XX煤矿地面永久瓦斯抽放系统设计说明书1.docx
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XX煤矿地面永久瓦斯抽放系统设计说明书1
煤业集团公司
耿村煤矿地面永久瓦斯抽放系统设计
说明书
0前言……………………………………………………………………………………1
0.1立项背景与意义………………………………………………………………………1
0.2设计依据……………………………………………………………………………2
1矿井概况………………………………………………………………………………3
1.1地质简况……………………………………………………………………………3
1.2井田地质构造………………………………………………………………………6
1.3井田地形与气候……………………………………………………………………6
1.4井工开拓与生产现状………………………………………………………………6
1.5矿井通风及瓦斯涌出状况…………………………………………………………7
2矿井瓦斯抽放的必要性和可行性分析………………………………………………9
2.1瓦斯抽放的必要性…………………………………………………………………9
2.1.1从安全生产角度来衡量…………………………………………………………9
2.1.2相关政策法规的要求……………………………………………………………12
2.1.3经济效益与环保要求……………………………………………………………13
2.2抽放瓦斯的可行性分析……………………………………………………………13
3矿井瓦斯抽放方案设计………………………………………………………………16
3.1选择抽放瓦斯方法的原则…………………………………………………………16
3.2抽放瓦斯方案的确定………………………………………………………………16
3.2.1瓦斯来源分析……………………………………………………………………16
3.2.2抽放瓦斯方案的初步设计………………………………………………………17
3.2.3抽放钻孔设计……………………………………………………………………17
3.3矿井瓦斯抽放效果预测……………………………………………………………19
4瓦斯抽放管路系统方案设计…………………………………………………………21
4.1瓦斯抽放管路系统的布置…………………………………………………………21
4.2瓦斯抽放管道的选择与管网阻力计算……………………………………………22
4.2.1瓦斯抽放管径的选择……………………………………………………………22
4.2.2管网系统阻力计算………………………………………………………………23
4.3瓦斯抽放泵的选型…………………………………………………………………25
4.3.1瓦斯抽放泵的选型原则…………………………………………………………25
4.3.2瓦斯抽放泵流量计算……………………………………………………………25
4.3.3瓦斯抽放泵压力计算……………………………………………………………25
4.3.4瓦斯抽放泵的选型………………………………………………………………26
5井下瓦斯抽放管路系统设计…………………………………………………………27
5.1敷设井下瓦斯抽放管路的原则与要求……………………………………………27
5.1.1敷设井下瓦斯抽放管路的原则…………………………………………………27
5.1.2敷设井下瓦斯抽放管路的要求…………………………………………………27
5.2井下瓦斯抽放管路的附属装置……………………………………………………27
5.3井下瓦斯抽放管路控制设计………………………………………………………30
5.3.1井下瓦斯抽放管路的安装………………………………………………………30
5.3.2控制阀门的作用…………………………………………………………………30
5.4瓦斯抽放钻孔及施工………………………………………………………………31
5.4.1钻孔施工的设备及工艺…………………………………………………………31
5.4.2钻孔封孔…………………………………………………………………………32
5.4.3钻孔与管路的连接………………………………………………………………32
6地面永久瓦斯抽放泵站建设…………………………………………………………34
6.1泵站的总体设计与规划……………………………………………………………34
6.1.1泵房及附属装置的设计原则…………………………………………………34
6.1.2泵站位置的确定…………………………………………………………………34
6.2地面瓦斯抽放泵站的管路系统及其附属装置……………………………………34
6.2.1瓦斯泵房管路系统………………………………………………………………34
6.2.2水封式防爆、防回火装置………………………………………………………36
6.2.3放空管……………………………………………………………………………37
6.2.4避雷器……………………………………………………………………………37
6.2.5瓦斯抽放管路系统控制设置……………………………………………………38
6.2.6瓦斯抽放管路主要附属装置的位置与作用……………………………………39
6.3瓦斯泵房……………………………………………………………………………39
6.4瓦斯抽放泵站供电…………………………………………………………………39
6.5瓦斯抽放泵给排水…………………………………………………………………39
6.6其它设施……………………………………………………………………………41
6.7瓦斯抽放、排放管路及附属设施的安装…………………………………………41
6.8耿村矿地面永久瓦斯抽放泵站的施工建设………………………………………41
6.8.1概述………………………………………………………………………………41
6.8.2地面瓦斯抽放系统………………………………………………………………42
6.8.3瓦斯泵站监测、监控系统………………………………………………………43
6.8.4配电、供电系统…………………………………………………………………44
6.8.5冷却水循环系统…………………………………………………………………44
6.8.6地面建筑物………………………………………………………………………44
6.8.7其它配套设施……………………………………………………………………44
7瓦斯抽放组织管理及安全技术措施…………………………………………………45
7.1组织管理……………………………………………………………………………45
7.1.1管理规范…………………………………………………………………………45
7.1.2组织机构设置……………………………………………………………………45
7.2瓦斯抽放钻场施工管理……………………………………………………………45
7.3井下瓦斯抽放管路管理……………………………………………………………47
7.4瓦斯抽放泵的维护和操作…………………………………………………………48
7.4.1瓦斯泵的日常维护和保养………………………………………………………48
7.4.2瓦斯机的操作和注意事项………………………………………………………48
8机电设备与器材清册…………………………………………………………………52
8.1井下抽放系统………………………………………………………………………52
8.2地面瓦斯泵站………………………………………………………………………53
9工程概算………………………………………………………………………………54
10结论和建议…………………………………………………………………………55
参考文献…………………………………………………………………………………56
附录1钻机操作规程……………………………………………………………………57
附录2瓦斯抽放泵司机作业操作规程…………………………………………………58
附录3瓦斯抽放报表……………………………………………………………………60
附录4附图………………………………………………………………………………62
附图1耿村煤矿地面永久瓦斯抽放泵站规划施工平面图
附图2耿村煤矿地面永久瓦斯抽放泵站厂房施工平面图
附录5耿村煤矿瓦斯抽放泵站配电方案图及其说明书………………………………63
0前言
0.1立项背景与意义
根据耿村煤矿提供的矿井瓦斯涌出资料，从1983年至2004年进行矿井瓦斯等级鉴定表明，该矿一直到目前为止尚属于低瓦斯矿井；其中2004年的矿井瓦斯等级鉴定结果为：
绝对瓦斯涌出量为34.02m3/min,相对瓦斯涌出量为4.18m3/t。
虽然如此，近年来随着开采深度增加、开发强度加大，煤层瓦斯赋存量和采掘生产期间的瓦斯涌出量都呈现出明显的上升趋势。
特别是目前主采的2-3煤层由于1-2煤层从井田中部开始向东南部与其合层直到井田的深部边界，从而导致了煤层的大面积增厚，煤层瓦斯含量必将有大幅度的提高。
实际资料显示，日趋频繁的回采工作面上隅角瓦斯浓度超限问题已经严重制约了生产进程，时刻威胁着井下作业工人的生命安全。
另据河南理工大学（原焦作工学院）先前针对耿村煤矿完成的“低瓦斯矿井瓦斯赋存规律及瓦斯灾害治理技术研究”科研成果反映，随着开拓工程的延深，回采工作面瓦斯涌出量将逐渐增大，预测井田东翼当煤层埋深超过600m后，绝对瓦斯涌出量达到25m3/min以上，而且还存在着绝对瓦斯涌出量超过30m3/min的局部高瓦斯涌出区域。
在此情况下，仅靠加大通风量解决回采工作面瓦斯问题不仅不太合理，而且实现的难度相当大。
大量的科研成果及生产实际资料表明，在低瓦斯矿井（煤层）的局部存在着一定的高瓦斯区域（条带）。
《煤矿安全规程》的第134条明确规定，“低瓦斯矿井中存在的个别高瓦斯区域应按照高瓦斯矿井来实施管理”。
耿村煤矿到目前为止尚没有任何煤层和地点出现过任何形式的瓦斯动力现象，属于低瓦斯非突出矿井，目前对井下安全生产威胁最大的是回采工作面上隅角的瓦斯浓度超限问题。
为贯彻执行国家煤矿安全生产监督管理局制定的“先抽后采，以风定产，监测监控”的煤矿安全生产管理方针，有力保障井下安全和生产计划的圆满完成，该矿从2003年开始已在井下安装了为西二采区12151和12171及东三采区13130回采工作面服务的移动式瓦斯抽放泵站和与其相配套的瓦斯抽放系统，目前井下共安置3台瓦斯泵实施移动抽放，混合抽放流量达到140m3/min，抽出的瓦斯直接排放到矿井的总回风系统中；特别是1-2煤的12171和2-3煤的13130两个高瓦斯工作面都是在实施了回风巷高位钻场抽放和采空区埋管抽放技术之后才得以正常生产的，从一定程度上缓解了安全管理的压力。
虽然如此，同时也存在以下几方面不容忽视的问题：
①2004年下半年以来，矿井东西两个采区瓦斯涌出量都明显升高，随着开拓工程的延深，矿井瓦斯等级也有进一步提高的可能。
瓦斯抽放措施将会成为该矿井今后常规性的瓦斯治理方法，井下移动抽放泵站无论从抽放能力和服务范围是都将受到一定的限制。
②井下移动抽放将瓦斯通过管道排入总回风道，引起总回风巷道的瓦斯浓度升高。
目前已经接近或达到《煤矿安全规程》规定的临界值。
③受矿压、供水等井下客观条件的限制，移动泵站的管理和维护工作也比较复杂和困难。
④矿井瓦斯既是一种热值很高的能源，同时也是一种严重危害大气层的污染源。
井下移动泵站抽放的瓦斯全部通过回风巷道排空，不仅浪费了能源，而且污染了空气。
鉴于以上的综合分析，建立耿村矿地面永久瓦斯抽放系统不仅非常必要，而且急需实施。
为此，在义煤集团公司科技处的组织和协调下，河南理工大学瓦斯地质研究所与耿村煤矿经过认真、详细的研究，共同制定了总体设计内容和方案，并于2005年3月3日正式签定了本课题的技术合同书。
0.2设计依据
●《矿井抽放瓦斯工程设计规范》（MT95018-96），中华人民共和国煤炭工业部，1997年
●《矿井抽放瓦斯管理规范》，中华人民共和国煤炭工业部，1997年
●《煤矿安全规程》，国家煤矿安全监察局，2004年
●《防治煤与瓦斯突出细则》，中华人民共和国煤炭工业部，1995年
●矿井地勘、通风、生产及相关瓦斯地质等资料，耿村煤矿
●“低瓦斯矿井瓦斯赋存规律及瓦斯灾害治理技术研究”研究报告，河南理工大学（原焦作工学院），2003年
1矿井概况
1.1地质简况
耿村煤矿位于义马矿区西部，为义马煤业（集团）有限责任公司大型骨干矿井之一。
井田范围北起各煤层露头或老窑采空区，南止于F16断层，东以41勘探线东200m与千秋矿人为划定界限，西部以F5101断层与杨村矿相接。
井田东西走向长4.5km，南北倾斜宽2.8km，面积12.5km2。
根据钻孔揭露，本区主要分布三叠纪、侏罗纪地层。
耿村井田范围内自下而上主要发育中生界三叠系上统潭庄组（T3）、侏罗系中统义马组（J21）、侏罗系中统上部（J22）、侏罗系上统（J3）及新生界第三系（R）、第四系（Q）地层（图1-1）。
其中侏罗系中统义马组为本井田的主要含煤地层，主要由碎屑岩、泥岩和煤层组成，厚25.12～127.10m，平均厚74.6m。
义马组由下而上分为四段，即底部砂砾岩段、下部含煤砂岩段、中部泥岩段和上部含煤泥岩段，具体描述为：
①底部砂砾岩段
该段岩层厚度变化较大，0～39.45m，平均厚13.10m。
井田范围内43线以东，由下向上依次为底部砂砾岩、含砾中粗粒砂岩（或夹细砂岩、粉砂岩）、细粉砂岩或泥岩、薄层砂砾岩。
以西，砂砾岩尖灭，仅在浅部（北部）少数钻孔中偶见砂砾岩，其岩性组合由下而上为含砾粗、中（细）粒砂岩、含砾细（粉）砂岩或含砾泥岩（多呈互层出现）。
井田西南部砾岩段全部由砂质泥岩所代替。
②下部含煤砂岩段
本段厚31.89～76.66m，主要由煤层和砂岩组成。
北部含有三层煤，即2-1、2-2和2-3煤，向南先后合并，最后合并为2-3煤。
实质上2-1、2-2煤均为2-3煤的分岔煤层，厚度由北向南逐渐变薄消失。
现分层简述如下。
下部：
2-3煤层以下，为砂质泥岩、炭质泥岩或煤矸互叠层（曾命名为2-4煤）、泥岩或粉砂岩，位于底部砂砾岩段之上，呈透镜状或似层状分布，属河流平原泛滥相沉积物。
上部：
为主要含煤段，由煤层和各粒级的砂岩组成。
2-3煤层：
下距三迭纪地层0.5～28.92m，煤层厚度0.24～21.73m，一般8.69m。
煤厚变异系数=63.76，可采性指数Km=0.96，属不稳定煤层，但厚度大，井田内普遍可采。
在井田浅部和中部+300m以上，顶板为灰白色薄层含菱铁质细砂岩；中深部与2-1、2-2煤合并后顶板为黑色泥岩。
2-2煤层：
下距2-3煤0～26.57m，一般9.36m，煤厚2.60～6.18m，平均4.36m，煤厚变系数=39.90，可采性指数Km=1.0，属较稳定煤层。
结构复杂，分布于井田＋300m以上。
图1-1耿村矿地层综合柱状图
2-1煤层：
下距2-2煤4.59～47.26m，一般33.78m。
煤厚0.10～6.34m，平均4.7m，煤厚变异系数=22.88，可采性指数Km=0.97，属稳定型厚煤层。
分布于井田北部＋250m水平以上，+250m以下与2-3煤合并。
③中部泥岩段
主要为灰黑色致密状泥岩，偶夹泥灰岩，具水平层理，含瘤状、透镜状黄铁矿和菱铁矿结核，全井田发育，为义马组主要标志层（JK1），厚度由4.04～42.64m，平均厚为24.19m。
④上部含煤泥岩段
主要由黄褐色、灰黑色泥岩、1-1煤和1-2煤层所组成，有时泥岩中夹有粉砂岩薄层。
井田内普遍受到后期剥蚀，保留不全，浅部有的剥蚀殆尽，厚0～10.5m不等，一般为4～6m。
1-2煤层：
下距2-1煤11.70～42.20m，平均47.42m。
厚度0.09～2.62m，平均1.57m，煤厚变异系数=49.49，可采性指数Km=0.79，属不稳定煤层，除剥蚀区外大部分可采。
1-1煤层：
位于煤系地层顶部，上距J22砾岩0～5.87m，下距1-2煤2.10～2.60m，一般2.23m。
该煤层大面积缺失，主要分布在井田的西南隅。
义马组地层共含煤5层，由下而上分别为2-3煤、2-2煤、2-1煤、1-2煤、1-1煤。
其中2-3煤普遍可采，也是目前矿井的主采煤层和本次研究的目标煤层；1-2、2-1、和2-2煤层为大面积可采煤层；1-1煤仅局部可采。
煤层总厚22.73m，含煤系数29.7%。
矿井储量情况见表1-1所示。
表1-1耿村矿储量计算汇总表（1995年末）
煤层
全井田地质储量（万t）
矿井工业储量（万t）
A
B
C
A+B
A+B+C
A+B
A+B+C
1-1
110.5
145.0
110.5
255.5
1-2
347.4
116.2
567.1
463.6
1030.7
463.6
669.7
2-1
1241.0
354.2
659.0
1595.2
2254.2
1241.0
1426.0
2-2
821.8
108.0
1390.0
929.8
2319.8
247.5
733.8
2-3
6886.6
3758.4
7294.8
10645.0
17939.8
3265.1
9596.7
合计
2296.8
4447.3
10055.9
13744.1
238000
11548.8
17504.2
耿村井田位于义马向斜西段北翼，为一总体向南倾斜的单斜构造，地层倾角一般在11°～15°之间，仅在井田南部F16断层附近，地层局部直立或倒转。
褶皱不发育，沿走向局部发育有宽缓的背、向斜和井田浅部沿走向的挠曲。
1.2井田地质构造
本区以断层为主，西部以F5101正断层与杨村矿为界，南部止于F16逆断层。
井田内断层主要集中在43线以西，＋250m标高以上，全部为正断层，最大落差18m，最小落差0.3m。
断层沿倾向的延伸性随落差变小而减弱。
井田内小断层在平面展布上，按断层走向大体可分为NNW、近SN和NNE-NE向三组；按断层组合的分布特点可划分为西风井构造区、东风井构造区和东三皮带大巷构造区。
根据该井田整个构造应力场及边界条件预测，由西向东，三个构造区在断层展布范围和单一断层的延展规模上逐渐变小，这些规律性和差异性，与该井田所处的古构造环境以及煤系形成之后F16断层由南向北的逆冲有关。
1.3井田地形与气候
（1）地形地貌特征
本井田以上侏罗统砾岩为骨架，上部广覆第四系亚粘土，地形较复杂，属低山丘陵区。
西部地势较平缓，东部沟谷发育，整个井田呈南高北低的形态，标高在+510～+640之间，最大相对高差133m，平均标高575m。
（2）气候
本区属于大陆性气候，夏季炎热，冬季寒冷，四季分明。
根据渑池气象站资料，最高气温41ºC（1966年6月20日），最低气温-18.70ºC（1969年1月31日），年平均气温12.4ºC。
7月份最高气温一般在24～27.8ºC，元月份最低气温为0.5～5.1ºC.冬季冷天数平均为106天，夏季炎热天数平均为45天。
冰冻期一般为11月中旬至次年3月，土壤最大冻结深度0.34m，一般为0.15～0.21m。
1.4井工开拓与生产现状
耿村矿于1975年4月由河南省煤矿设计研究院设计，1975年12月由义马矿务局建井处与河南省建井二处共同施工兴建，1982年12月投产，矿井设计能力120万t/a，1985年已基本达到设计生产能力，主要开采1-2、2-1、2-2和2-3煤层。
为扩大生产规模，经义马矿务局、省煤炭厅批准矿井进行改扩建，1988年元月动工，1992年12月完工。
扩建后井型由120万t/a增加到240万t/a，净增120万t/a。
目前矿井主要开采1-2、2-1、2-2和2-3煤层，全井田共分二个采区，即西二、东三采区。
全矿井采掘机械化程度较高，并配备了生产监控、安全监测系统。
主斜井一个，主要承担全矿井的提升任务；副斜井两个，主要用于进风、提料、提矸及升降人员；西二采区进风和回风斜井各一个，配备G4-73-11：
№22D风机两台；东三采区有回风斜井一个，配备G4-73-11：
№22D风机两台；主、副斜井均为进风井之用。
运输大巷设在+300m水平的2-3煤层底板岩石中，贯穿东西采区。
两个采区为两翼上下山开采，由于煤层厚度大，采用走向长臂采煤法；煤厚小于4.5m时，一次采全高，全部陷落法管理顶板。
耿村矿原设计生产能力240万t，现实际生产能力在300万t以上，2004年生产原煤为310万t。
目前主采的2-3煤在东西两个采区各布置一个综采工作面生产，分别为西二采区的12160工作面和东三采区的13080高产高效工作面。
其中13080工作面刚刚开始回采，北部为2-3煤13060工作面采空区。
顶部局部地段为2-2煤11031和13061工作面采空区，南部为未开采的2-3煤实体。
该工作面为通过瓦斯抽放治理工作面上隅角瓦斯超限的重点对象。
1.5矿井通风及瓦斯涌出状况
耿村煤矿目前采用中央边界式抽出式通风，主、副斜井进风，东三风井回风，两个西风井一个回风，一个辅助进风。
自1983年至2004年的矿井瓦斯等级鉴定结果表明，耿村煤矿为低瓦斯矿井（表1-2）。
但随开采深度的增加，回采强度的逐年增大，绝对瓦斯涌出量有明显增大的趋势（图1-2～1-3）。
2003年矿井瓦斯涌出量为27.95m3/min，2004年全矿井绝对瓦斯涌出量又升高到34.02m3/min。
特别是2004年下半年以来，该矿东、西采区瓦斯涌出量都明显升高，2-3煤的综采13130面和1-2煤的12171面瓦斯涌出量都超过10m3/min；而且在工作面风量达到900m3/min以上，又经过采用高位抽放和上隅角埋管抽放措施的情况下，工作面回风流的瓦斯浓度仍维持在0.5～0.8%。
回采工作面上隅角瓦斯浓度超限是目前和今后严重影响和制约安全生产的主要因素。
表1-2耿村矿历年瓦斯等级鉴定结果
年度
绝对瓦斯涌出量
（m3/min）
相对瓦斯涌出量
（m3/t）
鉴定
结果
CH4
CO2
CH4
CO2
CH4
CO2
1983
3.84
6.60
5.30
7.59
低
低
1984
3.51
5.13
7.96
1.63
低
低
1985
2.47
2.79
5.36
7.53
低
低
1986
2.90
3.83
1.12
1.48
低
低
1987
4.30
7.03
5.66
9.59
低
低
1988
3.50
4.57
5.77
6.31
低
低
1989
3.53
5.02
1.74
2.47
低
低
1990
7.55
10.16
3.94
5.30
低
低
1991
3.89
4.96
3.65
4.66
低
低
1992
3.83
3.82
2.06
2.43
低
低
1993
6.50
8.60
6.21
7.90
低
低
1994
7.46
9.86
4.93
6.67
低
低
1995
4.27
9.42
4.94
7.81
低
低
1996
3.70
4.
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