采区掘进瓦斯抽放设计.docx
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采区掘进瓦斯抽放设计
403采区
掘进工作面瓦斯抽放设计
下
沟
矿
二00七年七月二十八日
1.采区概况
403采区为我矿继404采区开拓的新采区，此采区煤层倾角大约为18～30度，局部有小断层和小褶曲，现布置三条上山巷道，回风上山已为成形巷道，轨道上山与皮带上山正在开拓准备当中，两个工作面全部采用炮掘，锚网支护，均采用局部通风机进行正压通风。
403采区开掘的为4＃煤层，煤层平均厚度为16.7m，根据精查报告提供的资料，4号煤原始瓦斯含量为2.18m3/t。
煤层具有自然性，自然期一般为3~5个月，煤尘具有爆炸性。
403采区为我矿瓦斯异常区域，回风上山掘进期间绝对瓦斯涌出量为3.1m3/min，相对瓦斯涌出量为12.3m3/t；皮带上山掘进工作面瓦斯绝对涌出量为2.3m3/min,相对涌出量为9.5m3/t,轨道上山掘进工作面瓦斯绝对涌出量为3.0m3/min，相对涌出量为12m3/t。
2、瓦斯来源
403采区煤层瓦斯的主要来源于本煤层瓦斯，另外还有一定数量的围岩瓦斯。
3、瓦斯抽放的必要性与可行性
3、1瓦斯抽放必要性
（1）、瓦斯抽放旨在保障矿井安全生产，同时也是解决瓦斯的基本手段。
众所周知，加强通风是处理瓦斯的最有效方法，而当瓦斯涌出量大于通风所能解决的瓦斯涌出量时就应当采取抽放瓦斯措施。
这里需要说明的是，当前开展瓦斯抽放工作主要是为解决掘进工作面掘进过程中的瓦斯超限问题。
403采区地质构造较为复杂，在回风上山掘进过程中时有瓦斯超限，掘进工作面相对瓦斯涌出量达19.5m3/t，绝对瓦斯涌出量近7m3/min，轨道上山掘进到约150m处，钻孔内瓦斯浓度达到70％，孔口瓦斯达3％。
由于掘进工作面供风量有限，尤其是长距离送风阻力大，掘进头风量不足，当瓦斯涌出量较大时，为保证掘进的正常进行，必须进行瓦斯抽放。
（2）、瓦斯抽放是矿井防突、防火的有效措施
下沟矿403采区地质构造复杂，预抽煤层瓦斯可以消除或削弱一些瓦斯动力现象，从而达到防突的效果。
由于瓦斯抽放可以降低瓦斯涌出量，减轻通风压力，有利于减小漏风，因此有利于防火（4号煤层具有自燃发火倾向性）。
3.2瓦斯抽放的可行性
瓦斯抽放的可行性应以是否能抽出瓦斯或能否获得较好地抽放效果来评价。
开采层瓦斯抽放的可行性是指在原始透气性条件下进行预抽的可能性的重要指标。
最常用的用来衡量煤层瓦斯抽放难易程度的指标是煤层透气性系数（λ）和钻孔瓦斯流量衰减系数（α），《矿井瓦斯抽放管理规范》将未卸压的原始煤层的抽放难易程度划分为容易抽放、可以抽放及较难抽放3类，见表3-1。
表3-1煤层预抽瓦斯难易程度分类表
对照上表，下沟煤矿4号煤透气性系数为0.82～3.47m2/Mpa2.d，属可以抽放煤层，4号煤钻孔瓦斯涌出衰减系数为0.019d-1，也属可易抽放煤层，我国绝大部分矿区煤层属低透气性煤层，钻孔瓦斯涌出衰减速度快，未卸压抽放效果普遍较差，相比之下，下沟煤矿4号煤层具备较好的抽放条件，加之我矿已有建立瓦斯抽放系统的经验，所以在403掘进工作面预抽完全可行。
3.4使用井下局部瓦斯抽放系统的条件
根据《矿井抽放瓦斯工程设计规范》、《煤矿安全规程》的要求，一个掘进工作面绝对瓦斯涌出量大于3m3/min，采用通风方法解决不合理的，就应开展瓦斯抽放工作。
403采区掘进工作面瓦斯涌出量大于上述规定，且瓦斯储量丰富，具备建立瓦斯抽放系统的条件。
瓦斯抽放系统分地面永久抽放系统和井下局部瓦斯抽放系统两类，403采区建立井下局部瓦斯抽放系统。
井下局部瓦斯抽放又分为在井下固定峒室建立瓦斯抽放泵站及采用移动式瓦斯抽放泵站（以下简称移动泵站）两种，其中移动泵站考虑井下工作环境，具有体积小，移动方便特点，因此我国井下局部瓦斯抽放大多采用移动泵站。
依据403采区的情况，采用井下移动式抽放泵站比较合适。
由于我矿在ZF4401工作面已使用过ZWY60/90型抽放系统，根据抽放效果及403采区煤层赋存状况、开采巷道布置、地质条件和开采技术条件，现确定在403采区继续使用ZWY60/90局部瓦斯抽放系统。
4、抽放方法与工艺
4.1抽放方法的选择
抽放瓦斯是减少采区瓦斯涌出量的有效途径，也是防止煤与瓦斯突出的主要措施之一。
抽放瓦斯为井下安全生产和更好地发挥采掘机械效能提供了条件。
抽放瓦斯方法的选择，主要是根据采区瓦斯来源、煤层赋存状况、采掘布置、开采程序以及开采地质条件等因素进行综合考虑。
目前抽放瓦斯方法主要有：
1、本煤层瓦斯抽放
2、邻近层瓦斯抽放
3、采空区瓦斯抽放
选择具体抽放瓦斯方法时应遵循如下原则：
1、选择的抽放瓦斯方法应适合煤层赋存状况、开采巷道布置、地质条件和开采技术条件；
2、应根据瓦斯来源及涌出构成进行，尽量采取综合抽放瓦斯方法，以提高抽放瓦斯效果；
3、有利于减少井巷工程量，实现抽放巷道与开采巷道相结合；
4、选择的抽放瓦斯方法应有利于抽放巷道布置与维修、提高瓦斯抽放效果和降低抽放成本；
5、所选择的抽放方法应有利于抽放工程施工、抽放管路敷设以及抽放时间增加。
根据403采区的瓦斯瓦斯的赋存条件和我矿的现有设备和技术，本采区采用本煤层瓦斯抽放技术即在掘进工作面边掘边抽。
在巷道两帮布置钻场，通过钻场来打设钻孔遇抽未采实体煤瓦斯。
4.2抽放工艺
4.2.1钻场布置
在403采区轨道上山的掘进巷道里面沿巷道两帮与巷道同底板施工钻场，钻场规格具体见表4-2
表4-1钻场参数表
钻场规格（长×宽×深）
3m×2m×2.5m
同帮钻场间距（m）
140
异帮钻场间距（m）
70
4.2.2钻孔布置
每一个钻场内共计施工8个钻孔，在钻场南帮方向施工3个钻孔，每个钻孔深120米，巷道西帮的钻场在钻场西帮施工5个钻孔，孔深150米；巷道东帮的钻场在钻场东帮施工5个钻孔，钻孔深度为28米。
具体见附图4-1及表4-2、4-3。
表4-2钻孔施工参数表
钻孔编号
钻孔长度（m）
与掘进面夹角（°）
倾角（°）
1号
120
3
与煤层相同
2号
110
6
与煤层相同
3号
100
9
4号
66
25
5号
31
60
6号
27
90
7号
31
120
8号
66
155
与煤层相同
9号
120
3
与煤层相同
11号
110
6
12号
100
9
注意：
皮带上山在掘进过程中应延后轨道上山50m左右，
表4-3钻孔与钻场相对位置图
钻孔
与钻场的相对位置
1号
距钻场底1.2m，距帮壁1m
2号
距钻场底1.2m，距帮壁1.6m
3号
距钻场底1.2m，距巷帮2.2m
4号
距钻场底1.2m，4至8号孔均匀分布在钻场壁上，每孔之间间距为0.6m。
5号
6号
7号
8号
9号
距钻场底1.2m，距帮壁1m
10
距钻场底1.2m，距帮壁1.6m
11
距钻场底1.2m，距帮壁2.2m
图4-1钻场及钻孔布置图
4.3瓦斯抽放钻孔的封孔
封孔工艺：
钻孔采用聚氨脂封孔，聚氨酯是聚氨荃甲酸酯的简称。
它的种类繁多，根据原料配方不同，可以制成多种不同产品。
对于井下封孔而言，主要要求聚氨脂在发泡后，其内所形成的孔为封闭孔，即各孔之间互不连通，另外对发泡时间、发泡倍数、固化后的强度，可塑性等均有一定的要求。
聚氨脂封孔采用卷缠药液法,钻孔内封孔管结构如图3-4所示。
抽放管为外直径50mm的PVC抗静电塑料管，长为150m，在管前端套上铁档板，套上木塞和橡胶垫圈，距前端橡胶垫圈0.8m处，再套上木塞和橡胶垫圈，并用铁线缠紧固定，在0.8m间距内的抽放管上固定一块浴巾（0.8m×0.7m）。
卷缠药液法封孔操作程序为：
先称出封一个孔的甲、乙组成药液，分别装入两个容器，再将药液同时倒入混合桶，立即用棒快速搅拌均匀，当药液由由黄褐色变为乳白色时，停止搅拌，将药液均匀倒在毛巾布上，边倒药液边向抽放管上卷缠毛巾布，并把卷缠好药液的封孔管迅速插入钻孔，大约5分钟后，药液开始发泡膨胀，20分钟后停止发泡，逐渐硬化固结。
为了避免封孔管晃动影响封孔质量，孔口处用木塞楔紧。
封一个钻孔的聚氨脂用量约为1公斤左右。
见图4－2
5、瓦斯抽放管路系统
5.1抽放管路系统的选择原则
抽放管路应尽量选择敷设在巷道区线段少和距离短的线路中，尽可能避开运输繁忙巷道，还要考虑安装、检修方便。
应首选回风巷（既回风下山）；井下移动泵站的位置，应选择在进风流中。
在稀释后巷道瓦斯浓度不超限情况下抽放的瓦斯可排放到总回风中，并采取相应措施，确保安全。
根据403采区掘进工作面巷道布置现状及抽放钻场的位置，抽放管路应布置在403轨道上山。
5.2抽放管路敷设路线
403轨道上山钻孔——403轨道上山——轨皮联络巷——瓦斯抽放泵站——轨皮联络巷——西回风巷——404回风上山（见图5－1）
图5-1403采区轨道上山抽放管路系统图
5.3钻孔与管路的连接
聚氨脂封孔1小时后，便可与抽放管路连接，抽放管路每70m设置一个分路器（即一个钻场设一个分路器）分路器与PVC管道采用内径为50的弹簧管道连接，每个分路器下面必须设置一个人工放水器。
钻孔管道与抽放管路的连接如图5-2所示。
5.4抽放瓦斯管路管径的确定
瓦斯抽放管径选择合理否，对抽放瓦斯系统的建设投资及抽放系统效果有很大影响。
直径太大，投资费用增加；直径过细，管路阻力损失大。
并参照抽放泵的实际能力使之留有备用量，同时尚需考虑运输和安装方便。
根据以上原则和抽放经验，403采区抽放管路均采用Ф159玻璃钢管，连接方式均采用与玻璃钢管配套的活法兰连接，中间夹橡胶密封圈。
为说明方便，将抽放钻孔到抽放泵站段抽放管路称为负压段，将抽放泵站至排放口段抽放管路称正压段，瓦斯排出口处管道采用筛管。
筛管段出口直径为270。
表5-1瓦斯抽放管径一览表
类别
选择管径（mm）
材质
负压段抽放管路
219
玻璃钢
正压段抽放管路
219
玻璃钢
出口处筛管
270
玻璃钢
图5－3筛管结构示意图
5.4管路敷设
抽放管路可采用悬臂吊挂安装方式或支撑墩；联络巷内管路可以视情况采用吊挂或支撑墩沿巷道底版敷设。
管路敷设时，巷道分叉处将管路架空，用钢筋、卡子固定在巷道帮上，不影响行人。
如图5－4所示
5.5井下管路敷设要求
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，为此对煤矿井下抽放瓦斯管路的敷设有如下要求：
（1）、瓦斯抽放应采区防腐、防锈蚀措施；
（2）、管路敷设要求平直，尽量避免急弯；
（3）、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，低洼处安装放水器。
（4）、抽放管路安设高度必须高于钻孔高度；
（5）、主要运输巷道中的瓦斯管路架设高度不小于1.8m；
（6）、新敷设的管路要进行气密性检验。
5.6管路附属设施
管路附属设施主要包括以下设备
1、抽放管路低洼处要安装放水器。
2、抽放管路上配置控制阀门、测压嘴、孔板流量计（抽放泵自带）等。
3、泵站配置U型管汞柱计、瓦斯鉴定器、高负压取样器、气压计等监测仪。
具体如下：
（1）、阀门：
在瓦斯抽放管路钻孔与支管的连接处或合并处，均需安设阀门，主要用于调节与控制各个独立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。
设计选用的阀门为截止阀。
（2）、测压嘴：
在抽放管路的适当位置上应设置测压嘴，以便经常观测抽放管内的压力。
测压孔高度设计为80mm，选用内径6mm的紫铜管，在安装管路之前预先焊上，平时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。
（3）、计量装置：
瓦斯流量是瓦斯抽放工作中的一个重要参数，移动泵站配套了孔板流量计作为计量装备。
孔板流量计用以测定瓦斯抽放管路中的瓦斯流量。
其结构简图如图5－5所示。
当气体经管路通过孔板时，在孔板两侧产生压差，通过压差可以计算出管路中气体的流量。
在连接孔板流量计时，其较短一部分的管路与泵体联接。
（4）、放水装置
放水器均安装人工放水器，即安装一个单向阀即可，进行不定期人工放水。
图5－5孔板流量计结构原理图
6.抽放泵选型
6.1选型原则
1、瓦斯泵的流量必须满足工作面抽放期间预计最大瓦斯抽出量的要求；
2、瓦斯泵的负压能克服管路系统的最大阻力；
3、具有良好的真空度；
4、抽放设备配备的电机、启动器、馈电开关必须防爆。
6.2抽放泵流量计算
抽放瓦斯泵流量必须满足抽放期间最大抽放量的需要。
Q泵=100·QZ·K/（x·η）
式中：
Q泵—抽放瓦斯泵的额定流量，m3/min;
QZ—抽放瓦斯总量（纯量），m3/min，取5.5m3/min;
x—区域预抽放瓦斯浓度；％，取40％.
K—备用系数，K=1.2；
η—瓦斯抽放泵的抽放效率，取0.65。
经计算，抽放泵所需的额定流量为25.3m3/min。
6.3抽放泵选型
根据抽放泵的选择原则，和前面的计算的瓦斯抽放泵所需抽放量（Q）和ZF4401工作面使用时的抽放经验,可选ZWY60/90型井下移动式抽放泵。
泵的性能规格见。
为了确保瓦斯抽放的正常进行，采用二台抽放泵。
其中，一台工作，一台备用。
泵的性能参数如表6-1
抽放泵性能规格表表6-1
型号
最大排
气量
（m3/min）
极限真
空度
（Kpa）
耗水量
（L/min）
电机功率
（KW）
供电电压
（V）
外形尺寸
（m）
ZWY60/90
60
-81
150
90
660
2.6×1.32×1.50
6.4抽放泵站的位置
移动泵站安装地点应根据需要抽放瓦斯的区域而定。
一般就近安装，但应安装在有新鲜风流的巷道中，如采区上山联络巷、顺槽联络巷等。
安装地点不应堆放杂物，并能保证供水和排水方便。
根据以上原则，决定将抽放泵站安装在西皮带巷机尾巷位置，抽放泵站安装在此处，保证了泵站距抽放地点较近，且位于新鲜风流中，同时供水、供电都很方便。
6.5移动泵站的结构及安装
移动泵站内部结构如图6-1所示
1.底盘2.防爆电机3.气水分离器4.皮带5.防护罩6.瓦斯断电仪7.甲烷传感器8.水环真空泵9.磁力起动器10.停水断电仪及磁化水装置11.吸气端12.排气端
图6－1煤矿用移动式瓦斯抽放泵站结构简图
6.6泵站的供电系统及通讯
1、供电系统：
泵站供电管理参照掘进面的局扇的供电管理，要求“三专”，即专用变压器、专用线路、专用开关。
根据井下目前供电情况，由四采区变电所对瓦斯抽放泵供电。
2、供电计算
1）变压器容量
现选用KBSG-200/6型变压器1台，其额定容量为200KVA>102KVA，满足要求。
式中：
—变压器所供电器设备额定功率之和；
Sb—变压器计算容量，KVA；
Kx—需用系数，取0.9，
cos
—电机的加权平均功率因数，取0.8。
2）瓦斯泵供电电缆选择
选用断面为35mm2的四芯电缆，其长期允许负荷电流值为138A，大于88.6A，满足要求。
3）开关：
选用磁力起动器。
4）电气系统接线图见图6-2
3、泵站通讯
在泵站安装直达矿调度电话一部。
4、泵站供水
我矿主要采用静压水对泵站供水，选择这种供水方式不容易使泵体结构而损坏，有利于延长泵体寿命。
6.7泵站及管路系统综合布置图
整个抽放系统（包括管路、给排水、供电等）见图6－3
7.抽放系统及抽放泵站安全技术措施
7.1瓦斯抽放系统安全管理
井下移动泵站的安全管理措施如下：
（1）抽放管路低洼处设有放水器；
（2）泵站抽出的瓦斯排至回风道时，在抽放管路出口处必须设置栅栏、设置警戒牌，栅栏的位置，上风侧为管路出口外推5m，上下风侧栅栏间距不小于35m，同时在出口30m内瓦斯浓度必须混合到《规程》规定的浓度，在栅栏区设警戒牌和监测装置，监测探头的位置在栅栏（下风侧栅栏）外5m以内；两栅栏之间禁止人员通行及任何作业。
（3）、抽放管路出口采用筛管，便于瓦斯稀释。
（4）、泵前端安装过滤网，过滤杂物，保护抽放泵安全。
见图7-1。
（5）、瓦斯检查员对栅栏区的瓦斯浓度进行巡回检测，发现问题及时解决。
图7-1过滤网及排渣装置布置示意图
此外，打钻时，还需注意如下事项：
1、抽放钻场、钻孔施工时防治瓦斯危害的措施
抽放钻场（孔）施工前，必须编制施工作业规程，制定施工安全措施，打钻时，必须配备专职瓦斯检查员，严格执行《煤矿安全规程》的有关规定，杜绝诸如无水打钻、瓦斯超限作业等违章作业。
打钻过程中如遇喷孔，必须立即停钻，采取处理措施，并向有关领导汇报。
2、管路防漏气、防砸坏、防带电、防底鼓措施
抽放系统必须设置负压测定装置和截止阀门，新敷设的管路要进行气密性检查，正常抽放的管路亦应定期进行气密性检查。
敷设抽放管路的巷道虽非主要运输巷道，但在管路上要悬挂警示牌，管路外部涂红色以示区别，提醒车辆注意，并要每天巡回检查，发现问题及时更换。
抽放管路在巷道内吊挂安装时，吊挂高度不小于1.8m；为防止底鼓折损管路，管道都用墩垛垫起，垫起高度不小于0.3m。
井下抽放瓦斯管应尽量避免与通讯、动力电缆设在一起，以防管路带电，抽放管路必须打设接地极。
7.2抽放泵站安全措施
1、必须设有停水断电和环境瓦斯超限断电装置（泵自带，可与主系统相联）；
2、移动泵站安装地点必须有专人看护；
3、泵站周围环境的防爆措施
抽放泵房内环境瓦斯浓度不得超过0.5%，机体附近0.3m瓦斯浓度不得超过1%，否则必须停泵，查明原因并处理。
4、泵房内不得使用非防爆电器，杜绝明火；
5、建立抽放设备检查制度。
定期对抽放设备进行检查、维修，发现问题及时处理，并将有关情况及时向主管部门和领导汇报；
6、建立抽放设备停、运联系制度。
未经有关部门和领导研究，任何
人不得私自停开抽放设备，不得私自调整抽放系统的抽放负压；
7、建立抽放参数定期检查制度。
抽放系统各测点每三天必须进行一次全面观测，有条件的应每天测定一次，每次观测都要及时填写在抽放日报上；瓦斯泵房内抽放管路的瓦斯浓度、正压、负压、流量、水温必须每隔30分钟测定、记录一次，并建立记录台帐；
8、建立泵站值班人员交接班制度；
9、泵房值班室设直通矿调度室电话，遇见特殊情况及时汇报。
10、本设计未尽事宜或与《煤矿安全规程》相抵触之处以《煤矿安全规程》的有关规定为准。
11、在本设计实施前必须组织相关人员进行认真学习。
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