
小计
0.78
5.18
4.04
围岩
0.41
合计
4.45
1.34
（二）23采区年抽放量及抽放年限
1.年抽放量
（1）矿井工作制度
设计矿井年抽放365天，日工作班数为3班，每班工作8小时，每天抽放24小时。
（2）矿井年抽放量
23采区矿井抽放瓦斯量达到设计要求时，瓦斯抽放量为1.27m3/min，即年抽放量为0.67Mm3。
2.抽放年限
由于采用顺层钻孔预抽、高位裂隙钻孔抽放等综合抽放方法，因此其抽放服务年限将与23采区（采区服务年限T＝2（a））服务年限相当。
五、瓦斯抽采方法
（一）抽采方法选择
根据工作面地质条件、开采方法、巷道布置、采空区瓦斯分布情况、瓦斯主要来源、采空区深部和高处、回风隅角是瓦斯聚集区域，以及2312工作面回采现状，决定在-175m大巷23-25段进行高位裂隙钻孔抽放及2312上、下顺槽敷设一趟抽放管，进行顺层钻孔抽放。
1.顺层钻孔预抽：
在上、下顺槽回采侧巷帮施工顺层钻孔，每3m施工一个顺层钻孔，两顺槽钻孔设计长度交叉长度不小于5m，钻孔设计长度90m，钻孔直径92mm,封孔长度不小于13m。
工作面外段瓦斯异常地段需进行预抽，长度按150m进行计算，上下巷各需要施工50个顺层钻孔。
2.高位裂隙钻孔抽放：
沿-175m大巷23-25段回采侧每隔40m左右施工一个钻场，钻场规格为4m×5m×3m。
每个钻场施工5个钻孔，后一个钻场终孔必须超前前一个钻场开孔40m的距离，满足本工作面治理瓦斯需要。
见下图。
（二）抽采系统的选择
1.顺层钻孔的抽放量预计
根据临近矿井顺层钻孔抽放的实际情况，单孔预计最大流量0.07m3/min，工作面上、下顺槽同时抽放钻孔各50个计算。
抽放流量=单孔流量×同时最多抽放钻孔数
Q本=q本.i=0.07×50×2=7m3/min。
式中：
q本——为单孔流量，m3/minm；
i——为孔数，i=50。
井下顺层抽放支管管路最大流量为Q本=7m3/min。
2.高位裂隙钻孔瓦斯抽放量预计
根据临近矿井高位裂隙钻孔单孔预计最大流量为0.2m3/min，2312采面每个钻场设计高位钻孔5个，-175m大巷最多保证2个钻场接替在抽，最大时10个钻孔抽放。
抽放流量=单孔流量×同时最多抽放孔数
Q高=q高.i=0.2×10=2m3/min。
式中：
q高——为单孔流量，q皮高=0.2m3/minm；
i——为孔数，i=10。
井下高位抽放支管路管路最大流量为Q高=2m3/min。
则井下抽放管路干管最大流量Qc=Q本+Q高=9m3/min。
六、瓦斯抽放系统管路和设备布置及选型
（一）抽放管路系统
1.抽放管路系统的选择
（1）干管：
D干=0.1457（Qc/v）0.5=0.138m
式中：
D干——瓦斯管内径，m；
Qc——瓦斯管内混合流量，Qc=9m3/min；
v——瓦斯管内流速，一般取5～15m/s，这里取10m/s。
按照大管径流速取大值、小管径流速取小值，管路系统较长者流速取小值、管路系统较短者流速取大值的原则选取经济流速。
经计算:
D干=0.14m,即选用DN150mm管路作为抽放干管,采用综合抽放较合理。
干管负压进气端全长500m。
正压出气端100m，干管全长600m。
（2）下顺槽顺层钻孔支管：
下顺槽最多钻孔同时抽放时最大流量为Q下=3.5m3/min，采用下列公式（《煤矿瓦斯抽放规范》）计算抽放管径。
D下=0.1457（Q本/v）0.5
式中：
D下-----瓦斯管内径，m;
Q下-----管内瓦斯流量m3/min，Q本=3.5m3/min
v------瓦斯管中的平均流速,m/s,一般取v＝5m/s-15m/s（本公式取10m/s）
经计算:
D下=0.09m，选用内径DN150mm钢丝骨架聚乙烯管作为下顺槽顺层钻孔支管。
全长800m。
（3）上顺槽及-175m大巷高位裂隙钻孔支管：
-175m大巷高位裂隙钻孔最高同时抽放时最大流量为Q高=2m3/min，上顺槽最多钻孔同时抽放时最大流量为Q上=3.5m3/min，该支管同时抽放时最大流量为Q混=2+3.5=5.5m3/min，采用下列公式（《煤矿瓦斯抽放规范》）计算抽放管径。
D混=0.1457（Q本/v）0.5
式中：
D混-----瓦斯管内径，m;
Q混-----管内瓦斯流量m3/min，Q混=5.5m3/min
v------瓦斯管中的平均流速,m/s,一般取v＝5m/s-15m/s（本公式取10m/s）
经计算:
D皮=0.11m，选用内径DN150mm钢丝骨架聚乙烯管作为-上顺槽及-175m大巷高位裂隙钻孔支管。
全长800m。
2.管路阻力计算：
管路内摩擦阻力计算：
H=9.8LrQ2/KCD5
式中:
H:
------阻力损失,pa；
L:
-----管路长度,m；
Q:
-----瓦斯流量,m3/h；
D:
-----管道内径,cm；
KC:
-----与管径有关的系数（D＞150时,取0.71）；
r------混合瓦斯对空气的相对密度。
抽放主干管摩擦阻力
H=9.8×600×0.933×5402/（0.71×155）
=2967（Pa）
下顺槽顺层钻孔支管摩擦阻力
H1=9.8×800×0.933×2102/（0.71×155）
=598（Pa）
上顺槽及-175m大巷高位裂隙钻孔支管摩擦阻力
H2=9.8×800×0.951×3302/（0.71×155）
=1478（Pa）
（2）局部阻力计算
局部阻力为一般取摩擦阻力的10%-20%,该抽放管路系统长，网络复杂，按经验取各段管道总摩擦阻力的20%作为局部阻力
抽放主干管局部阻力
H干局=2967×20%=593（Pa）
下顺槽顺层钻孔抽放支管局部阻力
H下局=598×20%=120Pa）
上顺槽及-175m大巷高位裂隙钻孔支管局部阻力
H混局=1478×20%=296（Pa）
（3）各抽放管路的阻力计算：
H=（h摩+h局+h末端）×K
式中:
H：
——抽放各管路的阻力,pa；
h摩：
——井下管路最大摩擦阻力损失pa；
h局：
——井下管路最大局部阻力损失pa；
h末端：
——井下抽放钻场或钻孔孔口必须造成的负压，Pa；根据经验，对于非卸压区煤层可取h末端≥13kPa；对于卸压区煤层可取h末端≥6.7kPa。
K－－备用系数取1.2
经过主管路的阻力：
H=（h+h干局）×K
=（2967+593）×1.2
=4272Pa=4.3kPa
经过下顺槽顺层抽放支管的阻力：
H下=（h1+h局+h末端）×K
=（598+120+13000）×1.2
=16462Pa=16.5kPa
上顺槽及-175m大巷高位裂隙钻孔支管的阻力
H混=（h2+h局+h末端）×K
=（1478+296+13000）×1.2
=17729Pa=17.7kPa
3.瓦斯抽放泵站额定负压计算
Hb=H+H下+H混=4.3+16.5+17.7=38.5kPa
式中:
H：
——经过主管路的阻力,4.3kPa；
H下：
——经过下顺槽顺层抽放支管阻力,16.5kPa。
H混：
——经过上顺槽及-175m大巷高位裂隙钻孔支管阻力,17.7kPa。
瓦斯抽放泵站的额定负压应满足干、支管需要负压的最大值，取瓦斯抽放泵站额定负压为38.5kPa（见表6-1）。
表6-12312工作面瓦斯抽放系统管网最大阻力计算结果
抽放管类别
Q（m³）（（m3/min）
γ
L（m）
K
D（cm）
Hm（kPa）
抽放主管路
540
0.933
600
0.71
15
4.3
下顺槽抽放管路
210
0.933
800
0.71
15
16.5
上顺槽及-175m大巷抽放管路
330
0.933
800
0.71
15
17.7
38.5
3.瓦斯抽放管路系统的选择原则
（1）瓦斯管路系统必须根据巷道布置图，选择巷道曲线段少和距离最短的线路；
（2）瓦斯管路应设在不经常通过矿车的回风巷道，以防止管道被撞坏漏气，若设在运输巷道，需采取措施保护；
（3）敷设瓦斯管路应考虑到运输、安装和检修的方便；
（4）敷设瓦斯管路应考虑到抽放设备或管路系统一旦发生故障，管道内的瓦斯不至于进入采掘工作面、机房或硐室等；
（5）抽放管路系统中必须安装调节、控制、测定、防爆、防回火装置等。
4.瓦斯抽放管路系统的选择
根据目前矿井23采区瓦斯涌出量比较大的特点，经方案比较，初期先在23采区平台联巷新鲜风流中设置瓦斯抽放泵站。
选择的初期抽放管路系统为：
2312下顺槽顺层钻孔（2312上顺槽顺层钻孔→-175m大巷高位裂隙钻孔）→23采区轨道下山→23采区移动抽放泵站→23采区平台→23采区回风巷。
抽放管路安装在回风巷道内电缆的异侧：
抽放管路在2312上下顺槽、-175m大巷、23采区平台内的应吊挂在水管上方，采用支撑式方法固定；吊挂在皮带巷内的管路为了安全及不影响正常生产，管路敷设应采用吊挂方式固定在巷帮。
抽放管出气口伸入23采区回风巷不小于40m，在出气口上风侧5m，下风侧30m处设置栅栏，禁止人员通行。
6.管路敷设及附属装置
（1）井下抽瓦斯管路敷设要求
煤矿井下的环境条件较恶劣，且巷道高低不平，坡度大小不一，巷道受压变形，空气湿润易锈蚀等，因此对井下抽瓦斯管路的敷设有如下要求：
1）瓦斯管路应采取防腐、防锈蚀措施；
2）管路底部应垫木垫，垫起高度不低于30cm，以防底鼓损坏管路；
3）倾斜巷道的瓦斯管路，应用卡子将管道固定在巷道支护上，以免下滑，其间距可根据巷道坡度确定，对28°以下的斜巷，间距一般取15～20m。
4）管路敷设要求平直，避免急弯；
5）主要运输巷道中的瓦斯管路架设高度不小于1.8m；
6）管路敷设时，要考虑流水坡度，要求坡度尽量一致，避免高低起伏，低洼处需安设放水器；
7）新敷设的管路要进行气密性检查。
（2）井下抽瓦斯管路敷设方式和附属装置
1）管路敷设
井下管路敷设采用沿巷道侧帮敷设,需安设在电缆的另一侧,在皮带巷为了安全及不影响正常生产，管路敷设应采用支撑吊挂方式。
在变坡处要安装放水器，巷道分叉处将管路架空，用锚杆、卡子固定在巷道邦上，不要影响行车和行人。
2）管路防腐、防锈及地面管路的防冻措施
井下钢管要做长效防腐，以防管路锈蚀，或采用聚乙烯瓦斯抽放管路。
3）附属装置
a.阀门
在瓦斯抽放管路（干管、支管）上和钻场、钻孔的连接处，均需安设阀门，主要用于调节与控制各个抽放地点的抽放负压、瓦斯浓度、抽放量等，同时修理和更换瓦斯管时可关闭阀门切断回路。
设计选用的阀门为煤气专用蝶阀。
b.在瓦斯干管以及钻孔连接装置上均应设置测压嘴，以便经常观测管内压力。
测压孔高度设计为40mm，选用内径6mm的紫铜管，在安装管路之前预先焊上，平常用密封罩罩住或用细胶管套紧捆死，以防漏气。
测压嘴还可作为取气样孔，取出气体进行气体成分分析或测定瓦斯浓度。
c.计量装置
瓦斯流量是瓦斯抽放工作中的一个重要参数，较准确的测定瓦斯流量才能真实地反映瓦斯抽放效果。
d.钻孔连接装置
钻孔与管路的连接装置，包括弯管、自动放水器、流量计和铠装胶管等。
回采工作面高位裂隙钻孔，利用胶管连接，胶管的一端连接到钻孔封孔管上，另一端与瓦斯抽放管连接，构成抽放系统；顺层钻孔用PE管连接汇总管将钻孔与抽放瓦斯管路连接起来。
e.放水装置
放水装置的种类很多，根据本矿的特点，设计放水装置全部采用自动放水器，井下采用（CGW-FY型）负压自动放水器。
该放水器适用范围广，且安全可靠，适用管内负压0～0.9Mpa，最大放水量10L/min。
（二）抽放设备选型
1.抽放设备选型原则
（1）瓦斯泵的流量必须满足矿井抽放期间预计最大瓦斯抽出量的需求；
（2）在抽放期间，瓦斯泵的负压必须能克服管路系统的最大阻力；
（3）瓦斯泵要具备良好的气密性；
（4）抽放设备配套电机必须防爆。
2.抽放瓦斯泵的流量计算
抽放瓦斯泵流量按下式计算：
Qp=∑Q纯·Kc/（C.h）
式中：
Qp—泵的额定流量，m3/min
∑Q纯—抽放地点纯抽放量m3/min,（混合量为9m3/min，经计算
纯抽出量为0.99m3/min）
C—泵入口处瓦斯浓度，11%
h—泵的机械效率，一般取80%
Kc—备用抽放量系数，取Kc=1.2
则Qp=13.5m3/min
3.抽放瓦斯泵的真空度
瓦斯抽放泵真空度按下式计算：
μ=100%H泵/101325=38%
式中：
μ---瓦斯抽放泵真空度，%；
H泵---抽放泵所需压力，38.5×103Pa。
4.抽放设备选型
本矿井抽放煤层透气性较差，抽气量不大的特点，设计采用水环式真空泵作为本矿瓦斯抽放设备，该方案的优点是：
设备结构简单，运转可靠，工作轮内充满水，起防爆阻焰作用，安全性高。
根据计算所需的瓦斯抽放泵绝压，查瓦斯抽放泵性能曲线，设计选用2BEA-303-0型水环式真空泵2台，1台工作，1台备用,功率91kW，电压660V，单台抽放泵气量62.8m3/min（见表6-2）。
表6-2瓦斯抽放泵参数表
型号
抽气量
（m3/min）
最大轴功率（kW）
工作转速（r/min）
吸入绝压（hpa）
供水量
（m3/h）
备注
2BEA-303-0
62.8
91
710
33--400
26
以招标为准
5.抽放系统设计示意图见下图。
七、瓦斯抽放泵站布置
（一）瓦斯抽放泵
龙门煤矿23采区瓦斯抽放泵安设在23平台一联巷新鲜风流中。
抽放泵站由瓦斯泵房,配电室组成，全长35m,宽4.5m,高4.0m。
抽放泵站内设有配电装置,瓦斯泵、分水器、管路、阀门等设备。
在泵站附近进出流量测定装置、采样孔、阀门等附属装置，瓦斯抽放泵站内的所有设备和仪表均选用防爆型。
（二）瓦斯抽放泵站供电
瓦斯抽放泵站供电参照主要通风机的供电管理,要求“三专”供电,即专用变压器,专用线路和专用开关供电。
根据矿井的实际情况,泵站采用660V供电，应实现双回路供电系统。
（三）瓦斯抽放泵给排水
瓦斯抽放泵的供水采用地面清洁水或底板承压水（PH值6-8）,供水压力达到1MPa,供水量大完全能够满足要求。
供水从-60m东大巷3吋供水管接入泵站，排水通过水沟直接排入井底水仓。
（四）瓦斯抽放泵站照明
在瓦斯抽放泵站内的照明灯具选用隔爆型。
（五）瓦斯抽放泵站通讯
在瓦斯抽放泵站应设置直通矿调度室的防爆型电话。
（六）抽放系统实时监测
为保证瓦斯抽放系统的安全运行和矿井的安全生产,瓦斯抽放系统设计时必须具备完善的安全监测系统,对泵站的环境瓦斯浓度,真空泵供水,抽放瓦斯浓度,抽放量,负压,温度,瓦斯浓度等参数进行监测。
八、费用预算
根据建立23采区泵站选定位置和管路安装线路的设计要求，此次工程共分抽放系统管路安装工程、供电系统安装工程、顺层高位钻孔工程、监控系统安装工程等，工程预算为92万元，各分项工程所需材料、设备及工程费用见表8-1。
表8-1瓦斯抽放所需材料、设备及工程费用表
序号
规格与项目
规格
单位
数量
单价（元）
价格（万元）
备注
一
抽放系统
41.5
1
φ150mm钢丝骨架聚乙烯管
φ150mm
m
2200
0
矿有库存
2
三通
φ150mm
个
2
1100
0.22
3
三通短节
φ150mm
个
30
800
2.4
4
蝶阀
φ150mm
个
6
1200
0.72
随阀门配置螺栓、螺帽、垫子
5
蝶阀
φ150mm
个
6
1100
0.66
随阀门配置螺栓、螺帽、垫子
6
自动放水器
CGW-FY型
套
3
1000
0.3
7
孔板流量计
套
1
2000
0.2
8
多功能瓦斯参数测定仪
CGE70
台
3
10000
3
9
2BEA-303-0型水环式瓦斯真空泵
抽气量
（62.8m3/min）
台
2
170000
34
设备：
随泵配置配套电机、三防装置、参数测控装置及软化水装置
二
供电系统
0
矿有库存
1
低压启动器
QJZ2-315
台
2
0
2
照明综保
ZBZ-4/127
台
2
0
3
馈电
KBZ-400
台
2
0
4
低压电缆
MY-3×70
m
200
0
5
低压电缆
MY-3×1.5
m
50
0
三
高位钻孔抽放
13.9
1
金刚石复合片钻头
φ94mm
个
15
0
矿有库存
2
三棱钻杆
φ73mm
根
600
0
3
PE管
φ50mm
m
4000
16
6.4
4
铠装胶管
φ200mm
m
30
2500
7.5
四
监控系统
36.6
因矿现用监测监控系统为三恒KJ70N系统，故监控设备型号、价格以三恒公司提供为准
1
抽放分站
套
2
30000
6
2
管道红外甲烷传感器
组
2
13000
2.6
3
矿用气体流量传感器
组
2
35000
7
4
管道一氧化碳传感器
组
2
13000
2.6
5
轴温传感器
组
8
3000
2.4
6
缺水传感器
组
4
5000
2
7
汽水分离器
组
8
3200
2.56
8
升级会员 