课程设计.docx
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课程设计
课程设计
题目：
某矿井综采面瓦
斯抽放系统设计
学院市政与环境工程学院
专业安全工程
姓名
学号
指导老师王洪义
2013年12月19日
目录
第一章综采工作面概况1
1.1采区地质条件1
1.2煤层瓦斯参数和抽放瓦斯参数1
1.2.1主要瓦斯参数1
1.2.2抽放瓦斯参数1
1.3采区和工作面巷道布置、采煤方法2
第二章瓦斯储量计算、抽放瓦斯必要性论证2
2.1煤层瓦斯储量计算2
2.1.1按煤层全厚计算2
2.1.2按采高计算3
2.1.3工作面瓦斯抽放率3
2.1.4工作面瓦斯可抽放量W34
2.2工作面可抽放量计算和抽放必要性可行性论证4
2.2.1抽放瓦斯的必要性4
2.2.2抽放的可行性5
第三章煤层瓦斯抽放方法设计6
3.1抽放方法的比较和选择6
3.1.1本工作面采用本煤层瓦斯抽放有三种方式可供选择6
3.1.2经济技术比较6
3.2抽放钻孔参数确定6
3.3绘制抽放钻孔布置平面图和剖面图7
第四章综采工作面瓦斯抽放系统8
4.1工作面瓦斯抽放设施的配置和布置8
4.2抽放管路的计算和选择9
4.2.1管道内径计算9
4.2.2管道材料及壁厚9
第五章瓦斯泵选型10
5.1抽放系统管道阻力计算10
5.1.1直管阻力损失计算10
5.1.2局部阻力损失计算11
5.1.3抽放系统总阻力计算11
5.2瓦斯泵流量和压力计算11
5.2.1瓦斯泵流量计算11
5.2.2瓦斯泵压力计算11
5.3瓦斯泵选型确定12
第六章工作面瓦斯抽放安全技术措施12
6.1井下瓦斯泵站要求12
6.2地面抽放瓦斯站安全要求13
参考资料14
第一章综采工作面概况
1.1采区地质条件
本采区开采煤层厚度为4.8~5.2m，平均厚度为5m；赋存稳定，倾角为2～5°顶板为砂质泥岩，岩层不能致密，距开采层8～10m，顶部位上邻近层，该煤层在本区域内厚度0～0.4m为不可采煤层。
本采区内有小断层，对开采影响不大。
1.2煤层瓦斯参数和抽放瓦斯参数
1.2.1主要瓦斯参数
本工作面位于标高－650水平，为矿井开采第三水平，煤层瓦斯含量为10m3/t，煤的密度为1.45t/m3，预测有突出危险，经预测工作面绝对瓦斯涌出量QCH4为17m3/min。
1.2.2抽放瓦斯参数
经实测煤层透气性系数λ＝1.2（m2/MPa2.d），如用未卸压长钻孔预抽煤层瓦斯，百米钻孔瓦斯抽出量为0.01m3/min·hm；如用卸压浅孔抽放瓦斯，百米钻孔瓦斯抽放量为1.0m3/min·hm，同时λ值提高到27.6（m2/MPa2.d）；如用卸压长钻孔预抽煤层瓦斯，百米钻孔瓦斯抽放量为0.05~0.1m3/min·hm；可根据以上测定的抽放参数选择抽放方法。
（1）卸压浅孔抽放时，抽放影响半径为1m，钻孔所需要的抽放孔口负压为12KPa，边采煤边抽放瓦斯。
（2）未卸压长钻孔抽放：
钻孔抽放半径为2m，钻孔孔口需负压为20KPa，掘进期间边掘进边抽放瓦斯。
（3）卸压长钻孔抽放，钻孔抽放影响半径为2.5m，钻孔孔口需要负压为20KPa，边采煤边抽放。
1.3采区和工作面巷道布置、采煤方法
采用走向长壁全部跨落顶板管理法，工作面后退式倾斜分层开采，上分层采用综合机械化采煤，采高为2.8m采用两班采煤，一班抽放瓦斯，工作面日推进度为3m；下分层采高为2.2m。
巷道布置如图1所示。
附：
综采工作面巷道布置范围
第二章瓦斯储量计算、抽放瓦斯必要性论证
2.1煤层瓦斯储量计算
2.1.1按煤层全厚计算
式中：
W1—煤层瓦斯储量,万m3；
k1—围岩瓦斯储量系数可取1.1~1.3；
k2—不可采邻近煤层瓦斯储量系数,可取1.2~1.4；
Ai—第i可采煤层煤炭地质储量,万吨；
Xi—第i可采煤层平均瓦斯含量,m3/t。
由于储量的计算关系到生产和瓦斯抽放的准确性，因此，在选择K1、K2的修正值时选取中间数值，即：
K1=1.2，K2=1.3;
采煤层煤炭地质储量，（万吨）：
A=1500×200×5×1.45=217.5万吨
瓦斯总储量：
W1=1.2×1.3×（1500×200×5×1.45×10）=3393万m3
2.1.2按采高计算
式中:
W2－按采高计算煤层瓦斯储量，万m3；
Xi—第i可采煤层平均瓦斯含量,m3/t；
Ai－采面长度（m）×采面走向长（m）×采高（m）×煤的密度（t/m3）
上分层采高2.8m，煤层瓦斯储量：
W2=1.2×1.3×1500×200×2.8×1.45×10=1900.08万m3
下分层采高2.2m，煤层瓦斯储量：
W2＝1.2×1.3×200×1500×2.2×1.45×10＝1492.92万m3
2.1.3工作面瓦斯抽放率
式中:
d－工作面瓦斯抽放率（％）
q纯－工作面瓦斯可抽放量
QCH4－工作面绝对瓦斯涌出量
d=100×10.368/17=60.99%
2.1.4工作面瓦斯可抽放量W3
式中∶
W3－工作面瓦斯可抽放量m3/min
W2－按采高计算煤层瓦斯储量m3/min
d－工作面瓦斯抽放率（％）
上分层瓦斯可抽放量W3：
W3＝W2d＝1900.08×60.99％＝1158.86万m3
下分层瓦斯可抽放量W3：
W3＝W2d＝1492.92×60.99％＝910.53万m3
2.2工作面可抽放量计算和抽放必要性可行性论证
2.2.1抽放瓦斯的必要性
根据《煤矿安全规程》第145条及《AQ1027-2006煤矿瓦斯抽放规范》第4.1.1〜4.1.3条规定：
有下列情况之一的矿井，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：
（1）1个釆煤工作面的瓦斯涌出量大于5m3/min或1个掘进工作面瓦斯涌出量
大于3m3/min,用通风方法解决瓦斯问题不合理的。
⑵矿井绝对瓦斯涌出量达到以下条件的：
①大于或等于40m3/min;
②年产量1.0〜1.5Mt的矿井，大于30m3/min;
③年产量0.6〜1.0Mt的矿井，大于25m3/min;
④年产量0.4〜0.6Mt的矿井，大于20m3/min;
⑤年产量小于或等于0.4Mt的矿井，大于15m3/min。
⑶开釆有煤与瓦斯突出危险煤层的。
本设计中煤层具有突出危险性，故必须进行抽放，对于一个突出煤层工作面而言，开采前需要通过采前瓦斯抽采消除煤层的突出危险性。
开采期间需要通过采中瓦斯抽釆保证工作面瓦斯浓度不超限。
开采结束后通过对釆空区进行采后瓦斯抽采提高矿井瓦斯抽采率。
为了实现上述瓦斯抽釆的目标，就需要在采掘活动的各个时期、各个地点进行瓦斯的综合抽釆，因此为保证工作面及矿井的安全开采，对高瓦斯及突出煤层进行综合瓦斯抽采是非常必要的。
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17m3/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=17-9=8m3/min工作面瓦斯浓度才能维持0.6％。
2.2.2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）。
表2-2本煤层预抽瓦斯难易程度分类表
根据已知条件，煤层透气性系数λ=1.2（㎡/MPa2·d）,属于可以抽采煤层。
第三章煤层瓦斯抽放方法设计
3.1抽放方法的比较和选择
3.1.1本工作面采用本煤层瓦斯抽放有三种方式可供选择
（1）本煤层未卸压长钻孔预抽煤层瓦斯，边掘边抽；
（2）本煤层卸压浅孔预抽瓦斯，边采煤，边抽放。
（两班采煤，一班抽放）；
（3）本煤层未卸压长钻孔抽放，边采边抽。
3.1.2经济技术比较
（1）煤层透气性系数比较：
未卸压顺层长孔抽放时,煤层透气性系数λ值为原始值，即1.2。
卸压钻孔抽放λ值可提高（100—1000）倍，达到1200（m2/MPa2·d）
（2）百米钻孔抽放量比较：
未卸压顺层长孔抽放时为0.01m3/min·km，卸压浅孔抽放时可达到1~3m3/min·km，卸压长钻孔抽放为0.05~0.1m3/min·km。
（3）抽放工艺比较：
未卸压长孔抽放和卸压长孔抽放，需要MK系列大钻机（30KW）操作移动不便。
封孔方法用水泥、沙浆或聚胺脂操作比较复杂。
而卸压浅孔抽放用QFZ-22轻便防突钻机，用CF-Z型等胶囊封孔器，操作极为简便。
（4）采用卸压浅孔抽放瓦斯。
3.2抽放钻孔参数确定
（1）钻孔直径为89mm；钻孔深度为9m；钻孔距为2m；
钻孔抽放影响半径=2×1=2m。
（2）钻孔数N
N=工作面长度-10（m）/孔距+1
N＝﹙200－10﹚／2﹢1＝96个
因为采高5米，所以布置四层钻孔
钻孔总数96×4=384
（3）钻孔总长度为M：
M=钻孔深度×N（m）
M＝9×384＝3456m
（4）工作面每分钟可抽放量q纯
q纯=M×百米钻孔可抽放量（m3/min）
q纯＝3456×3/1000＝10.368m3/min
3.3绘制抽放钻孔布置平面图和剖面图
根据选择的卸压抽放瓦斯方法，绘制钻孔布置施工图。
抽放钻孔布置平面图
抽放钻孔布置剖面图
第四章综采工作面瓦斯抽放系统
4.1工作面瓦斯抽放设施的配置和布置
根据巷道长度和巷道布置，绘制抽放瓦斯管道系统图。
（1）系统图必须绘制阀门，流量计和放水器位置注明各巷道管道的管径和长度，包括吸入段和排出段管道布置；管道长度应根据巷道长度来确定；根据巷道布置可知，风巷长度为1500m,采区轨道上山长度为500m（至泵站位置），采区轨上山瓦斯泵站距离为20m;采区回风上山长度为550m,采区总回风巷长度瓦斯管道终端为50m,瓦斯泵站至采区回风上山斜巷长度为30m。
（2）抽放管道吸入段长度=风巷长度+采压轨道上山至泵站长度+采区轨道上山（至泵站位置）长度。
（3）抽放管道排出段长度=泵站至回风上山距离+采区回风上山长度+采区回风巷长度（瓦斯管道终端）。
4.2抽放管路的计算和选择
4.2.1管道内径计算
式中：
D内—瓦斯管道内径m
Q—管道混合瓦斯流量m3/min
V—管道中混合瓦斯的经济流速，m/s，一般取6~10m/s，考虑到管道内瓦斯浓度为20%。
Q混=q纯/C
式中：
Q混—管道混合瓦斯流量m3/min
q纯—工作面纯瓦斯可抽放量，m3/min；
C—管道内纯瓦斯浓度为20%
根据以上公式可以计算
管道内管道混合瓦斯流量的大小：
Q混＝q纯／C＝10.368／20％＝51.84m3／min
管道内径的大小；
D内＝0.1457﹙Q／V﹚1／2＝0.1457×﹙51.84／8﹚1／2＝0.371m=371mm
根据以上计算选择内径为375mm的管材。
4.2.2管道材料及壁厚
考虑运输安装方便，目前广泛采用玻璃钢管时Φ300~500壁厚为16mm
则，根据以上计算可初步选定管道内为375管材为玻璃钢.
第五章瓦斯泵选型
5.1抽放系统管道阻力计算
5.1.1直管阻力损失计算
H真＝9.81﹙L△Q2混／K0D5内﹚
式中：
H直—瓦斯管道直管阻力损失，Pa；
L—瓦斯管道直管长度，m；
△—混合瓦斯对空气的相对密度，管道内纯瓦斯浓度为20%时，△=0.91；
Q混—管道混合瓦斯流量m3/h；
K0—管路系数，取0.71；
D内——瓦斯管道内径mm。
根据计算公式列表计算管道吸入段及排出段的阻力损失：
管道段名称
L（m）
△
Q混（m3/n）
D内（cm）
K0
H（Pa）
吸入段（Pa）
排出段（Pa）
工作通风巷
1500
0.91
3110
37.5
0.71
2459.85
轨道上山至泵站
500
0.91
3110
37.5
0.71
819.95
轨道上山瓦斯泵站
20
0.91
3110
37.5
0.71
32.80
采区回风上山
550
0.91
3110
37.5
0.71
901.94
泵站至回风上山
30
0.91
3110
37.5
0.71
49.20
采区回风巷
50
0.91
3110
37.5
0.71
81.99
合计
4345.73
3312.59
1033.13
直管阻力损失=吸入段阻力+排出段阻力损失
5.1.2局部阻力损失计算
H局总＝H直总×0.15﹙Pa﹚
总局部阻力损失＝4345.73×0.15＝651.86Pa
5.1.3抽放系统总阻力计算
H总＝H直总＋H局总﹙Pa﹚
抽放系统总阻力损失＝4345.73＋651.86＝4997.59Pa
5.2瓦斯泵流量和压力计算
5.2.1瓦斯泵流量计算
Q泵＝q纯·K／Cη
式中:
Q泵—瓦斯抽放泵额流，m3/min；
Q纯—工作面抽放纯瓦斯含量，m3/min；
C—瓦斯泵入口处纯瓦斯浓度，取20%；
η—瓦斯泵机械效率，取80%；
k—瓦斯抽放综合系统，取K=1.2。
Q泵＝q纯·K／Cη
＝10.368×1.2/0.2/0.8=77.76m3/min
5.2.2瓦斯泵压力计算
H泵=（H总+H孔）K备
式中：
H泵—瓦斯泵压力Pa
H总—瓦斯管路总阻力损失（排出段与吸入段阻力损失之和）；
H孔—抽放钻孔所需的负压，对液孔抽放H孔取12000Pa；
K备—抽放备用系数K取1.2。
H泵＝﹙4997.59＋12000﹚×1.2＝20397.1Pa
5.3瓦斯泵选型确定
按ZBE1系列水环式真空泵选型的原则：
选出的泵的压力≥计算出来的H泵; 流量≥计算出来的Q泵。
结合上述情况，选择SK-85型水循环式真空泵，起工作流量为85m3/min，泵的压力为650mmHg，均大于设计要求，符合条件，满足使用要求。
适用于此工作面的瓦斯抽放系统。
根据SK-85型水循环式真空泵的转速365r／min和功率130KW，选择合适的电动机与之配合。
第六章工作面瓦斯抽放安全技术措施
6.1井下瓦斯泵站要求
一一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。
一一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釆取安全措施，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。
一一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。
6.2地面抽放瓦斯站安全要求
抽放瓦斯站安全措施，应遵从以下要求：
一一在一个抽放站内，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；
一一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;
一一站房及站房周围20m范围内禁止有明火；
一一站房应建在靠近公路和有水源的地方；
一一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；
一一抽放站建筑必须采用不燃性材料，耐火等级为二级；
一一站房周围必须设置栅栏或围墙；
一一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。
一一泵房内电气设备、照明和其它电气、检测仪表均应釆用矿用防爆型；
一一站房必须有直通矿调度室的电话；
一一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。
一一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。
一一必须有抽放瓦斯浓度规定及在规定浓度下的防爆措施。
一一必须有安全管理措施。
参考资料
［1］国家煤矿安全监察局，《煤矿安全规程》，煤炭工业出版社，2005年；
［2］国家煤矿安全监督管理总局，《煤矿瓦斯抽放规范》（AQ1027-2006），2006年；
［3］煤炭工业部，《矿井瓦斯抽放工程设计规范》（MT5018-96），1996年；
［4］煤炭工业部.矿井瓦斯抽放管理规范.北京：
煤炭工业出版社，1997；
［5］建设部、质量监督检验检疫总局，《煤炭工业矿井设计规范》（GB50215-2005），2005年；
［6］国家煤矿安全监督管理总局，《煤矿瓦斯抽采基本指标》（AQ1026-2006），2006年；
［7］国家煤矿安全监督管理总局，矿井瓦斯涌出量预测方法（AQ1018-2006），2006年；
［8］林柏泉,张建国.矿井瓦斯抽放理论与技术.徐州：
中国矿业大学出版社，1996；
［9］朱银昌,候贤文.煤矿安全工程设计.北京：
煤炭工业出版社，1995；
［10］于不凡,王佑安.煤矿瓦斯灾害防治与利用技术手册.北京：
煤炭工业出版社，2005；
［11］俞启香.矿井瓦斯防治.徐州：
中国矿业大学出版社，1992年。
［12］万方数据库等。
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