13工作面瓦斯抽采设计.docx
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13工作面瓦斯抽采设计
120503工作面瓦斯抽采设计
根据矿生产接替安排，120503工作面预计2013年3月回采，为加强该面瓦斯管理，防止工作面回采过程中瓦斯超限，拟对该工作面进行瓦斯抽采，根据《煤矿安全规程》、《瓦斯抽采管理规范》、《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》等，编制本设计。
第一章120503工作面概述
一、工作面位置、范围、与邻区及地表关系：
120503综采工作面位于XX煤矿1205采区。
该工作面东临F32断层,西近5煤集中上山，南为5煤未开采区域，北靠120502设计工作面。
本工作面西部上方有东二8煤采区集中上山、120802和120803采空区，其中工作面瓦斯抽排巷外段过8煤轨道上山和8煤第二中部车场时，最小法距仅1.3m和3.4m。
该工作面为设计走向长壁开采，设计轨道顺槽可采走向长为1472.3m（平距），预计轨道顺槽5煤开采底板标高为-667.1～-628.5；设计胶带顺槽可采走向长为1489.5m（平距）,预计胶带顺槽开采底板标高为-756.3～-716.8；设计工作面切眼净宽为296.0m；工作面平面积约为437987.1m2，工作面平均倾角为16.3°，故该工作面平均可采斜面积约为456329.1m2。
该工作面对应地表为采煤塌陷区，地表标高为+24.8～+25.2m。
该工作面附近有二十65、抽水2、和116钻孔，从工作面平面图上看，XX煤矿13勘探线和15勘探线分别从该工作面东部和中部穿过。
二、地质构造：
120503综采工作面东临F32断层,其产状为：
100～110°∠70～77°H=0～15m,1205采区西边界为F19断层，其产状为270～330°∠38～60°H=130～160m。
本工作面整体位于F19和F32两条断层之间，工作面内地层总体形态为一单斜构造，煤岩层走向80～100°,走向上起伏较小，倾向170～190°,倾角15～18°,平均倾角为16.3°，该工作面近煤层走向布置。
根据实测和相关物探资料综合分析:
F19断层对本工作面掘进无影响；F32断层切割层位为13-1煤～1煤，延展长度1.5km，根据以往资料，在该断层附近发育有次生小构造，对工作面切眼的位置布置及掘进有一定的影响。
120503工作面轨道顺槽紧邻120601工作面胶带顺槽；120503工作面轨道顺槽上方为120802工作面采空区，120503工作面胶带顺槽上方为120803工作面采空区。
根据120601、120802、120803工作面实测地质资料，预计对本工作面掘进有影响的断层有8条,详见下表。
表1影响本工作面掘进断层一览表
断层名称
性质
倾向
（°）
倾角
（°）
落差
（m）
对工作面掘进的影响
F32
正
100～110
70～77
0～15
对切眼布置及掘进有一定影响
f120601-6
逆
186
68
0～4
对轨道顺槽掘进可能有影响
f120601-8
正
213
37
0～6
对轨道顺槽掘进可能有影响
f120601-9
正
30
55
0～6
对轨道顺槽掘进有一定影响
f120802-7
正
184～215
50
0～11
对瓦斯抽排巷掘进有一定影响
f120802-9
正
210
65
0～9
对轨道顺槽掘进可能有影响
f120802-12
逆
194
45
0～4
对轨道顺槽掘进可能有影响
f120802-19
正
324
30
0～10
对轨道顺槽掘进可能有影响
三、煤层及顶底板特征：
按中国煤炭科学院顶板分类法，本区5煤层直接顶板稳定性见下表。
表25煤直接顶板稳定性分类表
煤层
实测值
直接顶板分类
岩性
抗压强度（Mpa）
岩性
厚度（m）
稳定程度
5
泥岩
13.24～44.33
泥岩为主
泥岩0.43～4.47
不稳定～中等
砂质泥岩
1.77
砂质泥岩0.70～12.55
不稳定
（一）煤层顶底板特征：
本区5煤层处于多煤层组成的煤层群之中，上距6-1煤最大间距9.5m，最小3.2m，平均层间距6.5m，6-1煤均厚1.51m；本区5-1煤普遍发育，均厚1.83m，距5煤平均间距1.22m；5煤下距4煤平均间距9.06m，4煤均厚0.6m。
上述各煤层之间，赋存有泥岩、砂质泥岩、细砂岩等。
其中，泥岩、砂质泥岩抗压强度较弱，稳定性较差。
本工作面5煤很少有伪顶，直接顶均为泥岩，局部为砂质泥岩。
直接顶泥岩，深灰色,致密块状,含有植化碎片,耳羽叶,滑面及纵向裂隙发育，局部含菱铁结核，平均厚度为1.85m。
老顶多为砂质泥岩及粉、细砂岩，稳定性好。
5煤直接底板为砂质泥岩，局部为泥岩。
直接底砂质泥岩，深灰色,致密块状,含砂质较多,层面见有白云母片及炭化植物根茎碎片。
平均厚度为1.22m。
详见120503工作面地层综合柱状图。
（二）煤层特征及其分布情况：
5煤：
黑色，块状、条带状、片状，弱玻璃光泽，暗煤～亮煤，夹镜煤条带，半暗～半亮型煤，工作面东北部煤层局部出现变薄后，向东逐渐增厚。
根据XX煤矿矿井地质报告：
5煤灰分7.86～36.57％，平均17.95％，挥发分35.43～40.98％，平均37.79％，水分0.68～3.88％，平均1.83％，空干基全硫0.19～0.95％，平均0.42％，属低灰、高挥发份、低硫～特低硫、低磷～特低磷、中等发热量的气煤。
可作电力、配焦、化工、锅炉和生活用煤。
120503工作面共测定5煤瓦斯参数24次，测定瓦斯含量24次，其中瓦斯含量最高是4.6780m3/t；测定煤的坚固性系数24次，其中最小是0.62。
四、采煤方法
根据地质条件及我矿机械化开采状况，该面采用走向长壁采煤法，综合机械化工艺回采，顶板管理采用全部垮落法。
五、开采技术条件：
1、瓦斯
根据中煤科工集团重庆研究院《7、6、5、4煤层煤与瓦斯突出危险性鉴定报告》XX矿东二采区F19断层以东至F30断层以西、-785.0m水平以浅5煤层鉴定为非突出煤层。
井下测试地点
可解析瓦斯含量Wa（m3/t）
常压吸附瓦斯含量Wc（m3/t）
煤层瓦斯含量W（m3/t）
标高（m）
120503胶带顺槽W11点前15米处
3.5492
0.8627
4.4119
-750.0
120503轨道顺槽J19点前38米处
1.6219
0.8627
2.4846
-645.5
120503胶带顺槽W11点前35米处
2.7744
0.9323
3.7067
-751.0
120503胶带顺槽W12点前56米处
3.4674
0.9323
4.3997
-752.5
120503轨道顺槽J20点前71米处
1.8034
0.9144
2.7178
-644.0
120503胶带顺槽W15点前92米处
3.5375
0.9323
4.4698
-751.0
120503轨道顺槽J22点前20米处
1.8198
0.8968
2.7166
-636.4
120503胶带顺槽W16点前165米处
2.9147
0.9144
3.8291
-754.0
120503轨道顺槽J23点前39米处
1.4595
0.8968
2.3563
-630.0
120503胶带顺槽W21点前40米处
3.0380
0.9144
3.9524
-774.0
120503工作面切眼J26点前110米
2.1457
0.8968
3.0425
-693.0
120503胶带顺槽W21点前133米处
3.2473
0.9144
4.1617
-755.0
120503工作面切眼J26点前143米
1.9696
0.8968
2.8664
-701.5
120503工作面切眼J27点前74米处
2.3251
0.9144
3.2395
-705.0
120503胶带顺槽W23点前118米处
3.2258
0.9323
4.1581
-758.0
120503胶带顺槽W23点前171米处
3.5771
0.9323
4.5094
-755.0
120503胶带顺槽W26点前11米处
3.7457
0.9323
4.6780
-753.1
120503胶带顺槽W26点前126米处
3.0162
0.9323
3.9485
-748.0
120502胶带顺槽J12点前50米处
2.1698
1.1777
3.3475
-666.5
120502胶带顺槽J12点前80米处
2.5483
1.1777
3.7260
-662.8
120502胶带顺槽J13点前90米处
1.5879
1.3068
2.8947
-663.6
120502胶带顺槽J15点前80米处
2.1128
0.8627
2.9755
-659.0
120502胶带顺槽J16点前56米处
1.8830
0.8627
2.7457
-648.0
120503轨道顺槽J17点前63米处
1.9221
0.8627
2.7848
-645.0
瓦斯含量及工作面回采期间瓦斯涌出量预测：
（1）在120503胶带顺槽、轨道顺槽施工24个取样钻孔进行取样分析，最大地点为120503胶带顺槽W11点前15米处，该处取得的煤样，可解析瓦斯含量为Wa=3.5492m3/t。
（2）120503回采工作面瓦斯涌出量预测用相对瓦斯涌出量表达，以24h为一个预测圆班，采用式分源预测法预测：
=
+
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；
——临近层相对瓦斯涌出量，m3/t。
式中：
k1——围岩瓦斯涌出系数；k1值选取范围为1.1～1.3；本工作面采用全部陷落法管理顶板，k1取1.1；
k2——工作面丢煤瓦斯涌出系数，用面回采率的倒数来计算，K2=1/0.97=1.03;
k3——采区内准备巷道预排瓦斯对开采层瓦斯涌出影响系数，k3=（L-4H）/L=（320-4×10）/320=0.875；
m——开采层厚度，4.20m；
M——工作面平均采高，4.5m;
W0——煤层原始瓦斯含量，m3/t，根据实验室测定值取3.7457m3/t；
WC——运出矿井后煤的残存瓦斯含量，m3/t，取0.9323m3/t。
带入式中计算的
=1.1×1.03×0.875×4.20/4.5×（3.7457-0.9323）=2.60m3/t；
由1205采区综合柱状图知顶板赋存有6煤，距5煤平均距离约7.8m。
5煤底板先下约8.35m处为4煤，4煤层实测瓦斯含量为3.0321m3/t。
同时5煤顶板还有7煤、6-2煤，分别距5煤约35m、13m。
邻近层瓦斯涌出量采用下式计算：
式中：
mi——第1个邻近层4煤厚度，1.5mmi
第2个邻近层6-1煤厚度，1.35m
第3个邻近层7煤层厚度1.15m；
第4个邻近层6-2煤层厚度0.61m；
M——第1个邻近层4煤工作面采高，1.5m；
第2个邻近层6-1煤工作面采高，1.7m；
第3个邻近层7煤层采高1.5m；
第4个邻近层6-2煤层采高1m；
ηi——第1个邻近层4煤瓦斯排放率，12%；
第2个邻近层6-1煤瓦斯排放率，20%；
第3个邻近层7煤层瓦斯排放率，12%；
第4个邻近层6-2煤层瓦斯排放率，15%；
Woi——第1个邻近层煤层4煤原始瓦斯含量，3.0321m3/t；
第2个邻近层煤层6-1煤原始瓦斯含量，3.6430m3/t；
第3个邻近层7煤层原始瓦斯含量，3.2548m3/t；
第4个邻近层6-2煤层原始瓦斯含量，2.3051m3/t；
Wci——第1个邻近层煤层4煤层残存瓦斯含量，0.9664m3/t。
第2个邻近层煤层6-1煤层残存瓦斯含量，0.8796m3/t。
第3个邻近层7煤层残存瓦斯含量，0.8462m3/t；
第4个邻近层6-2煤层残存瓦斯含量，0.8476m3/t。
带入式中计算得
=1.5/1.5×12%×（3.0321-0.9664）+1.35/1.7×20%×（3.6430-0.8796）×+1.15/1.5×12%×（3.2548-0.8462）+0.61/1.7×15%×（2.3051-0.8476）=0.99m3/t。
预抽后开采层相对瓦斯涌出量:
=2.60×（1-20%）=2.08m3/t
q采=q1+q2=2.08+0.99=3.07m3/t,即工作面回采期间相对瓦斯涌出量为3.07m3/t，根据年度生产计划，120503面日产煤9500吨，绝对瓦斯涌出量为:
W=3.07×9500/1440=20.25m3/min
2、煤尘爆炸性试验
据中煤科工集团重庆研究院做的《XX煤矿7、6、5、4煤层煤与瓦斯突出危险性鉴定报告》可知：
5煤煤尘有强爆炸性。
3、煤的自燃倾向性
根据中国矿业大学安全学院做的《XX煤矿5煤突出危险性预测报告》，5煤为自燃煤层。
根据淮南矿井资料,其自燃发火期为3～6个月。
4、地温
据精查地质报告，该面埋藏较深，工作面原始岩温在35.9～38.1℃。
第二章工作面瓦斯抽采设计
一、本煤层瓦斯储量及可抽量
（1）、地质储量
Q=A·M·D×10-4
Q----储量（万吨）
A----煤层斜面积（m2）
M----煤层采用厚度（m）
D----煤层平均容重（t/m3）
工作面
煤层
斜面积（m2）
倾角
（°）
平均煤厚（m）
容重
（t/m3）
地质储量
（万吨）
回采率
（%）
可采储量
（万吨）
120503
5
456329.1
16.3
4.03
1.39
255.6
93
237.7
瓦斯储量=地质储量×平均瓦斯含量=255.6×3.5051=895.9万m3
（2）、可抽量＝平均可解析瓦斯储量×抽采率＝255.6×2.5609×65%＝425.47万m3
二、瓦斯抽采的必要性和可行性
（1）、根据工作面瓦斯涌出量预测，120503工作面绝对涌出量为20.25m3/min，大于5m3/min，仅靠通风难以解决瓦斯问题。
根据《煤矿抽采瓦斯规范》、《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》规定，实行瓦斯抽采是必要的。
（2）、本煤层瓦斯含量较大，瓦斯储量为895.9万m3，可抽瓦斯量425.47万m3，瓦斯含量高，具有抽采价值。
综上分析，该工作面实行瓦斯抽采是必要和可行的。
三、抽采方法的选择
根据120503工作面现布置情况，地质条件、煤体的赋存条件，回采时的瓦斯涌出情况及钻机施工钻孔能力等，采用高抽巷抽采、上隅角埋管抽采等方法综合抽采瓦斯，抽采工作面回风侧采空区、上隅角瓦斯，预计工作面平均瓦斯抽采率65%；如果工作面绝对涌出量低于15m3/min，预计工作面平均瓦斯抽采率40%。
四、抽采方法简介
1、上隅角埋管抽采瓦斯：
对上隅角充填密闭，将3根3吋吸排软管穿过密闭墙，伸入长度5m、3m、1m，其进气口紧贴巷道顶部，每次移架后，拆除最长一路抽采软管6m，另外两路抽采软管不动，使每路管路相错2m，依此类推。
将吸排软管另一端接入瓦斯抽采管路系统中，利用抽采负压作用抽采上隅角里侧采空区瓦斯。
过高抽巷联巷期间或者瓦斯涌出异常时，可视瓦斯情况，适当增加上隅角吸排管路的数量。
2、两顺槽顺层钻孔预抽煤层瓦斯：
在两顺槽停采线外20m处施工第一个巷帮钻场，向工作面每隔40m施工一个钻场，共施工56个巷帮钻场，其中轨道顺槽26个，胶带顺槽30个。
在每个钻场中施工11个顺层预抽钻孔，钻孔沿煤施工，呈扇形布置，长孔5个，短孔6个，轨道顺槽长孔与胶带顺槽长孔钻孔压茬10m，钻孔孔口下24m封孔管，采用聚氨酯封孔，封孔深度不得小于20m。
将封孔管接入瓦斯抽采管路系统中，利用抽采负压作用抽采煤层中瓦斯。
钻孔必须按设计的方位、角度施工到位，钻孔必须严格验收。
顺层钻孔抽采管路抽采负压不得低于13KPa。
3、高抽巷抽采瓦斯：
该巷道从120503轨道顺槽拨门，拨门坐标为x=33352.619，y=33164.937，按方位角165°,0‰坡度施工29.65m，拐弯按照85°方位角施工5m平巷后起坡按18°上山施工，高抽巷端头在工作面切眼正上方，高抽巷距5煤层约29～32m，在距高抽巷拨门不超过5米施工防爆墙。
封闭一定要严实不漏气。
工作面回采时，先在里段高抽巷上平台30米处进行封闭，连接到∅325瓦斯管路进行抽采，当工作面回采到距离里段高抽巷联巷100米前，对外段高抽巷进行封闭抽采。
高抽巷抽采管路抽采负压不得低于5KPa。
120503面抽采钻孔设计图见图三。
五、抽采瓦斯效果预计
根据合肥煤炭设计院资料，结合《煤矿瓦斯抽采规范》、《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》的规定，工作面瓦斯抽采率取65%。
该工作面总抽采量预计将达425.47万m3。
六、瓦斯治理效果核定
120503工作面绝对涌出量最大为20.25m3/min，抽采率预计为65%。
抽采量为20.25m3/min×65%=13.16m3/min，预计高抽巷抽采管路内瓦斯浓度为20%，胶带顺槽、轨道顺槽顺层钻孔抽采管路内瓦斯浓度为5%，上隅角埋管抽采管路内瓦斯浓度为2%，高抽巷抽采采用∅426管路，顺层钻孔抽采及上隅角埋管抽采采用1趟∅325管路及2趟∅219管路，∅426管路经济流量为94.10m3/min，∅325管路经济流量为44.98m3/min，∅219管路经济流量为19.8m3/min，因此151303工作面抽采纯流量为44.98×5%+（19.8+19.8）×2%+94.10×20%=21.86m3/min，大于需要抽采的纯瓦斯量13.16m3/min，满足抽采要求。
风排瓦斯量为20.25m3/min-13.16m3/min=7.1m3/min，预计该工作面回采期间配风量为2003m3/min，回风瓦斯浓度为7.1m3/min÷2003m3/min=0.35%，满足通风要求。
因此，通过通风及瓦斯抽采措施能够满足120503工作面瓦斯治理的需要。
第三章瓦斯抽采系统布置、参数、设备选择
120503工作面瓦斯抽采系统为东区地面永久抽采系统，低负压抽采系统使用东区瓦斯抽采泵站3#、4#瓦斯抽采泵中的其中一台，另一台备用；高负压抽采系统使用东区瓦斯抽采泵站1#、2#瓦斯抽采泵中的其中一台，另一台备用，高浓度抽采泵及低浓度抽采泵均采用2BEY-67型水环真空泵，配套电机功率560kw，单台泵额定流量415m3/min。
一、抽采管路系统
低负压抽采系统
120503高抽巷抽采→120503面高抽巷联巷（Ф426螺旋焊管,80m）→5煤回风上山及下口联巷（Ф426螺旋焊管,420m）→回风二石门及联巷（Ф426螺旋焊管,350m）→回风三石门及联巷（Ф630螺旋焊管,972m）→东区瓦斯抽采泵站地面钻孔（Ф550螺旋焊管，800m）→地面永久瓦斯抽采泵站（Ф630螺旋焊管，120m）。
120503面上隅角埋管抽采→120503轨道顺槽（Ф219螺旋焊管，1210m）→120503面高抽巷联巷（Ф426螺旋焊管,80m）→5煤回风上山及下口联巷（Ф426螺旋焊管,420m）→回风二石门及联巷（Ф426螺旋焊管,350m）→回风三石门及联巷（Ф630螺旋焊管,972m）→东区瓦斯抽采泵站地面钻孔（Ф550螺旋焊管，800m）→地面永久瓦斯抽采泵站（Ф630螺旋焊管，120m）。
高负压抽采系统
120503胶带顺槽巷帮钻场顺层钻孔抽采→120503胶带顺槽及回风联巷（Ф219螺旋焊管，1450m）→5煤回风上山下口联巷（Ф325螺旋焊管，55m）→回风二石门及联巷（Ф325螺旋焊管,525m）→回风一石门（Ф630螺旋焊管,880m）→中央风井（两趟Ф426螺旋焊管并联,800m）→地面永久瓦斯抽采泵站（Ф820螺旋焊管,120m）。
120503轨道顺槽巷帮钻场顺层钻孔抽采→120503轨道顺槽及回风联巷（Ф325螺旋焊管，1290m）→5煤回风上山及下口联巷（Ф325螺旋焊管420m）→回风二石门及联巷（Ф325螺旋焊管,525m）→回风一石门（Ф630螺旋焊管,880m）→中央风井（两趟Ф426螺旋焊管并联,800m）→地面永久瓦斯抽采泵站（Ф820螺旋焊管,120m）。
120503工作面使用到的抽采管路总长为10132m。
在120503轨道顺槽回风联巷Ф325管路上、120503胶带顺槽Ф219管路上和高抽巷Ф426管路上各安装抽采监控装置V锥流量计一套，用以显示上隅角埋管抽采及高抽巷抽采负压、流量、压差、瓦斯浓度、一氧化碳浓度等数据。
所有V锥流量计处安装调校用的孔板计量装置一套，包含U型压差计、孔板、负压表等装置，且V锥流量计与孔板流量计每旬进行一次调校。
120503工作面瓦斯分源抽采管路布置设计图见图三。
二、抽采管路系统的阻力计算
（1）不同管径的管路允许通过的流量计算（按最大流量考虑）
管道直径按下式计算。
D=0.1457（Q/V）1/2
式中，D----管道内径，m
Q----瓦斯流量，m3/min
V----管内气体流速，m/s（一般取5-15m/s，此处主管路取15m/s，干管路取12m/s，支管路取10m/s）
则，Q=（D/0.1457）2*V
计算得，支管路Q219=19.80m3/min（Ф219螺旋焊管内径0.205m）
支管路Q325=44.98m3/min（Ф325螺旋焊管内径0.309m）
干管路Q426=94.10m3/min（Ф426螺旋焊管内径0.408m）
主管路Q426=117.62m3/min（Ф426螺旋焊管内径0.408m）
主管路Q550=198.48m3/min（Ф426螺旋焊管内径0.530m）
主管路Q630=210.34m3/min（Ф630螺旋焊管内径0.610m）
主管路Q820=361.78m3/min（Ф820螺旋焊管内径0.800m）
（2）摩擦阻力计算公式如下；
H=9.81*LρQ2/（KD5）
式中H----摩擦阻力，Pa
L----管路长度，m
ρ----瓦斯比重，
ρ高=1-0.446*10%=0.9420（混合浓度按13%考虑）
ρ低=1-0.446*2%=0.9911（混合浓度按2%考虑）
Q-----管道内流量，m3/h（按管路最大流量考虑）
D-----瓦斯抽采管内径，cm
K-----系数，（管路内径大于150mm时取0.71）
在低负压抽采系统中，高抽巷抽采及上隅角埋管抽采采用同一路管路，因此主管路长度相同的情况下，干支管管路越长越小，摩擦阻力越大，因此120503面上隅角抽采管路摩擦阻力即为120503面低负压抽采系统摩擦阻力为：
第一段：
120503工作面轨道顺槽Ф219管路段，L=1210m，ρ=0.9911，Q=1187.8m3/h，D＝20.5cm，K=0.71
则H1=9.81×1210×0.9911×1187.82/（0.71×20.55）
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