新安煤矿煤层瓦斯抽采设计概述.docx
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新安煤矿煤层瓦斯抽采设计概述
课程设计
题目新安煤矿煤层瓦斯抽采设计
院（系）别安全工程学院
专业班级地质工程13-1班
姓名张恩龙
指导教师张强
2016年12月26日
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20
23
3
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1矿井概况及安全条件
1.1矿井概况
1.1.1交通位置
新安矿位于黑龙江省友谊县境内，西距双鸭山市65公里，南距七星矿15公里，北有富前铁路的红兴隆车站，铁路经由双鸭山和福利至佳木斯，可通全国各地，公路可通往宝清、福利和双鸭山，区内交通方便。
坐标为：
东经131°53′45″～131°7′,北纬46°7′～46°9′。
交通位置图见图1-1。
图1-1新安矿交通位置图
1.1.2主要河流湖泊水库沟塘的分布及地震史
七台河支流挠力河位于本区南部山区，为倭肯河支流，河宽10m左右，水深0.70m左右，平常期流量为0.5～1.5m³/s，水期流量为10～200m³/s，属季节性河流，该河位于本区西部，泾流方向由南向北，垂直煤系地层走向，基本切割本矿区全部煤系地层，对矿区的开发有一定的影响。
在其北部具有湿地，中部各地区有大小不一的小型未知名湖泊11个。
2010年3月10日18时54分，双鸭山市友谊县凤岗镇发生里氏4.6级有感地震。
本区地震强度为Ⅵ级。
1.1.3气候
本区属于大陆性气候，湿差变化较大，历年最低温度达到零下39℃，历年最高温度达到零上38℃。
雨季为七、八、九三个月份，年平均降雨量为452～737mm，最大降雨量为737mm。
年十一月份结冻到次年四月解冻。
最大结冻深度为2.0m左右，平均积雪为100mm。
该区内的全年最大频率的风向定西北风，最大风速为25m/s。
1.1.4附近工矿农业概况及原料供应情况
友谊县自然资源丰富，土地肥沃，雨量充沛，耕地集中连片，是较好的产粮区。
全县现有耕地9.2万公顷、林地1.8万公顷、水面0.6万公顷、苇塘0.5万公顷。
盛产大豆、小麦、水稻、玉米、甜菜、西瓜等，尤其是大豆、小麦蜚声中外。
林地主要生长松、黄玻萝、白桦、水曲柳以及杨、柞、椴等杂木树种。
山林产品主要有蚕、黑木耳、猴头、杂蘑、蕨菜、黄花菜以及山葡萄等。
药材有人参、黄芩、甘草、防风等。
矿产资源主要有原煤、石油、石灰石、建筑用砂石、汉白玉等10多种。
原煤储量达1亿吨，石灰石、汉白玉品位高，储量丰富，具有开采价值。
野生动物有国家一、二类保护动物梅花鹿、卧龙；黑熊、马鹿、雪兔、天鹅、鸳鸯、狍子以及山鸡、田鸡、沙半鸡、狼、林蛙、黄鼬等十几种。
附近有七星煤矿、东山煤矿、双阳煤矿、桃山煤矿等。
该地区水资源和农业资源供应较为充足。
1.1.5煤天开发历史及近况
2007年省批复核定能力210万t/a，在2008年同时又重新申报核定能力为240万t/a。
截至2006年末矿井剩余工业储量19819.3万t，可采储量11116万t，尚余服务年限为37.8年（按年生产能力210万t/a、储量备用系数取1.4计算）。
截止2013年底矿井剩余可采储量9864.5万t，剩余服务年限28年。
经过地质补勘探调查，煤层厚度稳定，质量好，具有较好的开发前景。
1.1.6水电的供给情况
七星河乌苏里江左岸二级支流。
位于黑龙江省东部。
发源于岚棒山南侧，流经宝清、双鸭山、友谊、富锦4市县交界，在大王家附近注入挠力河。
全长189公里，河宽10—50米，水深1.2—2.0米。
每年11月中旬至次年4月上旬为结冰期。
两岸地势平坦低洼，多沼泽，河道排泄能力较低，遇多雨年易形成洪涝灾害。
流域总面积3985平方公里。
中下游为三江平原腹地，多沼泽湿地。
属季节性河流，该河位于本区西部，泾流方向由南向北，本区内第四系地层广泛分布，地下含水量极其丰富，水源充足。
供水水源来自于倭肯河附近的五个水源井和桃山水库净化水，水量满足生产需要。
友谊县电业局：
拥有66kV变电所5座，主变容量90000KVA。
66KV输变电线路5条，亘长86.798km；10kV线路32条，亘长1302.989；6KV线路3条，亘长85.434km。
10kV配电变压器2887台，总容量190.186MVA；6kV配电变压器112台，总容量11.932MVA。
担负着友谊地区11个乡镇的工农业生产生活用电，共拥有客户42717户，电力满足生产需要。
1.2井田地质特征
1.2.1矿区内地层情况
本区地层发育不全，有远古界麻山群，中生界上侏罗统鸡西群及新生界第三系和第四系，其中以中生界地层最为发育，该区地质构造比较复杂，区域内部有两个正断层，同一大断层往往浅部落差大，深部落差小以至于尖灭，煤系地层为下白垩统系，均为第四系或第三系所覆盖，地层有：
麻山群、下白垩统系中城子河组、穆棱组，第三系、第四系。
该区地层走向近东西，东部转为南北，倾向南，倾角5°～10°，该区煤层以结构简单之中厚煤层为主。
主要煤层以城子河组中段发育最佳，城子河组含煤59层，其中发育煤层为5、6、8上、8、9、10上、10、10下、11、12、13上、13、15、16、17上、21、22共计17层，总厚度为21.59m，含煤系数：
0.0431。
本区均属薄煤层，除8、9、10号煤层为复合煤层外，其余为结构简单之煤层，煤层以中东部较西部，南部较北部发育为佳，多数煤层沿走向厚度变化不均，沿倾向由北向南有增厚之势。
本井田已查明可采煤层及局部可采煤层17层，各煤层顶板多数为粉细砂岩，少数为中砂岩。
多数煤层没有伪顶、伪底，个别有伪顶的，其伪顶分岩性为粉砂岩，厚度在1.0m左右，各煤层顶底板平整，只有局部凸凹不平，顶板较完整，裂隙不发育，煤层赋存较稳定，较稳定的煤层储量占总储量的60%，煤层倾角一般在10～25度之间，故将其地质条件定为II类。
1.2.2井田范围内和附近的主要地质构造
双鸭山煤田走向为东西，新安煤矿位于双鸭山煤田东部，兴隆凸起东部边缘上与南部弧形压性断裂有关的煤盆地，盆地由基底和盖层两个截然不同的构造层组成，以褶曲为主，断裂次之，伴随大量中基性岩浆岩侵入的构造特点[2]。
由陡发向斜、保安背斜及向阳向斜组成不对称煤盆地，而新安向斜则为双鸭山煤田北部隆凸起，南侧由于断裂而保存下来的单斜构造，东侧由于断裂而保存下来的煤盆地，地层走向受基盘控制，多为NE及NNE向，倾向S，一般倾角为10°～12°。
断层呈群组出现，破碎带宽，涉及面较广，H>25M的有12条，同一断层浅部落差大，而深部落差减小或尖灭，岩浆岩主要由西向东侵入。
1.2.3煤层与煤质
1.2.3岩石性质和厚度特征
本井田已查明可采煤层及局部可采煤层17层，各煤层顶板多数为粉细砂岩，少数为中砂岩。
多数煤层没有伪顶、伪底，个别有伪顶的，其伪顶分岩性为粉砂岩，厚度在1.0m左右，各煤层顶底板平整，只有局部凸凹不平，顶板较完整，裂隙不发育，煤层赋存较稳定，较稳定的煤层储量占总储量的60%，煤层倾角一般在10～25度之间，故将其地质条件定为II类。
新安矿井田含煤地层，由煤层、煤质页岩、黑色泥岩、油页岩及粉砂岩组成，煤层编号自上而下为20#煤层和21#煤层。
20#煤层厚度1.3m，21#煤厚1.85m。
煤层全区发育，结构简单。
1.3井田水文地质情况
1.3.1水文地质条件
井田地表为第四系含水砂层，砂层下面有基岩裂隙含水层和构造隙含水层，矿井的主要补给源有：
西侧河流补给、西侧和南侧下水径流补给以及大气降水补给和人工排水沟补给。
第四系冲积砂砾潜水层：
该含水层为本区主要含水层，直接覆盖于煤系地层之上，层间无隔水层。
该含水层南北长5.6km，总面积为14k㎡砂层厚度由东北向西南25～60m逐渐加厚，平均厚度为45m，原始潜水位埋深0.36～2.05m，原始地下水静储量为1.29亿m³，砂层透气性系数为34～41m，给水度为0.18。
基岩裂隙含水层：
分为煤系列化层风化带含水层和煤层层间裂隙含水层[1]。
煤层裂隙在第四系层下约20m以上为强风化带，第四系下约60m以上为弱风化带，风化裂隙带导水性强，得到砂层水的直接补给，属风化裂隙潜水，层间裂隙在第四纪层下40～100m煤层底板比较发育在100～200m深度局部发育层间裂隙承压水。
侏罗系含水带，在垂深160m以下为主要含水带，为孔隙、裂隙含水带，二者之间无明显隔水层存在，而有缓慢的水力联系。
第四系：
第四系含水层与地表有直接水力联系，七星河与第四系孔隙水随季节变化的不同相互补给，侏罗系与第四系有微弱的水力联系。
本区有2.1～18.45m粘土覆盖，东部煤层露头外侏罗系上复粘土灭尘。
第三系与第四系和第三系与失罗系有明显的水力联系。
因此河水、第四系水将通过第三系补给予侏罗系成为井田充水主要因素之一。
矿井最大涌水量为1022m³/h，正常涌水量700m³/h。
采区内直接充水含水层主要由侏罗系粗砂岩及砂砾岩微弱的裂隙孔隙承压含水层所组成，虽然粗砂岩疏软多裂隙，但单位涌水量均小于0.0043L/sm，而且煤层顶部有较厚的油页岩、泥岩，含水层间发育着具有良好隔水性能的泥岩、粉砂岩层，所以与地表水以及各主要含水层间无水力联系，故将该井田水文地质条件划分为简单的二类一型。
1.3.2水充水性因数和矿井涌水量
井田地表为第四系含水砂层，砂层下面有基岩裂隙含水层和构造隙含水层，矿井的主要补给源有：
西侧河流补给、西侧和南侧下水径流补给以及大气降水补给和人工排水沟补给。
矿井最大涌水量为1022m³/h，正常涌水量700m³/h。
1.3.3煤尘及煤的自然性
新安矿井田内的两个可采煤层最小厚度1.10m，厚度最大2.08m，煤层平均倾角12°，煤层节理不发育，挥发分含量为35%，有助于煤层气的产生和贮存。
经试验测定，20#煤层和21#煤层密度分别为1.35×10³t/m3和1.39×10³t/m3，煤炭自然发火期最短20天，煤尘爆炸指数为46.37%。
具体参数见表1-1。
表1-1煤层结构与特征表
Tab.1-1Coallayerstructureandfeaturestable
项目
单位
指标
备注
煤层厚度
最大-最小/m
5.76-0.15
煤层倾角
最大-最小/°
5–13
煤层硬度
t
3.0
煤层层理
发育程度
发育
煤层节理
发育程度
不发育
煤
质
灰分Ag%
13.27
挥发分Vr%
35.67
容重t/m3
1.35（1.39）×103
含硫量%
2.22
胶质层厚度Y值
0-7
自然发火期
月
1-3
最短20天
绝对瓦斯涌出量
m3/min
4.8
煤尘爆炸指数
%
46.37
1.4矿井开拓和开采概况
1.4.1井田境界
本井田东以元古麻山群为界，西以中生界上侏罗统鸡西群为界，北以下白垩统系中城子河组为界，南以穆棱组为界。
井田东西长约2.7km，南北长约1.2km，井田面积3.2454km²，生产规模为0.21Mt/a。
1.4.2巷道布置
矿井主采煤层为21#煤层，邻近层为20#煤层。
水平西掘进面开口点在+400水平西运输巷，距+400水平主石门与+400东运输巷交叉全站仪B1点55米。
施工时先掘石门段，方位角3150，坡度为3‰，直到见21﹟煤层，倾向长度约为81米。
方位角为煤层走向，坡度为3‰，长度为530米，施工时要严格按设计施工。
1.4.3井田储量
表1-2可采煤层一览表
煤层
煤层厚度（M）
煤层间距（M）
煤层
倾角
煤层
结构
稳定程度
可采性
顶板岩性
底板
岩性
最大
最小
平均
最大
最小
平均
5
0.8
0
0.65
/
/
/
/
简单
不稳定
局部
粉砂岩
中砂岩
6
1.95
0
1.10
34.6
20.1
27
8-45
简单
不稳定
局部
中砂岩
粉砂岩
8上
2.60
0.20
1.45
46
21
33.8
8-45
简单
不稳定
局部
中砂岩
粉砂岩
8
5.35
0.20
2.00
34
0
22
8-49
复
较稳定
大部分
中粗砂岩
细砂岩
9
3.50
0.15
4.50
25
2
20
8-48
复
较稳定
大部分
中细砂岩、粉砂岩
凝灰质粉砂岩
10上
3.25
0
1.50
20.7
3
17
8-46
简单
较稳定
大部分
中砂岩
中砂岩
10
5.76
0.45
4.03
6.25
0.7
4.5
7-44
复
较稳定
大部分
中粗砂岩
细砂岩
10下
1.20
0
0.85
9.8
0.7
5.5
6-15
简单
较稳定
局部
粉砂岩、炭粉砂岩
中砂岩
10下1
2.05
0
1.50
8
3
4
7-43
简单
不稳定
局部
含炭泥岩及粉砂岩
中砂岩
12
2.20
0
1.15
46
17
30
8-45
简单
较稳定
局部
细砂岩,粉砂岩
细砂岩
13上
1.25
0
0.65
50.6
28
34
8-40
简单
较稳定
局部
粉砂岩
粉砂岩
13
2.20
0
1.140
15
5
9
8-40
简单
较稳定
局部
细砂岩
砂质互层
15
0.80
0
0.65
28.4
16.35
22
/
简单
较稳定
局部
细砂岩
细砂岩
16
2.40
0
0.95
14.6
9.3
12
8-44
复
较稳定
局部
粉砂岩
粉砂岩
17上
1.10
0
0.70
15.6
7.15
11
/
简单
较稳定
局部
细砂岩为主
细砂岩
20
2.08
1.62
1.30
67
41
54
27-33
简单
较稳定
局部
粉砂岩
细砂岩
21
1.50
1.10
1.85
56.4
13.3
40
8-12
简单
较稳定
局部
粉砂岩
粉砂岩
储量计算公式Q=SMd
t/m³
㎡
m
新安煤矿井田工业储量为19.8193Mt，可采储量为11.1116Mt
1.4.4开采顺序
逐层开采，新安煤矿的采取上行式开采顺序先采20#煤层再采21#煤层。
1.4.5开采概况
新安一矿设计生产能0.21Mt/a，设计服务年限为90年。
新安矿工业广场布置在井田的储量中心，且地势比较平坦处。
煤层埋藏最深为-550m，所以井田采用立井开拓，井筒数目为主井、副井、风井三个井筒，井筒标高+80米。
新安煤矿采用单一走向长壁后退式采煤方法，矿井的通风方式采用中央并列式通风，风井设在井田范围内，由副井入风，主井辅助入风。
经井底车场里至各同回风地点后，乏风有风井排出地面。
采区采用抽出式，回风由采区主要扇风机排出地面，经计算工作面供风量为1500m³/min。
井底车场采用立式车场，井田划分为3个阶段，1个开采水平，5个采区，采区分别为E1、E2、E3、W1和W2，首先进行W1采区的煤炭开采，因而本设计针对W1采区的工作面进行瓦斯抽采设计。
由于煤层倾角较小，所以采用帯区开采。
运输大巷和回风大巷均布置在岩层中，维护方便，带区工作面长度800m，日生产量为1500t，日推进量5.04m，运输方式采用皮带运输。
1.4.6矿井生产能力
2007年省批复核定能力210万t/a，在2008年同时又重新申报核定能力为240万t/a。
1.4.7矿井设计和服务年限
截至2006年末矿井剩余工业储量19819.3万t，可采储量11116万t，尚余服务年限为37.8年（按年生产能力210万t/a、储量备用系数取1.4计算）。
截止2013年底矿井剩余可采储量9864.5万t，剩余服务年限28年。
经过地质补勘探调查，煤层厚度稳定，质量好，具有较好的开发前景。
1.5矿井通风系统概况
1.5.1矿井瓦斯等级
新安煤矿在2006年前属于低瓦斯矿井，在2006年正式被定为高管矿井。
在2007年矿井瓦斯鉴定结果为：
矿井绝对瓦斯涌出量：
16.33m³/min；
矿井相对瓦斯涌出量：
15m³/t。
1.5.2原有通风系统简述
采区为中央并列抽出式，由副井入风，主井辅助入风。
经井底车场里至各同回风地点后，乏风有风井排出地面。
采区采用抽出式，回风由采区主要扇风机排出地面，经计算工作面供风量为1500m³/min。
根据：
（1）应有利于加快矿井建设速度，技术经济合理，生产安全。
（2）必须符合《煤矿安全规程》和《煤炭工业设计规范》有关规定。
（3）通风系统简单、风流稳定、易于管理。
（4）通风费用少，后期通风合理。
1.5.3主扇情况
工作主扇与备扇有关参数如表1-3所示：
表1-3工作主扇与备扇参数表
型号
风量（m3/min）
全压
（Pa）
静压
（Pa）
转速
（r/min）
电机功率
（kw）
主扇
BDK-8-No28
8265
3042
707
1450
18.5
备扇
BDK-8-No28
8265
2946
707
1450
18.5
1.5.4矿井通风阻力和测定情况
矿井通风阻力的大小是选择通风设备的主要依据，所以，在选择矿井主要通风机之前，必须首先计算通风总阻力。
按照经过巷道时产生阻力的方式不同，可分摩擦阻力和局部阻力。
摩擦阻力一般占通风阻力的90%左右，它是矿井通风设计选择主要通风机的主要参数。
1）计算公式：
h阻=∑h摩+∑h局
（1）通风阻力公式：
R——局部风阻，Ns²/m8；
Q——风量m³/s。
（2）风速公式：
Q——风量，m³/s；
S——井巷断面积，m²。
（3）风速阻力公式：
——摩擦阻力系数
——巷道长度，m；
——巷道断面面积，m²。
（4）巷道断面周长公式：
U——井巷断面周长，m；
C——断面形状系数：
梯形＝4.16；半圆拱＝3.90；
S——井巷断面积，m²。
2）矿井通风阻力容易时期最大风路的阻力计算
H阻小=653.95Pa
H阻大=1113.47Pa
1.5.5矿井风量情况
采区采用抽出式，回风由采区主要扇风机排出地面，经计算工作面供风量为1500m³/min。
1.5.6矿井风量调节的方法和措施
当矿井总风量确定后，首先按照采区布置图给各回采工作面、掘进面、硐室分配用风量；
从总风量中减去各回采工作面、掘进面、硐室用的风量，余下的风量按采区产量、采掘面数目、硐室数目等分配到各采区。
再按一定比例将这部分风量分配到其他用风点。
用于维护巷道和保证行人安全。
2矿井瓦斯赋存情况
2.1煤层瓦斯基本参数
煤层瓦斯基本参数包括：
瓦斯风化带深度、煤层瓦斯压力、煤层瓦斯含量、煤的残存瓦斯含量、煤的孔隙率、瓦斯含量分布梯度、煤层透气性系数、抽采钻孔影响半径、百米钻孔瓦斯流量及其衰减系数等[6]。
对于以上参数的确定，根据《AQ1027-2006煤矿瓦斯抽采规范》第5.2.2条规定：
新建矿井瓦斯抽采工程设计应以批准的精查地质报告为依据，并参照邻近或条件类似生产矿井的瓦斯资料；改（扩）建及生产矿井应以本矿地质、瓦斯资料为依据。
2.1.1煤层瓦斯压力
20#煤层的瓦斯压力为0.27MPa，21#煤层的瓦斯压力为0.29MPa、20#煤层瓦斯含量9.65m³/t，21#煤层瓦斯含量10.17m³/t。
2.1.2煤层瓦斯含量
20#煤层瓦斯含量9.65m³/t，21#煤层瓦斯含量10.17m³/t。
2.1.3煤层渗透气性系数
新安煤矿20#煤层透气性系数为4.79m²/MPa²·d，21#煤层透气性系数为5.42m²/MPa²·d。
2.1.4百米钻孔自然瓦斯涌出量及衰减系数
钻孔瓦斯流量衰减系数为
20=0.049d-1。
21=0.062d-1
2.1.5采区位置范围
煤层的直接顶板主要由黑褐色油页岩组成。
结构致密、细腻、无裂隙，厚度一般在10~30米之间，平均20米左右。
煤层直接底板主要由灰黑色泥岩和灰白色粉、细砂岩所组成。
结构较细致，质软。
其厚度变化西南薄5~6米，东北厚约10米以上，一般5~10米左右。
围岩瓦斯储量系数取定为0.08。
2.2矿井瓦斯储量计算
根据《MT5018-96矿井瓦斯抽采工程设计规范》第3.0.1条规定，矿井瓦斯储量应为矿井可采煤层的瓦斯储量、受采动影响后能够向开采空间排放的不可采煤层及围岩瓦斯储量之和。
可按下式计算：
（2-1）
式中，W—矿井瓦斯储量，Mm3；
W1—可采煤层的瓦斯储量，Mm3；
W2—受采动影响后能够向开采空间排放的各不可采煤层的瓦斯储量，Mm3；
W3—受采动影响后能够向开采空间排放的围岩瓦斯储量，Mm3。
（1）可采煤层的瓦斯储量W1
（2-2）
式中，A1i—矿井可采煤层i的地质储量，Mt
公式：
本设计采区面积为1.18km²，采区内包含二层煤，其中20#煤层煤厚1.3m，21#煤层煤厚1.85m，平均煤厚1.5m，容重取1.38，煤层平均倾角12°。
20#煤层储量=（采区面积×煤厚×容重）/cos12°=2.0709/0.978=2.11Mt
21#煤层储量=（采区面积×煤厚×容重）/cos12°=3.03/0.978=3.10Mt
采区工业储量=2.11+3.10=5.21Mt
X1i—矿井可采煤层i的瓦斯含量，m3/t，
20#煤层X20=9.65m³/t，21#煤层X21=10.17m³/t
Mm³
（2）受采动影响后能够向开采空间排放的各不可采煤层的瓦斯储量W2
（2-3）
式中，A2i—受采动影响后能够向开采空间排放的不可采煤层的地质储量，Mt；
X2i—受采动影响后能够向开采空间排放的不可采煤层的瓦斯含量，m3/t；
受采动影响后能够向开采空间排放的不可采煤层的地质储量
主要是保护煤柱，回采率为5%，根据资料显示，该采区不可采资源量为：
W2=W20=2.11Mt×9.65m³/t×5%×2=2.03615Mm3
（3）受采动影响后能够向开采空间排放的围岩瓦斯储量W3
（2-4）
式中，K—围岩瓦斯储量系数，取0.08。
综上
Mm³
按上式计算得出煤层的瓦斯储量及可抽量，数据记录见表2-1所示。
表2-120#、21#,煤层瓦斯储量及可抽量计算结果汇总
煤层
工业储量/Mt
设计资源储量/Mt
可采储量/Mt
瓦斯储量/Mm³
20#
2.11
1.899
2.11
20.3615
21#
3.10
2.79
3.10
31.527
2.3瓦斯可抽采量和抽采期
2.3.1矿井瓦斯抽采率
根据《GB50471—2008煤矿瓦斯抽采工程设计规范》第4.0.3条规定：
设计瓦斯抽采率，可根据煤层瓦斯抽采难易程度、瓦斯涌出情况、采用的瓦斯抽采方法等因素综合确定，也可按邻近生产矿井或条件类似矿井数值选取；并应符合国家现行标准《煤矿瓦斯抽采基本指标
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