12301采面防突设计.docx
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12301采面防突设计
贵州国源矿业开发有限公司
织金县珠藏镇龙桂煤矿
12301
采
面
防
突
设
计
编制：
龙桂煤矿通防科
2015-7--28
设计审批情况
会审地点
时间
主持人
会审意见
会审人员姓名
专业
职务
12301采面防突设计
一、概况
龙桂煤矿属生产矿井，设计生产能力15万吨/年，矿井开采标高+1675m--+1350m采用斜井开拓，中央分列式通风。
矿井地质构造复杂，水文地质类型为中等，属煤与瓦斯突出矿井。
矿井可采煤层M16、M23，M16煤层已开采结束，按从上往下开采顺序，现开采M23煤层，12301回采工作面为M23煤层第一区段东翼采面。
（一）12301采煤工作面位置
1、井上位置及标高
12301工作面主要处一无名山脊中，南、北为山脊，北为顶部，南为底部;东、西向横穿山脊，工作面主要处南部山坡。
地面标高+1670——+1622。
2、井下位置及标高
井下东为井田边界以煤柱为界；西为回风上山以护巷煤柱为界；北为井田浅部边界以12301回风巷为界；南为M23未开采深部以12301运输巷为界。
3、开采范围
工作面走向长450米（不含上山煤柱），平均倾斜长185米，平面积80580㎡，斜面积83424㎡.
（二）巷道布置
工作面回风巷由轨道上山+1540标高开口，按40度方位跟煤层顶板施工480米。
运输巷由运输上山+1503标高开口，按50度方位跟煤层顶板施工35米后改按65度方位施工140米，再按53度施工316米，然后掘开切眼与回风巷贯通形成12301回采工作面。
（三）煤（岩）层赋存特征
1、M23煤层为龙潭组，煤层顶板为深灰色薄层粘土质粉砂岩，含大量碳化植物化石碎屑，夹菱铁质薄层，碳质线理;直接底板为粘土岩。
煤层特征表
顺序
区域组
煤层名称
煤层厚度（m）
层间距（m）
煤层夹矸数
稳定性
煤层
倾角（度）
煤种
顶底板岩性
最小
最大
平均
顶板
底板
1
龙潭组
M16
0.85
2.33
1.7
52
0-2
稳定
9
无烟煤
粉砂岩，粘土岩
砂质粘土岩
2
M23
0.95
1.81
1.5
0-3
稳定
9
无烟煤
粘土质粉砂岩
粘土岩
M23煤层赋存较稳定，煤层结构简单，煤层平均倾角150，煤层平均厚度1.4m，煤质为无烟煤。
地层综合柱状图
3、煤层瓦斯：
本矿井未鉴定按突出矿井管理。
矿井绝对瓦斯涌出量为27.47m3/min，相对瓦斯涌出量为98.89m3/t。
根据中国矿业大学（北京）2007年10月20日提交的“贵州省织金县珠藏镇龙桂煤矿M16煤层煤与瓦斯突出危险性鉴定”，在+1510m水平以上不具备煤与瓦斯突出危险性，现M23未做瓦斯突出鉴定，龙桂煤矿按煤与瓦斯突出矿井管理。
根据贵州省矿山安全科学研究院于2014年8月《关于织金县珠藏镇龙桂煤矿M23煤层区域突出危险性预测报告》的预测结论，M23煤层的瓦斯含量为9.75m³/t。
4、煤的自燃倾向及煤尘爆炸危险性：
根据2000年12月16日贵州省煤田地质局实验室提供的《贵州省织金县珠藏镇龙桂煤矿煤炭自燃倾向等级鉴定报告》，M23煤层自燃倾向性
类自燃。
根据贵州省煤田地质局实验室提供的《织金县珠藏镇龙桂煤矿煤层煤尘爆炸性鉴定报告》，M23煤层煤尘无爆炸危险性。
5、地质及水文地质条件：
根据地质资料和从上部已采的M16煤层来看，区内无较大断层分布，12301运输巷主要沿一正断层下盘边沿施工，断层落差4-5米，对采面影响不大，12301采面总体地质条件简单。
矿区水文地质类型属裂隙型充水矿床，水文地质条件中等，本工程水文地质简单，遇小构造时有裂隙水。
6、地质储量
煤层走向50度，倾向约140度，煤层倾角15度，煤厚1．4M，煤层容重1．45T/立方米
工作面走向长450米（不含上山煤柱），平均倾斜长185米，平面积80580㎡，斜面积83424㎡.
地质储量Q地=83424*1.4*1.45=16.935万吨
7、采煤方法及生产能力
12301回采工作面采用走向长壁后退式采煤法。
爆破落煤，全部垮落法管理顶板。
采面支护使用DW20-30/100型单体液压支柱配HDJA—1200型金属铰接顶梁进行支护，设计“三四”排控顶，柱距0.8m，排距1.2m，最大控顶距为4.8m，最小控顶距为3.6m。
采面生产能力
采面日正规循环1.5个，循环进度1．2米，月按25日生产计算。
循环产量W=185*1．2*1．4*1．45*0．97
W=437T
月产量=437*1.5*25=16387T
8、12301采面通风
12301采面采用负压“U”型通风
采煤工作面的风量确定
▲按瓦斯涌出量：
Q采＝100×q瓦采·K采通
式中：
Q采——采煤工作面实际需要的风量，m3/s；
q瓦采——采煤工作面绝对瓦斯涌出量，经过瓦斯抽采后风排瓦斯量计算得5.288m3/min。
K采通—回采工作面瓦斯涌出不均衡系数，它是最大涌出量与平均涌出量之比，一般对于机采工作面Ka为1.2～1.6，对于炮采工作面Ka为1.4～2.0，本矿为炮采工作面取Ka=1.5。
Q采＝100×5.288×1.5＝793.2m3/min＝13.2m3/s
矿井正常开采区域内，经抽采后采面绝对瓦斯涌出量为5.288m3/min，经计算，需要配风量13.2m3/s。
▲按工作面风温计算
Q采＝VC·Sc·Ki
式中：
VC——采煤工作面适宜的风速，按20～23℃风速选取为1.0～1.5m/s，本矿取1.5m/s；
SC——采煤工作面平均有效断面，取4.2m2（23煤层开采时的采面断面S=（5.04+6.72）*1.4/2=5.88；
Ki——采煤工作面长度系数，取1.1；
Q采＝1.5×5.88×1.1＝9.7m3/s
▲按工作面人员数量计算
Q采＝4Nc
式中：
Nc——采煤工作面同时工作的最多人数，20人；
Q采＝4×20＝80m3/min＝1.33m3/s
▲按炸药使用量计算风量。
Q＝500A/t=500×4.0/10=200.3m3/min。
式中：
500为稀释每千克炸药产生的炮烟所需风量m3/kg。
T：
为放炮后通风时间取:
t=10min
A：
为一次爆破所需炸药量为4.kg，10个炮眼。
▲按风速验算
0．15×Ｓｃ≤Ｑ采≤4×Ｓｃ
0．25×Ｓｃ＝0．25×5.88＝1．47＜Ｑ采
4×Ｓｃ＝4×5.88=23．52＞Ｑ采
根据上述计算，Q采＝1.33m3/s～13.2m3/s，取其中的最大值，按《煤矿安全规程》（2011版）规定，回采工作面最低风速＞0.25m/s，最高风速＜4m/s的要求，回采工作面Q采＝13.2m3/s，风速为2.24m/s，满足要求
（四）、抽放条件
地面建有瓦斯永久抽放泵站，安装2台高负压瓦斯抽放泵，其型号2BEA-303-0型水环式真空泵，电机功率90KW，抽放量58m3/min。
安装2台低负压瓦斯抽放泵，其型号2BEC-40型水环式真空泵，电机功率75KW，最大气量68m3/min。
一台工作、一台备用。
抽放管路井筒及主要巷道采用pvc管，主管直径315mm，采掘面支管直径219mm，分别接到掘进工作面进行瓦斯抽放。
各采、掘面抽放管上有自动计量装置。
二、临近层开采情况
M16煤层本矿井田范围内开采结束，M16与M23煤层层间距为52M，根据《防突规定》上保护煤层大于50米无保护作用，因此M23煤层上覆M16煤层开采不能作保护层。
12301回采工作面为N23煤层第一区段东翼工作面，北部浅层为磨石沟煤矿，现已关闭。
据调查上述老窑以开采M16、M23煤层为主，未出现突出现象。
由于龙桂煤矿目前不具备做M23煤层条件，按规定矿井按突出煤层管理。
三、M23煤层瓦斯涌出量预测
1、煤层瓦斯含量预测
由于矿井无测定参数，因此采用经验公式计算煤层中的瓦斯含量。
Wx=65.5（100-Af-Wf）/（0.098a/P+b）（Vr）0.146en（1+0.31Wf）100
Wy=fnP/9.8Kyγ
式中Wx——煤的瓦斯吸附量，m3/t；
Wf、Af、Vr——煤的水分、灰分、挥发分，%；
P—瓦斯压力，矿井M16、M23煤层+1350m标高时瓦斯压力分别为P1350=6×316=1896KPa=1.896Mpa、P1350=6×372=2232KPa=2.232Mpa
式中：
P──距地表垂深H处煤层瓦斯压力，MPa；
H──煤层距地表垂深，m。
en——温度系数，查表或按下式计算；
e——自然对数底；
n＝0.02t/（0.993+0.007P）
a——2.4+0.21Vr或查表；
b——1-0.004Vr或查表；
Wy——游离瓦斯量，m3/t；
fn——煤的孔隙率，%。
查表取8%；
γ——煤的容重，1.45t/m3，根据《储量报告》提供的数据，
Ky——相当于煤层瓦斯压力下的瓦斯压缩系数，查《手册》表8-7-14；
t——温度℃。
将以上各参数代入公式计算得各煤层+1350m水平瓦斯含量。
矿井+1350m水平各煤层瓦斯含量计算表
煤层
Wf（％）
Af（％）
Vr（％）
fn（％）
H（m）
KY
T（°C）
γ（t/m3）
a
b
P（MPa）
en
吸附瓦斯含量
（m3/t）
游离瓦斯含量
（m3/t）
瓦斯含量
（m3/t）
M16
0.58
11.24
5.36
4.00
316
1.03
20.0
1.45
4.16
0.96
0.23
1.69
12.78
1.48
14.22
M23
0.62
6.27
5.22
4.00
372
1.03
20.0
1.45
4.14
0.97
0.25
1.69
12.92
1.65
14.57
2、各煤层的煤与瓦斯突出危险性分析
根据矿井煤质指标，按经验公式计算矿井开采各煤层时的瓦斯含量瓦斯压力结果见下表。
1350m水平各煤层瓦斯压力、瓦斯含量
煤层编号
M16
M23
煤层埋藏深度（m）
316
372
瓦斯压力（MPa）
1.896
2.232
瓦斯含量（m3/t）
14.22
14.57
从上表可看到，M16、M23煤层在开采+1350m以上标高时的煤层瓦斯压力大于0.74MPa，瓦斯含量大于8（m3/t）；根据《防治煤与瓦斯突出规定》中区域预测的临界值，M16、M23煤层在开采+1350m标高以上煤层时，有煤与瓦斯突出危险性。
3、采煤面瓦斯涌出量预测
［1］本煤层瓦斯涌出量预测
回采工作面的瓦斯涌出量q采=q1+q2
q1——开采层相对瓦斯涌出量，m3/t；
q2——邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t。
A、q1=K1×K2×K3（Wo-Wc）×m/M
式中：
q1——开采层相对瓦斯涌出量，m3/t；
K1——围岩瓦斯涌出系数；取值1.1～1.3。
全部陷落法管理顶板，碳质组分较多的围岩取1.3，局部充填法管理顶板时取1.2，全部充填法管理顶板时取1.1；砂质泥岩等致密性围岩时其取值可偏小。
K2——工作面丢煤瓦斯涌出系数，用回采率的倒数来计算；
K3——采区内准备巷道预排瓦斯对开采层瓦斯涌出影响系数，无实测值可参照AQ1018-2006附录D选取；
m——开采层厚度，m；
M——工作面采高，m；
Wo——煤层原始瓦斯含量，m3/t；
Wc—原煤残存瓦斯含量：
根据本矿煤层的挥发分和AQ1018-2006表C.1（表3-1-5），M16、M23号煤层纯煤残存瓦斯含量Wlc分别取7.8m3/t.r、7.5m3/t.r。
则原煤残存瓦斯含量：
WC＝Wlc×（100
/[100×（1+0.31Wf）]
经计算：
M16煤层为2.43m3/t，M23煤层为2.50m3/t。
原煤的残存瓦斯含量取值表
煤的平均挥发份Vdaf（%）
6-8
8-12
12-18
18-26
26-35
35-42
42-56
纯煤残存瓦斯含量Wlc（m3/t.r）
9-6
6-4
4-3
3-2
2
2
2
将以上各参数代入公式计算得采煤工作面本层瓦斯涌出量见下表。
各煤层采煤工作面本层瓦斯涌出量计算表
煤层
K1
工
作
面
回
采
率
K2
K3
L（m）
H（m）
m（m）
M（m）
W0（m3/t）
Wc（m3/t）
瓦斯涌出量
（m3/t）
M16
1.3
0.95
1.053
0.76
80
12
1.7
1.7
14.22
2.43
15.43
M23
1.3
0.95
1.053
0.76
80
12
1.5
1.5
14.57
2.5
15.76
［2］、邻近层瓦斯涌出量
q2=∑（Woi-Wci）miηi/M
式中
q2——邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t；
mi——第i个邻近层煤层厚度，m；
M——工作面采高，m；
ηi——第i个邻近层瓦斯排放率，无实测值，参考AQ1018-2006附录D选取；
Woi——第i个邻近层原始瓦斯含量，m3/t；
Wci——第i个邻近层残存瓦斯含量，m3/t。
本矿可采煤层为M16、M23煤层，按由上至下的开采顺序，参照（AQ1018-2006）标准附图D.1邻近层瓦斯排放率与层间距的关系曲线选取瓦斯排放率，不可采邻近层涌入开采层的瓦斯量，按开采层相对瓦斯涌出量的2%估算。
根据以上公式参数经计算，矿井各煤层开采时回采工作面瓦斯涌出量见下表
各煤层开采时回采工作面瓦斯涌出量计算表
煤层编号
K1
η（%）
K2
K3
m
M（m）
W0（m3/t）
Wc（m3/t）
q1（m3/t）
q2（m3/t）
q采（m3/t）
M16
1.3
95
1.053
0.76
1.2
1.7
14.22
2.43
15.43
4.14
19.57
M23
1.3
95
1.053
0.76
1.47
1.5
14.57
2.5
15.76
4.28
20.04
M23煤层瓦斯：
根据贵州省矿山安全科学研究院于2014年8月《关于织金县珠藏镇龙桂煤矿M23煤层区域突出危险性预测报告》的预测结论，M23煤层的瓦斯含量为9.75m³/t。
四、区域性防突措施
区域防突措施是指在突出煤层进行采掘前，对突出煤层较大范围采取的防突措施。
区域防突措施包括开采保护层和预抽煤层瓦斯两类。
（一）、保护层开采
1、保护层的确定
16煤层：
厚1.03～2.50m，一般1.62m，为薄至中厚可采煤层，含0～1层夹石，一般无夹矸，结构简单。
顶板一般为泥质粉砂岩，底板一般为泥岩，其下为钙质细砂岩。
煤层顶板为标三下，属较稳定的全区可采煤层。
23煤层：
上距21煤层约52m，为矿区主要可采煤层之一。
区内厚度0.95～1.87m，一般1.05m，含0～2层夹石，夹石多为粉砂质泥岩，结构简单。
煤层以标七或其下的钙质细砂岩为顶板，局部有泥岩或粉砂岩作伪顶；直接底板为泥岩，其下为粉砂岩或细砂岩，属较稳定全区可采煤层。
27煤层：
上距23煤层约21m，区内厚度0.45～下班1.96m，一般1.19m，为中厚可采煤层，含0～2层夹石，一般1层。
伪顶泥岩、炭质泥岩，直接顶为标九的含菱铁质薄层粉砂岩；直接底板为粉砂质泥岩，其下为粉砂质泥岩。
属较稳定大部分可采煤层。
根据《煤矿安全规程》第一百八十九条之规定，保护层的开采厚度大于0.5m时，开采保护层的有效范围为上保护层与突出煤层间距大于50m或下保护层与突出煤层间距大于80m时.该矿M16与M23煤层之间最大间距为52m，其大于50m，因此不适合开采保护层
（二）、预抽煤层瓦斯
根据《防治煤与瓦斯突规定》第四十一条的规定：
突出危险区的煤层不具备开采保护层条件的，必须采用预抽煤层瓦斯区域防突措施并进行区域措施效果检验。
1、瓦斯抽放方法的确定
[1]、选择抽放瓦斯方法的原则
选择矿井瓦斯抽放方法应根据矿井煤层赋存条件、瓦斯基础参数、瓦斯来源、巷道布置、抽放瓦斯目的等因素确定，并遵循以下原则：
[2]选择的抽放瓦斯方法应适合煤层赋存状况、巷道布置、地质条件和开采技术条件。
[3]应根据矿井瓦斯涌出来源及涌出量构成分析，有针对性选择抽放瓦斯方法，以提高瓦斯抽放效果。
[4]巷道布置在满足瓦斯抽放的前提下，应尽可能利用生产巷道，以减少抽放工程量。
[5]选择的抽放方法有利于抽放巷道的布置和维护。
[6]选择的抽放方法有利于提高瓦斯抽放效果，降低瓦斯抽放成本。
[7]抽放方法有利于钻场、钻孔的施工和抽放系统管网的设计，有利于增加钻孔的抽放时间。
2、抽放瓦斯方法选择
[1]采空区抽放
抽放采空区瓦斯的方法较多，选择适宜抽放方法的同时，更应注意合理的钻孔布置方式。
采空区瓦斯抽放布孔原则：
①瓦斯抽放钻孔或插管应布置在采空区回风侧（压能低）位置，以便利用通风压力及采空区内漏风对瓦斯起运移作用，以便提高瓦斯抽放浓度和效果；
②向采空区（冒落后）插管或打钻孔抽放瓦斯，并利用瓦斯密度小的特点，钻孔或插管应尽量偏向冒落带上部，以提高瓦斯抽放浓度；
③插管式钻孔蕊管周围应封闭严密，尽量减少外部空气漏入，有条件地点（如采空区插管抽放）可设置均压密闭等；
④采空区瓦斯抽放的孔口负压要适当，以瓦斯浓度满足要求为前提，并注意防止局部漏风引起煤炭自燃。
[2]综合抽放
矿井瓦斯涌出来源多，分布范围广，任何单一的抽放方式其抽放效果均有限，若遇煤层透气性低，煤层赋存条件复杂，采用单一的抽放方式就难以收到理想的抽放效果。
应采取综合抽放方法。
抽放方法选择
抽放方法
抽放工艺
理由
备注
本煤层
抽放
采面边采边抽
本煤层瓦斯涌出较大，煤层透气性较好
需要经过一定的抽放时间并且封孔必须严密
掘进巷道钻孔超前抽放
掘进巷道瓦斯大或有突出危险
需要经过一定的抽放时间并且封孔必须严密
采空区
瓦斯抽放
上隅角浅部插管
上隅角瓦斯浓度较高
工艺简单,可解决上隅角附近小范围瓦斯超限问题
打木垛深部插管
采空区瓦斯涌出量较大
需打木垛,如上隅角浅部的抽放效果不好,再考虑采用
采空区埋管
采空区瓦斯涌出量较大
前两种方法无法解决问题时考虑采用.埋入管道难以回收,投资大
老空区密闭抽放
老空区瓦斯涌出量较大
防止老空区瓦斯向外涌出
高位瓦斯抽放专用巷抽放
采空区瓦斯和上邻近层瓦斯涌出较大
要专门施工抽放巷，投资大，在上邻近层位置不理想的区域难以实现
回采工作面抽放包括大面积预抽和边采边抽，主要降低回采面瓦斯涌出问题。
采空区抽放主要是解决采空区（含邻近层）瓦斯涌出量大时使用，一般可采用采空区埋管抽放。
根据龙桂煤矿的实际情况，设计采用本煤层预抽与上隅角浅部插管等综合方法对矿井采面瓦斯进行抽放。
[2]采面边采边抽
回采工作面瓦斯抽放主要是在采面进回风巷打沿煤层倾向的倾斜钻孔和沿煤层走向的顺层钻孔，其施工长度选择主要由工作面倾斜长度及走向长度决定。
①钻场划分
钻场布置：
抽放孔按平行采面，沿倾斜方向布置。
根据我矿的抽放半径（3—5米）确定钻场间距4米沿煤层倾斜方向布置，在工作面运输巷、回风巷分别布置钻场。
工作面钻场数为：
N回=L（工作面走向长度）÷4米
12301走向长度为450米，因此在回风巷设计钻场数为450/4=112个，钻孔深度不少于95米（从专用回风巷口0-250米段为90米，250-450米段为95-120米）。
坡度与煤层倾角一致。
方位131度。
N运=L（工作面走向长度）÷4米
12301走向长度为450米，因此在运输巷设计钻场数为450/4=112个，钻孔深度不少于95米（从专用回风巷口20-250米段为90米，250-450米段为95-120米）。
坡度与煤层倾角一致。
方位311度。
实际施工过程中，应对地质条件复杂地段，煤层增厚带或断层带，应适当增加钻孔数或加大布孔密度。
12301回风巷
12301工作面钻孔布置示意图
②钻具:
钻机ZY-750型油压钻机二台
钻杆￠42MM的地质钻杆一套130M
钻头90MM和105MM的不取岩芯组合钻头
采用水力排渣
钻孔参数:
孔径：
90MM
孔深：
从专用回风巷口20-250米段为90米，250-450米段为95-120米
倾角：
回风巷-14—-15°、运输巷+14—+15°（视钻孔施工地点的煤层实际坡度而定）。
钻孔方位：
回风巷131度、运输巷311度
钻场间距：
4M
扩孔长度“9M
封孔长度：
>8M
采面钻孔工程量：
112*2*95（平均）=21280米
③、钻孔的施工:
按前述设计进行布孔，孔深、坡度、方位、孔间距均须符合设计要求，钻孔开口一般定于煤层的中部（或略为偏上）,先用90MM的钻头一次到位然后用105MM的扩孔钻头扩9M。
④、封孔工艺:
a封孔器具;带挡板内径25MM的铁管,长3M,挡板用3MM厚的铁板,内径35MM,外径87MM,离端口50MM。
b封孔材料:
采用K型快速充填用聚氨脂进行封孔。
孔口必须用水泥砂浆封堵严密，确保孔口周围不漏气。
c封孔工艺:
先用压风把钻孔内的煤尘吹净,将三个编织袋两头折好并依次在封孔铁管上将编织袋两头扎好,插入钻孔内。
再分别将黑色和白色的聚氨脂K型快速充填剂倒入两个瓶内,最后倒在一起轻轻摇动几下依次倒入两头扎好的编织袋中间,并迅速推进钻孔内，用另外的编织袋堵塞好并打紧。
常用的聚氨酯封孔方式为卷缠药液法，采用这种封孔法时的抽放管结构如4图所示，操作过程如图5所示，封完的钻孔如图6所示。
在卷缠好药液的抽放管插入钻孔后约5min，药液开始发泡膨胀，20min停止发泡，逐渐硬化固结。
为避免抽放管因碰撞晃动而影响封孔质量，孔口处尚需用水泥砂浆将抽放管封固，或用木楔楔紧。
聚氨酯封孔也有采用压注药液施工的。
压注药液系统如图7所示。
1-铁挡板；2-木塞；3-橡胶垫圈；4-毛巾布；5-铁丝；6-抽放管
图54采用卷缠药液法封孔时的抽放管结构示意图
a-原液；b-混合；c-搅拌；d-涂布卷缠；e-插入钻孔
图5卷缠药液法封孔的操作程序
1-钻孔；2-聚氨酯密封段；3-水泥砂浆
图6卷缠药液法密封钻孔密封后的情况示意图
1-气源箱；2-送气胶管；3-混液罐；4-输液管；5-聚氨酯；6-抽放管；7-钻孔
图7采用卷缠药液法封孔时的抽放管结构示意图
⑤、抽放钻孔孔口设施
抽放钻孔被密封后，通过孔口连接装置与集流器、抽放管路相连接，即可进行抽放。
孔口设施包括胶管、流量计、放水器和闸门等。
密封于钻孔内的套管应用软管与集流器连接，以免岩层移动而损坏管路。
当钻孔涌水较大时，每一个钻
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