采煤工作面瓦斯抽放技术设计.docx
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采煤工作面瓦斯抽放技术设计
采煤工作面瓦斯抽放技术设计
专业：
通风与安全系
班级：
09通风
（2）班
姓名：
张学伟
指导老师：
姚向荣
淮南职业技术学院通风与安全系
2011年6月
1地质概况：
本工作面走向长度1500m、倾向长度120m，停采线至回风上山距离150m，采区回风上山长度1800m。
局部弯头长度100m，工作面日产量3000t。
本煤采区开采某煤层（2号），煤层厚度为5m；赋存稳定，倾角为15°顶板为砂质泥岩，岩层不能致密，上覆1号煤层50m，煤厚2m。
本区域本区有小断层，对开采影响不大。
2煤层瓦斯参数和抽放瓦斯参数：
2.1煤层瓦斯参数：
1号煤层瓦斯含量为12m3/t.r，煤的密度为1.45t/m3，水分0.2%、灰分21%、挥发份15%；2号煤层瓦斯含量为11.5m3/t.r，煤的密度为1.32t/m3，水分1.2%、灰分18%、挥发份17%。
2.2抽放瓦斯参数：
2号煤层透气性系数λ＝0.0276（m2/MPa2.d），如用未卸压长钻孔预测抽煤层瓦斯，百米钻孔瓦斯抽和量为0.01m3/min·hm。
3瓦斯储量计算：
3.1煤层瓦斯储量计算：
根据已知条件：
2号煤层瓦斯含量为11.5m3/t.r，煤的密度为1.32t/m3，水分1.2%、灰分18%、挥发份17%； 1号煤层瓦斯含量为12m3/t.r，煤的密度为1.45t/m3，水分0.2%、灰分21%、挥发份15%。
可以得到原始瓦斯含量，公式如下：
式中：
Q原——矿井原始瓦斯含量，m³/t;
Q可燃基——可燃基瓦斯含量，m³/t.r;
Mad——水分；
Ad——灰分。
可得：
可采层瓦斯储量：
式中：
Q原2——2号煤原始瓦斯含量，m³/t；
L——2号煤工作面走向长度，m；
H——煤层厚度，m；
D——2号煤倾向长度，m；
ρ——2号煤的密度，t/m³。
可得：
=9.292×1500×5×120×1.32
=1104（万t）
3.2工作面可抽量计算：
相对瓦斯涌出量q可由以下公式求得：
式中：
WC——可燃基残存量，m³/t
可燃基残存量可根据表2-1查取
表2-1
q=9.292-3.2×（100-1.2-18）/100=6.7064
可采抽瓦斯总含量W可：
W可=q×L×H×D×ρ
=6.7064×1500×5×120×1.32
=7967203.2（m³）
预抽纯量Q纯:
Q纯=W可/（24×60×330）=16.766（m³/min）
抽放量Q:
Q=Q纯/0.4=41.915（m³/min）
4瓦斯抽放的必要性可行性论证：
4.1瓦斯抽放的必要性：
根据供风量为1500m³/min,工作面瓦斯浓度按0.6％计算风排瓦斯量Qp=Q×C=1500×0.6/100=9m3/min。
而工作面绝对瓦斯涌出量为16.766m3/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=16.766-9=7.766m3/min工作面瓦斯浓度才能维持0.6％
4.2、瓦斯抽放的可行性：
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（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）。
按λ、α和Qj判断本煤层瓦斯抽放可行性标准如表2-2示。
表2-2本煤层预抽瓦斯难易程度分类表
根据已知条件，2号煤层透气性系数λ=0.0276（㎡/MPa2·d）,2号煤属于较难抽采煤层，如不采取其他技术措施，基本不具备预抽本煤层瓦斯的可能性，因此，我们要选取合适的抽采方法来治理工作面的瓦斯超限。
5瓦斯抽放方法设计：
5.1、瓦斯抽放方法分类与选择规定：
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》第4.1.1条规定：
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。
5.2、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煤层透气性较小但应有抽放可能，煤层赋存条件稳定，地质变化小。
图——回采工作面本煤层瓦斯抽放钻孔布置示意图
5.3、抽放钻孔的参数：
5.3.1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。
5.3.2钻孔的长度：
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。
5.3.3钻孔的间距与抽放时间：
2号煤层透气性系数λ＝0.0276（m2/MPa2.d），根据表3-1，我们选取钻孔间距为3m。
表3-1钻孔间距选用参考值表
煤层透气性系数
（m2/（MPa2•d））
钻孔间距（m）
备注
＜10-3
---
先采取卸压增透措施后，才能抽放
10-3～10-2
2～5
10-2～10-1
5～8
10-1～10
8～12
＞10
＞10
根据课程设计给的条件，我们可知抽放时间为一年。
5.3.4抽放负压与钻孔长度：
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。
6工作面瓦斯抽放系统：
6.1、抽采管路系统选择的原则：
6.1.1抽采管路系统应根据矿井开拓部署、井下巷道布置、抽采地点分布、瓦斯利用要求，以及矿井的发展规划等因素确定，并宜避免或减少主干管路系统的改动。
6.1.2管路的敷设宜减少曲线，并宜使管路的长度较短。
6.1.3管路宜敷设在矿车不经常通过的巷道中。
若必须敷设在运输巷道内时，应采取必要的安全措施。
6.1.4当抽采设备或管路发生故障时，应使管道内溢出的瓦斯不流入采、掘工作面及机电硐室内。
6.1.5抽采管路系统宜符合管道运输、安装和维护方便的要求。
6.2抽采管路管径、壁厚计算及管材选择：
6.2.1抽采管径选择：
选择瓦斯管径，可按下式计算：
式中D—瓦斯管内径，m；
Q—管内瓦斯流量，m3/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：
6.2.2抽采管路壁厚选择：
选择管路壁厚可按下式计算：
（6.2.2）
式中:
δ——管路壁厚（mm）；
P——管路最大工作压力（MPa）；
d——管路内径（mm）；
［σ］——容许压力（MPa），可取屈服极限强度的60％；缺少比值时，铸铁管可取20MPa，焊接钢管可取60MPa，无缝钢管可取80MPa。
管路最大工作取5Mpa,容许压力取80Mpa,
δ=P*d/2[σ]=5*300/2*80=10mm
6.2.3抽采管路管材应符合抗静电、耐腐蚀、阻燃、抗冲击、安装维护方便等要求。
6.3抽采设备选型：
6.3.1抽采设备选型应符合下列规定。
1瓦斯抽采泵应选用湿式。
2抽采设备应配备防爆电气设备及防爆电动机。
3备用的抽采泵及附属设备应与抽采设备具有同等能力。
6.3.2标准状态下抽采系统压力可按下列公式计算：
H=（Ht+Hc）·K（6.6.2-1）
Hr=hrm+hrj+hk（6.6.2-2）
Hc=hcm+hcj+hz（6.6.2-3）
式中H——抽采系统压力（Pa）;
Hr——抽采设备出口侧（负压段）10～15年内管路最大阻力损失（Pa）;
Hc——抽采设备出口侧（正压段）管路阻力损失（Pa）;
K——抽采系统压力富余系数，可取1.2～1.8；
hrm——入口侧（负压段）管路最大摩擦阻力（Pa）;
hrj——入口侧（负压段）管路局部阻力（Pa）;
hk——井下抽采钻孔的设计孔口负压（Pa）;
hcm——出口侧（正压段）管路最大摩擦阻力（Pa）;
hrj——出口侧（正压段）管路局部阻力（Pa）
hz——出口侧（正压段）的出口正压（Pa）；出口进入瓦斯储气罐，可取3500～5000Pa。
6.3.3抽采泵工况压力可按下式计算：
Pg=Pd－H（6.6.3）
Pg——抽采泵工况压力（Pa）；
Pd——抽采泵站的大气压力（Pa）；
6.3.4标准状态下抽采泵流量可按下式计算：
（6.6.4）
式中Qb——标准状态下抽采泵的计算流量（m3/min）;
Q——10～15年内最大的设计瓦斯抽采量（m3/min）;
X——抽采泵入口处预计的瓦斯浓度（%）；
η——泵的机械效率（%），可取80%；
K——抽采能力富余系数，可取1.2～1.8。
6.3.5抽采泵工况流量可按下列公式计算：
（6.6.5-1）
P=Pd－Hr（6.6.5-2）
T=273+t（6.6.5-3）
式中：
Qg——工况状态下的抽采泵流量（m3/min）;
Qb——标准状态下的抽采泵的计算流量（m3/min）;
P——抽采泵入口绝对压力（Pa）;
T——抽采泵入口瓦斯的绝对温度（K）；
t——抽采泵入口瓦斯的温度（℃）。
6.4抽采附属装置和设施：
6.4.1主管、干管、钻场及其他必要地点应装设瓦斯量测定装置。
6.4.2钻场、管路拐弯、低洼、温度突变处应设置放水器，管路宜每隔200～300设置一个放水器，最大不应超过500m。
6.4.3在管路的适当部位设置除渣装置和测压装置。
6.4.4管路分岔处应设置控制阀门，阀门规格应与安装地点的管径相匹配。
6.4.5地面主管上的阀门应设置在观察井内，观察井应位于地表以下，并应采用不燃性材料砌成，且不应透水。
6.4.6干式瓦斯抽采泵吸气侧管路中，应装设具有防回火、防回气和防爆炸作用的安全装置。
7、工作面瓦斯抽放安全技术措施：
7.1应根据实际情况制定出如下安全措施：
a.抽放钻场、钻孔施工防治瓦斯措施。
b.管路防腐蚀、防漏气、防砸坏、电气防爆、防静电、防带电、防底鼓措施。
c.立井（立眼）、斜井（斜巷）管路防滑措施。
d.地面管路防冻措施。
7.2井下移动抽放瓦斯泵站，应遵从以下要求：
――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。
――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采取安全措施，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。
――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。
7.3地面抽放瓦斯站安全措施：
抽放瓦斯站安全措施，应遵从以下要求：
――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；
――抽放站位置应设在不受洪涝威胁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；
――站房及站房周围20m范围内禁止有明火；
——站房应建在靠近公路和有水源的地方；
——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；
――抽放站建筑必须采用不燃性材料，耐火等级为二级；
——站房周围必须设置栅栏或围墙；
――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。
――泵房内电气设备、照明和其它电气、检测仪表均应采用矿用防爆型；
――站房必须有直通矿调度室的电话；
――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。
――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。
――必须有抽放瓦斯浓度规定及在规定浓度下的防爆措施。
――必须有安全管理措施。
参考文献
陈学吾等.煤矿安全.徐州：
中国矿业大学出版社，1993
煤矿瓦斯抽采工程设计规范，GB50471－2008
王省身.矿井灾害防治理论与技术.徐州.中国矿业大学出版社，1986
王大曾.瓦斯地质.北京：
煤炭工业出版社，1991
致谢：
在姚老师的精心指导之下我顺利的完成了这份课程设计，没有姚老师的指导我是不可能那么顺利完成课程设计的，在此非感谢姚老师在百忙之中抽出时间对我的指导。
评语：
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