强烈推荐富祥煤矿瓦斯抽采系统技术改造的可行性研究报告.docx
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强烈推荐富祥煤矿瓦斯抽采系统技术改造的可行性研究报告
贵州肥矿能源有限公司关于
富祥煤矿瓦斯抽采系统技术改造可研报告
一、矿井概况
1.地理位置及交通
富祥煤矿位于织金县城西约8公里处，方位262度，直距5.5公里，行政属织金县城关镇管辖，织金至白岩村公路经过矿区南部边缘，交通较方便。
2.矿界
矿界呈不规则的多边形，走向长2.3km，倾向宽1.4km，面积为2.9758km2。
3.可采煤层
工业储量1392.5万吨，设计可采储量845.88万吨，可采煤层五层，分别为6号、16号、23号、27号、30号煤层,可采煤层特征见表1。
表1可采煤层特征表
煤层编号
煤层厚度（m）
煤层倾角（º）
煤层间距（m）
煤层结构
煤层稳定性
顶底板岩性
备注
顶板
底板
6
0-7.76
9
110
简单
稳定
砂质泥岩或泥岩
泥岩
可采
2.00
16
0.99-2.00
9
简单
稳定
粉砂岩
泥岩
可采
1.6
30
23
0.8-0.9
9
简单
稳定
粉砂岩
泥岩
局部
0.85
25
27
0.32-2.23
9
简单
稳定
泥岩
倪泥岩
可采
1.33
25
30
0.92-1.80
9
较
简单
稳定
砂质泥岩或泥岩
泥岩
可采
1.41
4.煤质
主要可采煤层多为黑色或钢灰色，层状构造，常为条带状结构，以亮煤为主夹暗、镜煤及少量丝炭，参差状断口，半亮至半暗型。
微观煤岩特征，有机组分分为镜质组、丝质组两类；无机组分包括粘土矿物、石英、方解石等。
可采煤层煤质特征见表2。
表2可采煤层煤质煤质特征表
煤号
Mad
Ad
Vad
St,d
Qb,daf
评价
%
最小值—最大值
平均值
6
3.05
29.72-36.42
33.07
9.08
3.18-4.23
3.71
34.29
属中高灰高硫分无烟煤
16
2.53-5.31
3.74
10.96-22.05
15.26
5.44-8.96
6.75
1.46-3.34
2.29
35.21-35.47
35.34
属低中灰中高硫高热值无烟煤
23
350-4.20
3.85
16.32-37.80
25.55
6.50-7.77
7.14
2.89-5.78
4.65
34.66
属中灰分高硫分无烟煤
27
3.15-4.80
3.94
13.35-38.90
23.10
4.85-6.67
5.79
0.94-2.51
1.64
34.54-35.41
35.08
属中灰中硫分高热值无烟煤
30
2.66-3.94
3.17
12.29-19.04
15.67
4.81-6.68
5.63
0.97-2.69
2.09
35.33-35.54
35.42
属低中灰中高硫高热值无烟煤
5.地质构造
矿区属阿弓向斜中段,阿弓向斜为一不对称向斜，轴向北东—南西，煤矿位于南东翼北段，为一简单单斜。
地层走向北东—南西，倾向北西，倾角一般5-20度，地层产状正常，煤矿区内断层有AF7、F85、F14、F86、F15A及F83～88等，以落差小于10米的小断层为较发育，对煤矿开采有较大影响的大、中断层不发育。
6．储量
截止2007年5月，保有资源量（331）＋（332）＋（333）1694万吨，其中：
探明的内蕴经济资源量（331）395万吨,控制的内蕴经济资源量（332）294万吨；推断的资源量（333）1005万吨，储量结果计算见表3。
表3富祥煤矿煤炭资料储量
地质储量（万吨）
工业储量（万吨）
设计储量（万吨）
设计可采储量（万吨）
1694
1392.5
1060.8
845.88
7.开拓方式及采煤方法
采用斜井开拓，27号煤层露头线下方距27号煤法线距离12m位置建主斜井、副斜井和回风斜井，多煤层联合开采，采煤方法为走向长壁后退式采煤法，分区式通风。
8.生产能力及服务年限
设计产能30万吨年，高档普采采煤，全部跨落法管理顶板；2012年计划产量45万吨，综合机械化采煤，按45万吨年计算，服务年限13.4年。
9.瓦斯情况:
为高瓦斯矿井，可采煤层平均瓦斯含量14.56m3t，实测M27煤层瓦斯含量15.3m3t,无实测瓦斯压力。
二、矿井瓦斯抽采系统现状
（一）抽采工作面概况
富祥煤矿正在回采2703工作面，2703采煤工作面倾斜长度平均115m，走向长度平均830m（目前剩余约350m）；煤层厚度平均1.45m，煤层倾角平均10°，工作面构造复杂，有多条断层。
由于该面采用沿空留巷，Y型通风，一进两回，上隅角瓦斯控制在规程允许范围之内，不需要低负压抽采。
预抽煤层瓦斯地点有：
2705回风巷、2706回风巷、2705运输巷、2706运输巷、2705采面、2706采面。
（二）煤层瓦斯参数
斯含量为27.4m3t；根据公司瓦斯实验室取样测得27号煤煤的残存瓦斯含量的取值规定，参照表4、表5选取27号煤层残存瓦斯含量为9m3t。
表4煤的残存瓦斯含量
挥发分
6-8
8-12
12-18
18-26
26-35
35-42
42-56
WC（m3t.r）
9-6
6-4
4-3
3-2
2
2
2
注：
煤的残存瓦斯含量亦可按煤在0.1Mpa压力条件下的瓦斯吸附量取得。
表5煤质主要特征表（原煤）
煤号
Mad
Ad
Vad
St,d
Qb,daf
评价
%
最小值—最大值
平均值
27
3.15-4.80
3.94
13.35-38.9
23.10
4.85-6.67
5.79
0.94-2.51
1.64
34.54-35.41
35.08
属中灰中硫分高热值无烟煤
计算可得27号煤层原始瓦斯含量为16.29m3t，取值16.3m3t。
各采掘工作面瓦斯储量、可解吸瓦斯量、消突瓦斯量及采煤工作面采空区瓦斯量见表6。
表6各采掘工作面瓦斯量
工作面名称
瓦斯储量
（m3）
可解吸瓦斯量
（m3）
消突瓦斯量
（m3）
采空区瓦斯量
（m3）
2703采面
2705回风巷
453461.4
546638.4
0
2706回风巷
343534.7
153853.0
185466.6
0
2705运输巷
84377.0
37788.5
45553.2
0
2706采面
543010.5
654588.0
0
2705采面
0
注：
可解吸瓦斯量是工作面煤体区域总量与煤层可解吸瓦斯含量的乘积；
消突瓦斯量是以煤层消突临界值含量值7.5m3t作为煤层残余瓦斯含量进行计算。
（三）抽采系统参数
1.装机参数
富祥煤矿现有地面瓦斯抽采泵站，安装高、低负压瓦斯抽放系统，各系统装机参数见表7、表8
表7高负压水环式真空泵性能参数
真空泵型号
2BEA-303
极限绝压
33hPa
泵转速
590rmin
最大流量
52m3min
电机型号
YBZ-280s-4
电压
380660V
cosψ
0.87
转速
1480rmin
频率
50HZ
入泵管径
250mm
功率
75KW
实测泵流量
23.86-33.80m3min
表8低负压水环式真空泵性能参数
真空泵型号
2BEA-400
极限绝压
160hPa
泵转速
393rmin
最大流量
92m3min
电机型号
YBZ-315s-4
电压
380660V
cosψ
0.89
转速
1484rmin
频率
50HZ
入泵管径
300mm
功率
110KW
实测泵流量
26.2-50.03m3min
2.运行工况
矿井现瓦斯抽采泵站安装2BEA-303-0型高负压真空泵两台（铭牌流量52m3min，山东博山真空泵厂有限公司），安装2BEC-400-1型低负压真空泵两台（铭牌流量92m3min，山东博山真空泵厂有限公司），为原矿主2009年采购，2010年7月投入运行。
2011年9月实测高负压泵抽采流量18m3min，遂采取两台高负压泵并联运行，实测流量30m3min，仍不能满足煤层瓦斯预抽需要，将两台低负压泵并联运行，同时用于预抽煤层瓦斯，实测流量52m3min。
各采掘工作面瓦斯抽采参数利用管道瓦斯参数测定仪-WGC测定，高低负压浓度及流量变化如下：
高负压浓度波动范围20.15%-20.69%，浓度值较稳，变化范围不大，流量波动范围23.86m3min-33.80m3min，变化范围较大。
低负压浓度波动范围8.03%-8.26%，浓度值较稳，变化范围不大，流量波动范围26.2m3min-50.03m3min，变化范围较大。
3.消突需抽时间
根据目前瓦斯抽采系统运行工况，工作面预抽瓦斯达标时间，详见表9。
表9消突瓦斯量设计抽放时间
工作面名称
消突瓦斯量（m3）
采空区瓦斯量（m3）
高负压系统计划抽放时间（d）
高负压系统累积抽放天数（d）
高、低负压系统计划抽放时间（d）
高、低负压系统累积抽放天数（d）
2703采面
上隅角瓦斯不超限
2705回风巷
546638.4
0
79-53
37.6-21.9
2706回风巷
185466.6
0
26.8-18.4
12.8-7.4
2705运输巷
45553.2
0
6.6-4.5
3.1-1.8
2706采面
654588.0
0
94.5-65
45.1-26.2
2705采面
0
301.9-207.6
143.9-83.7
注：
1、上表累积抽放天数仅仅统计了抽放时间累加量，未考虑小区域循环区域验证或工作面预测及放炮推进所需要的时间；2、仅高负压系统计划抽放时间计算是以实测高负压泵站流量、浓度范围预抽区域煤层计划时间；3、高、低负压系统计划抽放时间计算是以两台高负压同时运转泵站流量、浓度范围累加单台低负压泵站流量、浓度范围计算区域预抽煤层计划时间。
（四）抽采系统现状
1．富祥煤矿高负压瓦斯系统抽采泵两台，型号为2BEA-303，极限绝压33hPa，最大流量52m3min，一用一备不能满足现场高负压抽采瓦斯设计要求。
采取两台泵并联运行，无备用泵。
2．富祥煤矿低负压瓦斯抽采系统抽采泵两台，型号为2BEA-400，极限绝压33hPa，最大流量92m3min，不能满足综合机械化采面上隅角开放式抽采要求。
3．2703工作面采用Y型通风，不再进行上隅角抽采后，为满足煤层瓦斯预抽需要，做到瓦斯抽采达标，采取两台高负压泵并联、两台低负压泵并联运行方式，同时用于预抽煤层瓦斯。
4.工况核查，高负压瓦斯抽采浓度实测波动值20.15%-20.69%，瓦斯抽采泵站流量23.86m3min-33.80m3min，并联运行的抽采泵并非单台泵能力的累加。
5．高负压系统安装DN250PVC管路，低负压系统安装DN300PVC管路。
6.生产过程中不能停止高低负压抽采泵运转，否则现场瓦斯超限，泵站无法检修，长时间运行，缺乏维护，真空泵功效降低。
三、矿井增加抽采系统能力的理由
（一）抽采能力不足
根据国务院安全委员会办公室安委办（2008）第17号《关于进一步加强煤矿瓦斯治理工作的指导意见》要求，高瓦斯、突出矿井要建立高、低负压瓦斯抽采系统。
《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》第十五条规定“泵站的装机能力和管网能力应当满足瓦斯抽采达标的要求。
备用泵能力不得小于运行泵中最大一台单泵的能力；运行泵的装机能力不得小于瓦斯抽采达标时应抽采瓦斯量对应工况流量的2倍”。
根据矿井抽采系统设计能力计算，富祥煤矿需要高负压泵入口的绝对压力为45.3KPa，流量为208.2m3min；低负压泵入口的绝对压力为48.3KPa，流量为211.5m3min。
富祥煤矿现有瓦斯抽采系统，2011年9月、2012年3月、2012年5月三次实测高负压真空泵抽采流量18-21m3min，采取两台高负压真空泵并联运行后，2012年5月实测流量30m3min，仍不能满足煤层瓦斯预抽需要，遂将两台低负压真空泵并联运行，同时用于预抽煤层瓦斯，实测流量52m3min。
瓦斯抽采已严重制约矿井安全生产，主、备泵并联运行存在严重安全隐患，不满足《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》第十五条规定。
目前，富祥煤矿开采上部煤层，随着开采深度的增加，煤层瓦斯含量将会增加，抽采能力不足现象更加突出，影响矿井安全生产将会更加严重。
因此必须对富祥煤矿现有瓦斯抽采系统进行技术改造。
（二）扩能要求
富祥煤矿设计产能30万吨年，高档普采采煤，全部跨落法管理顶板；2012年计划产量45万吨，综合机械化采煤，按45万吨年计算，服务年限13.4年。
现富祥煤矿正在进行45万吨年扩能手续变更，随着产量的增加，“抽、掘、采”关系更加紧张，因此提高瓦斯抽采能力是极为必要的。
四、矿井现有抽采系统利用分析
为了保证矿井安全生产，目前富祥煤矿高低负压四台水环式真空泵同时工作，分别用于预抽2705回风巷、2705运输巷、2706回风巷、2706瓦斯治理巷、2706采面、2705采面共计6个地点；2703采煤工作面采用Y通风方式，暂时停止对工作面上隅角抽采。
四台水环式真空泵同时运行瓦斯浓度波动范围10.1%-20.7%，流量波动范围48.7m3min-76.0m3min。
富祥煤矿需抽采地点较多，分散了抽采能力，降低了瓦斯抽采效率，如果集中预抽某一地点，又造成其它暂停抽采地点的瓦斯超限。
四台水环式真空泵的运行时间较长，缺乏维护，真空泵功效降低，目前四台真空泵综合效率仅为工况效率20%-30%。
综合分析，富祥煤矿采掘接续紧张，根本原因是瓦斯抽采系统能力偏低。
五、矿井抽采系统设计能力计算
1.矿井瓦斯压力和含量
可采煤层平均瓦斯含量14.56m3t，实测M27煤层瓦斯含量15.3m3t，无实测瓦斯压力。
瓦斯压力按《采矿工程设计手册》公式计算。
瓦斯压力P和深度H的关系可以表示为下列直线关系：
P=（2.03-10.13）H
式中P―距地表垂深H处煤层瓦斯压力，MPa；
H―垂深。
+1625m-+1432m，垂深取193m。
瓦斯压力为：
0.39Mpa-1.95Mpa。
取最大值1.95Mpa。
2.矿井瓦斯储量计算
WK＝W1+W2+W3
W1—可采煤层瓦斯储量的总和，万m3；
W2—可采煤层采动影响范围内不可采邻近煤层的瓦斯储量的总和，不可采煤层瓦斯储量按可采煤层的20%计算，万m3；
W3—围岩瓦斯储量（按煤层瓦斯储量的10%-15%估算），围岩瓦斯储量W3=（W1+W2）×15%，万m3；
表10矿井瓦斯储量计算表
地点
储量类别
工业储量
（万吨）
平均瓦斯含量（m3t）
瓦斯储量
（万m3）
可抽采量
（万m3）
全矿
开采层
1392.5
14.56
20274.8
9831.1
邻近层
4055.0
1966.2
围岩
3041.2
1474.7
合计
27371.0
13271.9
3.瓦斯抽放规模
采用1套高负压系统、1套低负压系统共同抽放瓦斯，每套系统2台泵站，一用一备。
根据计算，低负压抽放系统工况流量为211.5m3min，高负压系统工况流量为208.2m3min。
4.矿井瓦斯抽放量及抽放年限
可抽瓦斯量为9831万m3，矿井抽放年限应与服务年限一致。
5.瓦斯年抽采量及综合利用
矿井设计瓦斯年抽采量按下式计算：
Qn=1440×365×Q106
＝1440×365×13.96106
＝7.32Mm3
式中Qn—矿井设计瓦斯年抽采量，Mm3；
Q—矿井设计瓦斯抽采规模，m3min。
瓦斯是一种使用方便、洁净、中热值的优质燃料，也可作为重要的化工原料，同时也是一种强烈的温室气体。
瓦斯的利用主要采用发电、民用和作为化工原料。
目前富祥煤矿准备用于瓦斯发电。
6.抽放管路管径计算
采用地面永久瓦斯抽放系统，分别设置高低负压抽放管路系统各1套。
高、低负压抽放管路经回风斜井引出地面，在风井场地设置高、低负压抽放站。
地面及回风井内布置瓦斯主管，采面回风巷、采面运输巷、掘进工作面布置支管。
表11矿井瓦斯抽出量资料
项目
低负压
高负压
纯瓦斯（m3min）
10.08
13.96
瓦斯浓度（%）
20
30
混合量（m3min）
50.4
46.5
孔口负压（kPa）
<10
≥13
瓦斯抽放管径计算公式：
D=0.1457（QV）12
式中：
D—抽放瓦斯管内径，m；
Q—管道内瓦斯流量，m3min；
V—瓦斯管中混合瓦斯的平均流速，一般V=5～15ms。
根据公式，高、低负压管径计算结果见表12。
表12管径计算结果表
负压
抽采管类别
混量
（m3min）
气体流速（ms）
计算管内径
（mm）
选择管径
（mm）
高负压
主管
69.8
10
384.9
DN400
干管
41.9
11
284.3
DN300
支管
20.9
11
201.0
DN250
低负压
主管
75.6
10
400.6
DN450
干管
45.4
11
295.9
DN300
7.抽放管路阻力计算
7.1管路摩擦阻力计算
瓦斯管路磨擦阻力的计算，采用如下公式：
△=1－0.446C
式中：
△—瓦斯管路中的瓦斯比重；
C—瓦斯管路内瓦斯浓度。
式中：
L—瓦斯管路长度，按服务期内最长管线考虑；
Q—瓦斯管内混合瓦斯流量；
K—系数；
D—瓦斯管道内径，cm。
7.2局部阻力
管路局部阻力按摩擦阻力的10%～20%考虑即可。
7.3管路总阻力
7.1中公式计算管路阻力，管道阻力按开采到第一水平时的管道长度估算，抽放管路阻力计算结果见表13。
表13抽放管路阻力计算结果表
负压
类别
Q（m3h）
γ
L（m）
K
D（cm）
Hm
（Pa）
Hj
（Pa）
高负压
主管
4188.0
0.866
874
0.71
40
1791.2
268.7
干管
2512.8
0.866
172
0.71
30
534.8
80.2
支管
1256.4
0.866
1906
0.71
25
3686.4
737.3
合计
6012.4
1086.2
低负压
主管
4536.0
0.866
874
0.71
45
1166.1
174.9
干管
2721.6
0.866
2078
0.71
30
7579.1
1136.9
合计
8745.1
1311.8
8.瓦斯泵流量计算
8.1瓦斯泵压力
瓦斯泵压力按下式计算：
H泵＝1.2（H摩＋H吸＋H排）
式中：
H泵—瓦斯泵总负压，Pa；
H吸—要求孔口抽放负压，高负压抽方式取15000Pa，低负压抽方式取10000Pa；
H排—瓦斯泵瓦斯排放管出口的正压，即取5000Pa。
回风井标高+1400m，则地面空气压力为86000Pa，高负压H泵＝40.7KPa，低负压H泵＝37.7KPa。
高负压泵入口的绝对压力：
86-40.7＝45.3KPa；
低负压泵入口的绝对压力：
86-37.7＝48.3KPa。
8.2瓦斯泵标准流量
瓦斯泵流量按下式计算：
Q泵=
式中：
Q泵——瓦斯泵的额定流量，m³min；
Qz—矿井瓦斯最大抽放纯量，m³min；
K—综合备用系数，一般取K＝2；
η—泵的机械效率，一般取η＝0.8；
X—瓦斯泵入口处瓦斯浓度，%。
根据8.1、8.2公式计算瓦斯泵压力及流量，见表14。
表14瓦斯泵压力及流量计算表
类别
标准流量
（m3min）
管网阻力
（kPa）
负压（kPa）
大气绝压
（kPa）
运行绝压
（kPa）
高负压
116.3
7.1
40.7
86
45.3
低负压
126.0
10.1
37.7
86
48.3
六、瓦斯抽采系统设备选型、地址选择
1.抽放泵的选择
根据《抽采达标暂行规定》，需要把标准状态下的标准瓦斯流量换算成工况状态下的流量。
Q泵工=
式中：
Q泵工—工况状态下的瓦斯泵流量，m3min；
Q泵—标准状态下的瓦斯流量，m3min；
P0—标准大气压力（P0=101325Pa），Pa；
P—瓦斯泵入口绝对压力，Pa；
T—瓦斯泵入口瓦斯的绝对温度（T=273+t），K；
T0—按瓦斯抽放行业标准规定的标准状态下绝对温度（T0=273+20），K；
T—瓦斯泵入口瓦斯的温度，ºC。
经计算高负压系统抽采达标纯量＝13.98m3min，泵入口压力P＝45.3Kpa，管道内温度一般为20℃左右，则：
高负系统抽放泵Q泵工＝2×
＝208.2m3min；
低负压系统抽采达标纯量＝10.08m3min，泵入口压力P＝48.3KPa，管道内温度一般为20℃左右，则：
低负压系统抽放泵Q泵工＝2×
＝211.5m3min；
通过查真空泵的性能曲线，选型见下表15：
表15真空泵选型表
型号
最低吸入绝压hpa
最大吸气量
m3min
转速
rmin
吸入口径mm
电机功率kw
数量（台）
高负压
2BE4600-2BY4
160
235
290
500
285
2
低负压
2BE4600-2BY4
160
263
290
500
285
2
2.抽放管路管径、材质、规格
矿井高、低负压分别铺设一趟瓦斯抽放管路，选用无缝钢管或其它具有煤安标志的复合材料管，瓦斯抽放管道参数见表16。
3.抽采泵房地址选择
原有抽采泵房面积较小，不能满足新建瓦斯抽采泵的要求，必须重新进行抽采泵房建设，新瓦斯抽采泵房选择在原有泵房附近，地势平缓地段，通过计算新泵房长度27.5m，宽12m，高11.2m。
表16瓦斯抽放管道参数表
高负压管路
类型
长度（m）
内径（mm）
主管
874
Φ500
干管
172
Φ400
低负压管路
主管
874
Φ500
干管
2078
Φ400
七、瓦斯抽采系统资金预算
富祥煤矿需新建瓦斯抽采泵站，建设期间保持原有系统正常运转，新瓦斯抽采系统运行后，原有系统可做辅助抽采能力备用。
新建瓦斯抽采泵站采用佶缔纳士机械有限公司生产2BE4600-2BY4型水环式真空泵四套，土建、设备、安装等预计资金520万元，见表17。
表17富祥煤矿瓦斯抽采系统技术改造投资计划表
单位：
万元
序号
单位工程或设备名称
计量单
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