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瓦斯抽采课程设计
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指导教师:
摘要-1-
第1章某矿井工作面概况及保护层分析-2-
1.1工作面概况-2-
1.2保护层分析-2-
1.2.1保护层消突原理-3-
1.2.2保护范围确定-3-
第2章瓦斯抽采设计-6-
2・1保护区域卸压瓦斯抽采方案-6-
2.1.1保护区域底板岩巷布置-7-
2.1.2保护区域抽放钻场布置-8-
2.1.3保护区域抽放钻孔布置-8-
2.2未保护区域瓦斯抽采方案-9-
2.2.1未被保护区域抽放钻场的布置-9-
2.2.2未被保护区域抽放钻孔的布置-9-
第3章瓦斯抽米系统的选型-10-
3.1瓦斯管路-10-
3.1.1瓦斯管管径—10—
3.1.2瓦斯管管材—10—
3.2管路阻力计算-11-
3.2.1摩擦阻力-11-
3.2.2局部阻力一11—
3.2.3管网总阻力一11—
3・3抽采泵选型-12-
3.3.1瓦斯泵流量计算-12-
3.3.2抽米瓦斯泵压力—12—
3.3.3抽采瓦斯泵真空度-12-
3.4抽米瓦斯泵确定-13-
第4章矿井瓦斯禾U用—13-
瓦斯抽采设计
摘要
《矿井瓦斯抽采》课程设计是学生学习该课程理论学习结束后进行的一项实践教学环节，是课程体系的主要组成部分。
其目的是通过课程设计加深对《矿井瓦斯抽采》和其它课程所学专业理论知识的理解。
综合应用理论解决实际问题，培养学生计算、绘图和设计的能力为毕业设计奠定基础。
根据课程设计大纲的要求,计算下保护层开采的垂向距离的有效性，同时计算单个工作面的倾向和走向保护范围大小，选择合适的井下被保护层卸压瓦斯抽采手段，设计瓦斯抽采参数，布置钻场、钻孔。
选择合适管径，计算管道摩擦阻力和局部阻力。
计算抽放泵最大压力、真空度和额定功率，并给出合适的选型。
第1章某矿井工作面概况及保护层分析
1・1工作面概况
已知煤层A和煤层B,煤层倾角12°,煤层A厚2.6m,为突出煤层；煤层E厚2.8m,无煤与瓦斯突出危险性。
A煤层与B煤层距离为75m,A煤层和E煤层工作面均设计走向长1500m,面长120m。
图1-1煤层概况
矿井仅该一个工作面回采，采用抽采的工作面也只有A工作面，抽采瓦斯的绝对量为30m3/min,抽放浓度为30%,管路长度按照2000m计算，按摩擦阻力的15%计算。
假设抽放管口负压为15KPa,用户所需正压为5KPa,抽放负压不均衡系数取
1.2,瓦斯泵机械功率为80%,抽放泵口浓度为30%,抽放系数取2。
1.2保护层分析
所谓保护层，即为降低高瓦斯煤层的瓦斯含量或消除邻近煤层的突出危险性而先开采的煤层或岩层，该煤层或岩层无突出危险或突出危险性小。
位于高瓦斯煤层或突出危险煤层上方的保护层称为上保护层，位于下方的称为下保护层。
由于保护层的采动作用并同时抽采卸压瓦斯，使邻近的高瓦斯或突出危险煤层的危险区域转化为低瓦斯煤层或无突出危险区。
1.2.1保护层消突原理
保护层开采后，采场周围的煤岩体发生移动、变形，使得煤岩体的应力场，
裂隙场发生重新分布。
在采空区顶底板内的一定范围内地应力降低，出现卸压效果，处于顶底板内的煤层发生膨胀变形，煤层透气性呈数百至上千倍的增加，煤层瓦斯解吸流动加强，这是保护层开采技术应用的理论基础。
图1-2保护层开采消突原理图
1.2.2保护范围确定
保护范围是指保护层开采并同时抽采被保护层卸压瓦斯后，在空间上使突出危险性煤层的突出危险区转变为无突出危险区域的有效范围，包括沿倾斜方向、走向方向和层间垂向三个方向的保护范围。
保护层的保护作用随层间距的增大而减小，达到某一临界距离时，保护作用已不明显，该临界距离称之为有效层间距。
E煤层与A煤层垂距为H=75m,煤层倾角为12。
，属于缓倾斜煤层。
由保护层与被保护层之间的最大保护垂距可得缓倾斜和倾斜煤层的最大保护垂距为VlOOm,所以该煤层采用下保护层开采保护有效。
1、沿倾向的保护范围
在被保护层中，沿倾斜方向的保护范围可按卸压角划定。
卸压角的大小与煤层倾角、煤系地层的岩石力学性质等因素有关，但主要取决于煤层倾角。
应根据矿井实际考察结果确定其卸压角。
保护层工作面沿倾斜方向的保护范围如图1-3。
A——保护层；B——被保护层；C——保护范围边界线
图1-3保护层工作面沿倾斜方向的保护范围对暂无实测数据的矿井，可参照表1-1确定。
表1-1保护层沿倾斜方向的卸压角
煤层倾角a「）
卸压角6/（°）
&
&
&
&
0
80
80
75
75
10
7；
83
75
75
20
73
87
75
75
30
69
90
77
70
40
65
90
80
70
50
70
90
80
70
60
72
90
80
70
70
72
90
80
72
80
73
90
78
75
90
75
80
75
80
B煤层的工作面倾向长度为120m,保护层开采方式为下保护层开采，煤层倾角为12。
，利用插值法可得51=76.2°,52=83.8°,由图1-3可以计算出被保护层A煤层的有效卸压范围：
厶倾向
=120—
75
75
tan76.2°
H
tan83.8°
=93.5m
示意图如下:
若保护层采煤工作面停采时间超过3个月且卸压比较充分，则该保护层采煤工作面对被保护层沿走向的保护范围对应于始采线、停采线及所留煤柱边缘位置的边界可按卸压角55=56°——60°划分。
A保护层；B被保护层；C煤柱；D空区；E保护范围；F始米线、米止线
图1-5保护层工作面始采线、采止线和煤柱的影响范围
A煤层和E煤层工作面均设计走向长1500m,本设计中取55=60°,由图1-5可知：
75
厶=1500—2x=1413Am
走向tan60°
示意图如下:
图1-6走向保护范围
综上，分别从倾向、走向两个方面分别分析了被保护层在保护层的有效保护范围内，保护层作用有效。
同时保护层与被保护层之间的垂向距离为75m,被保护层处在保护层的弯曲下沉带中，保护层的开采不会影响到被保护层的可开采性。
在被保护层的底板布置岩巷抽采被保护层的卸压瓦斯，能够有效的降低被保护层的瓦斯含量，降低被保护的突出危险性，变突出煤层的突出危险区为非突出危险区。
固该保护层的设计是合理有效的。
第2章瓦斯抽采设计
2・1保护区域卸压瓦斯抽采方案
对B煤层进行保护层开采后，A煤层瓦斯得到有效卸压。
断裂带上限一般为采高的12〜22倍。
本题中下层保护层采高2.8m,估算断裂带上限为33.6m~61.6mo而本题中E煤层与A煤层垂距为H=75m,故A煤层在弯曲带中。
处于弯曲带内的保护层，由于整体下沉，多产生平行层理的裂隙，卸压瓦斯沿平行层理方向流动相对容易，比较有效的瓦斯抽采方法有：
顶板或底板巷道网格式上向穿层钻孔法和地面钻井法。
邻近层卸压瓦斯抽采方法的选择可参照下表:
表2-1邻近层卸压瓦斯抽采方法
类型
被保护层所处层
位
抽采方法
备注
下保护层
顶板层位
弯曲
帀
顶板或底板巷道网格式上向穿层钻孔法、地面钻井法
可根据需要选取一种方法或多种方左组合使用
断裂
帀
走向高位钻孔法、倾向高位钻孔法、沿空留巷钻孔或采空区埋管法、走向长钻孔法、倾向高抽巷法、地面钻井法
上保护
层
底板岩层
顶板或底板巷道网格式上向钻孔法、走向高抽巷法及沿空留巷钻孔法
由于题目数据有限，不能判断地面钻井法是否合适，所以本设计采用网格式穿层钻孔抽采卸压瓦斯。
底板岩巷网格式上向穿层钻孔瓦斯抽采方法是最常见的邻近煤层卸压瓦斯抽采方法，该方法首先需要在被抽采的煤层工作面底板岩层内施工一条或多条岩石巷道，在岩石巷道中每隔一定距离施工钻场，在钻场内施工上向穿层钻孔抽采被保护层卸压瓦斯。
图2-1底板岩巷网格式上向穿层钻孔抽采示意图
2.1.1保护区域底板岩巷布置
底板岩巷沿工作面走向布置在距被保护层下方25m的岩性较好的岩层中，在倾向上，底板岩巷布置在被保护层工作面的中部，但以穿层钻孔不出现下向钻孔为原则。
岩巷掘进过程中需要准确探测煤层层位，保证岩石巷道的施工安全，防止由于煤层起伏、遇断层等造成煤与瓦斯突出。
2.1.2保护区域抽放钻场布置
由于开采层在回采过程中，顶板不断冒落，上邻近层煤体卸压膨胀变型，透气性系数增大，煤体大量瓦斯卸压涌出，使上邻近层得以保护。
为拦截上邻近层涌出的大量卸压瓦斯，在底板瓦斯抽放巷的被保护范围内，钻孔的抽放半径为20m,因此每隔30〜40m施工一个钻场。
钻场垂直于底板瓦斯抽放巷布置，每个钻场长度为5m,宽度为3.5m,高度为3.5m,净断面为12.25m2,采用锚喷支护。
2.1.3保护区域抽放钻孔布置
在被保护范围的每个钻场内沿煤层倾向方向布置4个抽放钻孔，钻孔的抽放半径为20m,直径为91mm,钻孔间距为40m（相邻钻孔于煤层中厚面交点的距离），沿煤层走向方向施工一个抽放钻孔，钻孔施工至两个钻场中间。
钻孔开孔位置位于钻场顶部，终孔位置为进入上邻近层煤层顶板0.5mo所有抽采空必须在保护层开采前施工完成，封孔后接入瓦斯抽采管路，待保护层开采后便可进行卸压瓦斯抽米。
钻孔可以用水泥砂浆封孔，封孔长度在8m以上，抽采负压在25kPa以上。
（c）走向剖面图
图2-2底板岩巷网格式上向穿层钻孔抽采示意图
2.2未保护区域瓦斯抽采方案
即使尽量减小被保护层的未保护范围，但是仍然存在保护层未保护到的部分。
对于保护层保护不到的被保护层区域，需要采取区域性瓦斯治理措施消除其突出危险。
其技术措施主要是从工作面底板岩巷向未保护煤层施工密集穿层钻孔进行瓦斯预抽。
2.2.1未被保护区域抽放钻场的布置
在底板瓦斯抽放巷的未被保护范围内，钻孔的抽放半径为5m,因此每隔10m施工一个钻场。
钻场垂直于底板瓦斯抽放巷布置，每个钻场长度为5m,宽度为3.5m,高度为3.5m,净断面为12.25m2,采用锚喷支护。
2.2.2未被保护区域抽放钻孔的布置
在未被保护范围的每个钻场内沿煤层倾向方向布置16个抽放钻孔，钻孔的抽放半径为5m,直径为91mm,钻孔间距为10m（相邻钻孔于煤层中厚面交点的距离）。
保护范围
待掘风巷
_Eoon円oon喙事未
OO00000000088
0000000000088
00000000000800
待掘岩巷
6O
钻孔开孔位置位于钻场顶部，终孔位置为进入上邻近层煤层顶板0.5m。
图2-3未保护区域的密集钻孔布置示意图
第3章瓦斯抽采系统的选型
3.1瓦斯管路
3.「1瓦斯管管径
瓦斯管直径选择的恰当与否对抽采瓦斯系统的建设投资及抽采效果均有影响。
直径太大。
投资就多；直径过小，阻力损就大。
瓦斯管直径一般采用下式计算
0=0.145^（3-1）
式中D——瓦斯管内径，m；
Q——瓦斯管中的瓦斯流量。
m3/min；
V——瓦斯管中的瓦斯平均流速，一般取V=5~15m/so取10m/so
计算：
D=0.1457.0.25m
V10
3.「2瓦斯管管材
瓦斯管材一般选定国家定型产品，如热轧无缝钢管、冷拔无缝钢管和焊接钢管等，也可以采用钢板卷制，壁厚为3〜6mm,并需进行0.2〜0.5MPa的水压试验合格。
目前，PE管也广泛应用于煤矿瓦斯抽采管路中，这种管路具有材质轻、安装方便简捷等特点，强度也能满足要求。
建议诸如采空区埋管、抽采系统的主管路选用钢管，干管和支管选用PE管路。
3.2管路阻力计算
3.2.1摩擦阻力
抽采管路的摩擦阻力与管路的流量、长度、内径等参数相关，其中的管路长度应考虑最不利的情况，如采区内最远的工作面。
抽采管路摩擦阻力计算公式
式中H摩——管路的摩擦阻力计算，Pa；
L管路长度，取2000m；
K——与管径有关的系数，取0.71；
D瓦斯管路内径，cm；
Q——抽采混合瓦斯量，m3/h；
Y——混合瓦斯对空气的密度比，取0.866o
、斗苗口9.81/江9.81x（30x60）2x0.866x2000“““
摩KD50.71x25s
3.2.2局部阻力
局部阻力可用估算法计算，一般取摩擦阻力的10%〜20%。
管路系统长，网络复杂或主管管径较小者，可按上限取值；反之，则按下限取值。
本题取摩擦阻力的15%计算。
计算：
H局=日摩><15%=79397><15%=11910巧
3.2.3管网总阻力
瓦斯抽采管网系统的总阻力（H总）:
H总二H摩+H局<3-3）
式中H摩——摩擦阻力，Pa；
H局局部阻力，Pao
计算：
H总=日摩+日局=79397巧+11910巧=91307巧
3.3抽采泵选型
3.3.1瓦斯泵流量计算
抽采瓦斯泵额定流量计算公式如下:
Xxr/
式中Q泵——抽采瓦斯泵的额定流量，mVmin；
Qz——矿井抽采瓦斯总量（纯量），m3/min；
X矿井抽采瓦斯浓度，%;
K——富余系数，K取1.5-3；
n瓦斯抽米泵的抽米效率，一般取o.8o
_1OOxKx0
°泵_Xxr/
100x2x9
30x0.8
=75m3/min
计算：
由条件知Qz=9m3/min；X=30%；K=2,
3.3.2抽米瓦斯泵压力
抽采瓦斯泵的最大压力：
H泵二K（H总+H孔+H正）（3-5）
式中H泵抽采瓦斯泵的最大压力，Pa；
H总一一管网总阻力，包括摩擦阻力和局部阻力，Pa；
H孔抽米钻孔的孔口负压，Pa；
H正——抽采泵出口处的正压，Pa,根据瓦斯利用对出口压力的要求确定;
K富余系数，取1.2O
计算：
H泵二K（H总+H孔+H正）=1.2X（9130.7+15000+5000）Pa=34956.8Pa
3.3.3抽采瓦斯泵真空度
抽采瓦斯泵的真空度计算
i二H泵/101325X100%（3-6）
式中i——真空度；
H泵抽采瓦斯泵的最大压力,Pao
计算：
i二H泵/101325X100%二34956.8/101325X100%二34.5%
3.4抽米瓦斯泵确定
根据抽采泵的选用原则和前面计算的瓦斯泵所需抽采瓦斯泵额定流量（Q泵）、泵压力（H泵）、和真空度（i）三个参数，参考选择。
QM=75m7min；H泵二34956.8Pa；i=34.5%；瓦斯泵机械功率为80%。
在标准状态下，矿井抽放瓦斯泵所需流量75m3/min,换算成负压状态下（真空度i二34.5%）,矿井抽放瓦斯泵所需流量Q泵二217m3/min。
第4章矿井瓦斯利用
煤矿瓦斯是极其宝贵的资源，可以作为民用和工业燃料，也可以作为工业原料生产炭黑、甲醛等多种产品。
同时，瓦斯作为一种“温室气体”，造成的大气污染极为严重。
瓦斯抽放综合利用，能减少矿井向大气排放的“温室气体”的数量，有利于环境保护。
瓦斯利用系统的建设还需根据将来实际抽放的瓦斯量和瓦斯浓度确定。
建议:
当实际抽放的瓦斯量和瓦斯浓度达到利用要求时，可考虑用于当地村民民用或发电。
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