某煤矿瓦斯抽放设计设计

某煤矿瓦斯抽放设计设计

摘要

某矿设计年产煤炭能力15万t，该矿不仅工作面满足瓦斯抽放条件，而且该矿井为煤与瓦斯突出矿井，仅采用通风方法难以解决瓦斯超限问题，从而严重制约正常的生产能力；因此，为了减少和消除瓦斯威胁，保证安全生产，建立了井下瓦斯抽放系统，年抽放量可达几百万立方米。

本文介绍了该井田基本概况，计算了瓦斯的储量，对抽放瓦斯必要性进行了论证，同时陈述了其可行性。通过对抽放方法的比较及抽放管路的计算和选择，初步设计了瓦斯抽放的方法和初步确定了工作面瓦斯抽放系统，选择了顺层钻孔先抽后采的瓦斯抽放方法和矿井永久抽放系统，又根据抽放系统管道阻力和瓦斯泵流量和压力，选择了合适的瓦斯泵型号。最后介绍了工作面瓦斯抽放安全技术措施。

关键词：煤与瓦斯突出、瓦斯抽放、先抽后掘、安全技术措施

目录

1井田概况 (1)

1.1工作面概况 (1)

1.2矿井通风系统与部分巷道配风量 1

1.3矿井瓦斯等级及其划分和瓦斯抽放的条件 (1)

1.4煤层瓦斯参数 (1)

2瓦斯储量计算、抽放瓦斯必要性论证 (1)

2.1煤层瓦斯储量 (1)

2.2煤层瓦斯瓦抽放率和可抽放量.. 1

2.3抽放必要性论证 (1)

2.4抽放瓦斯的可行性 (1)

3煤层瓦斯抽放方法设计 (1)

3.1抽放方法的比较和选择 (1)

3.1.1 回采工作面本煤层瓦斯抽

放 (1)

3.1.2 掘进工作面瓦斯抽放 (1)

3.1.3 回采工作面高位抽放 (1)

3.2抽放施工 (1)

3.2.1抽放钻孔布置 (1)

3.2.2 抽放钻孔参数确定 (1)

3.3封孔方法 (1)

3.3.1《设计规范》规定 (1)

3.3.2抽放钻孔封孔方法的确定 1 4工作面瓦斯抽放系统 (1)

4.1 矿井永久抽放系统 (1)

4.2工作面瓦斯抽放设施的配置和布置 (1)

4.3 抽放管路的计算和选择 (1)

5瓦斯泵选型 (1)

5.1抽放系统管道阻力计算 (1)

5.2瓦斯泵流量和压力计算 (1)

5.3瓦斯泵选型确定 (1)

5.4附属装置 (1)

6工作面瓦斯抽放安全技术措施 (1)

6.1主要安全技术措施 (1)

6.2具体安全技术措施 (1)

参考文献 (1)

(1)

1井田概况

1.1工作面概况

该矿设计年产煤炭能力15万t，单一煤层开采，全矿有1个采煤工作面采用一次采全高方法生产，另有2个掘进工作面正常掘进。煤层赋存条件较好。矿井为煤与瓦斯突出矿井，掘进工作面采用JBT52型局部通风机供风，最长通风距离500m，测得掘进工作面瓦斯浓度在0.4%～0.6%之间；采煤工作面日产煤炭量400t，瓦斯浓度一般在0.4%～0.6%之间。煤层自燃倾向性为不易自燃，煤尘爆炸指数为20%，水文条件简单，无突水危险。

1.2矿井通风系统与部分巷道配风量

1.3矿井瓦斯等级及其划分和瓦斯抽放的条件

（1）矿井瓦斯等级及其划分（依据和等级）

1）矿井瓦斯等级划分及其意义

根据绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量的大小，及有无瓦斯动力现象，将矿井瓦斯等级划分为低瓦斯矿井、高瓦斯矿井和煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井三个等级。

①低瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量小于或等于10m3/t且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于40m3/min。

②高瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量大于10m3/t或矿井绝对瓦斯涌出量大于40m3/min。

③煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井：一个矿井只要发生1次几经国

家授权单位核实的煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出动力现象，该矿井即定为煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井。

低瓦斯矿井中，相对瓦斯涌出量大于10m3/t或有瓦斯喷出的个别区域（采区或工作面）为高瓦斯区，该区应按高瓦斯矿井管理。

（2）建立瓦斯抽放系统的基本条件：

1）一个采煤工作面的瓦斯涌出量大于5m3/min或一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很困难。

2）矿井绝对瓦斯涌出量达到以下条件的：

A 大于或等于40m3/min；

B 年产量1.0～1.5Mt的矿井， Q

g

大于30m3/min；

C 年产量0.6～1.0Mt的矿井， Q

g

大于25m3/min；

D 年产量0.4～0.6Mt的矿井， Q

g

大于20m3/min；

E 年产量≤0.4Mt的矿井， Q

g

大于15m3/min；

3）开采有煤与瓦斯突出危险煤层。

1.4煤层瓦斯参数

（1）掘进工作面

第一掘进工作面绝对瓦斯涌出量：Q

g

=Q×C=8.424×60×0.6%=3.03 m3/min

第一掘进工作面相对瓦斯涌出量: q

g = Q

g

/A

g

=3.03×1440/400=10.9 m3/t

第二掘进工作面绝对瓦斯涌出量：Q

g

=Q×C=4.317×60×0.6%=1.56 m3/min

第二掘进工作面相对瓦斯涌出量: q

g = Q

g

/A

g

=1.56×1440/400=5.62 m3/t

（2）采煤工作面

15107采煤工作面绝对瓦斯涌出量：Q

g

=Q×C=9.458×60×0.6%=3.405m3/min

15107采煤工作面相对瓦斯涌出量：q

g = Q

g

/A

g

=3.405×1440/400=12.258 m3/t

2瓦斯储量计算、抽放瓦斯必要性论证

2.1 煤层瓦斯储量

根据已知条件：煤层走向长1800m ，煤层倾向长160m ，煤层厚度为4m ，煤

层瓦斯含量为11.8m3/t ，煤的密度为1.42t/m3，水分1.2%、灰分16%、挥发份18%，煤层透气性系数λ=0.0276（㎡/MPa 2·d ）。可以得到原始瓦斯含量，公式如下：

100/100A M Q Q d ad ）（可燃基原--?=

式中：Q 原——矿井原始瓦斯含量，m 3/t;

Q 可燃基——可燃基瓦斯含量，m 3/t;

Mad ——水分；

Ad ——灰分。

可得： Q 原=11.8×（100-1.2-18）/100=9.54

可采层瓦斯储量：W= Q 原×L ×H ×D ×ρ

式中：Q 原——煤层原始瓦斯含量，m 3/t ；

L ——煤层工作面走向长度，m ；

H ——煤层厚度，m ；

D ——煤层倾向长度，m ；

ρ——煤层的密度，t/m 3。

可得： W= Q 原×L ×H ×D ×ρ

=9.54×1800×4×160×1.42

=1560.6万m 3

2.2煤层瓦斯瓦抽放率和可抽放量

1. 工作面开采层(本煤层)抽放率

g g K g W Q d ?=100 或 gC

gy gC

K g Q q Q d +?=100

式中 d

gK

—工作面(开采层)抽放率，%；

Q

g

—在一定时间内工作面(开采层)抽出的总瓦斯量，Mm3；

W g—工作面(开采层)的瓦斯储量，Mm3；

Q

gC

—从工作面(开采层)抽出的瓦斯量，m3/min；

q

gy

—从工作面(开采层)涌出的瓦斯量，m3/min。

《矿井瓦斯抽放规范》要求：回采工作面抽出率不小于25%。

经计算得，回采工作面的抽出率为32%。

2.工作面的瓦斯可抽放量

W

K =W×d

K

式中 W

K

—煤层瓦斯可抽放量m3；

W—煤层瓦斯储量m3；

d K—煤层瓦斯抽放率（%）

可得：W

k

=1560.6×32%

=499.4万m3

预抽纯量Q

纯: Q

纯

=W k/(24×60×330)= 10.51(m3/min)

抽放量：Q= Q纯/0.4= 26.3(m3/min)

2.3抽放必要性论证

1.矿井瓦斯抽放规定

（1）有下列情况的矿井，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：

（2）一个采煤工作面的瓦斯涌出量大于5m3/min或一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；

（3）矿井绝对瓦斯涌出量≥40m3/min或矿井相对瓦斯涌出量≥10m3/t.d的；

（4）开采有煤与瓦斯突出危险煤层的。

2.工作面抽放瓦斯的必要性

该矿采煤工作面煤层开采瓦斯涌出量Q

CH4=3.405m3/min、q

CH4

=12.258m3/t，第

二掘进工作面瓦斯涌出量Q

CH4=3.03m3/min、q

CH4

=10.9m3/t，又该矿为煤与瓦斯突

出矿井。综合分析：工作面瓦斯涌出量较大，如不抽放煤层瓦斯，仅采用通风方法难以解决瓦斯超限问题，从而严重制约正常的生产能力；因此，只有进行工作面煤层瓦斯抽放，才是解决瓦斯超限问题本质的最有效方法。

2.4抽放瓦斯的可行性

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(λ)，钻孔瓦斯流量衰减系数（α）和百米钻孔瓦斯极限抽放量衰减系数(Qj).

目前，某煤矿基本没有测定钻孔瓦斯流量衰减系数和百米钻孔瓦斯极限抽放量，但煤层透气性系数λ=0.0276m2/MP2·d；依据《矿井瓦斯抽放设计规范》划分的抽放瓦斯难易程度分类标准（表2—4），对比分析××工作面归属×抽放瓦斯煤层；并结合工作面开采煤层瓦斯抽放必要性的分析，采用煤层瓦斯抽放开采，是可行性的安全保障措施。

按λ、α和Qj判定本煤层瓦斯抽放可行性标准如表2－4示.

表2-4抽放瓦斯难易程度分类

3煤层瓦斯抽放方法设计

3.1抽放方法的比较和选择

（1）抽放方法的分类和选择瓦斯抽放方法的规定：

a.按抽出瓦斯来源分：本煤层抽采、邻近层抽采、采空区抽采。

b.按被抽采煤层的卸压状况分：原始煤体未卸压预抽瓦斯；煤层卸压后抽瓦斯。

c.按抽采瓦斯源的汇集工程方法分：抽采瓦斯钻孔法、抽采瓦斯巷道法和抽采瓦斯钻孔巷道综合法。

根据《MT5018-96矿井瓦斯抽放工程设计规范》规定：选择抽放瓦斯方法，应根据煤层赋存条件、瓦斯来源、巷道布置、瓦斯基础参数、瓦斯利用要求等因素经技术经济比较确定。并应符合下列要求：

a)尽可能利用开采巷道抽放瓦斯，必要时可设专用抽放瓦斯巷道；

b)适应煤层的赋存条件及开采技术条件；

c)有利于提高瓦斯抽放率；

d)抽放效果好，抽放的瓦斯量和浓度尽可能满足利用要求；

e)尽量采用综合抽放；

f)抽放瓦斯工程系统简单，有利于维护和安全生产，建设投资省，抽放成本低。

根据《AQ1027-2006煤矿瓦斯抽放规范》第7.1.2条规定：按矿井瓦斯来源实施开采煤层瓦斯抽放、邻近层瓦斯抽放、采空区瓦斯抽放和围岩瓦斯抽放；第7.1.3条规定：多瓦斯来源的矿井，应采用综合瓦斯抽放方法。

瓦斯抽放系统选择还应注意以下问题：

（a）分期建设、分期投产的矿井，抽放瓦斯工程可一次设计，分期建设、分期投抽。

（b）抽放瓦斯站的建设方式，应经技术经济比较确定。一般情况下，宜采用集中建站方式。当有下列情况之一时，可采用分散建站方式：

分区开拓或分期建设的大型矿井，集中建站技术经济不合理。

矿井抽放瓦斯量较大且瓦斯利用点分散。

一套抽放瓦斯系统难以满足要求。

根据本煤层的特点，我们选取抽采瓦斯钻孔法，而钻孔抽采瓦斯的方法又

有穿层钻孔抽采瓦斯、顺层钻孔抽采和边采边抽。

(2)瓦斯抽放方法的比较和选择

根据钻孔抽采瓦斯的优缺点及适用条件，我们最终选择顺层钻孔抽采，因为顺层钻孔抽采的适用条件是：①单一煤层；②煤层透气性较小但应有抽放可能；③煤层赋存条件稳定，地质变化小；④钻孔要提前打好，有较长的预抽时间；⑤突出危险煤层（密集钻孔），而我们要设计的煤层就是单一煤层但应有抽放可能，煤层赋存条件稳定，地质变化小，有突出危险的煤层。

3.1.1 回采工作面本煤层瓦斯抽放

由于煤层的透气性低, 采用预抽和边采边抽相结合的抽放方法，即：利用工作面胶带顺槽或轨道顺槽向煤层打迎向平行钻孔预抽本煤层瓦斯，并利用回采工作面前方超前卸压效应边采边抽本煤层瓦斯，以提高煤层瓦斯抽放效率。推荐的钻孔布置方式如图3－1示。

图3－1 回采工作面本煤层瓦斯抽放钻孔布置示意图

推荐的本煤层预抽钻孔布置参数如下：

钻孔长度 80-100m；

钻孔直径∮75mm；

钻孔与工作面夹角 4°～6°；

钻孔间距 10m；

封孔深度 5m；

封孔方式聚胺脂封孔.

3.1.2 掘进工作面瓦斯抽放

掘进工作面抽放瓦斯的方法有边掘边抽和先抽后掘瓦斯抽放两种方式。考虑到某煤矿掘进工作面瓦斯涌出较大,采用先抽后掘比较合适。

掘进工作面先抽后掘就是在煤巷掘进工作面向前方煤层施工扇形钻孔, 每个循环6-9个钻孔, 钻孔深度50-60m, 每个循环间距40-50m, 预计抽放时间为20左右。钻孔终孔点分别距离巷道中心线0m, 2.5m和4m。

钻孔布置的原则就是保证将钻孔布置在煤层内, 钻孔倾角与巷道底板平行或根据煤层的厚度向上或下倾斜。当掘进工作面抽放钻孔数量较多时, 为扩大钻孔覆盖范围, 抽放钻孔应以巷道中线为基准, 向周围煤体呈放散状排列, 以提高抽放效果。

3.1.3 回采工作面高位抽放

采用高位抽放就把回采工作面上部煤层中和部分采空区中的瓦斯通过钻孔和瓦斯抽放管道排放到地表或井下回风巷中。图3-3为回采工作面高位钻孔布置示意图。

需要注意的是设计中的瓦斯抽放钻孔设计仅供该矿工程技术人员参考. 在生产实际中, 应根据现场实际监测参数对抽放钻孔的布置进行调整, 以达到最

好的抽放效果.

3.2抽放施工

3.2.1抽放钻孔布置

1.钻场钻孔布置

(1）一般规定

1)钻场的布置应免受采动影响，避开地质构造带，便于维护，利于封孔，保证抽放效果。

2)尽量利用现有的开拓、准备和回采巷道布置钻场。

3)对开采层未卸压抽放，除按钻孔抽放半径确定合理的孔间距外，应尽量增大钻孔的见煤长度。

4)邻近层卸压抽放，应将钻孔打在采煤工作面所形成的裂隙带内，并避开冒落带。

5)强化抽放布孔方式应根据所采取的措施确定，除应取得好的抽放效果外，还应考虑施工方便。

6)采取边采边抽时，宜让钻孔方向与开采推进方向相迎，避免采动首先破坏孔口或钻场。

7)钻孔方向应尽可能正交或斜交煤层层理。

8)穿层钻孔终孔位置，应在穿过煤层顶（底）板0.5m处

9)穿层钻孔抽放，钻孔见煤点间距参照数据：容易抽放煤层15～20m；可以抽放煤层10～15m；较难抽放煤层8～10m。

10)顺层抽放钻孔的吨煤钻孔量（m/t）：

2.钻场布置

根据具体条件，钻场位置选定于开采煤层的回风巷道内。钻场位于回风巷的优点是钻孔长度比较短，因为工作面上半段的围岩移动比下半段好，再加上

在瓦斯的浮力作用下，抽出的瓦斯比较多；可减少工作面上隅角的瓦斯积聚；打钻与管路铺设不影响运输；抽放系统发生故障时，对回采影响较小，回风巷道内气温较稳定，瓦斯管内凝结的水分比较少。缺点是打钻时供电、供水和钻场通风都比运输巷道内困难，巷道的维护费用增大等。

3.钻孔布置形式

根据选定煤层抽放方法选择平行钻孔。

3.2.2 抽放钻孔参数确定

(1)钻孔直径

钻孔直径大，暴露煤壁面积就大，瓦斯涌出量相应也大，但二者增长并非线性关系，在煤层条件不同的情况下，瓦斯涌出量并不随孔径的增大而成比例增大。据测定结果，孔径由73mm提高到300mm，钻孔的暴露面积增至4倍，而钻孔抽放量仅增至2.7倍，而日本赤平煤矿孔径由65mm增至120mm ，抽放瓦斯量增加到3.5倍。孔径应根据钻机性能，施工速度与技术水平、抽放瓦斯量、抽放半径等因素确定，目前一般采用抽放瓦斯钻孔直径为60～110mm。根据本煤层的特性，选取钻孔直径为90mm。

（2）钻孔长度

据实测结果，单一钻孔的瓦斯抽放量与其孔长基本上成正比关系，因此在钻机性能与施工技术水平允许的条件下，尽可能采用长钻孔以增加抽放量和效益。本煤层的倾向长度为120m，为了达到好的抽放效果，我们把钻孔从进风巷和回风巷顺煤层打入，进风巷打入的钻孔的长度为60m，回风巷打入的钻孔的长度为70m。

(3)钻孔间距与抽放时间

2号煤层透气性系数λ＝0.0276（m2/MPa2.d)，根据表3-2，我们选取钻孔间距为3m。

根据课程设计给的条件，我们可知抽放时间为一年。

(4)抽放负压与封孔长度

钻孔抽放负压一般选用13.3～26.6kPa(即100～200mmHg)，但最低不宜小于6.7kPa（50mmHg）。一些矿井提高抽放负压，抽放瓦斯量增大，但是也有的矿井抽放负压增加，抽放量变化不大。

封孔长度既应保证不吸入空气又应使封孔长度尽量缩短，一般情况下岩孔应不小于2～5m，煤孔应不小于4～10m。

3.3封孔方法

3.3.1《设计规范》规定

1.钻孔封孔设计

应满足密封性能好、操作便捷、封孔速度快、造价低的要求。

2.封孔方法选择

应根据抽放方法及孔口所处煤（岩）层位、岩性、构造等因素综合确定，因地制宜地选用新方法、新工艺、并应符合下列要求：

（1）岩壁钻孔，宜采用封孔器封孔。

（2）煤壁钻孔，宜采用充填材料进行压风封孔。

3.封孔材料选择

应根据具体条件优先选用膨胀水泥、聚氨脂等新型材料。

4.封孔长度L

f

应根据钻孔孔口段煤（岩）性质、裂隙发育程度及孔口负压等因素确定，并应符合下列要求：

（1）孔口段围岩条件好、构造简单、孔口负压中等时，封孔长度可取3～5m。

（2）孔口段围岩裂隙较发育、或孔口负压很高时，封孔长度可取5～8m。

（3）对于在煤壁开孔的钻孔，封孔长度可取8～10m。

（4）采用聚氨酯封孔选择长度，表4—2。

表4—3聚氨酯封孔参数

3.3.2抽放钻孔封孔方法的确定

根据工作面煤层性质和选择的瓦斯抽放方法，拟定采用聚胺脂封孔方法。封孔长度L

=10m。

f

4工作面瓦斯抽放系统

根据矿井现阶段生产布局和今后生产发展规划的需要，提出矿井瓦斯抽放系统方案。通过“科学合理、安全可靠、经济效益”的优化设计比较，确定出最佳实施方案。

4.1矿井永久抽放系统

《矿井瓦斯抽放管理规范》规定：符合下列条件的矿井应建立永久瓦斯抽放系统：

（1）回采面绝对瓦斯涌出量大于5m3/min，掘进工作面绝对瓦斯涌出量大于3m3/min，采用通风方式解决不合理的；

（2）矿井绝对瓦斯涌出量大于15m3min，年产量等于或小于40万t；

（3）矿井绝对瓦斯涌出量大于20m3/min，年产量等于或小于60万t；

（4）矿井绝对瓦斯涌出量大于25m3/min，年产量等于或小于100万ｔ；

（5）矿井绝对瓦斯涌出量大于30m3/min，年产量等于或小于150万ｔ；

（6）矿井绝对瓦斯涌出量大于40m3/min；

（7）开采具有煤与瓦斯突出危险煤层。

根据条件，本矿为煤与瓦斯突出危险煤层，所以本矿井应选永久抽放系统。

4.2工作面瓦斯抽放设施的配置和布置

根据《AQ1027-2006煤矿瓦斯抽放规范》，对瓦斯抽放管路有如下要求：

第5.4.1条：抽放管路系统应根据井下巷道的布置、抽放地点的分布、瓦斯利用的要求以及矿井的发展规划等因素确定，避免或减少主干管路系统的频繁改动，确保管道运输、安装和维护方便，并应符合下列要求：

抽放管路通过的巷道曲线段少、距离短，管路安装应平直，转弯时角度不应大于50°；

抽放管路系统宜沿回风巷道或矿车不经常通过的巷道布置；若设于主要运输巷内，在人行道侧其架设高度不应小于1.8m，并固定在巷道壁上，与巷道壁的距离应满足检修要求；抽放瓦斯管件的外缘距巷道壁不宜小于0.1m；

当抽放设备或管路发生故障时，管路内的瓦斯不得流入采掘工作面及机电硐室内；

尽可能避免布置在车辆通行频繁的主干道旁；

管径要统一，变径时必须设过渡节。

第5.4.2条：抽放瓦斯管路的管径应按最大流量分段计算，并与抽放设备能力相适应，抽放管路按安全流速为5~15m/s 和最大通过流量来计算管径，抽放系统管材的备用量可取10％。

第5.4.3条：当采用专用钻孔敷设抽放管路时，专用钻孔直径应比管道外形尺寸大100mm ；当沿竖井敷设抽放管路时，应将管道固定在罐道梁上或专用管架上。

第5.4.4条：抽放管路总阻力包括摩擦阻力和局部阻力；摩擦阻力可用低负压瓦斯管路阻力公式计算；局部阻力可用估算法计算，一般取摩擦阻力的10％～20％。

第5.4.5条：地面管路布置：

不得将抽放管路和自来水管、暖气管、下水道管、动力电缆、照明电缆及通讯电缆等敷设在同一条地沟内；

主干管应与城市及矿区的发展规划和建筑布置相结合；

抽放管道与地上、下建(构)筑物及设施的间距，应符合《工业企业总平面设计规范》的有关规定；

瓦斯管道不得从地下穿过房屋或其它建(构)筑物，一般情况下也不得穿过其它管网，当必须穿过其它管网时，应按有关规定采取措施。

4.3抽放管路的计算和选择

⑴瓦斯抽放管径选择

选择瓦斯管径，可按下式计算：

V Q

0.1457D =

式中 D —瓦斯管内径，m ；

Q —管内瓦斯流量，m 3/min ；

V —瓦斯在管路中的经济流速，m/s ，一般取V ＝10~15m/s ，在此取10m/s 。 可得：

V Q

0.1457D =

=0.24m