煤矿瓦斯抽放设计.docx
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煤矿瓦斯抽放设计
郴州启隆煤业有限公司
廖王坪煤矿
瓦
斯
抽
放
设
计
说明书
概述
郴州市苏仙区西风渡廖王坪煤矿1983年建矿,同年3月破土动工,1984年12月份投产,主采Ⅵ煤,Ⅴ煤局部可采,采用斜井开拓,2010年与原街洞煤矿正源矿整合。
2008年5月,由郴州市煤矿设计院进行了技术改造初步设计,2011年4月对技术改造初步设计进行了修改,其设计能力为6万T/a;郴州市煤管局先后用郴煤管字【2008】51号,郴煤管字【2011】71号文对技术改造初步设计及修改进行了批复;郴州监察分局用煤安【2011】97号文对技术改造初步设计修改进行了批复,为股份制民营企业。
2013年4月续办了采矿许可证,生产规模为6万T/a。
根据2015年11月由湖南玖鼎矿业技术咨询服务有限公司提供的安全现状评价报告,矿井绝对瓦斯涌出量为0.92m3/min,相对瓦斯涌出量为36.00m3/t,属于煤与瓦斯突出矿井.煤尘无爆炸危险性,开采煤层为不易自然煤层;随矿井产量的增加和开采范围的扩大,该矿今后主采煤层采掘工作面和采空区的瓦斯涌出量都将进一步增大.
为贯彻执行党和国家的”安全第一,预防为主”的安全生产方针和国家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,廖王坪煤矿已在井上安装了一套为矿井工作面服务的永久式瓦斯抽放泵站和与其相配套的瓦斯抽放系统,抽出的瓦斯直接排放到空气中。
根据行业管理部门要求,高瓦斯矿井需要建设高低压两套抽放设施。
为此特编写廖王坪煤矿瓦斯抽放系统方案设计说明书.
一.编制本设计方案的依据
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,2011年.
4.《防治煤与瓦斯突出规定》,国家煤矿安监总局,2009年.
5.启隆煤业有限公司廖王坪煤矿的通风、生产、瓦斯地质等相关资料.
二.设计的主要技术经济指标
1.矿井绝对瓦斯涌出量:
0.92m3/min(最大时期)
2.矿井相对瓦斯涌出量:
36.00m3/t;
3.矿井瓦斯抽放量:
3.23m3/min(最大抽放量)。
三.矿井煤层瓦斯基础参数测定结果:
郴州启隆煤业有限公司廖王坪煤矿已经对矿井开采煤层瓦斯基础参数进行了测定。
其测定结果如下:
煤层
瓦斯压力
(MPa)
瓦斯含量
(m3/t)
钻孔瓦斯流量衰减系数
α(d-1)
煤层透气系数
λ(m2/MPa2·d)
Ⅴ
0.57
5.835
0.0368
0.109
Ⅵ
0.65
6.828
0.0288
0.194
1矿井概况
郴州市启隆煤业有限公司廖王坪煤矿1983年建矿,1984年12月建成投产,经技改后设计生产能力为60kt/年。
1.1交通位置
郴州市启隆煤业有限公司廖王坪煤矿位于郴州市东南345°方向,直距约20公里处。
地理极值座标:
东经112°29′45″,北纬25°58′12″,行政区划属苏仙区西凤渡镇凉源村所辖。
矿区范围呈不规则多边形,面积1.3309平方公里。
其矿界拐点坐标见表1.2-1。
郴州市启隆煤业有限公司廖王坪煤矿矿区范围拐点坐标表表1.2-1
拐点
编号
西安80坐标
X
Y
1
2878042.35
38395639.31
2
2877734.35
38395713.31
3
2877544.35
38395497.31
4
2878259.35
38395261.31
5
2878804.35
38394316.3
6
2879544.36
38394201.29
7
2879944.36
38394561.3
8
2879469.36
38394921.3
9
2878384.35
38395481.31
10
2878104.35
38395741.31
开采标高:
+170m至-100m矿区面积:
1.3309km2
区内交通方便,京广铁路和107国道从井田东面约3公里处通过,简易公路直达矿区。
(见交通位置图1)。
1.2井田地形与气候
1).地形地貌特征
矿山地貌类型剥蚀浸蚀丘陵地貌,本井山脉走向呈南东-北西向展布。
地势总体为北西高、南东低。
海拔高程+213.6米,冲沟处最低海拔高程为+146.2米,最大相对高差67.4米,一般为10~50米左右。
地形坡度较缓,坡角5°~15°,一般小于10°,植被覆盖率发育,覆盖率约80%左右,多以灌木和草本植物为主,乔木零星分布,侵局部见小面积基岩出露。
2).气候
区内属北亚热带湿润气候,四季温差变化不大,最低气温-8.3℃,最高气温39.8℃,年均气温17.9℃。
3).降水量
每年11月至次年2月为冬季,常出现冰雪天气。
雨量充沛,年平均降雨量为1440毫米,降雨多集中在3~5月,8~10月为干旱少雨,霜冻期在11月道翌年2月,年日照1630小时,区内主导风向夏季多东南风,冬季多西北风,年最大风速16米/秒,年平均风速1.5米/秒,年相对湿度65%。
1.3井田地质构造情况
矿井内除第四系外,主要出露上二叠系大隆组P2d和龙潭组P2l现由老至新分述如下。
龙潭组P2l
矿井内广泛出露,按其岩性及含煤情况可分为上下两段。
全组厚560余米。
下段P2l1:
多由泥岩,细-粉砂组成,含薄层炭质泥岩1-2层,厚290米左右。
上段P2l2由中粒砂岩、细粒砂岩、岩质泥岩、泥岩及煤炭层组成,厚220-280米。
大隆组P2d
矿井内零星出露,全组厚125米。
下部:
为深灰色薄层状硅质泥岩,黑色泥岩,稍含炭质,厚5--7米;
中部:
硅质层,黑色,深灰色薄层状,单厚5--8厘米,质密、坚硬,间夹深灰色硅质灰岩与硅质泥岩薄层,厚约70米;
上部:
硅质灰岩与硅质层互层,深灰黑色,薄--中厚层状,质密,坚硬,节理发育,含黄铁矿晶粒及方解石脉,厚50米。
第四系Q
分布于丘陵及河溪两畔,主要为冲洪积和残坡积层:
灰黄色、黄棕色黏土,砂质黏土、碎石及耕植土,厚1--5米。
1.4煤层赋存情况
矿井内煤层赋存于二叠系上统龙潭组(P2l)中,地层平均总厚400m,主要由泥岩、粉砂岩、细~中粒砂岩及煤层组成,含煤6层。
其矿区内含可采和局部可采煤层2层,各可采煤层特征如下:
1、V煤层
分布在含煤岩系的中下部,厚0.48--1.5米,平均厚0.98米,煤层结构复杂,沿走向变化不大,沿倾向方向有厚度变化。
煤层的顶板为深灰色厚层状砂岩,厚32.46米,底板为黑色薄层状泥岩,厚0.77米。
物理性质为黑色,以暗煤为主,亮煤次之,具成煤结构,一般硬度较大,性碎,近似玻璃光泽,断口平坦状,破碎成粒状。
VI煤层
上距V煤11--45米,一般30米左右,是本区最重要的可采煤层,厚0.24--2.55米,平均厚1.3米,煤层结构简单,沿走向和倾向变化都不大,煤层顶板一般均为泥岩、炭质泥岩和砂质泥岩,底板以砂岩、泥岩为主,部分为岩质泥岩。
物理性质为暗黑色,条痕黑色,成分以暗煤为主,亮煤次之,含少量粘土矿物质,粉末状及块状,粉末状之煤约占60%;具土状及颗粒状结构,购软、污手,少量亮煤呈颗粒状分布于暗煤及矿物杂质中,呈不规则的重胶结状态。
块状煤约占40%,具层状结构,贝壳状断口,滑动面非常发育,硬度2--3度,比重稍大。
1.5矿井开拓方式
廖王坪煤矿采用斜井开拓方式,工作面采用走向长壁式开采,一次采全高,全部垮落法管理顶板。
2008年,矿井的生产能力达到60kt/年,矿井服务年限大约为20年。
1.6矿井通风方式及邻近矿井瓦斯涌出
廖王坪煤矿目前开采V煤和VI煤。
矿井通风方法为机械抽出式,通风方式为中央并列式,主井进风,风井回风。
风井安装两台YBFe280S--6,45KW型轴流式风机,其中一台工作,一台备用,风量为1680m3/min,可通过操作控制电屏的反转开关使电机反转直接反风,反风效率在60%以上。
2矿井瓦斯抽放的必要性与可行性
根据国家煤矿安全监察局2011年颁布的《煤矿安全规程》第145条规定,如果矿井绝对瓦斯涌出量超过40.0m3/min,无论井型大小,也不管煤层有无煤与瓦斯突出危险性,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。
《煤矿安全规程》,《矿井瓦斯抽放管理规范》以及《煤炭工业设计规范》有关条款规定:
当一个回采工作面的绝对瓦斯涌出量大于5m3/min或一个掘进工作面的瓦斯涌出量大于3m3/min,采用通风方法解决瓦斯问题不可能或不合理时应采用瓦斯抽放措施。
廖王坪煤矿2014年来瓦斯等级鉴定情况表
表2-1
鉴定时间
相对瓦斯涌出量
绝对瓦斯涌出量
鉴定结果
2014年12月
36m3/t
1m3/min
突出矿井
根据湖南省煤炭工业局《关于2007年度矿井瓦斯等级鉴定二氧化碳测定的批复》(湘煤行【2008】14号),该矿井属于煤与瓦斯突出矿井,瓦斯相对涌出量为36m3/t.,根据煤矿,《安全规程》、《煤矿安全生产基本条件规定》和郴州市等有关部门的相关规定,必须采取地面瓦斯抽放系统对矿井实行瓦斯抽放。
本设计中廖王坪煤矿V、VI煤层历年瓦斯鉴定结果均为突出矿井(原发生过煤与瓦斯突出)。
2.1廖王坪煤矿瓦斯治理现状
2.1.1矿井通风及瓦斯管理情况
矿井采用通风方法为机械抽出式,通风方式为中央并列式,主井进风,风井回风。
风井安装两台YBFe280S--6,45KW型轴流式风机,其中一台工作,一台备用,风量为1680m3/min,瓦斯浓度为0.02%,二氧化碳浓度为0.04%。
2.1.2工作面供风及瓦斯情况
2151工作面供风及瓦斯情况
主井→-20m水平井底车场→-20m水平运输大巷→-20m水平南翼运输大巷→2151工作面→2151±0m水平回风巷→±0m水平南翼回风石门→总回风巷。
风量为890m3/min,实际配风量为1680m3/min,工作面上隅角瓦斯浓度为0.05%,工作面回风巷瓦斯浓度为0.03%。
根据廖王坪煤矿2008-2014年瓦斯治理现场实际情况,廖王坪已总结了一套有效的瓦斯治理工作经验,建设科学合理的通风系统,利用开采保护层、区域性防突措施和局部预突措施相结合,已完全可以治理好廖王坪煤矿瓦斯问题。
根据行业管理部门的相关要求,高瓦斯矿井必须建设地面高低负压抽放设施,本设计不再进行必要性和可行性分析。
根据行业管理部门的要求,廖王坪煤矿2006年已经在井上建立了一套永久抽放瓦斯泵站(两台44m3/min抽放泵)为廖王坪煤矿回采工作面抽放瓦斯服务。
本设计将现有抽放系统作为高压抽放设施使用,只进行低压抽放系统设计。
2.2矿井煤层瓦斯涌出量预测结果
表2-3至表2-5是V煤和VI煤煤层开采时,对应于不同生产时期的回采工作面、掘进工作面、采区及矿井瓦斯涌出量鉴定结果
表2-1给出了回采工作面瓦斯涌出量预测(或鉴定)结果。
瓦斯含量是根据2151工作面的瓦斯涌出统计。
由于现场的煤层瓦斯含量及瓦斯压力的实测数据有限,表2-3中的数据只作为设计参考。
建议廖王坪煤矿在矿井开采中期及后期持续开展这方面的实测工作,以实测参数作为指导瓦斯抽放的依据。
表2-3回采工作面瓦斯涌出量预测(或鉴定)结果
生产时期
采区
煤厚(m)
瓦斯含量(m3/t)
日产量(t/d)
开采层瓦斯涌出量
(m3/t)
(m3/min)
当前时期
V
1.5
36.42
30
36.42
1.2
VI
1.8
39.68
42
39.68
2.3
中期
V
1.2
36.42
32
36.42
1.5
VI
2.1
39.68
40
39.68
2.6
后期
V
1.6
36.42
35
36.42
1.6
VI
2.0
39.68
45
39.68
3.2
表2-4掘进工作面瓦斯涌出量预测结果
生产
时期
煤层
煤厚
(m)
瓦斯含量(m3/t)
巷长
(m)
掘进速度(m/月)
瓦斯涌出量(m3/min)
煤壁
落煤
合计
前期
V
1.6
36.42
23
23
0.22
0.37
0.59
VI
2.0
39.68
16
16
0.48
0.23
0.71
中期
V
1.5
36.42
44
21
0.31
0.16
0.47
VI
1.8
39.68
38
22
0.49
0.32
0.81
后期
V
1.8
36.42
60
20
0.26
0.18
0.44
VI
1.8
39.68
56
18
0.38
0.53
0.91
统计表明,自2008年至今,V煤工作面在回采期间瓦斯绝对涌出量为1.43m3/min,VI煤工作面在回采期间瓦斯绝对涌出量为2.7m3/min;V煤掘进工作面掘进期间的瓦斯绝对涌出量为0.5m3/min,VI煤瓦斯绝对涌出量为0.36m3/min。
2008-2014年,年矿井基本处于半停产状态,矿井在V煤布置1个回采工作面和1个掘进工作面,VI布置1个掘进工作面。
表2-5矿井瓦斯涌出量预测结果
生产
时期
开采区域
平均产量(t/d)
瓦斯涌出量
生产采区(m3/min)
已采采区
(m3/min)
合计
(m3/min)
(m3/t)
目前
采掘工作面等
30
2.42
1.04
3.46
36.42
中期
采掘工作面等
42
2.9
1.24
4.14
36.42
后期
采掘工作面等
45
7.2
3.1
10.29
39.68
2.3瓦斯最大涌出来源与构成
如表2-5,在矿井生产后期,矿井在V煤和VI煤各布置一个炮采采煤工作面的情况下,全矿最大瓦斯涌出量可达到10.29m3/min。
其中回采工作面最大涌出量为7.2m3/min。
具有抽采价值的VI、V煤回采工作面最大涌出量为4.5m3/min。
2.4瓦斯抽放的必要性
2.4.1相关法规的要求
按照《煤矿安全规程》、行业管理部门的有关规定及”先抽后采,以风定产,监测监控”的十二字方针,廖王坪煤矿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。
廖王坪煤矿设计生产能力为60Kt/年,目前生产能力未达到60Kt/年.根据当地郴州市苏仙区煤炭管理局要求,凡是确定为高瓦斯矿井,必须安装瓦斯抽放系统,并实现高低负压两套抽放系统抽放。
2.4.2采掘工作面瓦斯治理的需要
《煤矿安全规程》、《矿井瓦斯抽放管理规范》以及《煤炭工业设计规范》有关条款规定:
当一个回采工作面的绝对瓦斯涌出量大于5m3/min或一个掘进工作面的瓦斯涌出量大于3m3/min,采用通风方法解决瓦斯不可能或不合理时应采用瓦斯抽放措施。
然而,后期V、VI煤回采工作面绝对瓦斯涌出量4.5m3/mi,不超过5m3/min。
因此,本设计以下内容不再对廖王坪煤矿的瓦斯涌出量是否符合抽放标准进行论述。
只针对预计瓦斯涌出量及抽放量进行设计。
采掘工作面需要采取瓦斯抽放的必要性判断标准是:
在给定的巷道通风断面条件下,采掘工作面设计通风能力小于稀释瓦斯所需的风量,即式(2-1)成立时,抽放瓦斯才是必要的。
…………………………………(2-1)
式中:
Q0-采掘工作面设计风量,m3/s;
Q-采掘工作面瓦斯涌出量,m3/min;
K-瓦斯涌出不均衡系数,取K=1.5;
C-《煤矿安全规程》允许的采掘工作面瓦斯浓度,%,取C=1.
根据上式计算,全矿井所有采掘工作面均不需要进行瓦斯抽放。
2.5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判定本煤层瓦斯抽放可行性标准如表2-6示。
表2-6本煤层预抽瓦斯难易程度分类表
抽放难易程度
钻孔瓦斯流量衰减系数
α(d-1)
百米钻孔瓦斯极限抽量
Qj(m3)
煤层透气系数
λ(m2/MPa2·d)
容易抽放
<0.003
>14400
>10
可以抽放
0.003~0.05
14400~2880
10~0.1
较难抽放
>0.05
<2880
<0.1
目前,廖王坪煤矿已经测定瓦斯压力、瓦斯含量、分析基固定碳、钻孔瓦斯流量衰减系数和煤层透气性系数。
廖王坪煤矿煤层开采瓦斯基础参数测定结果如下:
表2-7
煤层
瓦斯压力
(MPa)
瓦斯含量
(m3/t)
分析基固定碳
FCad(%)
钻孔瓦斯流量衰减系数
α(d-1)
煤层透气系数
λ(m2/MPa2·d)
C9
0.57
5.835
69.09
0.0368
0.109
C13
0.65
6.828
68.43
0.0288
0.194
因此,廖王坪煤矿属于可以抽放煤层(表2-7)。
但根据廖王坪煤矿生产现场瓦斯治理风排已经达到要求的实际情况,本设计对本煤层抽放不予设计。
2.6矿井瓦斯储量与可抽量
矿井瓦斯储量是指在煤田开发过程中能够向矿井排放瓦斯的煤层及围岩所储存的瓦斯量。
开采V煤与VI煤时,应该纳入矿井瓦斯储量计算有V煤与VI煤层和围岩(含煤线)的瓦斯储量,计算公式如下:
…………………………(2-2)
式中:
Wk—矿井瓦斯储量,万m3;
C—围岩瓦斯储量系数,取C=1.05;
A—V煤与VI煤工业储量,万吨;
X—V煤与VI煤平均瓦斯含量,m3/t.
可抽量是指矿井瓦斯储量中能被抽出的瓦斯量,由下式计算:
……………………………………(2-3)
式中:
Wkc----矿井瓦斯可抽量,万m3;
ηk----矿井瓦斯抽放率,取ηk=30%。
表2-8矿井瓦斯储量及可抽取量计算结果
储量类别
煤层
煤炭工业储量
(万吨)
平均瓦斯含量(m3/t)
瓦斯储量
(万m3)
可抽量
(万m3)
开采层
V
35
36.42
1274.7
382.41
VI
92
39.68
3650
1095.168
围岩
合计
127
76.1
4924.7
1477.578
3矿井瓦斯抽放方案初步设计
3.1抽放方法选择的原则
选择矿井瓦斯抽放方法应根据矿井煤层赋存条件,瓦斯基本参数,瓦斯来源,巷道布置,抽放瓦斯的目的及瓦斯利用等因素来确定,并应遵守以下原则:
(1).抽放方法应适合煤层赋存状况,巷道布置,地质条件和开采技术条件。
(2).应根据矿井瓦斯涌出来源及涌出量构成分析,有针对性地选择抽放瓦斯方法,以提高瓦斯抽放效果。
(3).在满足瓦斯抽放的前提下,应尽可能地利用生产巷道,以减少抽放工程量。
(4).选择的抽放方法应有利于抽放巷道的布置和维护。
(5).选择的抽放方法应有利于提高瓦斯抽放效果,降低瓦斯抽放成本。
(6).瓦斯抽放应有利于抽放系统管网的设计。
3.2抽放瓦斯方法选择
廖王坪煤矿抽放瓦斯的目的是降低回风流的瓦斯浓度,在风排回风流瓦斯浓度符合煤矿安全规程要求的基础上进一步降低其浓度数值。
因此,确定矿井抽放瓦斯的方法为工作面专用排瓦斯风巷抽放方式。
在V、VI煤煤层开采时,必须对所有的回采工作面进行对工作面作业头面进行瓦斯抽放。
3.3矿井瓦斯抽放量预计
当矿井实施工作面抽放措施时,预计矿井最大瓦斯抽放总量可以达到3.1m3/min.按年抽放365天、日抽放24小时计算,矿井年最大年瓦斯抽放量可以达到162.41万m3。
3.4抽放服务年限
由于矿井瓦斯抽放方式为工作面尾巷抽放、边采边抽,瓦斯抽放服务年限与矿井生产服务年限相同.
3.5抽放参数的确定
根据目前矿井的具体情况和所选用的抽放瓦斯方法,设计矿井的瓦斯抽放浓度为10%。
3.6瓦斯抽放参数监测
采用孔板或便携式数字钻孔瓦斯参数监测仪尾巷抽放管进行监测很有必要。
除此之外,在抽放巷道口设瓦斯抽放监测传感器,对抽放管道的负压,瓦斯浓度,瓦斯流量,温度进行监测。
井下抽放支管和地面主管都应装备管道监测系统,并将其尽可能地将管道监测系统挂靠入矿井环境监测系统。
4瓦斯管网系统选择与管网阻力计算及设备选型
4.1矿井瓦斯抽放设计参数
根据煤矿提供的地质资料和矿井设计资料,廖王坪煤矿的设计瓦斯抽放量按一台抽放泵服务V、VI煤回采工作面,纯瓦斯抽放量取3.1m3/min.瓦斯抽放浓度按10%计算。
4.2瓦斯管网系统选择与管网阻力计算
4.2.1瓦斯抽放管网系统
在选择瓦斯抽放管路系统时,主要根据抽放泵站位置,开拓巷道布置,管路安装条件等进行确定。
抽放管路应尽量选择敷设在巷道曲线段少和距离短的线路中,尽可能避开运输繁忙巷道,同时还要考虑供电,供水,运输方便。
根据矿井采掘工作面的具体位置及开拓布置,确定将地面永久瓦斯抽放站布置在主井广场东北约100米处,附近无地质灾害和洪水影响的地点。
要求瓦斯抽放泵站房50m范围内无主要建筑及民房,在泵房周围20m设立围墙或栅栏,并严禁明火。
根据廖王坪煤矿的井下开拓巷道和地表设施的具体情况,考虑以下井下管道布置最长路线:
-20m水平2151工作面±0m水平2151回风巷总回风上山抽放泵房放空管;
4.2.2瓦斯抽放管管径计算及管材选择
瓦斯抽放管管径按下式计算:
………………………………(3-5)
式中D-----瓦斯抽放管内径,m;
Q-----抽放管内混合瓦斯流量,m3/min;
V-----抽放管内瓦斯平均流速,经济流速V=5-15m/s,取V=7m/s.
约定:
∙因只对运输巷进行抽放、采面,采区、回风井及地面瓦斯抽放管选统一管径;
根据各瓦斯抽放管内预计的瓦斯流量,按式(3-5)计算选择的瓦斯抽放管管径如表3-2示。
瓦斯抽放管选用无缝钢管。
表3-2瓦斯抽放管管径计算选择结果
抽放管
类别
纯瓦斯抽放量
(m3/min)
瓦斯浓度
(%)
混合瓦斯抽放量
(m3/min)
计算管内径
(m)
选择管径
(mm)
干管
3.1
15
21
0.252
Φ275
抽放管材均选择无缝钢管,经过计算得出主管直径D=0.252m,选择直径为Φ275mm的无缝钢管,壁厚可选择9mm或10mm。
4.2.3管网阻力计算
⑴.摩擦阻力(Hm)计算
…………………(3-6)
式中:
Hm—管路摩擦阻力,Pa;
L—负压段管路长度,m;
Q—抽放管内混合瓦斯流量,m3/h;
γ—混合瓦斯对空气的密度比;
K—与管径有关的系数;
D—抽放管内径,cm.
为了保证选用的瓦斯抽放泵能满足抽放系统最困难时期所需抽放负压,应根据矿井各生产时期瓦