瓦斯抽采达标工艺方案设计.docx
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瓦斯抽采达标工艺方案设计
前言
1、概况
白坪煤业公司隶属于郑州煤电股份有限公司，属国有企业。
矿井设计生产能力180万吨/年，核定生产能力180万吨/年。
主要开采二1煤层，随着矿井向深部资源的开采，煤层瓦斯压力及瓦斯含量较大不断增加，矿井瓦斯涌出量也呈现逐渐增大的趋势，瓦斯问题已对安全生产构成威胁，仅靠通风无法解决回采工作面的瓦斯问题。
针对白坪煤业公司瓦斯地质条件复杂的特点，为实现抽采达标，确保矿井安全、高效生产，特编制白坪煤业公司抽采达标工艺方案设计。
通过对本煤层、邻近层及采空区瓦斯进行综合抽采，降低工作面回风流及上隅角瓦斯涌出量，确保矿井安全生产。
2、任务来源
根据《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》第四章第十八条，通过对矿井通风瓦斯资料的收集、现场调研、实地考察及对矿井生产实际情况进行分析和方案比较，编制抽采达标工艺方案设计。
3、设计的主要依据
编制本设计方案的依据主要有：
（1）煤矿安全规程》
（2）《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》
（3）《矿井抽采瓦斯管理规范》
（4）《煤矿瓦斯抽采基本指标》
（5）《矿井抽采瓦斯工程设计规范》
（6）《防治煤与瓦斯突出规定》
（7）“三软”突出煤层顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯区域防突技术标准
（8）“三软”突出煤层掘进工作面综合防突措施执行细则
（9）白坪煤业公司生产、通风、瓦斯、地质等相关资料。
4、设计指导思想
（1）在符合有关规程、规范及设计标准且满足使用的前提下，尽可能降低成本，节省工程投资；
（2）尽量利用原有的巷道，减少工程施工和开拓费用；
（3）设备、管材选型留有余地，能满足矿井达到设计能力时抽采瓦斯量的需求；
（4）采用的工艺技术具有先进性，且符合矿井实际。
5、设计主要内容
（1）白坪煤业公司瓦斯赋存情况、抽采瓦斯的可行性及必要性、抽采瓦斯方法的确定、抽采瓦斯量预计等；
（2）瓦斯抽采管网、抽采瓦斯钻场与钻孔参数设计；
（3）矿井抽采瓦斯管理及安全措施。
第一章矿井概况
1、位置与交通
白坪煤业公司隶属于郑州煤电股份有限公司，属国有企业。
矿井设计生产能力180万吨/年，核定生产能力180万吨/年。
位于河南省登封煤田西部，东与新登井田相邻，西与新新井田接壤，与千年名刹少林寺相邻，与五岳之尊嵩山相依，与九朝古都洛阳相望。
东与京广线相连，西与焦枝线相通，北与陇海线相接。
郑少高速公路、许登高速公路穿插其中，交通十分便利。
地理位置为：
东经113°00′00″～113°09′04″；北纬34°18′05″～34°23′04″。
井田东西长10km，南北宽2～5km，矿区面积为18.4km2。
白坪煤业公司交通位置示意图
2、矿井生产现状
矿井采用立斜井混合开拓,井筒数目6个，即主斜井、副立井、中央采区风井、东翼风井，其中主斜井、副立井进风，中央采区风井、东翼风井、西翼风井（在建项目）三个立井回风。
矿井采用走向长壁放顶煤一次采全高后退式采煤方法，全部陷落法管理顶板。
目前开采水平为-175m，现有生产采区三个：
11采区、13采区、21采区；开拓采区一个：
23采区。
11采区布置三条上山，两进一回，设有专用回风巷，布置一个回收工作面：
11201工作面；21采区布置三条上山，两进一回，设有专用回风巷，布置有1个综采工作面：
21001工作面；2个煤巷掘进工作面：
21021下顺槽、21031下顺槽及21011上顺槽；1个岩巷掘进工作面：
21031上底抽巷；13采区布置三条上山，两进一回，设有专用回风巷，布置1个综采工作面：
13051工作面、1个备用工作面13101工作面；4个煤巷掘进工作面：
13101上、下顺槽、13071下顺槽、13091上顺槽；2个岩巷掘进工作面：
13采区第一、第二中部车场。
3、煤田地质特征及煤层赋存情况
（1）含煤地层
区域地层划分属华北区嵩箕小区，井田内出露地层由老到新有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、第三系和第四系。
其中石炭系和二叠系为主要含煤地层，总厚665m，共计含煤33层。
太原组：
厚37.77～88.14m，平均57m。
由深灰色厚层状灰岩、泥岩、细、中粒砂岩及煤组成，含灰岩9层，煤9层。
按岩性组合特征可划分为三个段:
（1）下部灰岩段，厚10.89～27.98m，平均17m，区内西薄东厚，主要由深灰色厚层状灰岩（L1～L4）和煤（一1～一4）组成，其中一3煤局部可采；
（2）中部砂泥岩段，厚14.64～53.37m，平均24m；（3）上部灰岩段，厚7.37～24.17m，平均16m，主要由深灰色灰岩（L6～L9）组成。
山西组：
为主要含煤地层。
厚59.78～103.94m，平均76m，岩性由深灰、黑灰色泥岩、砂质岩及细、中粒砂岩和煤层组成，含煤5层，其中下部的二1煤层为主要可采煤层。
依其岩性组合特征自下而上划分为四个段：
（1）二1煤段，平均厚11m，煤层底板以细粒砂岩、粉砂岩夹泥质条带为主，局部伪底为泥岩、炭质泥岩；
（2）大占砂岩段，平均厚27m，主要为灰～浅灰色中粒砂岩、泥岩、砂质泥岩，含煤2层；（3）香炭砂岩段，平均厚18m；（4）小紫泥岩段，平均厚20m。
下石盒子组：
划分为三、四、五、六煤段，含煤13层。
厚293.00～356.22m，平均308m。
三煤段，厚47.81～83.66m，平均71m，自下而上划分为三个岩性段：
下部砂锅窑砂岩段、中部大紫泥岩段及上部含煤段。
四煤段，厚60.94～93.99m，平均75m，由灰色中、细粒砂岩，灰绿、深灰色泥岩、砂质泥岩组成；五煤段，厚60.36～101.93m，平均79m，由浅灰色中粒砂岩、深灰色砂质泥岩、泥岩组成；六煤段，厚70.98～103.74m，平均83m，由灰白～浅灰色中、粗粒砂岩，深灰、灰绿色泥岩、砂质泥岩组成。
上石盒子组：
厚212.30～242.78m，平均224m。
划分为七、八、九煤段，含煤6层。
七煤段，厚63.69～100.01m，平均85m，由灰白～浅灰色中粒砂岩，深灰、灰绿色泥岩、砂质泥岩组成；八煤段，厚71.52m～96.69m，平均87m，由浅灰～灰白色中粒砂岩，深灰、灰绿色泥岩、砂质泥岩组成；九煤段，厚41.00～76.80m，平均56m，由灰白～浅灰色中粒砂岩，深灰、绿灰色泥岩、砂质泥岩组成。
（2）煤层与煤质
井田含煤地层主要为太原组、山西组、下石盒子组及上石盒子组，可划分为9个煤段，常见21层，各含煤段含煤简况见表3-1。
煤层总厚度11.72m，含煤系数1.76%。
其中，山西组所含二1煤层，为本井田主要可采煤层。
表2-1含煤地层含煤特征一览表
含煤地层
煤组
编号
煤层
编号
可采
煤层
煤厚（m）
极值/一般
可采点（个）
见煤点
（个）
穿过点
（个）
可采
情况
煤层
间距
上石盒子组
九
无
五3
0.～1.26/
0.6～0.9
31
96
126
局部可采
248
52
八
八1-2
七
七1-5
下石盒子组
六
六1-2
五
五1-5
四
四1-6
三
无
山
西
组
二
二1-5
二1
0～26.79/
3～8
173
189
196
二1煤
大部可采
太
原
组
一
一1-9
一3
0.0～1.32/
0.35～0.95
26
74
78
一3煤
局部可采
根据统计，二1煤层的主要特点是煤厚大、煤厚变化大、全层构造煤发育。
煤厚大、煤厚变化大。
据井田内196个勘探钻孔揭露的煤厚资料统计，煤厚变化在0～26.79m之间，平均煤厚5.30m（表2-2）。
煤厚局部呈突变关系，煤层整体上呈似层状、藕节状或透镜状。
表2-2白坪井田煤层厚度分级统计表
级别
厚度（m）
频数（%）
频率
累计频率（%）
薄煤层
＜0.80
0.80～1.30
23
8
11.7
4.1
11.7
15.8
中厚煤层
1.31～3.5
54
27.6
43.3
厚煤层
3.51～8
70
35.7
79
特厚煤层
＞8.00
41
20.9
100
全层构造煤发育。
根据现场实际观测，构造煤的宏观煤体结构、构造特点主要是：
煤体以粉片状为主，光泽暗淡，无层理、强度低，手试松软，可捻成星片状或粉末状、磨擦镜面发育，镜面上可见大量的擦痕，具有揉皱现象。
煤的原生结构和构造已遭到严重破坏，煤体中偶夹粉煤压固而成的块煤，强度很低，指压易碎，属全层构造煤。
平均容重1.38t/m3，比重为1.49，孔隙度为7.38%，镜煤最大反射率2.38%。
实验室测试煤的坚固性系数f值变化在0.09～0.41之间,平均0.16；ΔP变化在10.45～31之间,平均22.2。
电子显微镜下观察，构造煤微观结构的主要特点是：
破碎的煤粒呈透镜状或片状（图2-2、2-3），透镜状煤粒粒径一般500μm（短轴），定向性明显，在微透镜体表面具有大量的擦痕，而且只显示一个方向的擦痕，擦痕顺透镜体的长轴方向发育，透镜体内煤体结构均一，一般不具有进一步构造破坏的特点，有时一个大的透镜体内又有多个小的透镜体组成等。
片状煤粒厚度有时不到10μm，层层叠置，煤粒表面镜面发育，也常见有大量擦痕等。
总体上看，煤体的剪切脆性变形特征明显，未见及韧性变形特点，构造煤粒呈定向排列。
按照构造煤破碎程度分类，应属于Ⅳ-Ⅴ类构造煤，是脆性剪裂变形的结果。
根据分析，构造煤的演化过程是：
原生结构煤—透镜状构造煤-片状构造煤-鳞片状构造煤-粉片状构造煤。
（3）矿井地质构造
本井田属于登封煤田颖阳～芦店向斜的南翼东段，井田整体为向北倾斜的单斜构造，构造形迹以正断层为主。
从全井田的构造分布来看，可以将整个井田分为两个瓦斯地质单元，即地质条件简单、构造不发育的西区和地质条件复杂、断层发育的东区（图2-3）。
图2-3白坪井田构造纲要图
矿井西区：
大约以102线为界，或以箕F31和箕F19断层为界，整体上为一单斜构造，地质条件简单。
本区地层倾角较大，一般在25～30°之间。
勘探期间仅在本区中部查明1条规模较大的北西向正断层F41，产状250°∠70°，落差20～30m，走向延伸长1.8km，未出露地表，仅错断下部地层。
矿井东区：
自西向东，地层走向逐渐向北东偏转，倾向北西，倾角10～15°，正断层较多，并发育宽缓褶皱，地质条件复杂。
褶皱构造：
褶皱跨度大、波幅小，轴向60°左右，被北东向断层错开。
其中新峰背斜为一宽缓的短轴背斜，井田内延伸长6km，在郭家门被F94断层错开。
由寒武系、奥陶系、石炭系及二叠系地层组成，在二1煤层底板等高线图上其鞍部位于110～113勘探线之间。
轴部地层倾角平缓，一般<10°；北翼保存较好，地层产状340°∠10～20°；南翼被箕F7、箕F10、箕F59等断层切割，地层产状变化较大，倾角15°左右。
鏊面山向斜位于井田北东部，向北东仰起，井田内延伸长2.5km，并被箕F32、箕F21断层错开。
轴部出露有二叠系和三叠系地层，北翼被芦F1、郜F2等断层切割，地层倾向230°左右，倾角15～20°；南翼倾向340°，倾角15°左右。
断裂构造：
按其展布方向可分为近东西和北东向两组。
近东西向断层平行排列，规模较大，延伸较长，走向50～90°，多呈西段近东西，东段向北偏转，断层面舒缓波状，倾角50～70°，具有多期活动性；北东向断层雁行状或平行排列，带有左行平移性质，规模相对较小，旁侧常伴有羽状小断层，线性特征明显，走向变化不大，断层面平直，倾角较大。
断层带铅垂厚度变化大，影响带比内带厚，上盘影响带一般较厚；断层内带以胶结疏松状角砾岩为主，局部见碎裂岩、糜棱岩，多数断层内带不明显；影响带中砂岩和灰岩地层一般裂隙发育，岩心破碎，常见方解石脉和黄铁矿晶体充填；泥岩类地层有擦痕、滑面，局部见揉皱现象。
多孔抽水实验地下水人工流场，东部以付10211主孔为中心形成北东向的椭圆降落漏斗，长轴与箕F31断层方向一致，西部基本保持天然流场特征。
地下水径流和排泄主要受地质构造控制，岩溶裂隙发育地段一般与构造带相一致。
地下水动态变化亦受岩溶裂隙发育程度的影响，井田西区岩溶裂隙发育程度较差，水位变化幅度较小，富水性较弱，东区则相反，地下水位出现高峰值迟后降雨86～108天。
以上特征说明，井田内切层断层具有张剪性力学性质，断层上盘变形大于下盘，断层富水性好，但导水性差，断层两盘构成相对独立的水文地质单元。
断层的这一特点表明，其导气性也不好，但断层性质及地下水沿断层的运动，使断层两盘一定范围内的瓦斯含量减小，尤其是上盘影响范围比下盘大。
滑动构造：
横跨井田东西两个分区（井田中部98～110勘探线之间），发育有白坪滑动构造，由主滑面箕F27和次滑面箕F28、新F10、新F11、新F12、新F13等6条性质相同、规模不等的低缓角度滑动断层所组成。
平面上呈椭园状，长轴方向近东西，短轴方向近南北，剖面上为浅部陡、深部缓的叠瓦状断层组合，面积为6km2。
4、矿井瓦斯
（1）瓦斯含量
煤层瓦斯含量是煤层重要的瓦斯参数之一，是矿井瓦斯涌出量预测、煤与瓦斯突出预测及矿井瓦斯防治的重要依据。
白坪矿勘探期间的瓦斯含量测定主要由河南煤田地质勘探公司地质四队完成，瓦斯含量的测定方法有解析法、真空罐法和集气法三种方法。
二1煤采样点总共72个，其中合格点60个（含新丰矿、磴槽矿、马池矿和新磴矿各1个，但位置不祥），合格率占83%，采样质量可靠；参考点6个，废点6个。
根据60个点76个样品分析，井田瓦斯成分甲烷0～98.24%，氮气0.11～75.85%，二氧化碳1.06～53.08%，重烃0～21.25%。
瓦斯含量观测值0～18.25mL/g·r,沿走向和倾向变化比较大，见表2-3。
总的特点是：
走向上西部高，东部低；倾向上由浅至深西部含量明显增加，东部则与埋深无关，最大瓦斯含量点位于付10302孔、11409孔和11713孔，瓦斯含量分别为5.30mL/g、8.92mL/g和12.11mL/g，而且呈孤立分布。
表2-3井田瓦斯含量分布特征一览表
分区
走向瓦斯含量（mL/g·r）
极值/均值（点数）
倾向瓦斯含量（mL/g·r）
极值/均值（点数）
第一水平
第二水平
西部
0～18.25/7.0（28）
0～10.65/3.63（20）
7.27～18.25/14.57（8）
东部
0.07～13.09/2.94（32）
0.07～13.09/3.2（25）
0.55～5.95/2.07（7）
2008～2009年，郑州祥龙勘探公司对白坪东部瓦斯地质单元深部加密钻孔进行了补充勘探，其中，有10个钻孔采取瓦斯样13个测试了瓦斯含量，测定方法为解析法。
测试结果表明，除11309钻孔瓦斯含量较大，达到6.29mL/g，甲烷成分83.54%，其他所有钻孔瓦斯含量均小于5mL/g，而且处在瓦斯风化带。
矿井生产期间煤层瓦斯含量普遍采用间接法或直接法测定。
直接法测定煤层瓦斯含量即利用煤层钻孔采集原始煤粉样，用解吸法直接测定煤层瓦斯解吸量。
直接法测定煤层瓦斯含量的原理是：
用解吸法直接测定煤样的瓦斯解吸量，根据煤样瓦斯解吸量及解吸规律，推算煤样从采集开始至装罐解吸测定前的损失瓦斯量，再利用解吸测定煤样中残存瓦斯量，然后计算煤层瓦斯含量（表2-4）。
间接法即根据朗格缪尔公式计算煤层瓦斯含量，是我国煤炭行业规定的生产矿井瓦斯含量测定方法。
在井下首先测定煤层原始瓦斯压力，并取新鲜煤样送实验室测定其吸附常数和进行煤质工业分析，然后将结果代入朗格缪尔公式即可得到煤层瓦斯含量。
表2-4二1煤层瓦斯含量直接法测定的结果
取样地点
标高/m
煤厚/m
实测瓦斯含量（m3/t）
自然组分（%）
工业分析（%）
实测瓦斯压力（MPa）
计算瓦斯含量（m3/t）
CH4
N2
CO2
水分
灰份
挥发分
东风井回风大巷
7
2
/
/
/
/
/
/
/
0.5
7.5
13回风上山上平台变坡点下120m
-10
6
7.03
73.61
12.98
13.41
0.36
8.52
/
0.16
3.2
13皮带上山变坡点下360m
-77
2.4
2.18
/
/
/
/
/
/
0.69
9.2
13回风上山二平台抽放硐室向下10m
-110
2.5
3.34
86.04
13.96
0
1.06
9.56
/
/
/
东轨大巷20#测点
-155
5
6.74
78.04
19.41
2.55
0.42
14.6
/
0.45
6.8
东轨大巷34#测点
-155
5
4.31
46.90
44.90
8.20
0.60
7.38
/
0.26
4.8
21采区21021下顺槽距开口以里586m
-260
3
5.44
52.92
31.83
15.25
1.05
14.1
/
1.47
12.35
21轨道下山距平台向下300m
-220
3
5.23
14.39
85.61
0.78
12.67
/
0.3
5.3
21轨道下山距下坡点30m
-190
3
5.41
30.69
65.53
4.78
1.16
10.8
/
0.3
5.4
从测试结果来看：
（1）绝大部分瓦斯含量较小，其中≥5m3/t的数据18个，5～6m3/t的数据12个，6～7m3/t的数据4个，全部分布在11211工作面上下付巷开口以里约500m和700m处，≥7m3/t的数据2个，也是分布在11211工作面上下付巷开口以里约500m和700m处。
（2）瓦斯含量比较大的点，甲烷成分一般也比较高。
根据统计，18个瓦斯含量≥5m3/t的点，有9个甲烷成分≥80%，占50%；77个瓦斯含量＜5m3/t的点，只有8个甲烷成分≥80%，占10%。
（2）瓦斯压力
瓦斯压力是煤层瓦斯的最基本参数之一，是煤层瓦斯渗透的动力源泉，是计算瓦斯含量和预测煤层突出危险性的主要评价指标。
埋藏深度大，瓦斯压力大，一般情况下，在瓦斯带内瓦斯压力梯度为1Mpa/100m。
依据测压方式不同，瓦斯压力测定方法有主动测压法和被动测压法；依据封孔材料不同，有黄泥-水泥封孔测压法法、胶囊-密封黏液封孔测压法法和注浆封孔测压法等。
生产中测压采用的是穿层钻孔聚氨酯—水泥封孔和胶囊-密封黏液封孔主动测压法，共布置6个测压点（13采区）。
测压点钻孔布置在厚煤区。
在钻孔穿煤过程中，没有出现顶钻、喷孔等现象，钻孔施工过程中，详细记录了钻孔开孔标高、倾角、钻孔终孔长度、终孔时间等参数，各测压钻孔现场施工参数及测定结果见表2-5。
表2-5测压钻孔施工参数及测定结果
地点（测压点号）
孔号
标高（m）
封孔
时间
钻孔参数
观测时间（d）
岩孔/封孔深度（m）
瓦斯压力（MPa）
封孔材料
备注
倾角
（°）
孔深
（m）
东风井回风大巷
1
7
2007.11.30
-56
12.1
10
9.9
0.5
胶囊-密封粘液
主
动
测
压
2
2007.11.30
-56
12.1
10
10.2
0.1
13回风上山上平台变坡点下120m
1
-10
2009.12.10
38
15
13
13
0.14
聚胺脂膨胀水泥混合封孔
2
2009.12.10
25
20
13
16
0.16
13皮带上山变坡点下360m
1
-77
2009.1.5
30
33
8
28
0.6
2
2009.1.5
30
34
8
29
0.69
13回风上山二平台抽放硐室向下10m
1
-110
2
东轨大巷20#测点
1
-155
2009.12.7
48
35
7
21
0.19
2
2009.12.17
48
20
7
16
0.45
东轨大巷34#测点
1
-155
2009.12.15
45
36
9
25
0.26
2
2009.12.15
30
26
9
14
0.2
（注：
13回风上山二平台抽放硐室向下10m打3个孔测压，均因裂隙发育，有水，未测出压力。
瓦斯压力为表压加0.1。
）
（3）煤的坚固性系数及瓦斯放散初速度的测定
煤的坚固性系数用落锤法来测定，所测结果采用一种假定指标称为f值，是表示煤体抵抗外力破坏能力的一个综合指标，它主要由煤的物理力学性质决定，反映了单位质量的煤破坏所消耗能量大小，即煤体是否容易被破坏而发生突出，f值越小表明煤体破坏程度越严重，则越易发生煤与瓦斯突出。
煤样放散瓦斯快慢程度用△P值来表示，其大小与煤的微孔隙结构、孔隙表面性质和孔隙大小有关，是反映煤层突出危险性大小的指标之一，随着构造煤破坏类型的增高，△P值也增加，瓦斯放散初速度越大，煤层的突出危险性越大。
表2-6二1煤的瓦斯放散初速度△P、坚固性系数f值
序号
取样地点
坚固性系数（f）
瓦斯放散初速度（△P）
K值
1
-175水平轨道运输石门
0.22
23
104.55
2
11111工作面回风斜巷
0.41
27
65.85
3
11111上付巷170m处
--
14.4
--
4
11151下付巷口以里26m处
--
17.3
--
5
11151下付巷中切巷以西40m
--
19.05
--
6
11081上付巷130m处
--
10.45
--
7
11111上付巷130m处
0.1
20
200.00
8
11111上付巷180m处
0.1
16
160.00
9
11081上付巷280m处
0.13
27
207.69
10
11081上付巷150m处
0.13
25
192.31
11
中央采区变电所回风巷以外20m处
0.14
23
164.29
12
11151下付巷口往下25m处（皮带上山）
0.09
20
222.22
13
11151下付巷中切巷口以外68m处
0.13
21
161.54
14
11151下付巷中切巷口以里270m处
0.1
21
210.00
15
11151下付巷有口以里100m处
0.11
21
190.91
16
11151下付巷口往上60m处（皮带上山）
0.11
15
136.36
17
11151下付巷口往上150m处（皮带上山）
0.11
15
136.36
18
中央采区变电所回风巷口处
0.14
18
128.57
19
皮带上山距离大井流煤眼以上15m处
0.15
20
133.33
由郑煤集团瓦斯防治研究所实验室和河南理工大学瓦斯实验室测试完成的白坪矿的煤的坚固性系数和放散初速度的74组数据显示（表2-6）：
f值一般小于0.15，平均0.19；△P值一般大于20，平均17.7。
同时根据《河南省登封煤田白坪井田勘探（精查）地质报告》（2003年9月）在勘探时利用钻孔煤样也测试了煤的坚固性系数和放散初速度（表2-7）。
测试结果表明二1煤的坚固性系数f为0.098～0.14，瓦斯放散初速度△P为20～31。
两者基本一致。
表2-7井田勘探钻孔煤样二1煤层△P
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