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谢桥毕业设计说明书
谢桥煤矿瓦斯抽放方法及抽放系统设计
摘要：
安徽淮南矿业集团谢桥矿6煤层为突出煤层，同时存在瓦斯涌出量大、瓦斯超限严重等问题，通过收集瓦斯含量、透气性系数、百米钻孔瓦斯流量等参数，计算了煤层瓦斯储量、抽放率等瓦斯抽放基础参数。
采用分源预测法，预测了该矿井的瓦斯涌出量，分析论证了谢桥煤矿6煤层回采工作面瓦斯抽放的必要性与可行性。
根据矿井瓦斯涌出来源及构成分析，并参照国家相关规定，确定了回采工作面采用本煤层预抽和高位钻孔的方法，掘进工作面采用边掘边抽的抽采方法；采空区埋管抽放的方法；结合谢桥煤矿开采开拓方式，选择了最大阻力管路，绘制了抽放瓦斯系统图，计算了抽放系统管网抽放量、管网阻力，确定了与抽放能力相匹配的瓦斯抽放泵型号，配套电机及相关装置。
关键词：
突出煤层；瓦斯抽放；分源预测法；管路阻力计算；设备选型。
ThedesignofgasdrainagemethodsandsystemofXieqiaomine
Abstract：
Inthispaper,theruleofthetownofYingshangCountyXieqiaocoalminingthesecondoneextendedtheexistingcoalgasemissionvolume,gasgaugeandseriousissues,throughthegascontent,permeabilitycoefficient,gasflowmetersofdrillingMeasurement,analysisandappraisaloftheXieqiaoCoalMineCoalSeamGasDrainagenecessityandfeasibility.Accordingtominegasemissionsourcesandcompositionanalysis,miningworkingfacelayerofparallelholeswithpre-drainage,shallowholeminingfaceextraction,partitiontypewithdrivingfaceextraction,advancedextractionandgobburiedonthecornerCombineddrainagetubedrainagemethod;Anlincoalfacewiththelayout,throughthedrainagevolumedrainagepipenetwork,pipelinenetworkresistancecalculation,optimizationofthedrainagepipenetworklayout,anddrainagecapabilitiesidentifiedModelmatchingandmatchinggasdrainagepumpmotor.
Keywords：
minegas;gasdrainage;schemedesign;gasemissionquantity;equipmentselection.
1绪论
煤层瓦斯抽放一般是指利用瓦斯泵或其他抽放设备，抽取煤层中高浓度的瓦斯，并通过与巷道隔离的管网，把抽出的高浓度的瓦斯排至地面或矿井总回风巷中。
目前认为，煤矿瓦斯抽放不仅是降低矿井瓦斯涌出量，防止瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出灾害的重要措施，而且抽出的瓦斯还可以变害为利，作为煤炭的伴生资源加以开发利用。
1.1选题目的及意义
今年三月份，在指导老师的安排下我来到了谢桥煤矿实习了一个月，谢桥煤矿经煤与瓦斯突出鉴定，确定为煤与瓦斯突出矿井。
本次设计是根据在谢桥煤矿实习中收集到的生产图纸和资料对谢桥煤矿进行的瓦斯抽采初步设计。
作为对大学生在学校的最后一次综合性的知识技能考察，本次设计主要是考察学生这四年来对基础知识及其专业知识的掌握情况，使学生学会自我思考、自行设计。
在设计过程中，把所学的理论知识与实践经验综合起来应用。
设计的过程就是一个不断认识和学习的过程，温故而知新的同时学到了生产工作过程中的经验。
1.2国外瓦斯抽放发展与现状
据资料记载，早在1730年，英国的Whitehaven煤矿Saltom竖井掘至76.8m深时，遇到一层厚0.61m的煤，有瓦斯涌出，当时人们用直径Φ50mm管密闭后，将瓦斯引至井外，以供当地一位学者的实验室用。
原苏联在帝俄时期，大约于1907年在尤索夫克的中央矿井内把莫梁宁诺夫层的邻近层大量喷出的瓦斯进行引排，10年内依靠自然的压力，每日涌出的瓦斯量达4000m³。
1923年日本在夕张煤矿的最上部坑道密闭中，接管将自然涌出的瓦斯排至地面；1934年新幌内煤矿开始第一次抽放密闭瓦斯，用粘土封闭该矿的四号煤层的采空区，抽出瓦斯浓度为60%～70%，抽出量15～25m³/min，供发电厂锅炉用。
表1-1世界煤矿抽放瓦斯矿井数和抽放瓦斯量变化动态
Tab1-1DynamicchangesofcoalmineandgasdrainageinWorld
年份
抽放矿井数/个
年抽放瓦斯量/Mm³
年份
抽放矿井数/个
年抽放瓦斯量/Mm³
1951
68
134.6
1981
594
4500.4
1955
142
690.7
1982
595
4700.8
1960
305
1343.3
1983
610
4950
1965
416
2270
1984
618
5176
1970
476
2997
1985
623
5280
1975
524
3655.3
1987
619
5431
1980
585
4440.4
世界各国正规的抽放瓦斯工作是从40年代末至50年代初开始的；随后，抽放方法不断增加，瓦斯抽放技术也逐渐提高，抽放规模日益扩大。
1987年国外已有苏联、美国等16个国家的619个矿井实施了瓦斯抽放措施，共抽出5431Mm3。
自1951年起，煤矿抽放瓦斯得到了蓬勃发展，1951～1987年期间，抽放矿井数由68个增至619个，年抽放瓦斯量由134.6Mm³增至5431Mm³（表1-1）。
自20世纪50年代起瓦斯抽放在苏、英、德、日、法、波等国煤矿得到了迅速发展，据有关资料统计表明：
在1951～1987年间，世界煤矿瓦斯抽放量基本上是呈线性增加，自1951年的134Mm³增至1987年的5431Mm³，增加了39倍。
根据1986～1987年统计，国外已有16个国家进行了煤矿瓦斯抽放，世界上各主要采煤国家几乎都开展了瓦斯抽放工作，其中，年抽放量超过100Mm³的国家有10个。
部分国家煤矿抽放瓦斯见表1-2
从表1-2中可以看出：
前苏联瓦斯抽放量最多，达2055Mm³/a，约占世界煤矿抽放总量的40%左右，其次是德国为675Mm³/a。
表1-2各国煤矿抽放瓦斯统计
Tab1-2Nationalcoalminedrainagegasstatistics
指标
苏联
德国
美国
英国
捷克斯洛伐克
波兰
日本
法国
井工采煤量/（Mt/a）
420
89
275
91
30
198
15
15
矿井瓦斯涌出量（Mm³/a）
7500
2810
5200
2650
1100
950
580
510
矿井平均相对瓦斯涌出量/（m³/t）
17.9
31.5
18.9
28.6
36.6
4.3
36
34
抽放矿井数/个
215
32
19
85
18
19
11
12
抽放瓦斯量/（Mm³/a）
2055
675
560
390
330
260
200
178
1.3我国瓦斯抽放发展与现状
从1952年我国首先在龙凤矿开始进行瓦斯抽放研究，到2002年抽放总量达到1146Mm3。
经过50多年的发展。
我国煤矿瓦斯抽放技术，大致经历了以下四个发展阶段：
第一阶段：
高透气性煤层瓦斯抽放阶段：
20世纪50年代初期，在抚顺高透气性特厚煤层中首次采用井下钻孔预抽煤层瓦斯，获得了成功，解决了抚顺矿区向探部发展的安全关键问题，而且抽出的瓦斯还被作为燃料得到了应用。
第二阶段：
邻近层却压瓦斯抽放阶段：
20世纪50年代中期，在开采煤层群的矿井中，采用井下穿层钻孔抽放上邻近层瓦斯的试验在阳泉矿区获得成功，解决了煤层群开采中首采工作面瓦斯涌出量大的问题。
通过大量的抽瓦斯试验，认识到利用煤层开采后形成的顶底板采动卸压作用对未开采的相邻煤层（包括不可采煤层）进行边采边抽可以有效地抽出瓦斯，减少邻近层卸压瓦斯向开采层工作面的大量涌出。
到了20世纪60年代，该方法已在不同煤层赋存条件下的上、下邻近层中得到应用，都取得了较好的效果。
第三阶段：
低透气性煤层强化抽瓦斯阶段：
由于在我国一些透气性较差的高瓦斯煤层及突出危险煤层采用通常的布孔方式预抽瓦斯的效果不理想，难以解除煤层开采时的瓦斯威胁。
为此，从20世纪60年代开始，试验研究了多种强化抽放开采煤层瓦斯的方法，如对煤层进行高、中压注水，水力压裂，水力割缝，松动爆破，大直径（扩孔）钻孔，网格式密集布孔，预裂控制爆破，交叉布孔等。
在这些方法中，多数方法在试验区取得了提高瓦斯抽放量的效果。
第四阶段：
综合抽瓦斯阶段：
从20世纪80年代开始随着机采、综采和综放采煤技术的发展和应用，采区巷道布置方式有了新的改变，采掘推进速度加快、开采强度增大，使工作面绝对瓦斯涌出量大幅度增加，尤其是存在邻近层的工作面，其瓦斯涌出量的增长幅度更大，采区瓦斯平衡构成也发生了很大变化。
为了解决高产高效工作面多瓦斯涌出源、高瓦斯涌出量的问题，必须结合矿井的地质条件，实施综合抽放瓦斯。
所谓综合抽放瓦斯就是:
把开采煤层瓦斯采前预抽、卸压邻近层瓦斯边采边抽及采空区瓦斯采后抽等多种方法在一个采区内综合使用，在空间上及时间上为瓦斯抽放创造更多的有利条件，使瓦斯抽放量及抽放率达到最高。
从下面两个方面介绍我国煤矿瓦斯抽放现状：
1.3.1瓦斯抽放量
我国最早记载煤矿排放瓦斯是在宋应星所著《天工开物》（1637年）中。
当时，记载了利用竹管引排瓦斯的方法。
1938年抚顺龙凤矿进行了具有工业规模的机械抽放瓦斯试验。
1940年，该矿在地面建立了一座100m³的储瓦斯罐，用瓦斯泵将采空区的瓦斯经管路抽到罐内，供当地居民使用。
1951～1954年，该矿又先后试验成功了利用煤层巷道和钻孔预抽煤层瓦斯的方法。
随后，1957年，阳泉矿务局四矿又试验成功了采用穿层钻孔抽放上邻近层卸压瓦斯。
自此，我国煤矿瓦斯抽放工作有了迅速的发展，其发展速度和规模可从抽放矿井数及年抽放量种得到反映：
20世纪50年代，我国主要有抚顺、阳泉、天府和北票局的6个矿井进行抽放瓦斯，至50年代末瓦斯抽放量达60Mm³，到60年代相继在中梁山、焦作、淮南、包头、松藻、峰峰等局矿开展了抽放瓦斯工作，抽放矿井数约20个，年抽放量约160Mm³，70年代，抽放矿井数则增至83个矿井，年抽放量达248Mm³，80年代，抽放矿井数达111个矿井，年抽放量达380Mm3,到2000年我国共有141个矿井在抽放瓦斯，年抽放量达867Mm³以上,到2001年底，全国已有185个煤矿建立了井下瓦斯抽放系统和地面输气系统，2002年全国瓦斯抽放量达1146Mm3。
据1993年底的统计资料，各主要抽放瓦斯矿区的抽放矿井数及抽放瓦斯量如表1-3所示。
表1-3我国各抽放矿区的抽放矿井数和抽放瓦斯量
Tab1-3GasdrainagemineanddrainagevolumeinChina
年抽出瓦斯量≥10Mm³
年抽出瓦斯量≥5Mm³
年抽出瓦斯量≥1Mm³
序号
局名
抽放井数/个
抽出瓦斯量/Mm³/a
序号
局名
抽放井数/个
抽出瓦斯量/Mm³/a
序号
局名
抽放井数/个
抽出瓦斯量/Mm³/a
1
抚顺
3
113.35
1
峰峰
4
9.89
1
淮北
1
4.66
2
阳泉
10
90.53
2
鹤岗
1
9.88
2
淮南
5
4.2
3
松藻
7
76.31
3
丰城
3
8.27
3
固庄
1
3.75
4
天府
5
25.1
4
开滦
3
8.07
4
广旺
1
3.7
5
中梁山
2
22.87
5
北票
3
6.57
5
荫营
1
3.5
6
南桐
6
20.27
6
鹤壁
5
6.48
6
鸡西
4
3.37
7
六枝
5
18.42
7
铜川
1
5.05
7
靖远
1
2.6
8
铁法
7
16.26
8
连绍
1
1.67
9
盘江
4
15
9
西山
1
1.47
10
芙蓉
3
14.1
10
永荣
1
1.44
11
水城
6
12.75
11
萍乡
2
1.28
12
焦作
7
12.27
12
韩城
1
1.09
13
石炭井
2
11.05
13
其他
10
1.26
合计
67
448.28
20
54.4
30
33.92
注：
其他包括平顶山（5个矿64.8万m3/a）、沈阳（1个矿22.4万m3/a）、窑街（1个矿20.3万m3/a）、英岗岭（1个矿13.49万m3/a）、乐平（2个矿1万m3/a）。
抚顺和阳泉两矿区年抽出瓦斯量之和为203.88Mm3,占全国瓦斯抽出总量的40%左右，可见虽然我国抽放矿井较多，但抽出瓦斯量主要集中在几个大型抽放矿井中，瓦斯抽出量分布是不均衡的。
重庆松藻矿瓦斯抽出量仅次于抚顺和阳泉，抽出量为76.31Mm3。
各矿井瓦斯抽放规模的大小，主要决定于煤层瓦斯含量、煤炭产量（井型）和抽放难易程度，因而各矿瓦斯抽出量的差异是很大的。
从表中可以看出：
年抽放量在10Mm3以上的有13个矿务局，其中抚顺矿务局的瓦斯抽放量最大，达113Mm3,这13个矿务局的年瓦斯抽放量为448Mm3，占全国总抽出瓦斯量的83.6%左右。
由此可见：
我国大多数矿井的瓦斯抽放量较小，而且抽放效果也不够理想。
另外，我国近10年抽放瓦斯发展较快，1992到2002年增长611.9Mm3,年均增长61.2Mm3（如表1-4）。
表1-4我国近20年瓦斯抽放量
Tab1-4Thegasdrainagevolumeofrecent20yearsinChina
年份
抽放量
年份
抽放量
年份
抽放量
年份
抽放量
1980
300.0
1986
323.1
1992
534.1
1998
1981
298.8
1987
327.7
1993
530.0
1999
835.0
1982
299.0
1988
357.8
1994
564.0
2000
866.6
1983
309.2
1989
381.6
1995
600.0
2001
984.0
1984
347.7
1990
433.9
1996
630.0
2002
1146.0
1985
329.1
1991
458.4
1997
728.7
1.3.2瓦斯抽放率
表1-5我国主要抽放矿区瓦斯抽放效果分类
Tab1-5Thegasdrainageeffectclassifyinourmaindrainagemine
瓦斯抽放效果类别
矿区数/个
平均瓦斯抽
放率/%
占主要瓦斯抽放矿矿区
数的比例/%
Ⅰ类
5
60.14
23.80
Ⅱ类
4
29.96
19.06
Ⅲ类
12
13.93
57.14
按照瓦斯抽放率大小，我国主要瓦斯抽放矿区可以划分为以下三类：
Ⅰ类矿区：
瓦斯抽放率>40%，抽放效果好；
Ⅱ类矿区：
瓦斯抽放率25%～40%，抽放效果一般；
Ⅲ类矿区：
瓦斯抽放率<25%，抽放效果差。
由表1-5可以看出，我国主要瓦斯抽放矿区的总体瓦斯抽放效果不好。
瓦斯抽放效果好的Ⅰ类矿区只有5个，仅占主要瓦斯抽放矿区数的23.80%，平均瓦斯抽放率为60.14%；瓦斯抽放效果一般的Ⅱ类矿区有4个，占主要瓦斯抽放矿区数的19.06%，平均瓦斯抽放率为29.96%；瓦斯抽放效果差的Ⅲ类矿区则多达12个，占主要瓦斯抽放矿区数的57.14%，平均瓦斯抽放量仅为13.93%。
如果考虑所有瓦斯抽放矿井，瓦斯抽放率低于25%的矿井比例会更大。
因此，进一步提高瓦斯抽放技术水平，提高瓦斯抽放率，是我国今后瓦斯抽放工作的主要目标。
导致我国瓦斯抽放率低的原因有两个方面：
一方面是客观原因，我国95%以上的高瓦斯和突出矿井所开采的煤层属于低透气性煤层，煤层透气性系数只有0.004～0.04m2/（MPa2d）,瓦斯抽放（特别是预抽）难度非常大；另一方面是主观原因，主要表现在抽放时间短、钻孔工程量不足、封孔质量差、抽放系统不匹配和管理不到位。
相比于国外主要产煤国家瓦斯抽放情况，可以看出，国外有些国家达到了较高的瓦斯抽放率。
这说明了其瓦斯抽放技术达到了较高的水平，抽放瓦斯不仅在煤矿中得到较普遍的应用，而且取得了较好的效果。
总之，我国煤矿瓦斯抽放方面和国外相比，还存在着较大的差距，这种差距集中反映在：
（1）抽放瓦斯总量少；
（2）矿井瓦斯抽放效率低；
（3）吨煤瓦斯抽放量（相对瓦斯抽放量）少，吨煤钻孔量少；
（4）综合抽放工作不足，装备和管理水平有待加强和提高。
我国是一个产煤大国，瓦斯储量丰富，矿井瓦斯抽放已有50多年历史，目前在科研和生产实践中已经建立了一套适应各种不同地质条件和采掘布置的抽放瓦斯方法，并有成套的装备可以应用。
这对提高我国矿井瓦斯抽放总量和发展瓦斯抽放技术有很打的帮助。
1.4设计依据
（1）《矿井瓦斯抽采管理规范》（煤安字[1997]第189号）；
（2）《矿井瓦斯抽采规范》（AQ1027—2006）；
（3）安徽省煤炭工业管理局文件（皖煤安[2007]1号）；
（4）《矿井抽采瓦斯工程设计规范》（GB50471-2008）；
（5）《防治煤与瓦斯突出规定》（2009）；
（6）《煤矿安全规程》（2006）；
（7）《煤矿瓦斯抽采基本指标》（AQ1026—2006）；
（8）《淮南矿业集团有限公司谢桥矿矿井地质报告》（2003）；
（9）谢桥矿采掘工程平面图（1:
2000）（2008）。
（10）《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》（安监总煤装〔2011〕163号）
2矿井概况
2.1井田概况
谢桥煤矿位于安徽省颖上县东北部，淮南煤田潘谢矿区西翼，距颖上县城20km，属淮河冲积平原，矿区内地势平坦，地面标高+24~+25m，东接张集煤矿北区，西接新集集团刘庄煤矿，如图2-1所示，潘谢公路直达井口，淮阜铁路从矿区南部通过，西有颖上~陈桥公路通过，向南与颖上~风台公路相接，交通较为方便。
Fig2-1Trafficlocations
图2-1交通位置图
谢桥矿井系由合肥煤炭设计院设计的年产1.2Mt/a大型现代化矿井，设计服务年限50a。
谢桥煤矿位于不对称的谢桥隐伏向斜北翼西段，井田边界东以F209断层与张集矿井毗邻（其中F22断层以东至F209断层-720m标高线以北块段划归张北矿），南以谢桥向斜轴或17-1煤层-1000m底板等高线的地面投影为深部边界，西至F5断层与刘庄矿衔接，北至1煤层露头线。
东西走向长浅部为8.5km，深部为11.5km，倾斜宽4.3km，面积约38.2km2。
目前主要采6煤层。
6煤层属于易自燃～容易自燃煤层，有煤尘爆炸危险，且6煤层的煤尘爆炸性强。
目前开采煤层为6煤层，属于Ⅱ类自燃煤层，自然发火期3～6个月；煤尘爆炸性指数24.38%～36.41%。
2.2井田地质特征
2.2.1地质构造
谢桥井田位于淮南复向斜中部，陈桥背斜的南翼、谢桥向斜的北翼。
总体上呈一走向近东西、向南倾斜的单斜构造。
地层倾角一般10°～15°，虽局部地段发育有小的褶曲，造成地层起伏，但波幅较小，地层产状总体上变化不大，单斜构造特征明显。
井田内断层较少，一般规模不大，对煤层的影响、破坏作用较弱，规模较大的主要为井田边界断层或发育在井田深部；且以北东、北北东向斜切正断层为主，偶见其它走向断层，逆断层发育较少。
井田南部边界F202、F206断层为两条逆冲推覆断层，属阜风推覆构造前缘叠瓦扇的一部分，两断层间夹块一般厚100～200m，有时合二为一，夹块内构造复杂，由其造成井田深部局部地段含煤地层叠置；发育于井田深部的谢桥向斜的枢纽向东部仰起，向西倾斜，使得井田东段深部近向斜轴部的煤层走向由近东西转向南东。
断层的发育特征
按其落差大小划分：
≤10m的21条
＞10～25m的10条
＞25～50m的3条
＞100m的4条
因此，综合分析区内断层有以下特征：
（1）正断层较多，逆断层较少。
（2）小断层较多，规模较大断层较少且多为边界断层。
（3）以走向北东、北北东向的断层为主。
2.2.2含煤地层及煤层
本区含煤地层为石炭系上统太原组，二迭系山西组、上、下石盒子组，其中，6煤层属于二迭系下石盒子组。
井田煤层走向100°~110°，倾向南，倾角一般8°~15°，产状稳定。
全区在走向上呈舒缓波状，无明显的次级褶皱构造。
6煤层：
为区段较稳定的大部可采煤层，厚度0~4.75m，平均2.18m。
变异系数62%，可采系数79%。
七西线以西煤层发育良好，厚度大而稳定，两极值为0.47~4.75m，平均2.60m，变异系数41%，为较稳定区段；以东多不可采或尖灭，厚度0~3.12m，平均0.48m，变异系数163%，为不稳定区段。
煤层结构较简单，一般含夹矸1~2层，局部多达3~4层，岩性为炭质泥岩及泥岩。
顶板以泥岩及砂质泥岩为主，局部为粉砂岩，底板为砂质泥岩及泥岩。
补勘阶段施工的补Ⅶ7孔不可采，增加了一小块不可采区。
2.2.3煤的物理性质
6煤层以半亮型煤为主，局部属半亮~半暗型煤，褐色~黑色，油酯~弱玻璃光泽，条带状结构，夹镜煤条带及少量丝炭，条痕棕黑色，参差状断口，内生裂隙较发育。
裂隙面常附有黄铁矿薄膜，性脆，易碎成块状和粉粒状，硬度小。
2.2.4煤层煤质
依据《中国煤炭分类国家标准》（GB5751-86），6煤层煤质稳定，煤种单一，属低~特低硫，低~特低磷，中~富灰，高挥发份，高发热量，高熔煤灰，富焦油的气煤（QM和1/3JM），适于动力用煤和炼焦配煤。
表2-1煤层储量统计表（万吨）
Tab2-1Coalreservesthestatistics（tenthousandtons）
储量
煤
层
A
B
C
合计
工业
储量
可采
储量
工业
储量
可采
储量
工业
储量
可采
储量
工业
储量
可采
储量
6
—
—
4620.27
33
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