新安矿瓦斯抽采.docx
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新安矿瓦斯抽采
新安矿14151工作面
瓦斯抽采设计
目录
114151工作面概况1
1.1采区概况1
1.1.1采区顶底板情况1
1.1.214151工作面示意图2
1.2工作面位置范围2
1.3煤层瓦斯情况2
1.4工作面掘进过程中的防突措施3
1.4.1突出危险性预测（检验）3
1.4.2防突措施4
1.5工作面突出危险性分析4
1.6矿井通风6
2矿井瓦斯抽放的必要性和可行性6
2.1瓦斯涌出量预测6
2.1.1分源预测法7
2.1.1.1回采工作面瓦斯涌出量预测7
2.1.1.2掘进工作面瓦斯涌出量预测9
2.1.1.3生产采区瓦斯涌出量预测10
2.1.1.4矿井瓦斯涌出量预测11
2.1.2瓦斯涌出量预测基础数据12
2.1.2.1瓦斯基础参数12
2.1.2.2煤层基础参数13
2.1.2.3采掘工作面参数13
2.1.2.4采空区瓦斯涌出系数13
2.2矿井瓦斯抽放的必要性14
2.3矿井瓦斯抽放的可行性14
3瓦斯抽采设计参数15
3.1矿井瓦斯储量15
3.2瓦斯抽采率16
3.3瓦斯可抽量16
3.4瓦斯抽采规模17
3.5瓦斯年抽采量17
4瓦斯抽采方法17
4.1抽采方法选择依据17
4.2抽采方法18
4.2.1边掘边抽18
4.2.2边采边抽19
4.2.3采空区插管抽放20
4.3抽放钻孔的密封20
4.3.1封孔深度20
4.3.2封孔材料21
4.3.3封孔工艺21
5抽放管路系统和设备选型22
5.1井下抽放管路系统22
5.1.1抽放管路系统路线22
5.1.2抽放规模预计23
5.1.3抽放管路选型23
5.1.3.1采掘工作面管路选型24
5.1.3.2采区管路选型24
5.1.3.3矿井主干管路选型24
5.1.4管路连接24
5.1.5管路敷设25
5.1.6钻孔与管路的连接25
5.1.7瓦斯抽放管道的附属装置26
5.2地面抽放泵站管路和设备系统26
5.2.1抽放泵选型27
5.2.1.1抽放泵类型确定27
5.2.2地面泵站的附属装置28
5.2.2.1防爆防火装置28
5.2.2.2放空管28
6瓦斯抽放系统的安装29
6.1瓦斯抽放系统安装的基本要求29
6.2瓦斯抽放泵的安装29
6.3瓦斯抽放、排放管路及附属设施安装29
7安全监测及安全措施29
7.1安全监测与计量30
8参考文献31
114151工作面概况
1.1采区概况
新安煤矿位于河南省新安县城北15km，东距洛阳市33km西距三门峡市108km。
井田走向长度3.5km，面积约54km2.于1988年建成投产，设计年生产能力150万吨，井田含煤6组，共计28层。
开采煤层为二叠系山西组二1煤，属于缓倾斜煤层，煤层绝对瓦斯涌出量19.36m3/t，相对瓦斯涌出量18.93m3/t。
采用斜井双水平上下山开拓，一水平标高+150～+25m，二水平+25～-200m之间，井口标高+305m。
目前开拓面积8.85km2，分东西两翼进行分区开采，东翼有11、13、15采区，西翼12、14采区。
矿井投产以来，绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量较大，2003年以来新安矿共发生有较完整记录的瓦斯动力现象8次，主要发生在矿井东翼13采区和矿井西翼14采区。
动力现象点标高+60～-20m。
埋藏深度290～-570m。
有该矿现辖新安、新源两对矿井，现已具备500万吨的年生产能力，是枣庄矿区产量最高的现代化矿井，被誉为“鲁南第一矿”。
井田面积84.6平方公里，地质储量3.2亿吨，可采储量1.55亿吨，全部为地下采煤，煤质优良，属低灰－特低灰、低硫－特低硫优质气肥煤。
1996年筹建，原设计年生产能力60万吨，2003年改造和扩建年生产能力为500万吨，2005年生产原煤432万吨。
新安煤矿辖新安、新源两座矿井，实行“一矿两井”管理模式。
煤层有自燃发火倾向性，发火期为一般为6个月。
1.1.1采区顶底板情况
新安矿14151煤层为单斜构造，产状变化不大，矿井正常涌水量为1050m3/t，底板由下向上主要有3个含水层：
奥陶系灰岩岩溶裂隙承压含水层，厚度较大，岩溶发育，渗透系数0.00026～6.37m/d，是间接冲水含水层，上距14151煤层42～85m。
石炭系太原组下段灰岩岩溶裂隙承压含水层，矿区内普遍发育，层位稳定，岩溶较发育，含水性强，渗透系数0.0362～6.58m/d，与下部奥陶系灰岩含水层有较好的水力联系，是间接冲水含水层，上距14151煤层45m。
石炭系太原组上段灰岩岩溶裂隙系含水层，分布连续，层位稳定，渗透系数0.0091～0.06m/d，上距14151煤层30m，是直接冲水含水层。
底板主要为透气性差的泥岩，且不稳定。
1.1.214151工作面示意图
1.2工作面位置范围
14151工作面位于新安煤矿14采区下山东翼上部，上邻14采区运输大巷保护煤柱，下邻14171工作面，东邻14与12采区保护煤柱，西邻14采区皮带下山保护煤柱，地面无建筑物和水体。
14151工作面走向长度655m，里段倾向长度80m，外段倾向长度120m，地面标高+520～+600m，工作面标高+21～+48m，回采面积76600m2。
工作面地质储量50.83万吨，可采储量47.27万吨。
该工作面于2007年3月掘进完毕，计划于2007年5月开始回采。
回采时采用走向长壁采煤方法，顶板采用全部垮落法管理。
1.3煤层瓦斯情况
14151工作面煤层厚度变化较大，厚度在0～14.5m之间，平均厚度4.5m，煤层倾角6～11°。
煤层原生结构受构造作用，煤层破坏，层理不清，结构紊乱。
煤层结构简单，偶见夹矸，含FeS2结核。
煤质为贫瘦煤。
工作面煤层构造软煤普遍发育，绝大多数属于典型的Ⅲ～Ⅴ类构造软煤。
硬煤分布仅局部可见，根据现场取样测定结果，坚固性系数f为0.19～0.42，平均为0.25，瓦斯放散初速度ΔP为6.95～26.51，平均为13.27。
根据河南理工大学2003年12月提交的《豫西－义煤集团新安煤矿14151煤瓦斯赋存规律及矿井瓦斯防治技术研究》，新安矿14下山采区煤层底板标高在+25m以深，实际控制的瓦斯参数测点有5个，瓦斯参数见表1。
14下山采区为突出危险采区，14151工作面位于14下山采区内，为突出危险工作面。
表1新安矿14下山采区煤层瓦斯参数
序号
孔号
埋深
（m）
瓦斯含量（m3/t）
瓦斯压力（MPa）
1
瓦斯孔4
478.47
9.84
0.86
2
瓦斯孔5
478.47
9.84
0.92
3
瓦斯孔6
516.31
10.05
1.00
4
1007
554.14
9.23
0.86
5
1107
560.19
10.48
1.19
1.4工作面掘进过程中的防突措施
1.4.1突出危险性预测（检验）
根据对14151工作面巷道煤壁构造软煤跟踪观测的结果，该工作面煤层构造软煤普遍发育，绝大多数属于典型的Ⅲ～Ⅴ类构造软煤，硬煤分布仅局部可见，据此判定14151工作面煤层全部为构造软煤，这些构造软煤分层在大多数情况下整层发育，软煤的瓦斯突出参数都大大超出《煤矿安全规程》和《防治煤与瓦斯突出规定》规定的临界值，说明该工作面煤层已经具备了发生煤与瓦斯突出的煤层条件。
在14151工作面上、下巷及切眼掘进期间，突出危险性预测和防治突出措施的效果检验采用最大钻屑量指标（S）、瓦斯解吸指标（Δh2）和钻孔瓦斯涌出初速度（q）三项指标，各指标预测（效果检验）瓦斯突出危险性临界值如表2所示。
表2瓦斯突出危险性预测（效果检验）临界值
最大钻屑量S
（kg）
瓦斯解吸指标Δh2（Pa）
钻孔瓦斯涌出初速度q
（L/min）
突出危险性
≥5
≥180
≥4
有突出危险
＜5
＜180
＜4
无突出危险
当上述三项指标有一个及一个以上指标超限时，预测（效验）工作面有突出危险性或防治突出措施无效；当上述三项指标均不超限时，预测（效验）工作面无突出危险性或防治突出措施有效。
1.4.2防突措施
14151上、下巷在掘进过程中，局部巷道上部掉碴，放炮瞬间瓦斯涌出量较大。
此外，由于该工作面大部分煤层较厚，掘进过程中瓦斯涌出量较大。
在掘进期间主要采取了掘进前先打瓦斯释放钻孔和煤层注水的消突措施，采用放小炮处理上部伪顶碴，下部煤层采用手镐掘进，同时加强顶板和煤壁管理，防止片帮、冒顶造成瓦斯超限，并加强了通风系统的管理。
14151上、下巷在掘进前先打9个孔深不小于10m的排放钻孔，经效果检验，指标小于临界值时方可掘进，预留措施孔超前距不小于5m。
排放钻孔布置如图1所示。
图1排放钻孔布置示意图
此外，加强对掘进工作面迎头煤壁的注水工作，为防止煤体片落造成瓦斯超限，在注水时以煤壁渗水为宜。
在打钻及注水期间，派专人观察正头瓦斯探头，发现瓦斯浓度达0.6%时，及时通知打钻或注水人员停止作业。
1.5工作面突出危险性分析
（1）14151上巷
14151上巷于2006年2月开始掘进，2006年12月掘进完毕。
图2是根据上巷掘进过程中措施效果检验实测指标值绘制的最大钻屑量（S）、瓦斯解吸指标（Δh2）和钻孔瓦斯涌出初速度（q）沿巷道长度变化曲线。
由图2中可以看出，在上巷掘进期间所统计的146次效果检验中，有29次指标超标，占预测和效果检验总数的19.9%，最大钻屑量S最大值为5.5kg，瓦斯解吸指标Δh2最大值为372Pa，钻孔瓦斯涌出初速度q最大值为25.54L/min。
下巷在掘进到距皮带口132m处发生过一次瓦斯动力现象，压出煤量2t，瓦斯涌出量53m3。
图214151上巷预测检验指标随巷道长度的变化
（2）14151下巷
14151下巷2006年1月开始掘进，2006年12月掘进完毕。
图3是根据下巷掘进过程中措施效果检验实测指标值绘制的最大钻屑量（S）、瓦斯解吸指标（Δh2）和钻孔瓦斯涌出初速度（q）沿巷道长度变化曲线。
由图3中可以看出，在下巷掘进期间所统计的117次效果检验中，有23次指标超标，占预测和效果检验总数的19.7%，最大钻屑量S最大值为5.6kg，瓦斯解吸指标Δh2最大值为294Pa，钻孔瓦斯涌出初速度q最大值为14.31L/min。
下巷在掘进到距皮带口300m处发生过一次瓦斯动力现象，压出煤量9t，瓦斯涌出量216m3。
图314151下巷预测检验指标随巷道长度的变化
（3）14151切眼
在切眼掘进期间所统计的33次效果检验中，只有1次指标超标，占预测和效果检验总数的3.0%，最大钻屑量S最大值为4.1kg，瓦斯解吸指标Δh2最大值为156Pa，钻孔瓦斯涌出初速度q最大值为13.07L/min。
从14151工作面上、下巷及切眼掘进过程中效果检验指标53次超限情况及掘进过程中发生的瓦斯动力现象来看，14151工作面煤层具有较大的瓦斯突出危险性。
1.6矿井通风
目前，矿井采用中央并列式通风系统，原副井进风，原主井回风。
安装风机为2KDB55-18#轴流式通风机两台，风机风量20～75m3/s，风机静压490～2448Pa，服务于当前21采区生产。
改扩建后拟采用中央分列式通风系统，原主、副井进风，新打主井回风。
矿井通风量94m3/s，矿井通风负压初期为1776.8Pa，后期为2326.6Pa。
选择二台GAF23.7-11.8-1型轴流风机，风机转数n＝990r/min，服务于将来的双采区同时生产。
2矿井瓦斯抽放的必要性和可行性
2.1瓦斯涌出量预测
新建矿井或生产矿井新水平，都必须进行瓦斯涌出量预测，以确定新矿井、新水平、新采区投产后瓦斯涌出量大小，作为矿井和采区通风设计、瓦斯抽放及瓦斯管理的依据。
矿井瓦斯涌出量预测应包括以下资料：
（1）矿井采掘设计说明书
①开拓、开采系统图，采掘接替计划；
②采煤方法、通风方式；
③掘进巷道参数、煤巷平均掘进速度；
④矿井、采区、回采工作面及掘进工作面产量。
（2）矿井地质报告
①地层剖面图、柱状图等；
②各煤层和煤夹层的厚度、煤层间距离及顶、底板岩性。
（3）煤层瓦斯含量测定成果、风化带深度及瓦斯含量等值线图；
（4）邻近矿井和本矿井已采水平、采区（盘区）以及采掘工作面瓦斯涌出测定结果；
（5）煤的工业分析指标（水分、灰分、挥发分和密度）以及煤质牌号。
鉴于主焦矿-350m水平深为新开拓水平，矿井瓦斯涌出量预测采用分源预测法。
2.1.1分源预测法
2.1.1.1回采工作面瓦斯涌出量预测
回采工作面瓦斯涌出来源主要包括开采层和邻近层。
回采工作面瓦斯涌出量预测用相对瓦斯涌出量表示，以24h为一个预测圆班，由开采层（包括围岩）、邻近层瓦斯涌出量两部分组成，其计算公式为：
（2-1）
式中：
——回采工作面相对瓦斯涌出量，m3/t；
——开采层相对瓦斯涌出量，m3/t；
——邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t；
（1）开采层瓦斯涌出量
薄及中厚煤层不分层开采时，开采层瓦斯涌出量可由下式计算：
（2-2）
式中：
——开采层（包括围岩）相对瓦斯涌出量，m3/t；
K1——围岩瓦斯涌出系数；K1值选取范围为1.1～1.3；全部陷落法管理顶板，碳质组分较多的围岩，K1取1.3；局部充填法管理顶板K1取1.2；全部充填法管理顶板K1取1.1；砂质泥岩等致密性围岩K1取值可偏小；
K2——工作面丢煤瓦斯涌出系数，用回采率的倒数来计算；
K3——采区内准备巷道预排瓦斯对开采层瓦斯涌出影响系数，采用长壁后退式回采时，K3按下式计算：
——工作面长度，m；
——掘进巷道预排等值宽度m；如无实测值可按表1选取；
——开采层厚度，m；
——工作面采高，m；
——煤层原始瓦斯含量，m3/t；
——煤层原始瓦斯含量，m3/t；
——运出矿井后煤的残存瓦斯含量，m3/t。
（2）邻近层瓦斯涌出量
邻近层瓦斯涌出量采用下式计算：
（2-3）
式中：
——邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t；
——第i个邻近层煤层原始瓦斯含量，m3/t，如无实测值可参照开采层选取；
——第i个邻近层煤层残存瓦斯含量，m3/t，如无实测值可参照开采层选取；
——第i个邻近层煤层厚度，m；
——工作面采高，m；
——第i个邻近层瓦斯排放率，%。
当邻近层位于冒落带中时，
。
当采高小于4.5m时，
按下式计算或按图2-1选取。
（2-4）
式中：
——第i邻近层与开采层垂直距离，m；
——受采动影响顶底板岩层形成贯穿裂隙，邻近层向工作面释放卸压瓦斯的岩层破坏范围，m。
开采层顶、底板的破坏影响范围
按《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设于压煤开采规程》中附录六的方法计算。
当采高大于4.5m时，
按下式计算：
（2-5）
式中：
——第i邻近层与开采层垂直距离，m；
——工作面采高，m；
——工作面长度，m。
2.1.1.2掘进工作面瓦斯涌出量预测
掘进工作面瓦斯涌出来源主要有两类：
掘进巷道煤壁瓦斯涌出量和掘进巷道落煤瓦斯涌出量。
掘进工作面瓦斯涌出量预测用绝对瓦斯涌出量表示，用下式计算：
（2-6）
式中：
——掘进工作面绝对瓦斯涌出量，m3/min；
——掘进工作面巷道煤壁绝对瓦斯涌出量，m3/min；
——掘进工作面落煤绝对瓦斯涌出量，m3/min。
（1）掘进巷道煤壁瓦斯涌出量
掘进巷道煤壁瓦斯涌出量由下式计算：
（2-7）
式中：
——掘进巷道煤壁瓦斯涌出量，m3/min；
——巷道断面内暴露煤壁面的周边长度，m；对于薄及中厚煤层，
，
为开采层厚度；对于厚煤层，
，
及
分别为巷道的高度及宽度；
——巷道平均掘进速度，m/min；
——巷道长度，m；
——煤壁瓦斯涌出强度，m3/m2.min，如无实测值可参考下式计算：
（2-8）
式中：
——煤中挥发分含量，%；
——煤层原始瓦斯含量，m3/t。
（2）掘进巷道落煤瓦斯涌出量
掘进巷道落煤瓦斯涌出量由下式计算：
（2-9）
式中：
——掘进巷道落煤瓦斯涌出量，m3/min；
——掘进巷道断面积，m2；
——巷道平均掘进速度，m/min；
——煤的视相对密度，t/m3；
——煤层原始瓦斯含量，m3/t；
——运出矿井后煤的残存瓦斯含量，m3/t。
2.1.1.3生产采区瓦斯涌出量预测
生产采区瓦斯涌出量指采区内所有回采工作面、掘进工作面及采空区瓦斯涌出量之和，由下式计算：
（2-10）
式中：
——生产采区相对瓦斯涌出量，m3/t；
——生产采区内采空区瓦斯涌出系数；对于单一煤层，
，对于近距离煤层群，
；
——第i个回采工作面相对瓦斯涌出量，m3/t；
——第i个回采工作面的日产量，t；
——第i个掘进工作面绝对瓦斯涌出量，m3/min；
——生产采区平均日产量，t。
2.1.1.4矿井瓦斯涌出量预测
矿井瓦斯涌出量为矿井内全部生产采区和已采采空区瓦斯涌出量之和，由下式计算：
（2-11）
式中：
——矿井相对瓦斯涌出量，m3/t；
——第i个生产采区相对瓦斯涌出量，m3/t；
——第i个生产采区平均日产量，t；
——已采采空区瓦斯涌出系数；对于单一煤层，
，对于近距离煤层群，
。
2.1.2瓦斯涌出量预测基础数据
根据新安煤矿14151煤层瓦斯基础参数，结合采掘工艺，预测将来为满足60万t/a产量21采区和22采区同时生产、21采区结束后22采区和23采区同时生产、22采区结束后23采区和31采区同时生产的矿井瓦斯涌出量。
2.1.2.1瓦斯基础参数
根据河南理工大学2003年12月提交的《豫西－义煤集团新安煤矿14151煤瓦斯赋存规律及矿井瓦斯防治技术研究》可知：
（1）应用M-Ⅱ型胶囊—压力粘液封孔、速凝膨胀水泥封孔测定煤层瓦斯压力技术，在-350-350消防库、-350水仓绞车房处施工了2个测压孔，测得14151煤层瓦斯压力，见表2-2。
（2）测定了14151煤层煤样的瓦斯吸附常数a、b值，并测算了14151煤层的瓦斯含量，结果见3、表4。
（3）测定了14151煤层煤样的孔隙率，测定结果见表5。
根据新安井田附近地勘钻孔14151煤层瓦斯含量（见表1-5）有：
煤层标高界于-77.97～-433.80m，沼气含量为2.68～9.16ml/g·r，平均沼气含量为6.29ml/g·r。
综合已知数据预计14151煤层今后开采范围内14151煤层平均原始瓦斯含量为7m3/t。
根据河南理工大学2003年12月提交的《豫西－义煤集团新安煤矿14151煤瓦斯赋存规律及矿井瓦斯防治技术研究》，新安煤矿14151煤层工业分析结果取Mad=0.85%，Aad=12.62%，Vdaf=18.48%。
表3-350消防库处14151煤样吸附常数a，b值
取样
地点
1/a
1/ab
水分Mad（%）
灰分Aad（%）
不考虑灰分水分
考虑灰分水分
a值
（m3/t）
b值
（MPa-1）
a值
（m3/t）
b值
（MPa-1）
-350消防库14151煤层煤样
0.0429
0.3980
0.85
12.62
23.31
1.08
26.94
1.08
表414151煤层含量测算结果表
煤样编号
绝对瓦斯
压力（MPa）
吸附量（m3/t）
游离量（m3/t）
总含量（m3/t）
-350消防库14151煤层处
0.39
6.65
0.09
6.74
表514151煤层煤样真、视比重和孔隙率测试结果
取样地点
煤层编号
真比重
（g/cm3）
视比重
（g/cm3）
孔隙率
（%）
-350消防库
（1#测压孔）
14151煤层
1.4301
1.3725
4.03
-350水仓绞车房
14151煤层
1.4356
1.3745
4.26
2.1.2.2煤层基础参数
14151煤层是新安煤矿的主要可采煤层，区内钻孔和矿井采掘工程揭露该煤层厚度为3.1～7.4m，平均4.5m，煤层厚度较稳定。
根据《煤矿瓦斯抽采基本指标》AQ1024-2006规定的残存瓦斯含量计算公式可推算新安煤矿的煤在标准大气压下的残存瓦斯含量为1.83m3/t
2.1.2.3采掘工作面参数
矿井以2个采区2个回采工作面、4个掘进工作面保证矿井的设计生产能力。
煤巷掘进工作面断面为梯形，采用金属支架支护，净断面6.3m2，掘进断面7.7m2。
采用放炮落煤掘进工艺，月进尺150m，日产量51t。
回采工作面斜长120m，日产量1000t，炮采放顶煤工艺，采高6.2m，回采率85%。
巷道瓦斯排放带宽度10.5m。
2.1.2.4采空区瓦斯涌出系数
生产采区采空区瓦斯涌出系数
、已采采区采空区瓦斯涌出系数
均取1.25。
2.2矿井瓦斯抽放的必要性
根据《煤矿安全规程》（2006）第一百四十五条、《矿井瓦斯抽采管理规范》（煤安字[1997]第189号）第9条、《煤矿瓦斯抽放规范》（AQ1027—2006）第4.1条、《煤矿瓦斯抽采基本指标》（AQ1026—2006）第3条的有关规定，有下列情况之一的矿井，必须建立地面永久抽采瓦斯系统或井下临时抽采瓦斯系统：
（1）1个采煤工作面的瓦斯涌出量大于5m3/min或1个掘进工作面瓦斯涌出量大于3m3/min，用通风方法解决瓦斯问题不合理的。
（2）矿井绝对瓦斯涌出量达到以下条件的：
①大于或等于40m3/min；
②年产量1.0～1.5Mt的矿井，大于30m3/min；
③年产量0.6～1.0Mt的矿井，大于25m3/min；
④年产量0.4～0.6Mt的矿井，大于20m3/min；
⑤年产量小于或等于0.4Mt的矿井，大于15m3/min。
（3）开采有煤与瓦斯突出危险煤层的。
目前，新安煤矿鉴定为高瓦斯矿井，矿井瓦斯涌出量还没达到25m3/min，单个采煤工作面和单个掘进工作面的的瓦斯涌出量也还没有达到5m3/min和3m3/min。
但是，随着新安煤矿技术改造的推进，矿井产量将会增加，开采深度将会加深，瓦斯含量将会增大。
按照分源预测法预测双采区（2个采煤工作面、4个掘进工作面）同时生产时，单个掘进工作面绝对瓦斯涌出量达到1.87m3/min，单个回采工作面的绝对瓦斯涌出量将达到6.86m3/min，单个采区瓦斯涌出量13.25m3/min，矿井绝对瓦斯涌出量将达到33.13m3/min。
因此，新安煤矿建立地面固定抽采瓦斯系统是必要的。
2.3矿井瓦斯抽放的可行性
根据《矿井瓦斯抽采管理规范》（煤安字[1997]第189号）第19条、《煤矿瓦斯抽放规范》（AQ1027—2006）第7.2.1条的有关规定
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