耿村煤矿东区瓦斯抽放设计.docx
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耿村煤矿东区瓦斯抽放设计
耿村煤矿东区瓦斯抽放设计
摘要：
我国煤矿多为井工开采，瓦斯灾害严重。
近年来，随着煤炭生产规模的扩大和开采深度的延伸，一次死亡10人以上的煤矿瓦斯事故起数和死亡人数，均占同类事故的80%以上。
我国煤矿瓦斯灾害虽然严重，但瓦斯事故的发生是有规律可循的，也是可以预防和治理的。
建国以来，在党和政府的领导下，我们在煤矿瓦斯治理方面做了大量工作，取得了一定的成效，也积累了比较丰富的经验。
在2001年国家煤矿安全监察局总结提出了“先抽后采、监测监控、以风定产”十二字方针。
瓦斯抽放是解决我国煤矿瓦斯问题的根本途径采取抽放措施，将富含于煤层中的瓦斯抽放出来，是解除瓦斯事故威胁、保障煤矿安全最为有效的措施。
瓦斯主要成分为甲烷（CH4），纯瓦斯的热值大于33000kJ/m3，与常规天然气相当，是一种洁净的能源。
瓦斯的抽放利用，极大地促进了企业开展瓦斯抽放工作的积极性，不仅有效地缓解了矿井瓦斯灾害，有效地改善了煤矿的安全生产条件，同时还解决了部分就业问题、取得了良好的经济效益、社会和环境效益。
关键词：
煤矿开采瓦斯瓦斯治理瓦斯抽放
EasttheGengvillagecoalminetheareagaspullsoutputsthedesign
Abstract：
Ourcountrycoalminemanyforwelllabormining,thegasdisasterisserious.Inrecentyears,alongwithcoalproductionscaleexpansionandminingdepthextending,Timedied10personofabovecoalminegasaccidenttogetupthenumberandthecasualty,occupiesthesimilaraccidentabove80%.Ourcountrycoalminegasdisasteralthoughisserious,Butthegasaccidentoccurrenceisorderlymayfollow,alsoismaypreventandgovern.Sincefoundingofthenation,inpartyandundergovernment'sleadership,Wehavedonethemassiveworkinthecoalminegasgovernmentaspect,hasobtainedthecertainresult,alsoaccumulatedthequiterichexperience.Thenationalcoalminesecuritysupervisionbureausummarizedafter2001proposed"firstpulledoutpicks,themonitormonitoring,tothewindfixesproductionquotas"12characterspolicies.
Thegaspullsoutputsissolvestheourcountrycoalminegasquestionbasicwaytoadoptpullsoutputsthemeasure,Richlywillcontaininthecoalbedthegaspullsoutemits,willberelievesthegasaccidenttothreaten,tosafeguardthecoalminesecuritymosteffectivemeasure.Thegasprincipalconstituentforthemethane（CH4）,thepuregascalorificvalueisbiggerthan33000kJ/m3,Withtheconventionalnaturalgasquite,isonekindofpureenergy.Thegaspullsoutputstheuse,enormouslypromotedtheenterprisetodevelopthegastopulloutputstheworktheenthusiasm,Notonlyeffectivelyalleviatedthedampdisaster,effectivelyimprovedthecoalminesafetyinproductioncondition,Simultaneouslyalsosolvedthepartialemploymentproblem,hasobtainedthegoodeconomicefficiency,thesocietyandtheenvironmentbenefit.
Keywords:
CoalmineminingGasGasgovernmentThegaspullsoutputs
附图2耿村矿东区抽放管路系统图56
1前言
1.1概述
耿村煤矿属义马煤业（集团）有限责任公司所辖，于1975年4月由河南省煤矿设计研究院设计，1975年12月由义马矿务局建井处与河南省建井二处共同施工兴建，1982年12月投产，矿井设计能力120万t/a，服务年限为39年，为义马煤业（集团）有限责任公司大型骨干矿井之一，1985年已基本达到设计生产能力。
为扩大生产规模，经义马矿务局、省煤炭厅批准矿井进行改扩建，1988年元月动工，1992年12月完工。
扩建后井型由120万t/a增加到240万t/a，净增120万t/a。
耿村矿原设计生产能力240万t，现实际生产能力在300万t以上，2006年生产原煤为385万t。
根据该矿的矿井设计和2006年矿井瓦斯等级鉴定报告资料，矿井绝对瓦斯涌出量为38.99m3/min，相对瓦斯涌出量为5,79m3/min，按《煤矿安全规程》第133条规定，确定耿村煤矿为高瓦斯矿井。
近年来随着开采深度增加、开发强度加大，煤层瓦斯赋存量和采掘生产期间的瓦斯涌出量都呈现出明显的上升趋势。
特别是目前主采的2-3煤层由于1-2煤层从井田中部开始向东南部与其合层直到井田的深部边界，从而导致了煤层的大面积增厚，煤层瓦斯含量必将有大幅度的提高。
实际资料显示，日趋频繁的回采工作面上隅角瓦斯浓度超限问题已经严重制约了生产进程，时刻威胁着井下作业工人的生命安全。
另据河南理工大学（原焦作工学院）先前针对耿村煤矿完成的“低瓦斯矿井瓦斯赋存规律及瓦斯灾害治理技术研究”科研成果反映，随着开拓工程的延深，回采工作面瓦斯涌出量将逐渐增大，预测井田东翼当煤层埋深超过600m后，绝对瓦斯涌出量达到25m3/min以上，而且还存在着绝对瓦斯涌出量超过30m3/min的局部高瓦斯涌出区域。
在此情况下，仅靠加大通风量解决回采工作面瓦斯问题不仅不太合理，而且实现的难度相当大。
耿村煤矿到目前为止尚没有任何煤层和地点出现过任何形式的瓦斯动力现象，属于低瓦斯非突出矿井，目前对井下安全生产威胁最大的是回采工作面上隅角的瓦斯浓度超限问题。
为贯彻执行国家煤矿安全生产监督管理局制定的“先抽后采，以风定产，监测监控”的煤矿安全生产管理方针，有力保障井下安全和生产计划的圆满完成，在地面建立固定抽放系统，是必要和可行的。
特此对耿村矿东区瓦斯抽放系统进行设计。
1.2设计依据
1.《矿井抽放瓦斯工程设计规范》（MT95018-96），中华人民共和国煤炭工业部，1997年
2.《矿井抽放瓦斯管理规范》，中华人民共和国煤炭工业部，1997年
3.《煤矿安全规程》，国家煤矿安全监察局，2004年
4.《防治煤与瓦斯突出细则》，中华人民共和国煤炭工业部，1995年
5.矿井地勘、通风、生产及相关瓦斯地质等资料，耿村煤矿
6.“低瓦斯矿井瓦斯赋存规律及瓦斯灾害治理技术研究”研究报告，河南理工大学（原焦作工学院），2003年
2矿井概况
2.1地理位置
义马煤业（集团）耿村煤矿位于河南省三门峡市渑池县境内，北距渑池县城2km。
陇海铁路、洛潼公路在井田北部边缘通过，为主要运输干线，有铁路专用线及公路直达矿内，交通十分便利。
2.2井田自然地理特征
（1）地形地貌特征
本井田以上侏罗统砾岩为骨架，上部广覆第四系亚粘土，地形较复杂，属低山丘陵区。
西部地势较平缓，东部沟谷发育，整个井田呈南高北低的形态，标高在+510～+640之间，最大相对高差133m，平均标高575m。
（2）气候
本区属于大陆性气候，夏季炎热，冬季寒冷，四季分明。
根据渑池气象站资料，最高气温41ºC（1966年6月20日），最低气温-18.70ºC（1969年1月31日），年平均气温12.4ºC。
7月份最高气温一般在24～27.8ºC，元月份最低气温为0.5～5.1ºC.冬季冷天数平均为106天，夏季炎热天数平均为45天。
冰冻期一般为11月中旬至次年3月，土壤最大冻结深度0.34m，一般为0.15～0.21m。
2.3井田地质构造
1）地层
根据钻孔揭露，本区主要分布三叠纪、侏罗纪地层。
关于本区中生代地层的时代划分问题，许多生产单位和高等院校都做过不少研究工作，随着研究的不断深入和古生物化石的大量发现，地层划分日趋详细和合理。
耿村井田自下而上主要发育中生界三叠系上统谭庄组（T3）、侏罗系中统义马组（J21）、侏罗系中统上部（J22）、侏罗系上统（J3）及新生界第三系（R）、第四系（Q）地层。
中侏罗统义马组（义马组原定为下侏罗统，依据1986年江苏煤田地质四队孢粉分析划为侏罗系中统）为本井田的主要含煤地层，主要由碎屑岩、泥岩和煤层组成，厚25.12～127.10m，一般厚74.6m。
含煤5层，由下到上为2-3煤、2-2煤、2-1煤、1-2煤、1-1煤，其中2-3煤普遍可采，1-2、2-1、2-2煤为大面积可采煤层，1-1煤局部可采。
2）褶皱
耿村井田位于义马向斜西段北翼，为一总体向南倾斜的单斜构造，地层倾角一般在11°～15°之间，仅在井田南部F16断层附近，地层局部直立或倒转。
褶皱不发育，沿走向局部发育有宽缓的背、向斜和井田浅部沿走向的挠曲
3）断层
本区以断层为主，西部以F5101正断层与杨村矿为界，南部止于F16逆断层。
井田内断层主要集中在43线以西，＋250m标高以上，全部为正断层，最大落差18m，最小落差0.3m。
断层沿倾向的延伸性随落差变小而减弱。
井田内小断层在平面展布上，按断层走向大体可分为NNW、近SN和NNE-NE向三组；按断层组合的分布特点可划分为西风井构造区、东风井构造区和东三皮带大巷构造区。
根据该井田整个构造应力场及边界条件预测，由西向东，三个构造区在断层展布范围和单一断层的延展规模上逐渐变小，这些规律性和差异性，与该井田所处的古构造环境以及煤系形成之后F16断层由南向北的逆冲有关。
4）井田边界
耿村煤矿位于义马矿区西部，为义马煤业（集团）有限责任公司大型骨干矿井之一。
井田范围北起各煤层露头或老窑采空区，南止于F16断层，东以41勘探线东200m与千秋矿人为划定界限，西部以F5101断层与杨村矿相接。
井田东西走向长4.5km，南北倾斜宽2.8km，面积12.5km2。
5）水文条件
义马矿区乃至耿村井田水文地质条件简单，除第三纪泥灰岩外，均为弱含水层。
地表无大的水体，地下水的补给主要靠大气降水。
据矿井历年涌水量观测资料，矿井涌水量月度变化不明显，历年涌水量呈递减趋势，与大气降水、开拓进尺、采空区面积相关关系不密切。
由此可以证实，地下水的补给和迳流条件均较差。
历年矿井最大涌水量为178m3/h，一般在100m3/h，对矿井采掘生产无大的影响。
2.4煤层赋存情况
1）主要含煤地层岩性组合特征
义马组由下而上分为四段，即底部砂砾岩段、下部含煤砂岩段、中部泥岩段、上部含煤泥岩段。
该组地层与下伏上三叠统潭庄组呈不整合接触。
本组岩性特征分述如下：
底部砂砾岩段：
该段岩层厚度变化较大，0～39.45m，平均厚13.10m。
井田范围内43线以东，由下向上依次为底部砂砾岩、含砾中粗粒砂岩（或夹细砂岩、粉砂岩）、细粉砂岩或泥岩、薄层砂砾岩。
以西，砂砾岩尖灭，仅在浅部（北部）少数钻孔中偶见砂砾岩，其岩性组合由下而上为含砾粗、中（细）粒砂岩、含砾细（粉）砂岩或含砾泥岩（多呈互层出现）。
井田西南部砾岩段全部由砂质泥岩所代替。
下部含煤砂岩段：
本段厚31.89～76.66m，主要由煤层和砂岩组成。
中部泥岩段：
主要为灰黑色致密状泥岩，偶夹泥灰岩，具水平层理，含瘤状、透镜状黄铁矿和菱铁矿结核，全井田发育，为义马组主要标志层（JK1），厚度由4.04～42.64m，平均厚为24.19m。
上部含煤泥岩段：
主要由黄褐色、灰黑色泥岩、1-1煤和1-2煤层所组成，有时泥岩中夹有粉砂岩薄层。
井田内普遍受到后期剥蚀，保留不全，浅部有的剥蚀殆尽，厚0～10.5m不等，一般为4～6m。
2）煤层
耿村井田主要含煤层为义马组，，厚25.12～127.10m，一般厚74.6m。
含煤5层，由下到上为2-3煤、2-2煤、2-1煤、1-2煤、1-1煤，其中2-3煤普遍可采，1-2、2-1、2-2煤为大面积可采煤层，1-1煤局部可采。
煤层总厚22.73m，含煤系数29.7%。
2-3煤层下距三迭纪地层0.5～28.92m，煤层厚度0.24～21.73m,一般8.69m。
岩性为砂质泥岩、泥岩或炭质泥岩。
由于井田内地层倾角平缓，构造简单，并以封闭式断裂为主，煤层较厚，且变质程度较高，瓦斯赋存条件较好，因此瓦斯含量较大。
3）煤质
田内各煤层均为长焰煤，由钻探煤芯煤样和生产煤层煤样综合分析，1-1煤为中～富灰高硫煤；1-2、2-1和2-2煤均为低～富灰（以中灰为主）特低～中硫煤；2-3煤为中灰特低-中硫煤。
原煤空气干燥基弹筒发热量除2-2煤略低外，其它煤层均在20mj/kg以上，属中等发热量煤。
经洗选炼焦、气化等试验，精煤回收率低，可作为炼焦配煤，CO2反应性强，产气率高，适宜气化用煤。
各煤层均具有自然倾向性，自然发火期为一个月，最短为7天。
目前主采的2-3煤层的煤尘爆炸指数为：
36.03％，具有爆炸性。
2.5田井开拓与生产现状
耿村矿于1975年4月由河南省煤矿设计研究院设计，1975年12月由义马矿务局建井处与河南省建井二处共同施工兴建，1982年12月投产，矿井设计能力120万t/a，服务年限为39年，为义马煤业（集团）有限责任公司大型骨干矿井之一，1985年已基本达到设计生产能力。
为扩大生产规模，经义马矿务局、省煤炭厅批准矿井进行改扩建，1988年元月动工，1992年12月完工。
扩建后井型由120万t/a增加到240万t/a，净增120万t/a。
耿村矿原设计生产能力240万t，现实际生产能力在300万t以上，2006年生产原煤为385万t。
2004年底工业储量14674.5万吨（东区为7362.1万吨）。
耿村煤矿采用斜井单水平上、下山开拓方式，目前矿井主要开采1-2、2-1、2-2和2-3煤层，厚度0至21.76米，平均厚度9.59米，全井田共分二个采区，即西二、东三采区。
全矿井采掘机械化程度较高，并配备了生产监控、安全监测系统。
主斜井一个，主要承担全矿井的提升任务；副斜井两个，主要用于进风、提料、提矸及升降人员；西二采区进风和回风斜井各一个，配备BDK-8-22防爆对旋主扇两台；东三采区有回风斜井一个，配备BDK-8-22防爆对旋主扇两台；主、副斜井均为进风井之用。
运输大巷设在+300m水平的2-3煤层底板岩石中，贯穿东西采区。
两个采区为两翼上下山开采，由于煤层厚度大，采用走向长臂采煤法；煤厚小于4.5m时，一次采全高，全部陷落法管理顶板。
目前井下布置有两个高产高效综采工作面：
西翼采区有：
（2-3）12190综采面，东翼采区有（2-3）13150综采面，七个掘进工作面：
东区有：
（2-3）13100上下巷、（2-3）13170上下巷，西区有：
（2-3）12180上下巷、专回延伸。
2.6矿井通风及瓦斯涌出情况
耿村煤矿目前采用中央边界式抽出式通风，主、副斜井进风，东三风井回风，两个西风井一个回风，一个辅助进风。
目前，矿井总进风6258m3/min，其中：
东区3109m3/min，西区3149m3/min；矿井总回风6592m3/min，其中：
东区3285m3/min，西区3307m3/min；矿井等积孔2.83m2，其中：
东区1.25m2，西区1.23m2；矿井负压：
东区2607Pa，西区2724Pa（2006年8月实测）。
自1983年至2004年的矿井瓦斯等级鉴定结果表明，耿村煤矿为低瓦斯矿井（表1-2）。
但随开采深度的增加，回采强度的逐年增大，绝对瓦斯涌出量有明显增大的趋势（图1-2）。
2003年矿井瓦斯涌出量为27.95m3/min，2004年全矿井绝对瓦斯涌出量又升高到34.02m3/min。
特别是2004年下半年以来，该矿东、西采区瓦斯涌出量都明显升高，2-3煤的综采13130面和1-2煤的12171面瓦斯涌出量都超过10m3/min；而且在工作面风量达到900m3/min以上，又经过采用高位抽放和上隅角埋管抽放措施的情况下，工作面回风流的瓦斯浓度仍维持在0.5～0.8%。
2006年瓦斯等级鉴定时，矿井绝对瓦斯涌出量为38.99m3/min，东区为17.8m3/min,西区为21.19m3/min；矿井相对瓦斯涌出量为5.79m3/t，东区为6.67m3/t,西区为4.92m3/t。
河南省煤炭工业局批复为高瓦斯矿井。
回采工作面上隅角瓦斯浓度超限是目前和今后严重影响和制约安全生产的主要因素。
表1-1耿村矿近年瓦斯等级鉴定结果
年度
绝对瓦斯涌出量
（m3/min）
相对瓦斯涌出量
（m3/t）
鉴定
结果
CH4
CO2
CH4
CO2
CH4
CO2
1994
7.46
9.86
4.93
6.67
低
低
1995
4.27
9.42
4.94
7.81
低
低
1996
3.70
4.59
2.11
2.63
低
低
1997
7.75
12.59
2.50
4.07
低
低
1998
9.89
16.14
3.45
5.63
低
低
1999
14.40
19.63
3.75
5.11
低
低
2000
17.79
35.28
6.64
13.17
低
低
2001
25.86
31.03
6.59
7.91
低
低
2002
29.93
33.15
4.97
5.42
低
低
2003
27.95
31.36
4.38
4.91
低
低
2004
34.02
22.79
4.18
2.80
低
低
2005
32.65
6.26
3.55
1.31
高
高
2006
38.99
34.25
5.79
5.00
高
高
3矿井瓦斯抽放的必要性和可行性分析
3.1矿井瓦斯涌出量预测
3.1.1东翼回采工作面相对瓦斯涌出量计算
（1）开采煤层（包括围岩）瓦斯涌出量
（3-1）
式中q1－－开采煤层（包括围岩）相对瓦斯涌出量，m3/t；
k1－－围岩瓦斯涌出系数。
对于全部冒落法管理顶板的工作面k1=1.25；
k2－－工作面丢煤瓦斯涌出系数，其值为工作面回采率的倒数；13150综采工作面回采率为80％，k2=1.25；
k3－－准备巷道预排瓦斯对工作面煤体瓦斯涌出影响系数；系数k3按下式确定：
（3－2）
L—回采工作面长度，13150综采面L＝156m；
h—巷道瓦斯预排等值宽度，通常取h=20m，考虑到本煤层的透气系数很低，取h=10m；
m0－－煤层厚度（夹矸层按层厚1/2计算），m；m＝11.47m；
m1－－煤层开采厚度（采高），13150综采面实行一次采全高，为2.6m；
X0－－煤层原始瓦斯含量，m3/t；0.940m3/t；
X1－－煤的残存瓦斯含量，m3/t，与煤质和原始瓦斯含量有关，需实测；如无实测数据，可参考表3-1取值。
表3-1运至地表时煤在残存瓦斯含量
煤的挥发份含量Vdaf（%）
6－8
8－12
12－18
18－26
26－35
35－42
42－50
纯煤残存瓦斯含量X1’（m3/t）
9－6
6－4
4－3
3－2
2
2
2
由于该工作面位于风化带，瓦斯含量应为甲烷含量，不包括二氧化碳，因此原始瓦斯含量X0为0.94m3/t。
煤的残存瓦斯含量对义马低变质煤来说，根据经验可以取为2.0m3/t，但这里面包括氮气和二氧化碳的成分，应按照实际的气体比例计算。
根据耿村的实际情况，这里X1可以计算为0.334m3/t。
将实际参数代入公式（2-1），计算的出开采层瓦斯涌出量为3.63m3/t。
当日产量为5000t时，其对应的绝对瓦斯涌出量为12.60m3/min。
（2）邻近层相对瓦斯涌出量
（3－3）
式中q2－－邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t
mi－－第i个邻近层厚度，m;
m1－－开采层的开采厚度，m;
X0i－－第i邻近层原始瓦斯含量，m3/t;
X1i－－第i邻近层残存瓦斯含量，m3/t。
ki－－受多种因素影响但主要取决于层间距离的第i邻近层瓦斯排放率。
因耿村煤矿随着1-2煤层最后一个工作面回采结束，矿井下一阶段主要开采2-3煤层。
矿井生产进入单一煤层开采状态，没有邻近层。
而2-3煤层只有一个13150回采工作面，开采时的邻近层瓦斯涌出可以忽略不计。
故邻近层无须进行瓦斯抽放。
（3）围岩相对瓦斯涌出量
围岩相对瓦斯涌出量按下式计算
q围＝Knq1（3－4）
式中Kn—由顶板管理方法决定的围岩瓦斯涌出系数，全面冒落法管理顶时,取值为Kn=0.25。
根据前面的计算结果，根据公式（2－4）计算各回采工作面的围岩瓦斯涌出量为：
回采工作面围岩瓦斯涌出量q围＝0.25×3.63=0.91m3/t；
4）回采工作面瓦斯涌出量
根据公式（2-1）即q5＝q1＋q2+q围，回采工作面的瓦斯涌出量计算结果如下：
回采工作面的q5=3.63+0.91=4.54m3/t；绝对瓦斯涌出量为15.76m3/min。
表2-2给出了西翼回采工作面的瓦斯涌出量预测结果。
参数
采区
K1
K2
L
（m）
h
（m）
X0
（m3/t）
X1
（m3/t）
q1（m3/t）
q2
（m3/t）
q围（m3/t）
q5
（m3/t）
13150
1.25
1.25
156
10
0.94
0.334
3.63
0
0.91
4.54
表3-2东翼回采工作面瓦斯涌出预测结果
3.1.2掘进工作面相对瓦斯涌出量
掘进巷道瓦斯涌出量可以认为由两部分组成：
1）掘进巷道煤壁瓦斯涌出量
（3－5）
式中：
q3－－掘进巷道煤壁瓦斯涌出量，m3/min；
n－－煤壁暴露面个数，单孔送道时，n
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