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1、矿井瓦斯课程设计指导书提交矿井瓦斯防治课程设计任务书及指导书辽宁石油化工大学顺华能源学院安全工程专业二O一四年五月第一部分 设计任务书一、 设计题目及已知条件本课程设计题目：晓明矿N2815（307、609）工作面瓦斯抽放工程设计。1）前言（1） 设计的基础条件辽宁省铁法晓明煤矿是一个年产1.2（1.8、2.4）Mt的矿井，自矿井进入二水平生产以来，矿井瓦斯涌出量呈逐年上升的趋势。自2001年以来，历年矿井瓦斯等级鉴定均为高瓦斯矿井。近来，矿井部分工作面采煤方式由原来的普采及炮采转变为综采开采，回采工艺随之变化，引起上隅角瓦斯浓度常常超限。为了防止瓦斯事故的发生，保证安全生产，矿方上下一致认为

2、必须建立瓦斯抽放系统对煤层瓦斯进行抽放，并进行N2815（307、609）工作面瓦斯抽放的初步设计及上隅角瓦斯综合治理。（2）设计的主要依据1. 晓明煤矿煤层瓦斯基础参数测试结果；2. 晓明煤矿井田精查地质报告； 1 矿井概况1.1 交通位置辽宁省铁法晓明煤矿矿区位于辽宁省调兵山市西南方，距调兵山市约10km，行政区划属调兵山市。其范围西北基本以1剖面为界，西南为浅部小窑采空区边界，东北以3号煤层470m等高线为界，东南以马家沟F1断层为界，形状呈菱形，面积约10.5km2。晓明煤矿交通十分便利，公路与铁路专用线直达铁岭，并与全国交通网接轨。1.2 地形地貌、水文、气象1.2.1 地形地貌井田

3、地形最高点在聂家山，标高1150.17m，最低点在水峪沟、南塞沟一带，标高870m，地形的沟谷为350m。基岩沟谷极其发育，地形比较破碎，沟谷大致呈东西向延伸。井田内有一些蹀形的不规则的洼地，是陷落柱在地表的一种显示。1.2.2 水文 井田属辽河水系，水文条件比较简单，无常年性的地表水体。仅有几条较大的沟谷，暴雨时可形成湍急的洪流，因其地形坡降较大，泄洪很快，暴雨后不足一小时就泄完。1.2.3 气象 井田地处辽河平原北部，属大陆性季风气候。多年平均气温10.1，极端最高气温39.4，极端最低气温-25.5，最大冻结深度0.81.0m，多年平均降水量412.0mm，年最大降水量586.6mm（1

4、996年），年最小降雨223.8mm（1981年），年平均蒸发量1559.7mm，为年平均降水量的3.78倍。多年年平均气压927.8hPa，冬春多西北风，最大月平均风速5.2m/s（4月份）。年相对湿度57.8%。1.3 煤田地质特征井田位于铁法煤田西南部边缘中段，官地背斜的东翼，由老到新依次出露石炭系上统太原组，二迭系下统山西组、下石盒子组，上统上石盒子组，在各时代地层之上，堆积新生界上第三系上新统及第四系地层。井田含煤地层主要为石炭系中统太原组及二迭系下统山西组，在本溪组及下石盒子组仅含几层煤线。其沉积特征是由滨岸三角洲到滨海平原，且以三角洲为主体的典型海陆交互相沉积煤系。1.3.1 区

5、域构造 铁法地区从整体上看，为一个正地形的近南北向复式向斜构造，西翼陡，东翼缓，北端翘起碳酸盐岩裸露，向南倾没碳酸盐岩深埋。1.3.2 井田断裂构造 井田位于西山官地背斜的东翼。地层总的走向为NWW，倾向NE，倾角多为812，属于缓倾斜单斜构造，在断层附近由于受断层牵引，地层倾角变大。井田内断裂较为发育，多数为高角度的正断层，小断层繁多，且以NE走向断裂为主。从地表及二水平巷道及采掘工作面观察分析，一些大型的断裂与其旁侧的小断裂有一定的分布规律，且一水平的断裂与二水平有一定的延续性，一、二水平构造的发育具有相同的规律性。1.3.3 井田褶皱及陷落柱 本区为单斜构造，区内修编1/5000地质图上

6、均无褶曲表示，但从井下揭露和各开采层底板等高线图上，可见波状起伏和短轴褶曲。陷落柱在本井田特别发育，地表由于岩石滑移塌落的影响，所见极少，大部分为井下所揭露。陷落柱的存在对煤层破坏十分严重，影响了矿井的正常生产，勘探结果及坑下资料所揭露的陷落柱多为椭圆形或不规则形状，大小陷落柱星罗棋布。1.4 煤层及煤质1.4.1 煤层 井田主要含煤地层为太原组和山西组，煤层自上而下为1、2、3、4、6、8、9、10、12号，含煤地层总厚131.96m，煤层总厚16.25m，含煤系数11.6%。其中可采煤层厚15.27m，可采煤层含煤系数10.4%。1.4.2 煤质井田主要可采煤层肉眼鉴定，光泽以暗淡油脂光泽

7、为主，质致密坚硬，镜煤条带很少，结构近似于均一状，块状构造。断口多为棱角状、粒状。原生节理两组，发育程度不同，其中一组较为发育。节理面含有方解石薄膜。矿物质以颗粒状粘土为主，呈聚集或星散状分布，有时充填于丝炭化物质的细胞腔内。其次为方解石、黄铁矿等。宏观煤岩组分以暗煤为主，亮煤丝炭次之，煤岩类型为暗淡半暗型煤。表1-3 可采煤层特征表 煤层编号范围可采煤厚(m)煤层间距(m)顶 底 板 岩 性稳定性顶板底板2全区1.142.431.951.2312.43.82泥岩、局部为粉砂岩泥岩、局部为中砂岩稳定3全区3.049.355.02泥岩、砂质泥岩有时为细砂岩泥岩、粉砂岩及砂质泥岩稳定12.2236

8、21.006全区0.803.521.60石灰岩泥岩、粉砂岩、有时为细粒砂岩较稳定2.9513.177.417全区0.452.150.82灰岩中、细粒砂岩不稳定17.3931.0823.248全区2.295.363.81石灰岩细粒砂岩或粉砂岩稳定0.836.372.269全区1.092.962.11细粒砂岩或粉砂岩泥岩、砂质泥岩或中细粒砂岩稳定表1-4 各可采煤层煤质情况汇总表 煤层编号水份(%)最小最大平均灰份(%)最小最大平均挥发份(%)最小最大平均硫 分(%)最小最大平均磷 分(%)最小最大平均煤类20.431.220.8916.6320.2418.4715.2817.0015.890.3

9、00.690.510.0020.0530.028贫瘦煤30.521.160.8416.7124.2520.2514.6317.0615.710.321.270.390.0180.0280.023贫瘦煤60.422.641.1125.1030.1226.8117.2118.5417.760.842.051.380.0090.0130.011贫瘦煤80.461.850.9313.2821.3818.1312.9615.4414.261.292.041.53贫煤90.561.980.9617.8822.1620.5412.8514.7214.010.522.891.47贫煤1.5矿井开拓与开采布置矿

10、井采用斜井开拓方式。主、副斜井进风，其中主井为皮带斜井，副井为绞车提升斜井。矿区划分二个水平开拓，第一水平于1990年3月全部采完。二水平中央大巷为650m水平，由一对斜井直至井底车场，然后送650m水平大巷。目前矿井共布置二个回采工作面和五个掘进工作面，一个综放工作面和一个高普采面，其中三采区有一个炮掘面；四采区有一个综放工作面和综掘面与炮掘面各一个，五采区有二个综掘面与一个普采面，全井田采用采区前进式开采。四采区采用倾斜长壁后退式采煤法，全部垮落法管理顶板；五、六采区采用走向长壁后退式采煤法，全部垮落法管理顶板。1.6 瓦斯、煤尘和煤的自燃1.6.1矿井通风与瓦斯 矿井采用中央边界抽出式通

11、风系统。由主、副井进风，回风井回风。矿井总进风量为7860m3/min，总回风量为8360m3/min。井田在一水平生产期间，历年矿井瓦斯等级鉴定都属于低瓦斯矿井。但随着开采深度的增加，进入二水平生产以来，矿井瓦斯涌出量呈逐年上升的趋势。2005年矿井瓦斯等级鉴定矿井绝对瓦斯涌出量为26.53 m3/min，相对瓦斯涌出量为10.83 m3/t，矿井为高瓦斯矿井。 本矿井于1998年5月27日下午5时50分在二水平六采区3607工作面付巷距付下山200m处发生瓦斯爆炸。1.6.2煤尘及煤的自燃根据2005年煤科院抚顺分院所做的煤尘爆炸试验和自燃倾向鉴定，各煤层火焰长度都为5mm，鉴定本矿井煤尘

12、具有弱爆炸性；自燃倾向性都为类不易自燃煤层。1.6.3地温及地压矿井生产实践表明地温地压一般正常，现尚未发现异常。1.7 N2815（307、609）工作面概况N2815（307、609）工作面所采煤层为八（三、六）煤层，上山方向为原始实体煤，下山方向为N2817（307、609）工作面采空区，西北方向为F7断层，走向长度为510m、倾斜长度为170m，煤层厚度为5.25m左右，厚度相对稳定，含一至二层夹矸，尤其是靠边煤层底板处的夹矸（底板往上0.20m煤上部）厚度变化较大，在0.11.5m之间，煤层产状倾向东北，倾角514、平均10左右，工作面顶底板岩性见表所示。表 N2815（307、60

13、9）工作面煤层顶底板赋存情况 名称厚度（m）岩类别颜色岩性老 顶2.3砂岩灰白色层理发育直接顶1.7砂质泥岩灰黑色脆硬伪 顶0.010.05泥岩灰黑色易碎直接底23砂质泥岩灰黑色质硬2 N2815（307、609）工作面瓦斯涌出量预测2.1 瓦斯涌出量预测涉及煤层瓦斯的基础参数2005年，煤炭科学研究总院抚顺分院进行了煤层瓦斯基础参数测定并进行了煤层瓦斯抽放可行性研究工作，根据测定结果得出本矿井8#（3、6）煤层瓦斯基础参数如表所示。煤层瓦斯基本参数表 （每名学生按学号在树枝上加0.1） 参数名称参数值煤层原始瓦斯压力0.43 MPa煤层瓦斯含量5.059 m3/t残存瓦斯含量2.616m3/

14、t煤容重1.38t/m3.煤层透气性系数1.798 m2/MPa2d钻孔瓦斯流量衰减系数0.0730.115 d-1煤层水分1.16煤层灰分11.84煤层挥发分14.072.2 工作面瓦斯涌出量预测2.2.1 掘进工作面瓦斯涌出量预测根据工作面掘进过程中瓦斯源分析，在掘进工作面的掘进过程中，瓦斯主要来自煤壁瓦斯涌出和落煤瓦斯涌出两部分，其计算公式为： (2-1)式中：煤壁瓦斯涌出量，m3/min；落煤瓦斯涌出量，m3/min。2.2.1.1掘进工作面煤壁瓦斯涌出量 (2-2)式中：掘进巷道煤壁瓦斯涌出量，m3/min；D 巷道断面内暴露煤面的周边长度， m；N2815（307、609）工作面煤

15、层厚度为5.25m（按表1-3取）左右，巷道沿煤层底板掘进，毛断面规格为43m左右，故D10.0 m；巷道平均掘进速度，m/min； 掘进巷道长度，按N2815（307、609）工作面走向长度450m（每名学生按学号分别加20m）参与计算；煤壁瓦斯涌出初速度，m3/m2min；式中：煤中挥发份含量，%；煤层原始瓦斯含量，m3/t。 2.2.1.2 掘进工作面落煤瓦斯涌出量式中：掘进巷道落煤瓦斯涌出量，m3/min；巷道平均掘进速度，m/min；掘进巷道断面积；煤的视密度， t/m3； 煤层原始瓦斯含量，m3/t；煤层残存瓦斯含量，m3/t。2.2.1.3 掘进工作面瓦斯涌出量2.2.2 回采工

16、作面瓦斯涌出量预测2.2.2.1 回采工作面瓦斯来源分析 采场影响范围内能涌出瓦斯的地点称为瓦斯源，瓦斯源的多少、各源涌出瓦斯量的大小直接影响着采场的瓦斯涌出量。图 工作面瓦斯来源构成示意图2.2.2.2 回采工作面瓦斯涌出量预测回采工作面预测瓦斯涌出量可根据8#煤层的瓦斯基础参数、煤层的赋存条件、顶底板及邻近层情况、采煤方法等数据进行计算确定。根据前面的分析，回采工作面瓦斯涌出量包括开采层瓦斯涌出量和邻近层瓦斯涌出量两部分。即： 式中：回采工作面瓦斯涌出量，m3/t ； 开采层瓦斯涌出量，m3/t； 邻近层瓦斯涌出量，m3/t。2.2.2.2.1 开采层瓦斯涌出量（包括围岩瓦斯涌出量）按下式

17、计算开采层的平均相对瓦斯涌出量： 式中：q开回采工作面瓦斯涌出量，m3/t； k1围岩瓦斯涌出系数，矿井顶板管理方式为全部跨落法管理顶板，故取k1=1.2； k2工作面丢煤瓦斯涌出系数，其值为工作面回采率的倒数，取回采率为85%（80、90%）；k21.18 k3准备巷道预排瓦斯对工作面煤体瓦斯涌出影响系数；利用长壁后退式回采时，系数k3按下式确定： L回采工作面长度，m； h巷道瓦斯预排等值宽度，m； m0开采煤层厚度，m； m煤层开采厚度，m； X0开采煤层原始瓦斯含量， X1开采煤层煤的残存瓦斯含量，采用参数测试期间实验室煤样测定平均结果参与计算；2.2.2.2.2 邻近层瓦斯涌出量 式

18、中：邻近层瓦斯涌出量，m3/t；第个邻近层厚度，m；开采层的开采厚度，m；第邻近层的原始瓦斯含量，m3/t；本区邻近层瓦斯含量无实测值，故取与本煤层相同值，第邻近层的残存瓦斯含量，m3/t；同上； 第邻近层瓦斯排放系数，ki与邻近层至开采层的间距有关根据层间距关系得出，一般可按下式确定：hi第i邻近层至开采层垂直距离，hi与煤层赋存条件有关，详见可采煤层特征表； hP受开采层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；一般可以按经验值或以下式计算： ky对于上邻近层而言，Ky取决于顶板管理方式的系数。全部冒落法管理顶板时ky60； 煤层倾角， 10；计算顶板的

19、影响范围时取“+”,计算底板的影响范围时取“”。根据以上公式计算得出工作面回采时邻近层能涌向工作面的瓦斯量，如表所示。邻近层向工作面瓦斯涌出量汇总表 邻近层类型邻近层煤层邻近层厚度(m)间距(m)Ki向开采层瓦斯涌出量(m3/t)备注上邻近层下邻近层合 计2.2.2.2.3 工作面瓦斯涌出量平均相对瓦斯涌出量： N2815（307、609）回采工作面计划平均每日生产量为5500（5000、6000）t，由此可以计算出该工作面平均绝对瓦斯涌出量，由于受煤层瓦斯赋存、瓦斯渗透性以及回采工艺的变化，瓦斯涌出量有一个波动范围，即瓦斯涌出量相对平均涌出量而言，有一个瓦斯涌出不均衡系数KH，将不均衡系数引

20、入后得出N2815（307、609）工作面回采时的瓦斯涌出情况预测值，如下表所示。N2815（307、609）回采工作面瓦斯涌出量预测结果 表工作面日产量(t/d)相对涌出量(m3/t)绝对涌出量(m3/min)平均值平均值最大值2.3 工作面瓦斯抽放方法的选择2.3.1 选择抽放瓦斯方法的原则抽放瓦斯是减少矿井和采区瓦斯涌出量的有效途径。我国煤矿的瓦斯抽放方法按瓦斯来源大致可以分为以下五类：(1)开采层瓦斯抽放方法；(2)邻近层瓦斯抽放方法；(3)采空区瓦斯抽放方法；(4)围岩瓦斯抽放方法；(5) 综合抽放瓦斯方法。其中综合抽放瓦斯方法是前四类方法中两种或两种以上方法的配合使用。选择抽放瓦斯

21、的方法时应遵循如下的原则：(1) 选择的抽放瓦斯方法应适合煤层赋存状况、开采巷道布置、地质条件和开采技术条件；(2) 抽放方法的选取应根据瓦斯来源及涌出构成进行，应尽可能采用综合抽放瓦斯方法，以提高抽放瓦斯效果；(3) 选择的抽放瓦斯方法应有利于减少井巷工程量，实现抽放巷道与开采巷道的结合；(4) 选择的抽放瓦斯方法应有利于抽放巷道的布置与维护；(5) 选择的瓦斯抽放方法应有利于提高瓦斯抽放效果，降低抽放成本；(6) 选择的瓦斯抽放方法应有利于钻场、钻孔的施工、抽放系统管网敷设，有利于增加抽放钻孔的瓦斯抽放时间。2.3.2 瓦斯抽放方法选择2.3.2.1本煤层瓦斯抽放2.3.2.2 邻近层瓦斯

22、抽放2.3.2.2.1上邻近层瓦斯抽放可选抽放方案至少两种抽放方案2.3.2.2.2 方案比较2.3.2.2.3 方案选择2.3.2.3 采空区瓦斯抽放采空区瓦斯抽放方法多种多样，按采空区状态划分，可分为半封闭采空区瓦斯抽放和全封闭采空区瓦斯抽放。2.3.2.3.1 半封闭采空区瓦斯抽放半封闭采空区是指回采工作面后方的、工作面回采过程中始终存在、并且随着采面的推进范围逐渐增加的采空区。目前对半封闭采空区抽放瓦斯在国内外所采用的主要方式有：插(埋)管抽放、向冒落拱上方打钻抽放、在老顶岩石中打水平钻孔抽放、直接向采空区打钻抽放、顶板尾巷抽放、工作面尾巷抽放和地面钻孔抽放等。（示意图）2.3.2.3.2 全封闭采空区瓦斯抽放