山西太原XX煤矿21208采煤工作面瓦斯抽采设计

太原市梗阳实业集团麦地掌煤矿21208采煤工作面瓦斯抽采方案设计

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总工程师：

矿长：

会审意见

21208采煤工作面瓦斯抽采方案设计为做好21208采煤工作面瓦斯抽采工作，根据《煤矿安全规程》、《防治煤与瓦斯突出规定》要求，以《麦地掌煤矿开采方案设计（变更）安全专篇》和《麦地掌煤矿瓦斯抽采系统工程变更初步设计》为指导，并结合现场实际，制定本方案。

一、21208采煤工作面概况

㈠地质情况

1、井上下位置关系

21208工作面位于井田西北部，其地面相对位置为农田、植被，施工范围内无建筑物，无常年地表水。工作面标高：+780m～+900m，走向长约1300m，工作面长中部及西部160m，东部为180m。该工作面东邻北翼轨道大巷，北部为21210工作面，西部临近F66断层。21208工作面为矿井首采工作面，四邻均未回采。

2、褶曲

该区总体呈一近南北走向倾向西的单斜构造，西部处于峪道川向斜轴部附近，倾角0～18°。

3、构造

该区在工作面回风顺槽揭露落差0.8～1.5m的断层共计5条，在工作面上下顺槽揭露陷落柱5个，根据勘探报告及已揭露的情况来看该区断裂构造不甚发育，陷落柱相对较为发育。地质构造条件较简单。

4、煤层及顶底板情况

2#煤层特征描述：厚度1.5m～2.3m，平均厚约1.9m，颜色为黑色，粉末状，具玻璃光泽及强玻璃光泽；贝壳状断口，内生裂隙发育，性脆易碎。多为条带状结构，也有线理状结构，局部构造为块状构造。宏观煤岩类型，以光亮煤及半亮煤为主，夹有少量半暗煤、暗淡煤。

2#煤层顶板：泥岩，厚度约2m，深灰～黑灰色，主要为黑灰色粘土矿物，具层理，层理较为清晰，且裂隙较为发育，岩石较为破碎，局部夹薄层煤线。其上为0.4m煤层，黑色，粉末状，沥青光泽，内生裂隙发育。

2#煤层底板：细砂岩，厚度约2m，浅灰色，厚层状，质地致密，坚硬，裂隙较为发育，层理清晰，局部发育薄层泥岩。

㈡通风瓦斯情况

1、通风方式：

21208工作面采用“一进一回”的“U”型通风方式，即运输顺槽进风，回风顺槽回风。结合本矿井煤层赋存条件，参考临近矿井配风数据，考虑局部瓦斯可能较高因素，2号煤层回采工作面风量暂推荐为30m3/s，实际生产过程中可根据瓦斯涌出和井下气象条件进行合理调整。

2、21208工作面瓦斯来源

21208采煤工作面回采期间，瓦斯涌出来源主要为开采层（包括落煤、围岩及现采空区丢煤瓦斯涌出）、上邻近层，为了取得较好的抽采效果，应针对各涌出源制定合理的抽采方法进行综合抽采。

3、工作面瓦斯含量、瓦斯储量、预抽时间、抽采瓦斯量、抽采率、抽采达标情况。

根据148勘查院测定的数据，2号煤层甲烷含量 1.07～8.95mL/g.r，平均3.99mL/g.r。

预计21208工作面在正常生产过程中相对瓦斯涌出量26.61m3/t。21208工作面煤炭储量52.2455万吨，其瓦斯总储量为1390.2528万立方米。

根据矿井生产安排，21208工作面从开始掘进到工作面形成系统，预计工作面预抽时间可达9个月以上。21208工作面预计布置928个本煤层孔，根据实际情况，按照单孔抽放0.03m3/min计算，预计9个月可以抽放瓦斯320.5267万立方米。

21208工作面掘进期间瓦斯抽采率预计可达到30%以上，回采期间瓦斯抽采率预计可达到40%以上，从而保证回采工作面的抽采达标生产。

二、抽采方法的选择

根据矿井设计，由于02号煤层属于局部可采，仅在井田东南角可采，21208采煤工作面作为首采面，处于上方02号煤层不可采区域。

根据煤层赋存情况、矿井开采技术条件以及瓦斯参数情况，21208采煤工作面抽采工作分为开采层抽采、邻近层抽采和现采区空抽采三种方式。

㈠开采层抽采

开采层瓦斯抽采包括开采层预抽、边采边抽和强化抽采等方式，开采层预抽属于未卸压煤层瓦斯抽采，对于透气性及其他预抽条件较好的煤层，预抽会取得较好效果。边采边抽利用工作面开采时的卸压效应抽采开采层瓦斯，当工作面推进时，工作面前方煤体由于卸压，透气性大大增加，抽采效率大幅度提高，采用平行钻孔，抽采工作面前方煤体的卸压瓦斯。

1、抽采钻孔布置方式

麦地掌煤矿2号煤层为可以抽采煤层，开采层是回采工作面的主要瓦斯来源，可采取顺层平行工作面钻孔抽采方法。即在工作面的运输顺槽、回风顺槽布置顺层平行工作面钻孔，可以作为预抽钻孔对2号煤层瓦斯进行预抽。待预抽工作面转变为回采工作面后，预抽钻孔还可作为边采边抽钻孔对煤层进行卸压瓦斯抽采，从而提高瓦斯抽采量，减少开采层的瓦斯涌出。抽采钻孔布置见图1。

超前支护单体支柱

瓦斯抽采管路

回风巷

图1：2号煤层平行工作面钻孔布置示意图

2、钻孔抽采参数确定

⑴预抽时间的确定

由原设计可知，2号煤层百米钻孔初始瓦斯涌出量为0.0529m3/min·100m，钻孔瓦斯流量衰减系数取0.0171d-1。现设计工作面长180m，顺槽推进长度为2000m；百米钻孔在不同时间t内可抽采的瓦斯总量（Q t）和钻孔抽采有效系数（K）按下式计算：Q t=1440 q0·(1-e-at)/α （4-1）

K=Q t/Q j=(1-e-at) （4-2）式中：Q t—百米钻孔在t时间内可抽瓦斯总量，m3；

t—抽采时间，d；

K—钻孔抽采有效系数，％；

Q J—钻孔极限瓦斯涌出量，Q J=1440q0/α，m3；

计算结果如下表：

表1：2号煤层不同抽采时间内百米钻孔抽采瓦斯总量及钻孔抽采有效系数表

⑵钻孔间距的确定

从上表可以看出，预抽时间为9个月时，抽采有效系数为99.0%，有效系数已经完全符合实际需要，因此实际钻孔预抽煤层瓦斯时间定为9个月。

下面对钻孔预抽时间为9个月时，抽采影响范围进行计算：

η＝100·Qt/（L·M·D·Y·X）（4-3）

式中：η—钻孔抽采影响范围内的瓦斯抽采率，％；

L—钻孔长度，m；

M—煤层平均厚度，m；

D—钻孔抽采影响范围（直径），m；

Y—煤的视密度，t/m3；

X—煤层瓦斯含量，m3/t。

计算结果如下表：

表2：2号煤层不同钻孔抽采影响范围内的瓦斯抽采率统计表

考虑到我国开采层预抽瓦斯目前的实际水平，对照上表，本着既要减少钻孔工程量又要保证抽采效果的原则，应根据具体的钻孔预抽时间来确定钻孔间距。由表4-1、表4-2可以得出，开采层预抽时间为9个月时，钻孔影响范围内瓦斯抽采率为52%，能够满足抽采要求。

设计最终确定2号煤层回采工作面预抽时间为9个月，2号煤层钻孔间距为2.5m，双侧布孔，2号煤层钻孔总数为1598个。平行工作面钻孔参数，详见表4-3。

表3：2号煤层平行工作面钻孔技术参数表

注：开孔高度为钻孔距煤层底板的高度。

⑶单孔瓦斯抽采量预计

Q=Qt/270/1440×（180-2×14.2）/100/2=4419/270/1440×（180-2×14.2）/100/2

Q=0.009m3/min

3、钻孔施工

⑴设计采用ZDY－2300型全液压钻机（钻杆Φ63.5），湿式打眼，水力排粉，无岩芯钻进工艺。

⑵钻孔直径：选用硬质合金钻头，钻孔直径Φ94mm。

4、封孔工艺

钻孔采用囊带式带压注浆封孔技术，封孔长度为8m，封孔管为直径Φ65mm的PVC 管（阻燃、抗静电），再用PVC钻孔连接管连接到支管上，然后连接到干管上，再连接到主管上，最后到达地面瓦斯抽采泵站。

囊带式注浆封孔法的关键是一个孔内安装一次性囊袋注浆装置。该装置通过两个囊袋封堵一段钻孔，两个囊袋之间有一段塑料管，塑料管上开设有钻孔注浆口，通过钻孔注浆口向两个囊袋之间的钻孔注浆，并形成注浆压力使浆液向钻孔壁渗透。囊带式注浆封孔原理见图2。

图2：囊带式注浆封孔原理图

注浆材料：采用快硬硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥复合作为注浆材料的基础，适量地加入外加剂激发活性。

5、抽采管路管理

工作面开采后，随着工作面的推进，靠近切眼的抽采钻孔不断报废，当钻孔距工作面切眼60m时，预计抽采钻孔进入卸压区，进行卸压抽采，随着抽采管路不断变短，靠近切眼的管路要逐段卸下来，端头用法兰盖密封。由于工作面在回采时，回风巷需进行超前支护大约20m，为了不影响生产，需提前拆除管路，给瓦斯管路的管理造成一定困难，所以可以考虑在靠近工作面切眼30m内的钻孔用软胶管与抽采管相连，抽采管末端特制一段2~3m长的短管，短管上做几个变径三通，与靠近工作面的钻孔用软管相连，

钻孔报废后再向前移动短管，保持短管始终在抽采管路的末端，这样一来，工作面的预抽钻孔可以抽取大量的卸压瓦斯，使开采层预抽取得较好的抽采效果。

㈡邻近层瓦斯抽采

1、邻近层瓦斯抽采方法选择应符合下列规定

⑴可采用从开采层回风巷向邻近层打穿层钻孔进行抽采。

⑵当邻近层或围岩瓦斯涌出量较大时，可采用顶（底）板抽采巷道进行抽采，也可在工作面回风侧沿开采层顶板布置水平长钻孔或高位钻孔抽采上邻近层瓦斯。

2、2号煤层高位钻孔抽采上邻近层（02号煤层）瓦斯

⑴抽采方法：本次设计采用高位钻孔抽采上邻近层瓦斯。

⑵钻孔布置：高位钻孔终孔位置布置在开采层裂隙带中，在回风顺槽顶板每隔45m 布置一组高位钻孔，且高位钻孔在回采前应施工完。2号煤层高位钻孔布置图见图3，参数见表4。

㈢采空区瓦斯抽采

1、采空区瓦斯抽采方法选择应符合下列规定

⑴老采空区应采用全封闭式抽采方法。

⑵现采空区可根据煤层赋存条件和巷道布置情况，采用顶（底）板钻孔法、高位钻孔法、插（埋）管法等抽采方法，并应采取提高抽采瓦斯浓度的措施。

2、现采空区瓦斯抽采

现采空区瓦斯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。由于这种采空区是和工作面通风网络相连通的，在通风压差的作用下来源于各方面的瓦斯涌入采空区后又流进工作面并经由回风流排出，当采空区积存和涌出瓦斯较大时有可能使工作面上隅角或回风流当瓦斯处于超限状态，特别是当顶板冒落时引起采空区瓦斯突然大量涌出对生产构成很大的威胁。本次设计采用埋管抽采现采空区瓦斯。2号煤层现采空区抽采示意见图4。

上邻近层高位钻孔图3：2号煤层高位钻孔抽采上邻近层瓦斯示意图

图4：2号煤层现采空区瓦斯抽采示意图

3、采空区抽采安全措施

根据煤科集团沈阳研究院有限公司2014年检测检验报告，02号煤层自燃倾向性等级为Ⅲ类，不易自燃煤层，煤尘具有爆炸危险性；2号煤层自燃倾向性等级为Ⅱ类，自燃煤层，煤尘具有爆炸危险性。

2号煤层为自燃煤层，因此，采空区抽采时应采取安全措施；麦地掌煤矿02号煤层虽为不易自燃煤层，但为了保证安全，同样采取安全措施。具体如下：

⑴应在靠近抽采地点的管道上安设抑爆自动喷粉抑爆装置。至少安设1组，每组抑爆装置需安设2个喷粉罐，两个喷粉罐之间的距离为50m。安设地点距最近的抽采瓦斯管口的距离（沿管道轴向）应小于100m。抑爆装置的火焰传感器应安设在自动喷粉抑爆装置与抽采管进气口之间，距离抑爆装置的距离（沿管道轴向）应大于50m。

⑵采空区抽采系统监测

采空区抽采时应完善矿井安全监控系统，保证系统可以连续监测CO、CO

2、O

2

等环

境参数。

三、抽采系统及管路敷设

1、21208回风顺槽掘进工作面边掘边抽利用地面瓦斯抽采泵站两台2BEC72型水环真空泵及配套设施构成，顺槽内瓦斯抽采管路自回风大巷1内敷设的DN600高负压瓦斯

抽采干管引出，具体敷设路线为：地面抽采泵→（主管选用Φ630mm*6螺旋焊管1120米）→回风立井→回风大巷1→（干管选用Φ630mm*6螺旋焊管1880米）→21208配风巷→21208配风巷1号联络巷→（支管选用Φ273mm*4螺旋焊管1300米）→21208回风顺槽

2、抽采管路在向顺槽内延接时在巷道开口点安装瓦斯抽采自动计量装置（孔板流量计）并联入瓦斯抽采监测监控系统，同时留设人工检测孔（可检测管道负压和瓦斯浓度）。管路在分支处安装配套闸阀，在08配风巷开口处设置除渣器、放水器，管路随巷道起伏，在低洼点设置放水器。

3、支管进入21208回风顺槽后设置在巷道右帮，结合现场实际可施工吊挂眼或加工托架对管路进行固定，管路离地高度不低于300mm。

四、瓦斯抽采管路的附属装置

㈠钻孔与管路的连接装置

瓦斯管路的连接装置，包括管路连接头、流量计（或带检测孔的短接）、阀门和高压胶管等。封孔管通过铠装胶管与管路接口（或三通）连接，接头设置阀门，构成瓦斯抽采系统的开端。

预抽钻孔与抽采管路连接方式，见图5。

图5：钻孔与管路连接示意图

㈡阀门

在瓦斯主、干管、钻孔联接装置以及其他需要的地点，都必须设置阀门，用于调节各个抽采区、各个钻孔的抽采量及瓦斯浓度，同时也可以调节、控制和平衡各地点、各管路系统上所需要的压力。另外，当修理和更换瓦斯管，以及联接或拆接钻孔装置时，可以关闭阀门，切断通路。阀门型号根据使用地点和管径大小而确定，一般抽采点由于管径小选用闸阀，主、干管可选用外形尺寸较小的蝶阀，必须使用取得“MA”标志且适用于煤层瓦斯气的阀门。

㈢测压嘴（检测孔）

根据矿井实际，选用检测孔装置用以测定管路中瓦斯流的压力和瓦斯管路中气体浓度，在管路安装以前，预先安装上。在瓦斯主管、支管和钻孔联接装置上都应设置。检测孔装置以配套螺栓和螺母在瓦斯抽放管路上加工，不宜过大过长，一般不超过30mm，其直径大约4～10mm。平时，将螺栓与螺母上紧，确保与管外空气隔绝，同时经常对螺栓及螺母进行润滑，保证灵敏可靠。

㈣集流器

集流器即将多个瓦斯抽放封孔管集中在一起然后与瓦斯抽放支管连接的装置，结合矿井实际，主体部分以Φ325螺旋焊管加工，加工示意图如图6所示

图6：集流器加工示意图

说明：

①集流器主体为Φ325螺旋焊管；

②安装Φ108闸阀1个（连接抽放主管用），安装2寸球阀1个用于放水，安装4分球阀1个（连接负压表用），安装1.5寸球阀及抽放短接（带检测孔）6个。

㈤管路放水器

管路中每200～300m、最长不超过500m的低洼处安设一放水器，及时将管中积水放出。

图7：放水器加工示意图（以DN250瓦斯管为例）

说明：

①以DN250钢管加工，长度为抽放管直径的2倍，两端以厚度为3mm的钢板封堵；

②上部2寸球阀用于进水，下部2寸球阀用于放水，4分球阀为进气阀。

㈥除渣器

图8：除渣装置加工示意图

说明：

①图中除渣装置以DN250抽放管为例；

②挡渣用的铜网必须保证牢固可靠；

③在底部安装挡板，除渣时打开，除渣结束重新紧固，确保严密不漏气。

㈦抽采监控与检测

1、流量检测装置

在瓦斯管网中的主管、干管和支管上均安装流量计或设置检测孔，通过其流量的测定，掌握每个瓦斯区域的瓦斯流量情况，反映煤层瓦斯涌出规律和计算抽采效果。

2、负压检测装置

抽放负压检测必须选用量程符合要求的负压表，在每个集流器上安装，随时检测抽放负压情况。根据相关标准及同类矿井瓦斯抽采经验，利用钻孔抽采时管口负压为13～25KPa，采用采空区冒落带裂隙带抽采（或采空区埋管抽放）时管口负压为5～8KPa左右。

3、监控设备与检测仪器

采用自动监控与人工检测相结合的方式。自动监控利用安装在主、干管道上的孔板流量计，人工检测采用WGCB型管道瓦斯参数仪2台，配合皮托管、高负压抽气筒进行检测。

五、安全技术管理措施

㈠打钻施工

1、施工人员必须认真学习《煤矿安全规程》、《操作规程》和本抽放设计。

2、打钻人员必须经过正规培训，考试合格持证上岗.

3、施工人员必须按照设计参数进行施工，方位、倾角误差±1°。

4、施工地点10m范围内必须保持清洁，巷道无片帮冒顶现象，发现不安全预兆必须及时维修。

5、打钻地点必须悬挂甲烷监测传感器或便携式甲烷检测报警仪。

6、开始打钻时首先检查工作地点巷道，顶底板及煤帮情况，随时检测瓦斯浓度，当瓦斯浓度超过0.8%时，立即停止打钻，并汇报通风调度，待处理后方可打钻。

7、钻机运输时，必须捆绑牢固，运输中严格遵守《煤矿安全规程》的规定。

8、装卸车时，现场人员相互协调，互相照应，由跟班领导统一指挥。

9、钻机移动时，禁止无关人员在钻机附近逗留。

10、抽采钻孔定位、角度吊挂，必须由专业人员准确完成。

11、钻机必须安装平稳、牢固，钻进过程中钻机后方严禁站人，以免发生意外。

12、施工高仰角钻孔过程中，装卸钻杆时，必须将夹持器卡牢，以防钻杆下滑伤人；

13、所有电器设备必须完好，班班有专人检查，严禁失爆。

14、打钻过程中，如发生钻孔喷气、喷水、喷煤等异常现象时，必须立即停电、撤人，不准提钻，并立即向矿调度、通风调度及队领导汇报。

15、钻孔施工中如遇有水或瓦斯大量涌出，要立即停机，切断电源，撤出人员，汇报调度，听候指挥。

16、如果施工过程中钻遇顶、底板炭质泥岩，立即停钻后撤，根据钻孔方位、倾角调整工具面，使钻孔轨迹沿煤层延伸。

17、打钻附近必须安设电话，便于联系。

18、钻孔施工完毕后，派专人对钻孔进行验收，钻孔深度误差不得大于±１ｍ，角度误差不得大于±１°。

㈡管路安装

抽采管路必须严格按标准进行吊挂,由总工程师组织有关单位进行验收,在合格后方可投入使用。

1、抽采管路按设计要求安装，做到平、直、稳、严密，统一高度。抽采管路沿巷道侧帮敷设，要求每根抽采管路支撑不少于两处。

2、对瓦斯管路必须进行防腐处理，外部涂成黑色以示区别；每根瓦斯管路都进行编号。

3、管路跨过巷道或硐室时要设龙门。

4、合理设置三通、阀门，便于连接。

5、井下管路应严禁与通讯、动力电缆敷设在一起，以防管路带电。

6、连接管路时必须将管内杂物清理干净，胶垫要垫合适，法兰盘螺丝要上齐全，全部紧固，保证不漏气。

7、瓦斯管路铺设地段严禁施工，如确需施工时，必须做好管路保护措施，并与抽采队联系，待抽采队采取措施后，方可施工。在瓦斯管路醒目处，揭示警标，内容为“瓦斯管路，严禁碰撞”。

8、管路安装时每500米安装一个支管控制阀门，管路安装时支管路安装监测装置。

㈢泵站和钻孔观测

1、瓦斯泵运行后，三班必须设泵站司机，司机必须持证上岗，严格按照抽采泵的操作规程进行操作，在泵运行过程中，若有异常情况，必须立即停止泵的运转，然后汇

报矿调度和通风处，若遇其它情况需停泵时，应先请示，征得同意后，方可停泵。发现安全隐患，及时汇报处理，确认无误后方可开泵，并严格执行现场交接班制度。

2、瓦斯泵站必须设一部直通矿调度室的电话，并有检测瓦斯浓度、流量、抽采负压、流量等必要的仪器仪表；泵站司机每一小时测定一次，并向通风调度汇报，所有记录本要记录齐全、清楚。

3、瓦斯抽采泵站20ｍ范围内不得有易燃易爆物品，且泵站必须设有不少于４只灭火器和0.5m3沙箱，所有工作人员必须熟悉灭火器材的使用方法。

4、每天设专人对抽采系统进行检查，发现漏气等现象及时汇报处理。

5、保证地面抽放系统管路的防回火、防回气和防爆炸作用的安全装置完好，因井下管路或地面检修等原因停泵时，及时打开被检修泵的地面放空阀。检修管路前，必须先检查瓦斯浓度，管路中瓦斯浓度降至0.7%以下时才准工作。

6、地面泵房内设监控分站，并与矿安全监控系统相连，随时对瓦斯泵站运行参数进行监控。泵站司机必须密切注意流量表和压力表的变化，并按时检查瓦斯浓度。

7、安装有孔板流量计的抽采钻孔、抽采管路支管必须设置钻孔观测牌板。

8、每天安排专人测定钻孔及抽采管路支管的抽采参数，并将测定结果填写在钻孔记录牌板和记录本上。

9、钻孔记录牌板要求填写钻孔施工时间、孔号、角度、钻孔长度、孔径（开孔、终孔）、封孔长度、封孔材料、抽采瓦斯浓度、抽采负压、测定时间、抽采量（混合量、纯量）、瓦斯管内、外温度等。

㈣避灾路线

1、避灾原则

水灾：人员应由低处往高处撤退，找最近的安全出口，但不得进入独头巷内。

火灾、瓦斯煤尘爆炸：应遵循就近进入新鲜风流巷的原则。

2、发生水灾避灾路线

打钻地点→21208回风顺槽→轨道大巷→清撒煤巷→主斜井→地面

副斜井→地面

3、发生火灾、煤尘瓦斯爆炸

打钻地点→21208回风顺槽→轨道大巷→清撒煤巷→主斜井→地面

副斜井→地面