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1、课程设计 课程设计题目：某矿井综采面瓦斯抽放系统设计 学 院 市政与环境工程学院 专 业 安全工程 姓 名 学 号 指导老师 王洪义 2013年12月19日目录第一章 综采工作面概况 11.1 采区地质条件 11.2 煤层瓦斯参数和抽放瓦斯参数 11.2.1 主要瓦斯参数 11.2.2 抽放瓦斯参数 11.3 采区和工作面巷道布置、采煤方法 2第二章 瓦斯储量计算、抽放瓦斯必要性论证 22.1 煤层瓦斯储量计算 22.1.1按煤层全厚计算 22.1.2按采高计算 32.1.3工作面瓦斯抽放率 32.1.4工作面瓦斯可抽放量W3 42.2 工作面可抽放量计算和抽放必要性可行性论证 42.2.1抽

2、放瓦斯的必要性 42.2.2抽放的可行性 5第三章 煤层瓦斯抽放方法设计 63.1 抽放方法的比较和选择 63.1.1本工作面采用本煤层瓦斯抽放有三种方式可供选择 63.1.2经济技术比较 63.2抽放钻孔参数确定 63.3绘制抽放钻孔布置平面图和剖面图 7第四章 综采工作面瓦斯抽放系统 84.1 工作面瓦斯抽放设施的配置和布置 84.2 抽放管路的计算和选择 94.2.1管道内径计算 94.2.2管道材料及壁厚 9第五章 瓦斯泵选型 105.1 抽放系统管道阻力计算 105.1.1直管阻力损失计算 105.1.2局部阻力损失计算 115.1.3抽放系统总阻力计算 115.2 瓦斯泵流量和压力

3、计算 115.2.1瓦斯泵流量计算 115.2.2瓦斯泵压力计算 115.3 瓦斯泵选型确定 12第六章 工作面瓦斯抽放安全技术措施 126.1 井下瓦斯泵站要求 126.2 地面抽放瓦斯站安全要求 13参考资料 14第一章 综采工作面概况1.1 采区地质条件 本采区开采煤层厚度为4.85.2m，平均厚度为5m；赋存稳定，倾角为25顶板为砂质泥岩，岩层不能致密，距开采层 810m，顶部位上邻近层，该煤层在本区域内厚度00.4m为不可采煤层。本采区内有小断层，对开采影响不大。1.2 煤层瓦斯参数和抽放瓦斯参数1.2.1 主要瓦斯参数 本工作面位于标高650水平，为矿井开采第三水平，煤层瓦斯含量为

4、10m3/t，煤的密度为1.45t/m3，预测有突出危险，经预测工作面绝对瓦斯涌出量QCH4为17m3/min。1.2.2 抽放瓦斯参数经实测煤层透气性系数1.2（m2/MPa2.d)，如用未卸压长钻孔预抽煤层瓦斯，百米钻孔瓦斯抽出量为0.01m3/minhm；如用卸压浅孔抽放瓦斯，百米钻孔瓦斯抽放量为1.0m3/minhm，同时值提高到27.6（m2/MPa2.d)；如用卸压长钻孔预抽煤层瓦斯，百米钻孔瓦斯抽放量为0.050.1m3/minhm；可根据以上测定的抽放参数选择抽放方法。 （1）卸压浅孔抽放时，抽放影响半径为1m，钻孔所需要的抽放孔口负压为12KPa，边采煤边抽放瓦斯。 （2）未

5、卸压长钻孔抽放：钻孔抽放半径为2m，钻孔孔口需负压为20KPa，掘进期间边掘进边抽放瓦斯。 （3）卸压长钻孔抽放，钻孔抽放影响半径为2.5m，钻孔孔口需要负压为20KPa，边采煤边抽放。1.3 采区和工作面巷道布置、采煤方法 采用走向长壁全部跨落顶板管理法，工作面后退式倾斜分层开采，上分层采用综合机械化采煤，采高为2.8m采用两班采煤，一班抽放瓦斯，工作面日推进度为3m；下分层采高为2.2m。巷道布置如图1所示。 附：综采工作面巷道布置范围第二章 瓦斯储量计算、抽放瓦斯必要性论证2.1 煤层瓦斯储量计算2.1.1按煤层全厚计算 式中： W1煤层瓦斯储量,万m3； k1围岩瓦斯储量系数可取1.1

6、1.3； k2不可采邻近煤层瓦斯储量系数,可取1.21.4； Ai第i可采煤层煤炭地质储量,万吨； Xi第i可采煤层平均瓦斯含量,m3/t。 由于储量的计算关系到生产和瓦斯抽放的准确性，因此，在选择K1 、K2的修正值时选取中间数值，即：K1 =1.2，K2 =1.3;采煤层煤炭地质储量，（万吨）：A=150020051.45=217.5万吨瓦斯总储量：W1=1.21.3(150020051.4510)=3393 万m32.1.2按采高计算 式中: W2按采高计算煤层瓦斯储量，万m3； Xi第i可采煤层平均瓦斯含量,m3/t； Ai采面长度（m)采面走向长（m)采高（m)煤的密度（t/m3）上

7、分层采高2.8m，煤层瓦斯储量：W2 =1.21.315002002.81.4510=1900.08万m3下分层采高2.2m，煤层瓦斯储量：W21.21.320015002.21.45101492.92万m3 2.1.3工作面瓦斯抽放率 式中: d工作面瓦斯抽放率（） q纯工作面瓦斯可抽放量 QCH4工作面绝对瓦斯涌出量 d=10010.368/17=60.99%2.1.4工作面瓦斯可抽放量W3式中 W3工作面瓦斯可抽放量m3/min W2按采高计算煤层瓦斯储量m3/min d工作面瓦斯抽放率（） 上分层瓦斯可抽放量W3：W3W2d1900.0860.991158.86万m3下分层瓦斯可抽放量

8、W3： W3W2d1492.9260.99910.53万m32.2 工作面可抽放量计算和抽放必要性可行性论证2.2.1抽放瓦斯的必要性根据煤矿安全规程第145条及AQ1027-2006煤矿瓦斯抽放规范第 4.1.14.1.3条规定：有下列情况之一的矿井，必须建立地面永久抽放瓦斯系统或井下临时抽放瓦 斯系统：(1)1个釆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。 矿井绝对瓦斯涌出量达到以下条件的：大于或等于40m3/min;年产量1.01.5Mt的矿井，大于30m3/min;年产量0.61.0Mt的矿井，大于25m3/mi

9、n;年产量0.40.6Mt的矿井，大于20m3/min;年产量小于或等于0.4Mt的矿井，大于15m3/min。 开釆有煤与瓦斯突出危险煤层的。本设计中煤层具有突出危险性，故必须进行抽放，对于一个突出煤层工作面 而言，开采前需要通过采前瓦斯抽采消除煤层的突出危险性。开采期间需要通过 采中瓦斯抽釆保证工作面瓦斯浓度不超限。开采结束后通过对釆空区进行采后瓦 斯抽采提高矿井瓦斯抽采率。为了实现上述瓦斯抽釆的目标，就需要在采掘活动 的各个时期、各个地点进行瓦斯的综合抽釆，因此为保证工作面及矿井的安全开采，对高瓦斯及突出煤层进行综合瓦斯抽采是非常必要的。 根据供风量为1500m3/min，工作面瓦斯浓度

10、按0.6计算风排瓦斯量Qp=QC=15000.6/100=9m3/min。而工作面绝对瓦斯涌出量为17m3/min，如不可抽放瓦斯，则工作面的瓦斯浓度将超限，尚需抽放瓦斯量QCH4-Qp=17-9=8 m3/min工作面瓦斯浓度才能维持0.6。2.2.2抽放的可行性 本煤层瓦斯抽放的可行性是指在自然透气条件下进行预抽的可能性，衡量本煤层瓦斯预抽可行性指标有三个：煤层透气性系数（），钻孔瓦斯流量衰减系数（）和百米钻孔瓦斯极限抽放量衰减系数（Qj）。表2-2 本煤层预抽瓦斯难易程度分类表根据已知条件，煤层透气性系数=1.2（/MPa2d）,属于可以抽采煤层。第三章 煤层瓦斯抽放方法设计3.1 抽放

11、方法的比较和选择3.1.1本工作面采用本煤层瓦斯抽放有三种方式可供选择 （1）本煤层未卸压长钻孔预抽煤层瓦斯，边掘边抽； （2）本煤层卸压浅孔预抽瓦斯，边采煤，边抽放。（两班采煤，一班抽放）； （3）本煤层未卸压长钻孔抽放，边采边抽。3.1.2经济技术比较（1）煤层透气性系数比较：未卸压顺层长孔抽放时,煤层透气性系数值为原始值，即1.2。卸压钻孔抽放值可提高（1001000）倍，达到1200(m2/MPa2d)（2）百米钻孔抽放量比较：未卸压顺层长孔抽放时为0.01m3/minkm，卸压浅孔抽放时可达到13m3/minkm，卸压长钻孔抽放为0.050.1m3/minkm。 （3）抽放工艺比较：

12、未卸压长孔抽放和卸压长孔抽放，需要MK系列大钻机（30KW）操作移动不便。封孔方法用水泥、沙浆或聚胺脂操作比较复杂。而卸压浅孔抽放用QFZ-22轻便防突钻机，用CF-Z型等胶囊封孔器，操作极为简便。 （4）采用卸压浅孔抽放瓦斯。3.2抽放钻孔参数确定（1）钻孔直径为89mm；钻孔深度为9m；钻孔距为2m； 钻孔抽放影响半径=21=2m。 （2）钻孔数N N=工作面长度-10（m）/孔距+1 N200102196个因为采高5米，所以布置四层钻孔 钻孔总数964=384（3）钻孔总长度为M： M=钻孔深度N(m) M93843456m（4）工作面每分钟可抽放量q纯 q纯=M百米钻孔可抽放量(m3/

13、min) q纯34563/100010.368m3 /min 3.3绘制抽放钻孔布置平面图和剖面图根据选择的卸压抽放瓦斯方法，绘制钻孔布置施工图。 抽放钻孔布置平面图抽放钻孔布置剖面图第四章 综采工作面瓦斯抽放系统4.1 工作面瓦斯抽放设施的配置和布置 根据巷道长度和巷道布置，绘制抽放瓦斯管道系统图。 （1）系统图必须绘制阀门，流量计和放水器位置注明各巷道管道的管径和长度，包括吸入段和排出段管道布置；管道长度应根据巷道长度来确定；根据巷道布置可知，风巷长度为1500m,采区轨道上山长度为500m(至泵站位置)，采区轨上山瓦斯泵站距离为20m;采区回风上山长度为550m,采区总回风巷长度瓦斯管道

14、终端为50m,瓦斯泵站至采区回风上山斜巷长度为30m。 （2）抽放管道吸入段长度=风巷长度+采压轨道上山至泵站长度+采区轨道上山（至泵站位置）长度。 （3）抽放管道排出段长度=泵站至回风上山距离+采区回风上山长度+采区回风巷长度（瓦斯管道终端）。 4.2 抽放管路的计算和选择 4.2.1管道内径计算 式中： D内瓦斯管道内径m Q管道混合瓦斯流量m3/min V管道中混合瓦斯的经济流速，m/s，一般取610m/s，考虑到管道内瓦斯浓度为20%。 Q混= q纯/C式中： Q混管道混合瓦斯流量m3/min q纯工作面纯瓦斯可抽放量，m3/min； C管道内纯瓦斯浓度为20%根据以上公式可以计算管道

15、内管道混合瓦斯流量的大小：Q混q纯C10.3682051.84m3 min管道内径的大小；D内0.1457QV12 0.145751.84812 0.371 m=371mm根据以上计算选择内径为375mm的管材。 4.2.2管道材料及壁厚 考虑运输安装方便，目前广泛采用玻璃钢管时300500壁厚为16mm 则，根据以上计算可初步选定管道内为375管材为玻璃钢.第五章 瓦斯泵选型5.1 抽放系统管道阻力计算 5.1.1直管阻力损失计算 H真9.81LQ2混K0D5内式中： H直瓦斯管道直管阻力损失，Pa； L瓦斯管道直管长度，m； 混合瓦斯对空气的相对密度，管道内纯瓦斯浓度为20%时，=0.91

16、； Q混管道混合瓦斯流量m3/h； K0管路系数，取0.71； D内瓦斯管道内径mm。 根据计算公式列表计算管道吸入段及排出段的阻力损失：管道段名称 L(m) Q混(m3/n)D内(cm)K0H(Pa)吸入段(Pa)排出段(Pa)工作通风巷 15000.91311037.50.712459.85 轨道上山至泵站5000.91311037.50.71819.95 轨道上山瓦斯泵站200.91311037.50.7132.80 采区回风上山5500.91311037.50.71901.94 泵站至回风上山300.91311037.50.7149.20 采区回风巷500.91311037.50.71

17、81.99 合计4345.73 3312.59 1033.13 直管阻力损失=吸入段阻力+排出段阻力损失5.1.2局部阻力损失计算 H局总H直总0.15Pa总局部阻力损失4345.730.15651.86Pa5.1.3抽放系统总阻力计算 H总H直总H局总Pa抽放系统总阻力损失4345.73651.864997.59Pa5.2 瓦斯泵流量和压力计算 5.2.1瓦斯泵流量计算 Q泵q纯KC式中: Q泵瓦斯抽放泵额流，m3/min； Q纯工作面抽放纯瓦斯含量，m3/min； C瓦斯泵入口处纯瓦斯浓度，取20%； 瓦斯泵机械效率，取80%； k瓦斯抽放综合系统，取K=1.2。 Q泵q纯KC 10.36

18、81.2/0.2/0.8=77.76m3/min5.2.2瓦斯泵压力计算 H泵=（H总+H孔）K备 式中：H泵瓦斯泵压力PaH总瓦斯管路总阻力损失（排出段与吸入段阻力损失之和）； H孔抽放钻孔所需的负压，对液孔抽放H孔取12000Pa； K备抽放备用系数K取1.2。H泵4997.59120001.220397.1 Pa5.3 瓦斯泵选型确定 按ZBE1系列水环式真空泵选型的原则： 选出的泵的压力计算出来的H泵; 流量计算出来的Q泵。 结合上述情况，选择SK-85型水循环式真空泵，起工作流量为85 m3/min，泵的压力为650mmHg，均大于设计要求，符合条件，满足使用要求。适用于此工作面的瓦

19、斯抽放系统。根据SK-85型水循环式真空泵的转速365rmin和功率130KW，选择合适的电动机与之配合。第六章 工作面瓦斯抽放安全技术措施6.1 井下瓦斯泵站要求一一井下移动抽放瓦斯泵站应安装在抽放瓦斯地点附近的新鲜风流中。抽出的瓦斯必须引排到地面、总回风道或分区回风道；已建永久抽放系统的矿井，移动泵站抽出的瓦斯可直接送至矿井抽放系统的管道内，但必须使矿井抽放系统的 瓦斯浓度符合煤矿安全规程第一百四十八条规定。一一移动泵站抽出的瓦斯排至回风道时，在抽放管路出口处必须釆取安全措 施，设置橱栏、悬挂警戒牌。栅栏设置的位置，上风侧为管路出口外推5m,上下风侧栅栏间距不小于35m。两栅栏间禁止人员通

20、行和任何作业。移动抽放泵站排到巷道内的瓦斯，其浓度必须在30m以内被混合到煤矿安全规程允许的 限度以内。栅栏处必须设警戒牌和瓦斯监测装置，巷道内瓦斯浓度超限报警时， 应断电、停止抽放瓦斯、进行处理。监测传感器的位置设在栅栏外1m以内。两栅栏间禁止人员通行和任何作业。一一井下移动瓦斯抽放泵站必须实行三专供电，即专用变压器、专用开关、 专用线路。6.2 地面抽放瓦斯站安全要求抽放瓦斯站安全措施，应遵从以下要求：一一在一个抽放站内，抽放瓦斯泵及附属设备只有一套工作时，应备用一套； 两套或两套以上工作时，其备用量可按工作数量的60%计。钻机备用量按工作台 数的60%计；一一抽放站位置应设在不受洪涝威胁

21、且工程地质条件可靠地带，应避开滑坡、 溶洞、断层破碎带及塌陷区等；宜设在回风井工业场地内，站房距井口和主要建 筑物及居住区不得小于50m;一一站房及站房周围20m范围内禁止有明火； 一一站房应建在靠近公路和有水源的地方；一一站房应考虑进出管敷设方便：有利瓦斯输送，并尽可能留有扩能的余地； 一一抽放站建筑必须采用不燃性材料，耐火等级为二级； 一一站房周围必须设置栅栏或围墙；一一站房附近管道应设置放水器及防爆、防回火、防回水装置，设置放空管及压力、流量、浓度测量装置，并应设置采样孔、阀门等附属装置。放空管设置在泵的进、出口，管径应大于或等于泵的进、出口直径，放空管的管口要高出泵房房顶3m以上。一一

22、泵房内电气设备、照明和其它电气、检测仪表均应釆用矿用防爆型； 一一站房必须有直通矿调度室的电话；一一抽放站应有供水系统。站房设备冷却水一般采用闭路循环。给水管路及水池容积均应考虑消防水量。污水应设置地沟排放。一一抽放瓦斯泵必须有前后防回火、爆炸、电气防爆、防静电措施。抽放瓦斯站必须有防雷电、防火灾、防洪涝、防冻措施。 一一必须有抽放瓦斯浓度规定及在规定浓度下的防爆措施。 一一必须有安全管理措施。参考资料1 国家煤矿安全监察局，煤矿安全规程，煤炭工业出版社，2005年；2 国家煤矿安全监督管理总局，煤矿瓦斯抽放规范（AQ1027-2006），2006年；3 煤炭工业部，矿井瓦斯抽放工程设计规范（

23、MT5018-96），1996年；4 煤炭工业部. 矿井瓦斯抽放管理规范. 北京：煤炭工业出版社，1997；5 建设部、质量监督检验检疫总局，煤炭工业矿井设计规范（GB50215-2005），2005年；6 国家煤矿安全监督管理总局，煤矿瓦斯抽采基本指标（AQ1026-2006），2006年；7 国家煤矿安全监督管理总局，矿井瓦斯涌出量预测方法（AQ1018-2006），2006年；8 林柏泉, 张建国. 矿井瓦斯抽放理论与技术. 徐州：中国矿业大学出版社，1996；9 朱银昌,候贤文.煤矿安全工程设计. 北京：煤炭工业出版社，1995；10 于不凡,王佑安.煤矿瓦斯灾害防治与利用技术手册. 北京：煤炭工业出版社，2005；11 俞启香.矿井瓦斯防治.徐州：中国矿业大学出版社，1992年。12万方数据库等。