煤矿瓦斯抽放及利用的设计与实践.docx
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煤矿瓦斯抽放及利用的设计与实践
大宁煤矿瓦斯抽放及利用的设计与实践
大宁煤矿即原大宁一号矿井，为原国家计划委员会批准的原晋城矿务局新区总体设计所确定的四矿六井之一。
1992年国家计划委员会批准将大宁一号矿井井田划归晋城市地方开发。
为了引进建设资金，2000年1月，晋城市政府与美国亚美大陆煤炭公司在太原签定了联合开发大宁煤矿的合作合营合同，同时注册成立了“山西亚美大宁能源有限公司。
大宁煤矿目前主要开采3#煤层，采煤方法以综合机械化一次采全高长壁开采为主，配以连续采煤机房柱式开采为辅的采煤方法。
该矿目前正在进行矿井基本建设施工，在井下巷道施工期间，瓦斯涌出量大幅度增加，瓦斯经常超限，曾一度被迫停工。
为了解决瓦斯超限问题，该矿于1998年9月建成一套临时瓦斯抽放系统，安装两台SK–27型水环式真空泵，并于同年11月正式投入使用。
初期采用巷道预抽，进而采用边掘边抽方式，抽出纯瓦斯量平均为10.4m3/min，最高达17m3/min。
采用瓦斯抽放后，基本解决了瓦斯超限问题，从而加快了施工进度。
目前，大宁煤矿采用连采机掘进巷道，由于掘进速度加快，矿井瓦斯涌出量大幅度增加，随着矿井基本建设速度的加快，矿井即将投入生产，瓦斯涌出量必将大幅度增加，瓦斯抽放量也将随之增加，现有抽放系统已趋于饱和，难以满足今后生产需要。
为了保证矿井投产后的安全生产，也为矿井尽快达产创造有利条件，急需建立抽放能力更大的瓦斯抽放系统。
为此，山西亚美大宁能源有限公司决定立项建设大宁煤矿永久瓦斯抽放及利用系统。
一、编制本设计的依据
⒈煤炭工业部太原设计院等2001年4月提出的《山西晋城大宁煤矿扩资建设可行性研究报告》（以下简称《矿井可研报告》）。
2.煤炭工业部太原设计院2002年4月提出的《山西亚美大宁能源公司大宁煤矿二期工程初步设计（井下部分）》（以下简称《矿井初步设计》）。
3.山西亚美大宁能源有限公司2002年12月提供的其他设计资料和基础数据。
4《大宁煤矿瓦斯抽放及利用工程初步设计》评审会议纪要。
二、设计的主要技术经济指标
⒈矿井相对瓦斯涌出量：
25.94m3/t.d
⒉设计矿井瓦斯抽放量：
200m3/min
⒊瓦斯抽放站占地面积：
1.08ha
⒋抽放系统服务年限：
80.9年（其中3#煤层抽放服务年限29.6年）
三、存在的主要问题
1．抽放站的位置与现有炸药库的位置相距较近，需在瓦斯抽放站建成之前将其搬迁到新的炸药库位置。
2．根据建设单位的意见，在瓦斯抽放站不设消防水池和消防泵房，拟与瓦斯电站的凉水池共用，作为消防水池。
由于瓦斯电站的建设将滞后，建议建设单位先建瓦斯电站的凉水池和消防泵房。
3．根据建设单位的意见，在瓦斯抽放站内采用蒸汽和暖风两套供热系统，使其供热系统较复杂，经济上也不合理。
请建设单位慎重考虑。
4．由于井下大巷高度只有3.65m，敷设抽放管道后将影响部分巷道运输车辆的通行。
建议建设单位对有关巷道的高度进行调整。
第一章矿井概况
第一节井田概况
一、位置与交通
大宁煤矿位于山西省晋城市阳城县境内，工业场地位于阳城县城北约16Km的大宁村附近。
矿井距候月铁路线的阳城站（八甲口）约16Km。
八（甲口）芹（池）公路东起八甲口，经本矿井工业场地，西至芹池，起点、终点都与晋（城）韩（城）公路相接。
矿井交通非常方便。
二、井田范围和煤炭储量
根据国土资源部国土资矿划字（2001）13号文，大宁煤矿的井田境界由41个拐点圈定，开采深度由620m至360m标高。
井田范围为东西长5～12km，南北宽4～6km，井田面积38.8293km2。
北部及东北部以芦苇河最高洪水线为界，西部及西北部以东四候断层和寺头断层为界。
矿井煤炭地质储量为636.450Mt，其中3#煤层地质储量为245.807Mt，可采储量为171.584Mt。
三、矿井设计生产能力和服务年限
矿井设计生产能力为4.0Mt/a，服务年限84.9a，其中3#煤层服务年限33a。
该矿井一期工程于1996年8月破土动工，目前主要开拓巷道大部分已施工完毕，首采工作面正在布置，预计2004年建成投产。
第二节煤层赋存情况
本井田含煤地层为上石炭统太原组及下二迭统山西组，总厚度151m，共含煤10～22层，煤层编号自上而下为3#、3#下、5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#、13#和15#。
煤层累计厚度（3#下除外）为10.41m，含煤系数6.9%。
可采及局部可采煤层有3#、6#、7#、9#、15#共5层，3#、15#为全区可采，6#、7#、9#为局部可采，可采煤层总厚度为8.57m。
可采煤层特征见表1－2－1。
表1－2－1 可采煤层特征表
含
煤
地
层
煤层编号
厚度（m）
最小～最大
平均
煤层
间距
（m）
夹石
层数
稳定
情况
可采
情况
顶底板岩性
顶板
底板
山
西
组
3
2.21～6.97
4.45
17～40
27
0～8
2～4
稳定
全区
可采
粉砂岩
泥岩
泥岩
粉砂岩
太
原
组
6
0～0.95
0.34
0～1
0
不稳定
局部
可采
K5灰岩
泥岩
粉砂岩
4～10
7
7
0～2.55
0.48
0～2
0
不稳定
局部
可采
泥岩
粉砂岩
泥岩
粉砂岩
6～31
12
9
0～1.85
0.53
0～3
0
不稳定
局部
可采
灰岩
粉砂岩
泥岩
粉砂岩
泥岩
21～48
33
15
1.02～6.70
2.77
1～6
1～3
稳定
全区
可采
石灰岩
（K2）
泥岩
粉砂岩
第三节地质构造情况
大宁煤矿地处上黄岩井田，位于沁水盆地南缘，太行复式背斜南段两翼，中条隆断带东段北侧。
区内总倾向由南向北倾斜，地层倾角一般在10º以内，井田东部以褶皱为主，西部断裂发育。
根据地质构造的生成联系以及在空间展布和排列关系的规律，将其划分为近南北向构造带、近东西向构造带和沁水帚状构造体系。
1．近南北向构造：
其构造形迹主要走向为5～15º褶曲及压性断裂和同它有生成联系的横张、压扭性断裂。
多展布于井田东部，且走向大致平行，呈南北向延伸。
主要有：
马庄背斜、刘家腰向斜、F334断层、F338断层、F349断层等，还有次一级的构造形态。
2．近东西向构造：
本区外有一组东西向压扭断裂构造带，在其作用波及影响下，本井田也形成了一组东西向构造形迹：
寺头断裂、南板桥断裂和F314断层等。
3．晋东南山字型构造：
脊柱展布于井田东侧，本井田位于山字型马蹄型盾地，构造形迹微弱。
井田内未发现有陷落柱等不良地质现象。
第四节矿井开拓与开采
一、开拓方式
矿井开拓为斜井与立井联合布置开拓方式。
主斜井倾角14º，斜长557m；付斜井倾角20º，斜长380m；进风斜井倾角20º，斜长374m；回风井为立井，垂深142m。
矿井轨道大巷、皮带大巷沿煤层底板掘进，回风大巷沿煤层顶板掘进，均为半圆拱断面。
根据美国的开拓习惯，结合连续采煤机掘进特点，沿3#煤层布置七条大巷。
二、采区布置与开采顺序
全井田共划分为7个采区，其中一采区为首采区。
煤层开采顺序：
先采上组煤，后采下组煤。
回采工作面走向长3000m左右，倾斜长度为225m左右。
工作面顺槽采用三巷制，依次为运输巷、进风巷和辅助巷，分别与胶带大巷、辅运大巷、进（回）风大巷相连。
矿井达产时，装备一个采区，采区内布置一个长壁工作面和两个连续采煤机掘进工作面。
三、采煤方法与顶板管理
矿井首先开采3#煤层，采煤方法主要为综合机械化一次采全高长壁采煤法，辅之以连续采煤机房柱采煤法。
采高均为4.45m，顶板管理方法为全部冒落法。
第五节矿井通风与瓦斯
一、通风方式及供风量
矿井初期采用混合式通风系统，后期为减少通风阻力，逐步改为分区式通风系统，在F334断层西部开凿1个进风立井和1个回风立井，在长壁开采的1、3、5、6、7采区时，在采区边界共开凿5个排风立井，装有抽出式风机。
矿井移交生产时共有四个井筒，其中3个进风井，分别为主斜井、副斜井、进风斜井；1个回风立井。
主斜井、副斜井和进风斜井位于矿井工业场地，回风立井位于老山沟。
此外，拟在一、二采区边界附近新建1个回风立井（西沟回风立井），担负一、二采区的辅助回风任务。
矿井设计供风量为232m3/s，其中中央回风立井风量185m3/s，西沟回风立井风量47m3/s。
二、瓦斯涌出情况
大宁煤矿属高瓦斯矿井，目前只是掘进开拓巷道。
在掘进速度并不高（炮掘）的情况下经常出现瓦斯超限，矿井绝对瓦斯涌出量曾达36m3/min。
目前矿井瓦斯涌出量已达64m3/min（采用连采机掘进巷道）。
三、瓦斯试抽情况
为了解决开拓巷道施工瓦斯超限问题，该矿于1998年9月在地面建立了临时瓦斯抽放系统，安装2台SK－27型水环式真空泵。
初期采用巷道预抽方式，之后采用边掘边抽方式。
抽出纯瓦斯量为10m3/min左右，最高达17m3/min。
从2002年开始，大宁煤矿采用连采机掘进巷道，由于掘进速度加快，矿井瓦斯涌出量大幅度增加，绝对瓦斯涌出量最高已达64m3/min以上，原来的瓦斯抽放系统已趋于饱和。
因此，该矿于2002年10月又增建临时瓦斯抽放站，安装1台YWB－40型移动抽放泵和1台SK－60水环式真空泵。
目前矿井瓦斯抽放量已达50m3/min左右。
第二章 抽放瓦斯设计参数
第一节 煤层瓦斯基本参数
一、煤层瓦斯压力
大宁煤矿委托煤炭科学研究总院西安分院（以下简称西安分院）在矿井首采区通过地面钻孔打钻测试3#煤层的瓦斯压力为：
DN4钻孔0.69MPa，DN8钻孔为1.16MPa。
二、煤层瓦斯含量
（1）西安分院在矿井的首采区通过地面钻孔打钻测试3#煤层的瓦斯含量为:
DN4钻孔为10.05m3/t（原煤），DN8钻孔为14.84m3/t（原煤），DN1钻孔为15.8m3/t（原煤）。
此外，在DN4钻孔还测定了15#煤层的瓦斯含量为14.35m3/t（原煤），在DN1钻孔还测定了6#、7#、9#煤层的瓦斯含量，分别为24.64、24.08、17.83m3/t（原煤）。
（2）大宁煤矿2号井田（寺河矿）与大宁矿在矿界上相邻的地勘钻孔（钻孔分布由矿界的东南到西北）测定3号煤层瓦斯含量（经修正）为：
048孔：
8.05m3/t；
092孔：
16.06m3/t；
028孔：
17.46m3/t；
073孔：
6.05m3/t。
（3）由于048孔、092孔、028孔、073孔在分布上位于大宁2号井田（寺河矿）与大宁煤矿在矿界上相邻整个边界的东南到西北，可以认为这四个地质钻孔与DN4、DN8、DN1钻孔在现有条件下能反映大宁矿3#煤层原始瓦斯含量的分布情况。
因此，大宁煤矿3#煤层的原始瓦斯含量为6.05～17.46m3/t，平均为13.15m3/t。
首采区域为10.05～15.8m3/t。
根据大宁矿的意见，为了保证矿井安全生产，考虑抽放能力和抽放工程时，3#煤层的瓦斯含量按14m3/t计算。
三、煤层透气性系数
西安分院在矿井的首采区通过地面钻孔打钻测试3#煤层的透气性系数：
DN4钻孔为1.95mD，换算后相当于81.9m2/MPa2.d。
DN8钻孔为1.3mD，换算后相当于54.6m2/MPa2.d。
四、百米钻孔自然瓦斯涌出量及其衰减系数
大宁煤矿委托煤炭科学研究总院重庆分院（以下简称重庆分院），在首采区井下实测钻孔瓦斯流量及衰减系数。
共打4个钻孔，其测定结果见表2－1－1。
百米钻孔自然瓦斯涌出量为0.0973～0.1905m3/min.hm，百米钻孔自然瓦斯流量衰减系数为0.0245～0.0512d－1。
表2－1－1 3#煤层瓦斯涌出测定一览表
钻
场
钻孔
测定钻孔参数
百米钻孔瓦斯
初始涌出量
（m3/min·hm）
瓦斯流量
衰减系数
（d-1）
涌出规律
方位
（°）
倾角
（°）
长度
（m）
首
采
区
1
36.0
0.1905
0.0245
Q=0.1538e-0.0245t
2
24.6
0.1385
0.0494
Q=0.1158e-0.0494t
3
34.5
0.1608
0.0512
Q=0.1531e-0.0512t
4
28.8
0.0973
0.0261
Q=0.0906e-0.0261t
注：
钻孔直径均为：
70mm 。
五、瓦斯吸附常数和煤的孔隙率
西安分院对3#煤层的瓦斯吸附常数、孔隙率及煤的工业分析数据进行了测定，其测定结果见表2－1－2。
表2－1－2煤的工业分析及瓦斯吸附试验测定表
取样地点
工业分析
吸附常数
Mad
（%）
Ad
（%）
Vdaf
（%）
真比重（t/m3）
假比重（t/m3）
孔隙率（%）
a
（m3/t）
b
MPa-1
DN4
3上
1.0
11.82
6.68
1.58
1.44
8.86
57.98
0.330
DN4
3中
1.08
11.81
6.42
1.57
1.46
7.01
58.43
0.306
DN4
3下
1.22
17.47
6.86
1.64
1.51
7.93
57.47
0.323
DN8
3上
1.76
9.42
5.66
1.61
1.44
10.56
58.51
0.334
DN8
3下
1.87
7.46
6.16
1.60
1.44
10.00
61.36
0.291
第二节矿井瓦斯储量
矿井瓦斯储量包括可采煤层、不可采煤层以及围岩中所赋存的瓦斯，其计算公式如下：
Wc＝K１·K２·∑Ai·Xi
式中 Wc——矿井瓦斯储量，Mm3；
K1——围岩瓦斯储量系数，取1.2；
K2——不可采邻近层瓦斯储量系数,，取1.2；
Ai——第i个可采煤层的煤炭地质储量，Mt；
Xi——第i个可采煤层平均瓦斯含量，m3/t。
经计算矿井瓦斯储量为13214.158Mm3，其中3#煤层瓦斯储量为4955.469m3。
详见表2－2－1。
表2－2－1瓦斯储量计算结果表
煤层
编号
煤炭地
质储量
（Mt）
瓦斯含量
（m3/t）
不可采层及围岩储量系数
瓦斯储量
（Mm3）
备 注
3#
245.807
14
K1=1.2
K2=1.2
4955.469
6#
9.815
24.64
348.252
7#
7.472
24.08
258.746
9#
3.282
17.83
84.266
15#
366.213
14.35
7567.425
合计
632.589
13214.158
第三节 矿井瓦斯可抽量
瓦斯可抽量是指在瓦斯储量中能被抽出的最大瓦斯量，其计算公式为：
WK＝Wc·KK
式中 WK——可抽瓦斯量，Mm3；
KK——可抽系数；
KK＝K1·K2·Kg’
K1——煤层瓦斯排放系数；
K1＝K3（X-Xk）÷X
K3——瓦斯涌出程度系数；
X——煤层原始瓦斯含量，m3/t；
Xk——运到地面煤的残余瓦斯含量，m3/t；
Xk=
Xk’——折合成可燃物的残余瓦斯含量，m3/t，根椐煤的挥发分查表选取。
Mad——煤中水分，%；
Ad——煤中灰分，%；
K2——负压抽放时抽放作用系数，K2＝1.2；
Kg’——矿井抽放率，%。
因大宁煤矿的瓦斯涌出主要来自于开采层，今后的瓦斯抽放基本上属于开采层瓦斯抽放，所以取K3＝0.95。
各煤层的残余瓦斯含量计算结果见表2－3－1。
由于大宁煤矿井田范围内存在着较多的褶曲构造，煤层透气性较好，可抽性较好。
所以综合分析取矿井抽放率Kg¢=0.6。
表2－3－1残余瓦斯含量计算结果表
煤 层
Mad
（%）
Ad
（%）
Vdaf
（%）
X’k
（m3/t）
Xk
（m3/t）
3
1.10
13.70
6.65
8.90
5.65
6
1.03
19.68
7.90
8.07
4.85
7
1.2
14.25
6.28
9.15
5.64
9
1.15
11.86
5.55
9.63
5.70
15
1.10
13.70
6.65
8.90
5.65
经计算矿井瓦斯可抽量为5528.01Mm3，其中3#煤层的瓦斯可抽量为2021.831Mm3（详见表2－3－2），这为瓦斯开发利用提供了较为充足的资源条件。
表2－3－2瓦斯可抽量计算结果表
煤层
编号
瓦斯储量
（Mm3）
K1
K可
瓦斯可抽量
（Mm3）
备 注
3
4955.469
0.567
0.408
2021.831
6
348.252
0.763
0.549
191.190
7
258.746
0.727
0.523
135.324
9
84.266
0.646
0.465
39.184
15
7567.425
0.576
0.415
3140.481
合计
13214.158
5528.01
第四节 矿井瓦斯涌出量
矿井相对瓦斯涌出量按下式计算：
Q=Q1+Q2+Q3
式中 Q——矿井相对瓦斯涌出量，m3/t.d;
Q1——回采工作面相对瓦斯涌出量，m3/t.d;
Q2——掘进工作面相对瓦斯涌出量，m3/t.d;
Q3——采空区相对瓦斯涌出量，m3/t.d。
1．采面相对瓦斯涌出量计算
采面相对瓦斯涌出量按下式计算：
Q1=Q1‘+Q2’+Q3‘
式中 Q1——采面相对瓦斯涌出量，m3/t.d;
Q1‘——开采层相对瓦斯涌出量，m3/t.d;
Q2‘——邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t.d;
Q3‘——围岩相对瓦斯涌出量，m3/t.d。
开采层相对瓦斯涌出量按下式计算：
Q1＇＝（K1+K2）·（X－Xk）
式中K1——采煤方法系数，K1＝；
L——回采工作面长度，m；
h——巷道煤体瓦斯排放带宽度，m，对无烟煤取h＝10m；
K2——煤柱影响系数，K2＝；
l——采空区中残留煤柱沿倾斜方向的宽度，m。
大宁矿3#煤层瓦斯含量X＝14m3/t，工作面长度L＝225m。
经查表残存瓦斯含量Xc＝5.65m3/t，残留煤柱宽度l＝20m。
则有：
Q1＇＝（0.911＋0.0889）（14－5.65）
＝8.35m3/t·d
邻近层相对瓦斯涌出量按下式计算：
Q2＇＝（Xi－Xci）（1－）
式中mi——第I邻近层厚度，m；
me——开采层开采厚度，m；
Xi——第I个邻近层的原始瓦斯含量，m3/t；
Xci——第I个邻近层残余瓦斯含量，m3/t；
hi——第I个邻近层至开采层的距离，m；
hp——受采动影响的瓦斯排放带范围，对下邻近层hp＝35m。
3#煤层开采后，对下部有影响的邻近层有6#、7#层，6#层距3#层距离27m，7#层距3#层距离34.34m。
6#层平均厚度为0.34m，7#层平均厚度为0.48m。
6#层的原始瓦斯含量及残余瓦斯含量分别为24.64、4.85m3/t，7#层的原始瓦斯含量及残余瓦斯含量分别为24.08、5.64m3/t。
3#层开采高度4.45m。
经计算Q2＇＝0.39m3/t·d。
围岩相对瓦斯涌出量按下式计算：
Q3＇＝KnQ1＇
式中Kn——由顶板管理方法决定的围岩瓦斯涌出系数，全面冒落法管理顶板时，取Kn＝0.25。
Q3＇＝0.25×8.35
＝2.09m3/t·d
则Q1＝8.35+0.39+2.09
＝10.83m3/t·d
按矿井年产量4.0Mt计算，矿井采面绝对瓦斯涌出量为100.28m3/min。
2．掘进工作面绝对瓦斯涌出量计算
掘进工作面绝对瓦斯涌出量按下式计算：
q掘＝q煤＋q壁
式中 q掘——掘进工作面绝对瓦斯涌出量，m3/min；
q煤——落煤瓦斯涌出量，m3/min；
q壁——煤壁瓦斯涌出量，m3/min；
q煤＝SVγ（X－Xc）
式中 S——煤巷掘进断面积，断面积为20.04m2；
V——掘进速度，m/min，单个连采面的掘进速度为2000m/月，则有V＝0.0463m/min；
γ——煤的密度，为1.44t/m3。
经计算得：
q煤＝11.17m3/min。
q壁＝nUVQ0（2－1）
式中 n——掘进巷道个数，n=4；
V——单巷掘进速度，m/min，n=4时，V=0.011575m/min；
U——巷道暴露煤壁在巷道横断面上的周长，m，对于抽放巷道U=12.79m（巷道宽5.49m，高3.65m）；
L——掘进工作面长度，m，L＝3000m；
Q0——煤壁初始瓦斯涌出量，m3/m2·min，按下式计算：
Q0＝0.026[0.0004（Vr）2＋0.16]X
式中 Vr——煤的挥发份，%。
对于3#煤层Vr＝6.65，代入上式计算得：
Q0=0.0644。
计算得n=4：
q壁＝38.79m3/min。
由上述计算可得1个连采机工作面掘进瓦斯涌出量为：
q掘＝49.96m3/min。
按照矿井设计，矿井以1个连采机长壁面、2个连采机掘进面达产4.0Mt/a。
矿井掘进的绝对瓦斯涌量为99.92m3/min，则相对瓦斯涌出量为：
Q2=10.79m3/t·d
3．采空区相对瓦斯涌出量计算
Q3＝K2（Q1+Q2）
式中K2——采空区瓦斯涌出系数，取K2＝0.2。
Q3＝0.2（10.83+10.79）
＝4.32m3/t·d
4．矿井相对瓦斯涌出量计算
Q＝Q1+Q2+Q3
=10.83+10.79+4.32
=25.94m3/t·d
根据上述计算结果，矿井相对瓦斯涌出量为25.94m3/t·d，绝对瓦斯涌出量为240.18m³/min。
第五节抽放规模及服务年限
根据预测，达到矿井设计能力400万t时,矿井抽放量可达130m3/min以上，建议设计规模按150m3/min设计。
但为了为今后扩大抽放规模留有余地，根据《设计委托书》的要求，矿井瓦斯抽放系统的设计能力按200m3/min设计。
抽放系统服务年限按下式计算：
N＝
式中 N——抽放系统服务年限，年;
WK——瓦斯可抽量，Mm3;
WNC——预计年最大抽放量，Mm3。
按实际能达到的抽放量130m3/min计算，矿井年抽放量为68.328Mm3，则抽放系统服务年限可达80.9年，其中3#层瓦斯抽放服务年限为29.6年。
第二章抽放方法设计
第一节瓦斯来源分析
根据《抽放设计方案》，在不进行瓦斯抽放就开采3#煤层时，矿井相对瓦斯涌出量为25.94m3/t。
其中回采工作面相对瓦斯
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