安源煤矿瓦斯抽放设计课程设计.docx
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安源煤矿瓦斯抽放设计课程设计
华北科技学院
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摘要
随着煤矿生产技术水平的快速发展，煤矿生产能力大大提高，但是随着开采深度的增加矿井瓦斯涌出量也大大增加，矿井瓦斯已成为制约煤矿安全生产的“头号大敌”。
安源煤矿瓦斯赋存情况复杂，涌出量较大，仅靠通风方法难以解决瓦斯超限问题，因而对矿井进行瓦斯抽采势在必行。
本文介绍了矿井的基本概况，对矿井瓦斯抽放的必要性与可行性进行了分析；运用分源预测法计算矿井瓦斯涌出量，并分析了不同的瓦斯抽放方法，设计了矿井的瓦斯抽放工艺；通过对井下环境的分析和抽采管径的计算，确定了抽采管路系统的相关参数；在计算抽放系统的管道阻力和瓦斯泵的流量与压力的基础上，选择了合适的瓦斯泵型号。
本文对安源煤矿进行的瓦斯抽放设计，对降低工作面回采时瓦斯涌出量，减少瓦斯事故的发生，实现安全生产有重要作用。
Withtherapiddevelopmentofthecoalmineproductiontechnologylevel,coalproductioncapacityisgreatlyimproved,butwiththeincreaseofminingdepthofminegasemissionalsogreatlyincreased,minegashasbecome"numberoneenemy"ofcoalminesafetyproduction.AcomplexAnYuancoalminegasoccurrence,pouringamountislarger,onlybyventilationmethodtosolvetheproblemofgasoverrun,soontheminegasextractionisimperative.
Thispaperintroducesthebasicsituationofthemine,thenecessityandfeasibilityofminegasdrainageareanalyzed;Minegasemissioncalculatedbyusingseparatesourcemethod,andanalyzesthedifferentgasdrainagemethods,designthegasdrainagetechnologyofmine;Throughtheanalysisoftheundergroundenvironmentandextractionfromthecalculationofpipediameter,determinetherelatedparametersofextractionpipelinesystem;Incalculatingdrainagesystemofthepipelineresistanceandthegaspumpflowandpressure,onthebasisofchoosingthesuitablegaspumptype.
Inthispaper,theAnYuancoalminegasdrainagedesign,toreducethegasemissionwhentheminingface,reducethegasaccidents,torealizesafetyproductionplayanimportantrole.
关键字：
瓦斯涌出、瓦斯抽放、瓦斯抽放系统、瓦斯抽放工艺
Keywords:
gasemission,gasdrainage,gasdrainagesystemandgasdrainagetechnology
1矿井概况
安源煤矿位于萍乡市东南5公里的安源镇境内，矿区内有专用铁路线6公里同浙赣线相连，另有公路与319、320国道相通，交通便捷。
安源井田位于高安煤田的西半部，东邻高坑矿，西邻五陂煤矿。
东起锡坑H勘探线，西至X勘探线，南至天子山麻姑槽露头，北至RF4。
走向长度5.8公里，倾向长度3.2公里，面积为12.82平方公里。
矿区地理坐标为：
东经113050′44.93〃，北纬27037′42.65〃。
主井坐标为：
X=3054790，Y=38489746
1.1工作面位置
1701工作面是一水平一采区段西翼k7煤层的采煤工作面。
东面以回风下山保护煤柱为界，西面以老系统采空区保护煤柱为界，上下以＋1228m~＋1210m标高为界。
相对应的地面标高为＋1340m~1420m，工作面地面位于团山村辖区内，地表为荒山荒地。
煤层埋藏深度130m~192m。
该工作面平均长度100m，推进长度105m。
可采储量2.835万吨。
1.2井田地形与气候
1）.地形地貌特征
本区地势为南西高北东低，最高点位于井田南西部，海拔高1543.1m，最低点位于井田北东部百车河河谷，海拔高1176.6m，最大相对高差366.5m。
地形切割较大，沟谷发育，井田总体为构造剥蚀的低中山地貌。
由于井田内地形相对较陡。
龙潭组含煤地层多被第四系、滑坡等坡积物覆盖。
百车河河谷为井田内最低点，标高+1176.60m，为本井田最低侵蚀基准面。
2矿井瓦斯抽放的必要性与可行性
根据国家煤矿安全监察局2001年颁布的《煤矿安全规程》第145条规定,如果矿井绝对瓦斯涌出量超过40.0m3/min,无论井型大小,也不管煤层有无煤与瓦斯突出危险性,必须建立地面永久抽放瓦斯系统或井下临时抽放瓦斯系统.
《煤矿安全规程》,《矿井瓦斯抽放管理规范》以及《煤炭工业设计规范》有关条款规定:
当一个回采工作面的绝对瓦斯涌出量大于5m3/min或一个掘进工作面的瓦斯涌出量大于3m3/min,采用通风方法解决瓦斯问题不可能或不合理时应采用瓦斯抽放措施.
除此而外,为贯彻国家安全生产监督管理局”先抽后采,以风定产,监测监控”的安全生产方针,需建立了一个地面抽放瓦斯泵站为抽放瓦斯服务.
2.1瓦斯抽放的必要性
2.1.1相关法规的要求
按照《煤矿安全规程》规程的有关规定及”先抽后采,以风定产,监测监控”的十二字方针，无论高瓦斯矿井的井型大小，也不管煤层有无煤与瓦斯突出危险性，必须建立地面永久抽放瓦斯系统或井下临时抽放瓦斯系统.
某煤矿设计生产能力为600Mt/年,目前生产能力达到1000Mt/年.从瓦斯涌出量预测结果来看，矿井在生产过程中的瓦斯涌出量将达38.6m3/min,单纯靠通风系统来稀释瓦斯是不可能的.因此，必须建立瓦斯抽放系统.
2.1.2采掘工作面瓦斯治理的需要
《煤矿安全规程》、《矿井瓦斯抽放管理规范》以及《煤炭工业设计规范》有关条款规定:
当一个回采工作面的绝对瓦斯涌出量大于5m3/min或一个掘进工作面的瓦斯涌出量大于3m3/min，采用通风方法解决瓦斯不可能或不合理时应采用瓦斯抽放措施.虽然,该矿回采工作面的绝对瓦斯涌出量已经超过5m3/min.产量和瓦斯涌出量都有进一步增加的趋势.
采掘工作面需要采取瓦斯抽放的必要性判断标准是:
在给定的巷道通风断面条件下，采掘工作面设计通风能力小于稀释瓦斯所需的风量,即式（2－1）成立时,抽放瓦斯才是必要的.
（2－1）
…………………………………
式中:
Q0-采掘工作面设计风量,m3/s；
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-《煤矿安全规程》允许的采掘工作面瓦斯浓度，%，取C=1.
2.2抽采瓦斯的可行性
衡量煤层可抽性的指标主要有三项：
煤层的透气性系数（λ）、钻孔瓦斯流量衰减系数（β）、钻孔瓦斯极限抽放量（Qj）。
1）煤层的透气性系数（λ）
煤层透气性是煤层对于瓦斯流动的阻力，是衡量煤层瓦斯预抽难易程度的重要标志。
在测压钻孔压力稳定后，卸掉压力表，利用煤气表测定煤层钻孔在不同时间间隔的流量，根据钻孔瓦斯不稳定径向流动理论，采用如下公式进行试算和验算：
A=qr/p02-p12,B=4p01.5/αr2
α=x/p01/2
F0=10-2～1，λ=100A1.61B0.613
F0=10～10，λ=100A1.39B0.389
F0=10～102，λ=109.5A1.25B0.25
F0=102～103，λ=182.8A1.136B0.136
F0=103～105，λ=210.4A1.111B0.111
F0=105～107，λ=313.1A1.07B0.0695
式中：
x—原始瓦斯含量，m3/t；
p0、p1—煤层原始瓦斯压力及巷道大气压，MPa；
r—钻孔半径，m；
q—钻孔排放时间为t时的煤孔段单位面积的瓦斯流量，q=Q/2πrL
Q—钻孔排放时间为t时流量，m3/d；
L—煤孔段长度，m。
2）钻孔瓦斯流量衰减系数（β）
在测压结束后卸下压力表，安上流量计测定钻孔的自然瓦斯流量及其随时间的变化，根据测定结果的最大瓦斯流量和钻孔见煤长度，计算钻孔瓦斯流量及其衰减系数。
钻孔瓦斯流量衰减系数可以作为评估开采煤层瓦斯预抽的难易程度的一个标志。
钻孔瓦斯流量衰减系数的具体测定方法是：
选择具有代表性的地点打钻孔，先测定初始流量q0，经时间t后，再测其瓦斯流量qt，然后用下式回归计算衰减系数β：
qt=q0e-βt
3）煤层抽放瓦斯难易程度分类
抽放难易程度分类见下表:
煤层预抽瓦斯难易程度分类表
指标
难易程度
β（d-1）
λ（m2Mpa2d）
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
采空区的瓦斯抽采
矿井开采过程中，围岩受采动影响，使回采工作面采空区瓦斯通过围岩产生的裂隙涌入工作面，故必须对采空区瓦斯进行埋管抽放，以减少采空区瓦斯对工作面的威胁。
2.3采面瓦斯抽采应达到的指标
采煤工作面采掘作业前必须将控制范围内煤层的瓦斯含量降到煤层始突深度的瓦斯含量以下或将瓦斯压力降到煤层始突深度的煤层瓦斯压力以下。
若没能考察出煤层始突深度的煤层瓦斯含量或压力，则必须将煤层瓦斯含量降到8m3/t以下，或将煤层瓦斯压力降到0.74MPa（表压）以下。
采煤工作面控制范围为：
工作面前方20m以上。
3采煤工作面瓦斯抽放方案设计
3.1瓦斯抽放方案设计
3.1.1瓦斯抽放方法分类与选择规定
a.按抽出瓦斯来源分：
本煤层抽采、邻近层抽采、采空区抽采。
b.按被抽采煤层的卸压状况分：
原始煤体未卸压预抽瓦斯；煤层卸压后抽瓦斯。
c.按抽采瓦斯源的汇集工程方法分：
抽采瓦斯钻孔法、抽采瓦斯巷道法和抽采瓦斯钻孔巷道综合法。
根据《MT5018-96矿井瓦斯抽放工程设计规范》第4.1.1条规定：
选择抽放瓦斯方法，应根据煤层赋存条件、瓦斯来源、巷道布置、瓦斯基础参数、瓦斯利用要求等因素经技术经济比较确定。
并应符合下列要求：
a）尽可能利用开采巷道抽放瓦斯，必要时可设专用抽放瓦斯巷道；
b）适应煤层的赋存条件及开采技术条件；
c）有利于提高瓦斯抽放率；
d）抽放效果好，抽放的瓦斯量和浓度尽可能满足利用要求；
e）尽量采用综合抽放；
f）抽放瓦斯工程系统简单，有利于维护和安全生产，建设投资省，抽放成本低。
根据《AQ1027-2006煤矿瓦斯抽放规范》第7.1.2条规定：
按矿井瓦斯来源实施开采煤层瓦斯抽放、邻近层瓦斯抽放、采空区瓦斯抽放和围岩瓦斯抽放；第7.1.3条规定：
多瓦斯来源的矿井，应采用综合瓦斯抽放方法。
瓦斯抽放系统选择还应注意以下问题：
（a）分期建设、分期投产的矿井，抽放瓦斯工程可一次设计，分期建设、分期投抽。
（b）抽放瓦斯站的建设方式，应经技术经济比较确定。
一般情况下，宜采用集中建站方式。
当有下列情况之一时，可采用分散建站方式：
——分区开拓或分期建设的大型矿井，集中建站技术经济不合理。
——矿井抽放瓦斯量较大且瓦斯利用点分散。
——一套抽放瓦斯系统难以满足要求。
根据本煤层的特点，我们选取抽采瓦斯钻孔法，而钻孔抽采瓦斯的方法又有穿层钻孔抽采瓦斯、顺层钻孔抽采和边采边抽。
3.1.2瓦斯抽放方法的比较和选择
根据钻孔抽采瓦斯的优缺点及适用条件，我们最终选择顺层钻孔抽采，因为顺层钻孔抽采的适用条件是：
①单一煤层；②煤层透气性较小但应有抽放可能；③煤层赋存条件稳定，地质变化小；④钻孔要提前打好，有较长的预抽时间；⑤突出危险煤层（密集钻孔），而我们要设计的煤层就是煤层透气性较小但应有抽放可能，煤层赋存条件稳定，地质变化小。
附图4：
回采工作面本煤层瓦斯抽放钻孔布置示意图
3.1.3抽放钻孔的参数
钻孔直径：
钻孔直径大，暴露煤壁面积就大，瓦斯涌出量相应也大，但二者增长并非线性关系，在煤层条件不同的情况下，瓦斯涌出量并不随孔径的增大而成比例增大。
据测定结果，孔径由73mm提高到300mm，钻孔的暴露面积增至4倍，而钻孔抽放量仅增至2.7倍，而日本赤平煤矿孔径由65mm增至120mm ，抽放瓦斯量增加到3.5倍。
孔径应根据钻机性能，施工速度与技术水平、抽放瓦斯量、抽放半径等因素确定，目前一般采用抽放瓦斯钻孔直径为60～110mm。
根据本煤层的特性，选取钻孔直径为75mm。
钻孔的长度：
据实测结果，单一钻孔的瓦斯抽放量与其孔长基本上成正比关系，因此在钻机性能与施工技术水平允许的条件下，尽可能采用长钻孔以增加抽放量和效益。
本煤层的倾向长度为160m，为了达到好的抽放效果，我们把钻孔从进风巷和回风巷顺煤层打入，进风巷打入的钻孔的长度为85m，回风巷打入的钻孔的长度为85m。
钻孔的间距与抽放时间：
2号煤层透气性系数λ＝0.08（m2/MPa2.d），根据表四，我们选取钻孔间距为3～5m。
表四钻孔间距选用参考值表
煤层透气性系数
（m2/（MPa2•d））
钻孔间距（m）
备注
＜10-3
---
先采取卸压增透措施后，才能抽放
10-3～10-2
2～5
10-2～10-1
5～8
10-1～10
8～12
＞10
＞10
根据抽放条件，我们给定抽放时间为3个月以上。
抽放负压与钻孔长度：
钻孔抽放负压一般选用13.3～26.6kPa（即100～200mmHg），但最低不宜小于13kPa（97.75mmHg）。
封孔长度既应保证不吸入空气又应使封孔长度尽量缩短，一般情况下岩孔应不小于5m，煤孔应不小于8m。
经上述分部设计，我矿1021采煤工作面瓦斯抽放设计详细方案如下：
采取本煤层顺层钻孔抽放瓦斯的防突措施，在1201运输巷道、1201回风巷道内沿煤层向采面进行顺层布置钻孔，在走向方向上每3～5m间距（根据抽放时间调整）布置一个顺层钻孔进行高负压抽放。
1201采面回采前，1201沿运输巷上帮、回风巷下帮采取施工间距为3～5m的倾向顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯防突措施，区域预抽钻孔施工至采面停采线外20米处，每个钻孔长度大于85米（因采面倾斜长有160米），孔径75㎜，封孔长度不低于8米。
抽采时间3个月以上，孔口抽放负压保持在13KPa以上。
根据煤矿瓦斯抽采基本指标要求（最低要求）：
瓦斯涌出量5≤Q<10m3/min，抽采率应大于20%，故本设计要求抽放量应大于0.63m3/min。
1201工作面顺层抽放钻孔参数表表五
孔号
方位°
仰角°
长度m
备注
1～68
173
+2～4
85
1201回风巷
1～56
83
+3～5
85
1201运输巷
根据《防治煤与瓦斯突出规定》，结合渝兴煤矿实际，设计采用直接测定煤层残余瓦斯压力或残余瓦斯含量值对1201采煤工作面的防突措施进行效果检验。
1201采煤工作面采取顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯区域措施后，在回采工作面推进方向每间隔30m，沿工作面方向布置2个检验测试点测定煤层残余瓦斯压力或残余瓦斯含量值。
残余瓦斯含量及残余瓦斯压力测点参数表表六
测点编号
孔深（m）
方位°
仰角°
备注
1＃
40
173
+2～4
1201回风巷
2＃
80
83
+3～5
1201运输巷
3＃
60
173
+2～4
1201回风巷
4＃
30
83
+3～5
1201运输巷
5＃
60
173
+2～4
1201回风巷
6＃
70
83
+3～5
1201运输巷
7＃
30
173
+2～4
1201回风巷
8＃
70
83
+3～5
1201运输巷
9＃
70
173
+2～4
1201回风巷
10＃
35
83
+3～5
1201运输巷
11＃
75
173
+2～4
1201回风巷
12＃
75
83
+3～5
1201运输巷
13＃
30
173
+2～4
1201回风巷
14＃
30
83
+3～5
1201运输巷
15＃
70
173
+2～4
1201回风巷
16＃
65
83
+3～5
1201运输巷
按上述要求测定煤层瓦斯压力后，煤层残余瓦斯压力小于0.74MPa、煤层残余瓦斯含量小于8m3/t的预抽区域为无突出危险区，否则，即为突出危险区，预抽防突效果无效；
但若检验期间在煤层中进行钻孔等作业时发现了喷孔、顶钻及其他明显突出预兆时，发生明显突出预兆的位置周围半径100m内的预抽区域判定为措施无效，所在区域煤层仍属突出危险区。
采用煤层残余瓦斯压力的直接测定值进行检验时，若任何一个检验测试点的指标测定值达到或超过了煤层残余瓦斯压力0.74MPa、煤层残余瓦斯含量8m3/t而判定为预抽防突效果无效时，则此检验测试点周围半径100m内的预抽区域均判定为预抽防突效果无效，即为突出危险区。
3.2回采期间工作面上隅角埋管抽放设计
3.2.1瓦斯抽放方式
在1021工作面沿回风巷，在采空区内采用埋管抽放采空区瓦斯。
、埋管抽放方式：
在1021回采工作面回风巷内安设铁管，管径为∮200（离地面500mm），随着采面的推进，抽放管口（包括三通）保持埋入采空区，使用地面永久抽放泵产生负压，使采空区气体向埋管口流动，将采空区瓦斯抽出，以此减小采空区的瓦斯涌出和解决工作面上隅角瓦斯超限的问题。
、埋管抽放工艺：
在回风巷抽放管末端设置一个弯管（三通）或将抽放管末端抬起，使抽放管口抬高至回风巷顶部，通过木垛对其抽放管口进行保护、使用铁纱网（铁纱窗）对管口进行包扎，防止煤炭、矸石进入抽放管内，以此形成埋管口。
并在工作面往后每隔15～20m设置一组三通、使用风筒布或其他不漏气的面料将其封堵住，在工作面推进过程中，将埋管口保留在工作面的采空区，通过抽放系统对采空区瓦斯进行抽放。
当工作面推进到下一个埋管三通或埋管口完全进入采空区时，将该三通处的面料割破，使其对采空区不间断地抽放。
、埋管抽放措施：
①、在抽放管路上钻设直径R5mm～R10mm的小孔，在外罩铁纱网，以防止矸石和煤被吸入，在外段（未进入采空区段）需要用风筒布等不漏风材料包裹，以断绝空气进入，造成抽放浓度下降。
②、抽放管路主管离地面不小于500mm，抽放管（带小孔）离顶板不大于300mm，以保证抽放效果。
③、采空区瓦斯抽放管路上必须安设调节阀，以便合理调整抽放负压和抽放流量。
④、在工作面上部与工作面夹角45度打设隔离风障，并以木垛来垫支瓦斯抽放管，以保护瓦斯抽放管路。
⑤、必须按规定定期对管内、回采面上隅角、回风巷的气体进行取样分析，随时掌握采空区内气体的成份、温度变化，以便合理地调整抽放瓦斯量、抽放负压和检查采空区自然发火情况。
、埋管抽放安全技术措施：
、上隅角要及时回收，超前管理，工作面回采过程中运输巷、回风巷的锚杆托盘以及钢带等护表构件必须提前拆除。
、上隅角回柱时要经瓦检员检查瓦斯，生产单位要洒水灭尘，回柱时必须使用铜锤，防止产生摩擦、撞击火花。
、上隅角出现有悬顶现象，生产单位必须及时充满填实，消除瓦斯积聚空间，对局部漏气、瓦斯较大处采用黄泥或其它不燃性材料进行封堵，确保瓦斯不超限。
、上隅角充填使用的编织袋必须是“双抗”袋（即抗静电，抗阻燃），否则严禁使用。
、上隅角充填的“双抗”袋挪移时，工作面内部及风巷必须停电，采区跟班干部现场指挥，并妥善保护好监测探头，瓦检员负责监护；瓦斯抽放管路必须悬挂在巷道顶部后，再进行充填。
、生产单位负责各种抽放设施的使用，并按照规定进行保护，确保抽放设施完好。
、高瓦斯回采工作面、突出煤层工作面必须设专职瓦斯检查员、放炮员（人员一般应相对固定）、安全监察员，实行现场交接班，发现问题及时汇报处理。
、回采工作面上隅角（工作面切顶线与风巷煤壁上帮交汇处）必须设置T0瓦斯传感器，安设的位置距离上帮、顶板、采空区切顶线各300㎜。
T0瓦斯传感器的报警点、断电点、复电点、断电范围与工作面T1瓦斯传感器相同。
、防突工区负责及时延接、拆除各种瓦斯抽放管路，确保各种抽放系统符合规定。
否则对责任人罚款100元/次，如果造成材料损失（或不能使用），则承包材料费。
、通风工区负责上隅角瓦斯的检查，负责监督、指导上隅角的充填，负责监督上隅角风障的挂设，负责监督TO、T1探头按规定位置吊挂。
回采工作面上隅角应悬挂瓦斯管理牌板，由工作面采煤当班跟班干部和瓦斯检查员负责管理，并由瓦斯检查员负责填写“上隅角瓦斯管理牌板”。
采区跟班区干和班队长必须随身携带瓦斯便携仪，并保持一台便携仪悬挂在上隅角规定位置。
3.3工作面瓦斯抽放系统
3.3.1抽采管路系统选择的原则
、抽采管路系统应根据矿井开拓部署、井下巷道布置、抽采地点分布、瓦斯利用要求，以及矿井的发展规划等因素确定，并宜避免或减少主干管路系统的改动。
、管路的敷设宜减少曲线，并宜使管路的长度较短。
、管路宜敷设在矿车不经常通过的巷道中。
若必须敷设在运输巷道内时，应采取必要的安全措施。
、当抽采设备或管路发生故障时，应使管道内溢出的瓦斯不流入采、掘工作面及机电硐室内。
、抽采管路系统宜符合管道运输、安装和维护方便的要求。
3.3.2抽采管路管径、壁厚计算及管材选择
、抽采管径选择：
选择瓦斯管径，可按下式计算：
式中D—瓦斯管内径，m；
Q—管内瓦斯流量，m3/min；
V—瓦斯在管路中的经济流速，m/s，一般取V＝10～15m/s，在此取10m/s。
可得：
、抽采管路壁厚选择：
选择管路壁厚可按下式计算：
（6.2.2）
式中:
δ——管路壁厚（mm）；
P——管路最大工作压力（MPa）；
d——管路内径（mm）；
［σ］——容许压力（MPa），可取屈服极限强度的60％；缺少比值时，铸铁管可取20MPa，焊接钢管可取60MPa，无缝钢管可取80MPa。
管路最大工作取5Mpa,容许压力取80Mpa,
δ=P*d/2[σ]=5*300/2*80=10mm
、抽采管路管材应符
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