明鑫煤矿2201工作面瓦斯抽采设计

明鑫煤矿2201工作面瓦斯抽采设计 沁源明鑫煤矿有限公司2201工作面瓦斯抽采设计第一章 工作面概况 一、工作面井上、下位置情况工作面井上地面位于李元镇崔庄村西北约1600米处，地表为森林覆盖，无建筑物，无人居住。地面标高1154.9-1281.6米。本工作面所采煤层为2煤层，位于南翼集中回风大巷的东部，东、南、北部为实体煤层，西部为南翼回风大巷。工作面标高948米。 二、工作面顶、底板情况顶、底板名称岩石名称厚 度/米特 征直接顶白色细砂岩3.5米左右裂隙、层理均发育，泥质胶结，破碎易脱落。伪 顶灰黑色炭质页岩0.2米左右层理、节理均发育；破碎易脱落。底 板灰白砂质页岩、细砂岩2.0米左右层理发育，分选胶结均一般。 三、工作面内的地质构造情况本工作面煤层为山西组2#煤层，根据已掘运输及回风顺槽分析工作面煤层赋存稳定。工作面煤层平均厚度1.4m，煤层结构简单。煤层平均倾角6080，煤种为贫瘦煤种。根据已掘的运输、回风顺槽巷道，该面共揭露两条逆断层，回风顺槽米85-216米处，落差2米；运输顺槽239-339处，落差1.5米。可能在作业过程中还有其它构造存在于工作面内，以上所存在的构造对工作面回采有一定影响，对抽放钻孔施工基本无一定影响。 四、工作面水文地质情况本工作面水文地质条件较简单，除在局部有少量滴水现象外，工作面水的主要来源为基岩含水，最大涌出量为18m3/h,正常涌水量为10m3/h。回采时必须加强水文观察，做好探放及抽排放水工作，确保安全生产。 五、工作面参数情况工作面倾斜长度150m，走向810m，可采面积117000m2,保有储量229635吨，循环进尺为0.6m，回收率为97%，煤平均厚1.4m,煤容重1.35吨。 六、工作面瓦斯赋存情况根据河南理工大学2010年11月编制的沁源明鑫煤矿有限公司2#煤层瓦斯赋存参数测定报告资料，2#煤层瓦斯参数如下：煤层瓦斯含量最大为7.6m3/t，煤的孔隙率为9.31%，煤层透气性系数为0.0692-0.2101m/Mpa.d,钻孔瓦斯流量衰减系数为0.0428-0.2042d-1，百米钻孔初始瓦斯涌出量0.045m3/m.h。 七、煤尘爆炸危险性2016年5月9日由山西公信安全技术有限公司对2号煤层煤样做了煤尘爆炸性鉴定，挥发分15.39%，火焰长度20mm，抑制煤尘爆炸最低岩粉用量60%，鉴定结果：判定该矿2号煤层煤尘具有爆炸性。 八、煤层自燃倾向性2016年5月9日由山西公信安全技术有限公司对2号煤层煤样做了煤自燃倾向性鉴定，全硫(St.d)0.46%，煤吸氧量(Vd)0.0.86cm3/g，自燃倾向性等级类，自燃倾向性为不易自燃煤层。第二章 工作面瓦斯抽采设计 一、瓦斯抽采的必要性 1、工作面瓦斯来源情况分析根据地质部门提供的2201工作面顶底板地质情况，2#煤层的上邻近层为1#煤层，下邻近层为3#煤层。根据河南理工大学于2010年11月编制的沁源明鑫煤矿有限公司2号煤层开采矿井瓦斯涌出量预测,结合邻近工作面瓦斯涌出量综合分析得出，工作面回采时瓦斯来源主要为：本煤层、邻近层和采空区。2、工作面瓦斯涌出量预测根据河南理工大学2010年11月编制的沁源明鑫煤矿有限公司2#煤层瓦斯涌出量预测报告资料，结合邻近工作面正常抽采期间绝对瓦斯涌出量最大为13.18m3/min。其中本煤层瓦斯涌出量为3.53m3/min，占工作面瓦斯涌出量的27%；上邻近层瓦斯涌出量为7.01m3/min，占工作面瓦斯涌出量的53%；采空区瓦斯涌出量为2.64m3/min，占工作面瓦斯涌出量的20%。预计本工作面正常回采期间绝对瓦斯涌出量不小于13.18m3/min。3、工作面供给风量工作面采用 “U” 型的通风方式（通风系统图见附图）。按照工作面有效通风断面及工作面4m/s风速计算，工作面最大配风量1693.44m3/min。经计算工作面除抽放瓦斯外，回风顺槽按风排瓦斯浓度不超过1进行管理，工作面设计配风量350.7m3/min能够满足抽放后稀释瓦斯的通风要求。按照工作面抽采率和工作面瓦斯涌出量，利用以下公式计算该工作面最低配风量为1267m3/min。 100*q采*K采通*（1-K抽放率） Q采= C式中：Q采工作面需风量，m3/min q采采煤工作面瓦斯绝对涌出量，m3/min K抽放率瓦斯抽放率，%； K采通采煤工作面瓦斯涌出不均匀系数，取1.2； C回风流中允许瓦斯浓度。4、工作面风排瓦斯量根据邻近工作面生产期间绝对瓦斯涌出量为13.18m3/min，抽放量为8.23m3/min，工作面剩余的绝对风排瓦斯量为4.95m3/min，对照AQ10262006煤矿瓦斯抽采基本指标及回风流允许瓦斯浓度，2201工作面瓦斯抽采率不得小于60%，故风排瓦斯量不大于4.95m3/min。5、工作面采用瓦斯抽采的必要性根据矿井瓦斯涌出量预测报告瓦斯主要来源分布情况，结合邻近工作面瓦斯涌出量，并对照煤矿瓦斯抽采达标暂行规定工作面绝对瓦斯涌出量大于5m3/min必须进行瓦斯抽采。依据邻近工作面瓦斯涌出量的测定结果，采煤工作面瓦斯涌出量为13.18m3/min，依据2号煤层瓦斯赋存参数测定报告的结论，工作面煤层属于较难抽放和可以抽放之间，所以需对该工作面进行瓦斯抽采工作。 二、瓦斯抽采的可行性分析根据2号煤层瓦斯赋存参数测定报告，煤层透气性系数为0.0692-0.2101m2/Mpa2.d，钻孔瓦斯流量衰减系数为0.0428-0.2042d-1，按照AQ10272006煤矿瓦斯抽采规范中“煤层瓦斯抽采难易程度”的要求，2201工作面煤层属较难抽放和可以抽放煤层中间。 三、瓦斯抽采方案的确定1、抽采方案的确定依据参考邻近矿井抽放情况及抽放效果，确定本工作面抽放方法为：工作面采用双侧顺层平行钻孔方式进行本煤层预抽。工作面邻近层采用钻场迎向钻孔的抽放方法进行邻近层瓦斯抽放。当工作面上隅角瓦斯超限时，采用采空区插管或埋管抽放。2、抽采方法的选择依据(1) 回采工作面开采层瓦斯抽放方法考虑顺层布孔方法钻孔揭露煤层面积大，在煤中打钻速度快、成本低，优先考虑顺层布孔的方式，结合煤层较薄工作面相对较长，单侧钻孔成孔率较小，施工难度较大的情况，本工作面采用平行于工作面双侧布孔，两侧钻孔在工作面中部相互重叠20m。(2) 回采工作面邻近层瓦斯抽放结合矿井煤层赋存、通风及瓦斯管理等情况，回采工作面通风系统为“U”型通风，根据矿井瓦斯来源分析，邻近层是工作面瓦斯的重要来源，采用钻场迎向钻孔向采空区上方裂隙带施工高位钻孔抽放邻近层瓦斯。3、 钻孔参数的选择 （1）钻场迎向抽放钻孔参数 钻场数：20个；钻场间距：40m（#钻场距工作面切眼50m）；钻场钻孔数：6个；开孔直径：120mm；终孔直径：120mm；钻孔角度：倾角根据煤层倾角实际情况调整；钻孔夹角：与巷道中线成1、5、9、15、20、25；钻孔位置：布置在顶板岩层中；封孔长度：不小于8m。 （2）本煤层瓦斯抽放钻孔参数钻孔开孔位置：回风、运输顺槽内距底板高1.2m；钻孔方位角：90（与巷道中线形成的夹角）；钻孔开孔倾角：煤层倾角大于1(倾角根据煤层赋存实际情况调整)；开孔直径：120mm；钻孔终孔直径: 120mm；钻孔间距：5m钻孔长度: 85m；封孔长度：不小于8m； 抽放时间：钻孔预抽时间不小于120天。 4、抽采钻孔的布置方式 （1）邻近层钻孔的布置参数 在2201回风巷内切眼以外每隔40m布置1个钻场，钻场规格为：4m3m2.4m(宽深高)，钻场由技术科负责设计并组织施工。20个钻场内共布置120个邻近层钻孔，合计进尺为11040m。钻孔方位角为逆时针方向旋转形成的夹角。钻场内钻孔参数情况见附表 （2）本煤层钻孔参数的布置预抽时间的确定2号煤层钻孔瓦斯流量衰减系数0.0428-0.2042d-1，百米钻孔初始瓦斯涌出量0.045m3/m.h，工作面长150m，顺槽最长推进长度为670m；百米钻孔在不同时间t内可抽采的瓦斯总量（Qt）和钻孔抽采有效系数（K）按下式计算：Qt=1440 q0(1-e-at)/K=Qt/Qj=(1-e-at) 式中： Qt百米钻孔在t时间内可抽瓦斯总量，m3；t抽采时间，d；K钻孔抽采有效系数，；q0百米钻孔初始瓦斯流量，m3/min100m，取0.045；a衰减系数，d-1，取0.0428；QJ钻孔极限瓦斯涌出量，QJ=1440q0/，m3；计算结果见表。不同抽采时间内百米钻孔抽采瓦斯总量及钻孔抽采有效系数表预抽时间（天）6090120150抽采瓦斯总量Qt（m3）1398148215051511钻孔抽采有效系数K（%）92.3397.8899.4199.84 钻孔间距的确定从上表可以看出，预抽时间为120天时，抽采有效系数为99.41%，因此矿井实际钻孔预抽煤层瓦斯时间定为120天。下面对钻孔预抽时间为120天时，抽采影响范围进行计算：100Qt(L/100)/(LMDYX) 式中： 钻孔抽采影响范围内的瓦斯抽采率，； L钻孔实际有效长度，85-8=77m； M煤层平均厚度，m； D钻孔抽采影响范围，m； Y煤的视密度，t/m3； X煤层瓦斯含量，m3/t。不同钻孔抽采影响范围内的瓦斯抽采率统计表()L(m)M(m)Y(t/m3)X(m3/t)D(m)89.03771.31.357.60 471.22771.31.35 7.60559.35771.31.35 7.606 对照上表，本着既要减少钻孔工程量又要保证抽采效果的原则，应根据具体的钻孔预抽时间来确定钻孔间距。由表可以得出，开采层预抽时间为120天时，钻孔影响范围内瓦斯抽采率为71.22%，能够满足抽采要求。本工作面预抽时间为120天，顺层钻孔间距为5.0m，双侧布孔，钻孔总数为268个，工作面顺层钻孔参数。2号煤层平行工作面钻孔技术参数表钻孔类别钻孔与巷道夹角（）钻孔倾角（）孔深（m）钻孔直径（mm）孔间距（m）开孔高度（m）2号煤层回风顺槽平行工作面钻孔90大于煤层倾角1851205.01.22号煤层运输顺槽平行工作面钻孔90大于煤层倾角1851205.01.2 5、钻孔封孔工艺 钻孔采用囊带式带压注浆封孔技术，封孔长度为8m，封孔管为直径65mm的PVC管（阻燃、抗静电），再用65mm钻孔连接管（阻燃、抗静电铠装胶管）连接到支管上，再连接到主管上，最后到达地面瓦斯抽采泵站形成系统。囊带式注浆封孔法的关键是一个孔内安装一次性囊袋注浆装置。该装置通过两个囊袋封堵一段钻孔，两个囊袋之间有一段塑料管，塑料管上开设有钻孔注浆口，通过钻孔注浆口向两个囊袋之间的钻孔注浆，并形成注浆压力使浆液向钻孔壁渗透。囊带式注浆封孔原理见图。 囊带式注浆封孔原理图注浆材料：采用快硬硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥复合作为注浆材料的基础，适量地加入外加剂激发活性。 6、抽采效果预测 （1）抽采量计算 邻近层钻孔、本煤层钻孔抽采量预测： 回采工作面本煤层预抽及边采边抽瓦斯抽采量预计：预抽工作面单孔抽采量为0.00671m3/min，工作面最大推进长度为780m，双侧布孔，孔间距为5.0m，经计算工作面应布置312个钻孔，则预抽工作面抽采总量为2.09m3/min。待预抽工作面转变为回采工作面后，预抽钻孔还可作为边采边抽钻孔对煤层进行瓦斯抽采，从而提高瓦斯抽采量，减少开采层的瓦斯涌出，回采工作面边采边抽量取预抽工作面预抽量的70%，则回采工作面边采边抽总量为1.48m3/min。邻近层抽采量预计工作面邻近层瓦斯涌出量最大为9.65m3/min，利用回风顺槽煤层内钻场布置迎向穿层钻孔对邻近层瓦斯进行卸压抽放，根据一般经验，回采工作面开采形成的采动裂隙主要分布于工作面上方裂隙带，设计邻近层瓦斯抽放率按照70%，则2号煤回采工作面邻近层瓦斯抽放量预计为：Q采邻=q式中：Q采邻工作面邻近层瓦斯预抽量，m3/min；q采邻回采工作面邻近层瓦斯涌出量，m3/min；瓦斯预抽率，取70%。经计算工作面邻近层瓦斯抽放量Q采邻=9.6570%=6.75m3/min（2）抽采率计算根据公式：= QC标量/（QC标量+ Qf标量） =工作面抽采率 % QC标量=工作面标准状况抽采量 m3/minQf标量=工作面标准状况风排量 m3/min = QC标量（QC标量+ Qf标量）=8.23（8.23+4.95）=62% 7、抽采管路选型计算根据钻孔布置情况，回风巷布置两趟抽放管路用于抽放回风巷内邻近层钻孔和本煤层钻孔；运输顺槽布置一趟抽放管路用于抽放运输顺槽内本煤层钻孔。低负压抽采管路阻力及负压计算（1）低负压抽采管路的选择管径选择采用下式计算：D=0.1457（Qc/v）0.5式中：D管道内径，m; Qc混合瓦斯量, m3/min; v管内瓦斯流速, m/s 取8m/s 将数值代入上式则：D=0.1457（10.74/8）0.5=0.17m 因此，工作面回风巷内低负压管路选用外径219mm6mm的螺旋焊管。（2）、低负压管道阻力计算： 低负压抽放管道沿程阻力计算公式如下： H=9.81LrQ2/(KD5)式中：H沿程阻力，Pa，L管道长度 m ， r混合瓦斯浓度对空气的密度比，K系数， Q混合瓦斯流量，m3/h D管道内径， 将数据代入上式得：主管道： H主=9.81LrQ2/(KD5) H主=9.817001.17（3060）2/（0.71505）=134.9pa式中：H主管道沿程阻力 PaL主管道长度 m ， L=700米r混合瓦斯浓度对空气的密度比 r=1.17K系数 K=0.71 Q主管道混合瓦斯流量 m3/h 主管道的混合流量为30m3/min.D主管道内径 50cm 局部阻力按沿程阻力的15%计算，则总阻力为H主总=134.90.15134.9=155pa支管道： H支=9.81LrQ2/(KD5) H支=9.812301.09（2060）2/（0.71255）=511pa式中：H支管道沿程阻力 PaL支管道长度 m ， L=230米r混合瓦斯浓度对空气的密度比 r=1.09K系数 K=0.71 Q支管道混合瓦斯流量 m3/h 支管道的混合流量为20m3/minD支管道内径 25cm 局部阻力按沿程阻力的15%计算，则总阻力为H主总=5110.15511=588pa干管道： H干=9.81LrQ2/(KD5) H干=9.817901.09（10.760）2/（0.71205）=1532pa式中：H支管道沿程阻力 PaL支管道长度 m ， L=790米r混合瓦斯浓度对空气的密度比 r=1.09K系数 K=0.71 Q支管道混合瓦斯流量 m3/h 支管道的混合流量为10.7m3/minD支管道内径 20cm 局部阻力按沿程阻力的10%计算，则总阻力为H干总=15320.11532=1685pa则：低负压管道总阻力为1555881685=2428pa。（3）、低负压瓦斯抽放泵流量选型计算：泵的流量：Q=(Q混/)K式中：Q混混合气体流量，m3/min； 泵的机械效率，=0.8； K备用系数， 取K=1.2。将数据代入上式得： Q=(30/0.8)1.2=45m3/min （4）、低负压泵的压力：H=（H总+H）K式中：H孔口负压，pa，取H=6kpa； K备用系数，K=1.2。所以：H =（2428+6000）1.2=10113pa高负压抽采管路阻力及负压计算（1）高负压抽采管路的选择管径选择采用下式计算：D=0.1457（Qc/v）0.5式中：D管道内径，m; Qc混合瓦斯量, m3/min; v管内瓦斯流速, m/s 取8m/s 将数值代入上式则：D=0.1457（3.5/8）0.5=0.11m 因此工作面运输顺槽、回风顺槽内高负压管路选用外径219mm6mm的螺旋焊管。（2）、高负压管道阻力计算： 低负压抽放管道沿程阻力计算公式如下： H=9.81LrQ2/(KD5)式中：H沿程阻力，Pa，L管道长度 m ， r混合瓦斯浓度对空气的密度比，K系数， Q混合瓦斯流量，m3/h D管道内径， 将数据代入上式得：主管道： H主=9.81LrQ2/(KD5) H主=9.819301.1（10.560）2/（0.71355）=107pa式中：H主管道沿程阻力 PaL主管道长度 m ， L=1690米r混合瓦斯浓度对空气的密度比 r=1.1K系数 K=0.71 Q主管道混合瓦斯流量 m3/h 主管道的混合流量为10.5m3/min.D主管道内径 35cm 局部阻力按沿程阻力的15%计算，则总阻力为H主总=1070.15107=123pa支管道： H支=9.81LrQ2/(KD5) H支=9.8115601.06（760）2/（0.71205）=1276pa式中：H支管道沿程阻力 PaL支管道长度 m ， L=1560米r混合瓦斯浓度对空气的密度比 r=1.06K系数 K=0.71 Q支管道混合瓦斯流量 m3/h D支管道内径 20cm 局部阻力按沿程阻力的15%计算，则总阻力为H支总=12760.151276=1467pa则：高负压管道总阻力为1231467=1590pa。（3）、高负压瓦斯抽放泵流量选型计算：泵的流量：Q=(Q混/)K式中：Q混混合气体流量，m3/min；泵的机械效率，=0.8；K备用系数， 取K=1.2。将数据代入上式得：Q=(10.5/0.8)1.2=15.8m3/min （4）、高负压泵的压力：H=（H总+H）K式中：H孔口负压，pa，取H=13.3kpa； K备用系数，K=1.2。所以：H =（1590+13300）1.2=17868pa8、抽采管路系统布置情况（1）、抽采系统方面 工作面顺槽抽采管路南翼回风巷回风斜井地面泵站（2）、管路布置情况根据井下工作面顺槽实际布置情况与2201工作面绝对瓦斯涌出量、预计的瓦斯抽出量及瓦斯抽采率：2201回风巷从距切眼口50m处靠工作面外侧沿底板铺设一趟DN219mm抽采管路,共需铺设780m，用于工作面邻近层抽采钻孔。管路铺至回风口和主管道接通。2201回风巷从距切眼口10m处靠工作面外侧沿底板铺设一趟DN219mm抽采管路,共需铺设800m，用于回风顺槽本煤层抽采钻孔，管路铺至回风口和主管道接通。2201运输顺槽从距切眼口10m处靠工作面外侧沿底板铺设一趟DN219mm抽采管路,共需铺设800m，用于运输顺槽本煤层抽采钻孔，管路铺至回风绕道口和主管道接通。拐弯处三通、短节、弯头等根据现场情况自行加工。 （3）、管路安装要求抽采管路沿底板铺设，使用支架进行支设，每根管路不小于两个支点，管路离地高度大于300mm,管路安装要求平、直、稳、严密不漏气，不拐死角，坡度较大地段使用弯头进行过度。抽采支管路上孔板流量计安设地点前后20米范围内要求平直，且孔板方向必须正确。回风巷抽采管路上每个钻孔口加设抽放三通一个及低洼处加设放水除渣装置。 抽采管路上自制短节、三通、放水器、把手等必须经过防腐处理。低负压抽采管路上每隔40m加设一个蝶阀；高负压抽采管路上每隔40m加设一个蝶阀。抽采管路上三通的位置应根据钻孔布置方式位置等进行调整安装。管路安装必须采用螺栓紧固法兰盘中间加橡胶垫圈的方法，法兰盘螺栓必须加满拧紧。瓦斯管路与钻孔的连接装置必须安装瓦斯检查孔，连孔用铠装胶管必须阻燃、抗静电。在瓦斯主管、干管、钻孔联接装置处以及认为需要的地点，都必须设置阀门，阀门规格应与安装地点的管径相匹配。抽采支管路上必须按照规定安装自动监测监控装置（管道高浓、管道一氧、管道温度、管道流量、管道压力），并且能正常联网上传。管路安装完毕后，必须进行打压试验。第三章 抽采工程概况2201工作面采用邻近层抽采钻孔和本煤层抽采钻孔相结合，共设计施工本煤层钻孔312个，进尺26520米；邻近层钻孔120个，进尺11040米。设计安装低负压抽采管780米，高负压抽采管1600米。预计2201工作面抽采工程用时90天。 一、工程安排根据2017年采掘生产衔接计划，2201工作面抽采工程施工安排为：回风（运输）顺槽抽采管路安装回风（运输）顺槽邻近层和本煤层钻孔施工钻场钻孔封孔钻孔与管路连接进行抽采。 二、劳动组织作业内容人员分工劳动时间（8小时）圆班使用设备、工具甲乙丙钻 孔 施 工操作钻机1113ZDY4000S型液压坑道钻机上 钻 杆、上送水器、搬运钻杆2226检修工0011合 计33410钻孔封孔及联孔封孔0022注浆泵封孔联孔0022合计0044管路安装抬运管路0808扳手、吊链铺设管路0404连接螺栓0202合 计014014说明：以上是一个工作面、一台钻机劳动组织人员安排情况。多个工作面、多台钻机作业时劳动组织相同。 三、施工工艺流程（一）钻孔施工工艺流程钻机搬家收尾退钻杆钻进上钻杆调整钻机角度开孔调试钻机稳钻机（2） （二）钻孔封孔施工工艺流程将以上准备好的封孔器插入钻孔内向钻孔内注入封孔料根据钻孔直径大小配备封孔料好合适的麻袋片准备材料、封孔设备整理现场向钻孔内注入封孔料搬家到下一个钻孔，重复以上的步骤 （三）管路安装施工工艺流程管路安装运输管路铺设管路连接管路第四章 运输方式及管理轨道大巷运输由运输队负责，将设备、管路转至工作面顺槽口，由抽放队人员进行转运。 一、材料、设备的运输路线地面材料装车副斜井南翼轨道巷工作面作业地点。 二、运输管理措施 运输管理措施由运输单位根据现场实际情况制定。第五章 通风瓦斯管理 一、瓦斯传感器布置1、钻孔施工地点瓦斯传感器设置：在施工地点下风侧5m内设置瓦斯传感器。2、传感器安设位置：传感器应垂直悬挂在距顶板（顶梁）不得大于300mm，距巷道侧壁不得小于200mm处。3、瓦斯传感器报警、断电、复电浓度和断电范围：报警浓度0.8% CH4，断电浓度0.8% CH4，复电浓度0.8% CH4，断电范围：施工巷道内全部非本质安全型电气设备。 二、通风管理措施 由通风科编制详细的通风管理措施。第六章 机电管理 一、设备配备表序号设备名称规 格 型 号设备容量数量备注1钻机ZDY-4000S55KW1施工钻孔2绞车11.4KW11.41拉钻机3泥浆泵BW-25015KW1打钻供水使用4磁力启动器QBZ200/660200A1联络开关5磁力启动器QBZ120/660120A1钻机控制开关6磁力启动器QBZ80/66080A2泥浆泵控制开关 二、供排水规定及系统1、供水地面副斜井北翼胶带上山顺槽施工地点2、排水作业地点