井下抽放煤层气PPT课件.ppt

第二讲井下抽放煤层气 一 矿井生产系统概述二 抽放煤层气工程设计三 井下抽放煤层气技术四 抽放钻孔的施工与密封五 煤层气抽放系统及设备六 抽放煤层气的计量与检测七 提高煤层气抽放率的方法 一 矿井生产系统 二 抽放煤层气工程设计 矿井煤层气抽放工程设计按单项工程编制 分三个阶段进行 即 1 可行性研究 2 初步设计 3 施工图设计 新建矿井的抽放工程设计应以已经批准的精查地质报告为依据 并参照邻近矿井的煤层气情况进行 改 扩 建及生产矿井还应以生产地质资料和抽放煤层气可行性论证等为依据 二 抽放煤层气工程设计 1抽放煤层气的可行性建立抽放系统的矿井 应同时具备下列四个条件 1 一个采煤工作面的瓦斯涌出量大于5m3 min或一个掘进工作面的瓦斯涌出量大于3m3 min 2 矿井瓦斯涌出量大于15m3 min 3 每一个瓦斯抽放系统的抽放量预计可保持在3m3 min以上 4 瓦斯资源可靠 储量丰富 预计瓦斯抽放服务年限一般在10年以上 二 抽放煤层气工程设计 目前 最常用的评价抽放可行性的指标有 1 煤层的天然透气性系数 2 钻孔煤层气流量衰减系数 3 百米钻孔煤层气极限抽放量 根据这些指标可将未卸压的原始煤层抽放煤层气的难易程度进行分类 二 抽放煤层气工程设计 二 抽放煤层气工程设计 2抽放的经济性评价矿井煤层气抽放经济性评价的主要目的 就是要计算煤层气的经济回采量 煤层气经济回采量是指在井下抽放的条件下 通过对煤层气抽放成本和收益进行系统分析 并按一定数学模型计算出能够取得经济效益的煤层气抽放量 二 抽放煤层气工程设计 1 直线平衡点模型 该模型是建立在盈亏点分析法基础之上 通过对抽放瓦斯成本进行计算分析 找出盈利和亏损的分界点 即平衡点产量 也称为最小经济回采量 其数学模型为F C B D Q0或Q0 B S D 式中F 抽放总效益 元 a C 抽放总成本 元 a B 抽放固定成本 元 a Q0 平衡点抽放量 m3 a S 单位效益 元 m3 D 单位变动成本 元 m3 二 抽放煤层气工程设计 2 最优控制模型 简单说 该模型就是建立在满足抽放条件下使单位成本最低的数学模型 二 抽放煤层气工程设计 目标函数 J C Qj B Qj D约束条件 Qmin Qj Qmax式中J 单位抽放成本 元 m3 C 抽放总成本 元 a Qj 瓦斯经济回采量 m3 a Qmin 最小抽放量 Qmax 最大抽放量 m3 a 二 抽放煤层气工程设计 3抽放工程设计抽放设计主要包括四个部分 1 抽放工程设计说明书2 抽放工程机电设备与器材清册3 抽放工程设计概算书4 施工图纸 二 抽放煤层气工程设计 1 矿井抽放工程设计说明书内容 1 矿井概况 矿井生产和地质简况 通风和煤层气涌出情况 以及煤层气基础参数等 2 抽放技术 抽放煤层气的必要性和可能性 抽放方法的选择 钻孔布置和施工方法 抽放量的预计 煤层气管路的选择与安装系统 瓦斯泵的选型等 二 抽放煤层气工程设计 3 瓦斯泵站 瓦斯泵房及设备的安装 监测与安全装置 修配厂房和装备 给排水系统 以及厂房的采暖和通风等 4 供电系统和设备 井下和地面供电设备的选型和供电方法 5 劳动组织 人员的编制 工作制度 劳动生产率 6 经济技术指标 预计年抽放量 用电最大负荷 建筑规模占地面积等 计算总投资额等 二 抽放煤层气工程设计 2 抽放工程机电设备与器材清册的内容 详细列出整个抽放工程所需要的设备和器材的名称 型号 规格和数量等 二 抽放煤层气工程设计 3 抽放工程设计概算书的内容 要详细列出项目名称和金额 包括工程费设备费主要材料费安装施工费管理费适当考虑其它备用费 二 抽放煤层气工程设计 4 施工图纸内容 应包括泵房建筑 设备安装 供水 供电 采暖 抽放煤层气的监控 安全设施 管路安装 抽放钻孔的布置及密封 巷道和钻孔的施工图纸 二 抽放煤层气工程设计 4矿井抽放设计有关参数计算矿井设计参数包括 1 矿井煤层气储量2 可抽煤层气量3 年抽放煤层气量4 抽放系统服务年限 这些参数是编制矿井抽放可行性研究报告和抽放工程设计说明书必不可少的 二 抽放煤层气工程设计 1 矿井煤层气储量矿井煤层气储量一般指可采和不可采煤层以及围岩所赋存的煤层气总量 其计算公式为Wk W1 W2 W3式中 Wk 矿井煤层气储量 Mm3 W1 可采煤层煤层气储量的总和 Mm3 W2 不可采邻近煤层的储量总和 Mm3 W3 围岩所赋存的煤层气总量 Mm3 二 抽放煤层气工程设计 W1 可采煤层煤层气储量的总和 Mm3 W1 A1iX1iA1i 矿井第i个可采煤层的煤炭地质储量 Mt X1i 矿井第i个可采煤层的煤层气含量 m3 t 二 抽放煤层气工程设计 W2 受采动影响后能够向开采空间排放煤层气的不可采邻近煤层的储量总和 Mm3 W2 A2iX2iA2i 受采动影响后能够向开采空间排放煤层气的第i个不可采煤层的煤炭地质储量 Mt X2i 受采动影响后能够向开采空间排放煤层气的第i个不可采煤层的单位煤层含气量 m3 t 二 抽放煤层气工程设计 W3 受采动影响后能够向开采空间排放煤层气的围岩煤层气储量 Mm3 实测或按下式计算W3 K W1 W2 K 围岩煤层气储量系数 一般取K 0 05 0 2 二 抽放煤层气工程设计 2 可抽煤层气量可抽煤层气量是指矿井煤层气储量中能被抽出的煤层气量 一般用下式计算Wjc Wk k式中Wjc 矿井可抽煤层气量 Mm3 Wk 矿井煤层气储量 Mm3 k 矿井煤层气抽放率 在本煤层采前抽放时 k 20 3O 在上 下邻近层抽放时 k 30 40 二 抽放煤层气工程设计 3 矿井煤层气年抽放量矿井煤层气年抽放量 即矿井抽放规模 可按设计的日抽放量乘以矿井设计年工作日数计算Qa d Qd式中Qa 矿井煤层气年抽放量 Mm3 a Qd 矿井设计日抽放量 Mm3 d d 矿井年设计工作日数 取300 二 抽放煤层气工程设计 4 抽放系统服务年限抽放系统服务年限可按下式计算tn Wjc Qa式中Wjc 矿井可抽煤层气量 Mm3 tn 抽放系统服务年限 Qa 矿井煤层气年抽放量 Mm3 a 当求出的tn大于矿井服务年限时 应取抽放系统服务年限为矿井服务年限 二 抽放煤层气工程设计 5抽放效果抽放效果的计算不仅要考虑煤层气抽放量的大小 而且还要看其抽放率的高低和抽放后回风风流中煤层气涌出量的减少程度 抽放效果可以用煤层气抽放率表示 煤层气抽放率是指矿井 采区或工作面等的煤层气抽放量占其煤层气排出总量的比例 二 抽放煤层气工程设计 1 按矿井 采区或工作面计算的抽放率式中qKC 矿井 采区或工作面的煤层气抽放量 m3 min qKY 在抽放条件下矿井 采区或工作面回风中排出的煤层气量 m3 min 二 抽放煤层气工程设计 2 按煤层气涌出源计算的煤层气抽放率式中qBC 相应于开采层 邻近层或其它地点的煤层气抽放量 m3 min qBY 在抽放条件下来源于开采层 邻近层或其它地点的煤层气涌出量 m3 min 二 抽放煤层气工程设计 3 按煤层气含量计算的煤层气抽放率式中Xc 开采层或邻近层吨煤抽出的煤层气量 m3 t Xo 开采层或邻近层吨煤原始煤层气含量 m3 t 二 抽放煤层气工程设计 4 煤层气抽放有效系数 K 煤层气抽放有效系数是指抽放煤层气后与抽放煤层气前相比 回风流中煤层气涌出量减少的程度 抽放有效系数按下式计算其中 q0 抽放煤层气前回风流中的煤层气涌出量 m3 min q1 抽放煤层气后回风流中的煤层气捅出量 m3 min 二 抽放煤层气工程设计 6煤层气抽放率的选取设计抽放煤层气工程时 可根据目前的抽放技术水平和实际能达到的煤层气抽放率来选取 1 矿井煤层气抽放率 k 抽放开采层煤层气时 矿井煤层气抽放率为20 30 抽放邻近层煤层气时 矿井煤层气抽放率为30 40 2 工作面煤层气抽放率 c 工作面煤层气抽放率因采用的抽放方法不同而不同 设计时可参照下表选取 二 抽放煤层气工程设计 三 井下抽放煤层气技术 1抽放方法的分类及选择根据煤层气来源和开采程序 可将煤矿抽放煤层气方法分成三大类 1 开采层抽放2 邻近层抽放3 采空区抽放选择抽放方法 主要根据矿井 或采区 煤层气来源 煤层赋存状况 采掘布置 开采程序以及开采地质条件等 煤矿井下煤层气抽放的目的 是减少矿井和采区瓦斯涌出量 防治瓦斯以及煤与瓦斯突出事故发生 因此 在许多情况下仅从煤层气利用角度考虑是不经济的 只有同时考虑其安全和利用目的 才是合理和可行的 三 井下抽放煤层气技术 1 如果煤层气来源于开采层 可用钻孔或巷道抽放煤层气 2 如果煤层气来源于上 下邻近层 可在开采层内或在开采层外的煤 岩巷道中 打一些穿至邻近煤层的钻孔 抽放邻近层的煤层气 3 如果采空区涌出煤层气较大 可用钻孔或密闭巷道抽放采空区煤层气 4 如果煤层气储量很大 而地面又较平坦 也可采用地面垂直钻孔抽放开采层 邻近层或采空区的煤层气 5 如果煤层透气性较差不易抽放时 则需采用采掘卸压或人工卸压抽放煤层气 6 如果掘进巷道遇到煤层气大量涌出 而用通风方式又难以解决时 可视的来源情况采用预抽或边掘边抽的方法 三 井下抽放煤层气技术 2开采层煤层气抽放开采层抽放煤层气 又称本煤层抽放煤层气 按收集煤层气的方式又可分为 巷道抽放与钻孔抽放 从抽放与采掘时间的关系可分为 预先抽放 简称预抽 和边采 掘 边抽 国内外在开采层抽放方法中最常用的是用钻孔预抽 三 井下抽放煤层气技术 1 巷道预抽开采层的煤层气 通常是利用回采准备巷道而不另掘专门巷道 该方法的优点是 巷道暴露煤体面积大 抽放效果好 该方法的缺点是 要提前掘进巷道并进行密闭 工程量大 生产时打开密闭 巷道维修量大 在煤层气涌出量大时 掘进巷道困难 因此 目前较少使用这种方法 2 钻孔抽放煤层气 施工简单 成本低廉 根据钻场的位置不同 可将开采层预抽煤层气方法分为穿层钻孔和顺层钻孔抽放 三 井下抽放煤层气技术 1 穿层钻孔抽放煤层气穿层钻孔的钻场布置在开采层以外 抽放钻孔与煤层正交或斜交 穿层钻孔适用于透气性较好的倾斜或急倾斜中厚 厚煤层和煤层群 穿层钻孔通常需要在煤层的底 顶 板岩巷或相邻煤层的煤巷中施工 其优点是 穿层钻孔施工方便简单 不与煤层采掘工作相互干扰 可利用开拓巷道提前打钻孔 抽放时间较长 钻孔穿透煤层的各分层 使煤层沿层理流向钻孔 抽放效果一般高于顺层钻孔 其缺点是 钻孔施工工程量大 钻孔的岩石段长度占比例较大 成本高 三 井下抽放煤层气技术 三 井下抽放煤层气技术 2 顺层钻孔抽放煤层气顺层钻孔的钻场通常位于开采层的煤巷内 抽放钻孔沿着煤层布置 钻孔之间可互相平行 也可交叉 顺层钻孔一般适用于透气性较差但赋存稳定的较薄及中厚煤层 其优点是 顺层钻孔在煤层中分布均匀 抽放效果好 工作面回采至钻孔附近时 还可抽放卸压煤层气 其缺点是 钻场设在运输巷 回风巷或开切眼内 钻孔平行层理面 在松软煤层中打钻孔易塌孔卡钻 施工困难 煤层中封孔不易保持严密 影响抽放煤层气浓度 1 钻孔的抽放量随着钻孔长度 揭露煤的长度 的增大而增加 因此 应尽可能打长钻孔 以提高抽放效果 顺层钻孔的长度 一般为工作面长度的70 90 2 如打顺层长钻孔有困难时 可分别从回采工作面的运输巷和回风巷布置钻孔 以增大煤层气抽放量 三 井下抽放煤层气技术 三 井下抽放煤层气技术 3邻近层煤层气抽放邻近层抽放煤层气 即通常所称的卸压层抽放 在开采煤层群条件下 由于开采层的采掘影响 使其上 下邻近煤层产生卸压 并引起这些煤层的膨胀变形和透气性的大幅度提高 为了防止和减少邻近煤层的卸压煤层气通过层间裂隙大量涌向开采层 避免开采层的煤层气超限 可以抽放邻近层的煤层气 因此 邻近层抽放煤层气通常是在开采层开采的同时进行的 在开采初期 回采工作面的煤层气涌出量主要来自开采层 煤层气涌出比较均衡 随着采煤工作面向前推进 顶板冒落和沉陷 邻近层煤层气泄出 采煤工作面的煤层气涌出量逐渐增大 以至出现高峰值 三 井下抽放煤层气技术 邻近层煤层气抽放根据钻场的位置不同 可将分为两种方式 1 在开采层层内巷道2 在开采层层外巷道布置钻孔 三 井下抽放煤层气技术 1 在开采层层内巷道布置钻孔适用条件在开采层层内巷道布置钻孔的抽放方法适用子缓倾斜或倾斜煤层的走向长壁工作面 邻近层抽放钻孔布置的原则是 a 尽可能利用已有的开采和准备巷道打钻孔 b 应把钻孔打在回采工作面所能形成的高裂隙带内 c 便于提高抽放钻孔的封孔质量 d 布孔时应考虑满足钻孔的合理服务时间 钻场可设在回风巷 回风副巷 瓦斯尾巷 运输巷 中间巷等地方 三 井下抽放煤层气技术 三 井下抽放煤层气技术 钻场可设在回风巷 回风副巷 瓦斯尾巷 运输巷 中间巷等地方 其优点 在回风水平打钻孔较在运输水平打钻孔短些 钻场设在回风副巷还具有抽放负压和通风负压一致 有利于提高抽放效果 打钻和敷设抽放管路不影响运输 易于管理 安全性好等优点 其缺点是 巷道工程量大 维护时间长 三 井下抽放煤层气技术 2 开采层层外巷道打钻孔即根据情况 在邻近煤层巷道以及底板和顶板岩巷布置钻孔的抽放方法 最常用的是通过邻近层的底板和顶板岩巷布置钻孔的抽放方法 顶板岩巷抽放方法适用于倾角较大的煤层 多用于抽放上邻近层的煤层气 底板岩巷抽放方法适用于倾斜或急倾斜煤层 多用于抽放下邻近层的煤层气 它们的优点是 钻场易于维护 钻孔密封性好 抽的煤层气浓度高 抽放时间长 且不与工作面开采相互干扰 它们的缺点是 岩巷工程量大 矿井和工作面的开拓布置有底板岩巷时则无此缺点 三 井下抽放煤层气技术 三 井下抽放煤层气技术 抽放钻孔及抽放压力参数的确定 1 临近抽放钻孔间距 一般上邻近层的钻孔间距大些 下邻近层的小些 近邻近层的小些 远邻近层的大些 2 确定邻近层抽放钻孔角度 钻孔伸进工作面方向的距离 即控制范围 越大越好 抽放上邻近层避开冒落带 避免穿入采空区 抽放钻孔的终孔位置可处在邻近层内 也可处在裂隙带 使之能拦截邻近层向开采层涌出的煤层气 3 孔径应大小 抽放邻近层煤层气时 孔径应大于75mm 4 抽放负压 一般孔口负压应保持在6 7 13 3kPa以上 过低 大量煤层气将涌入采空区 抽放负压过高 则可能使采空区空气经裂隙网抽进钻孔 从而降低抽出的煤层气浓度 因此 在保证抽放煤层气浓度为30 以上的前提下 尽可能增大抽放负压 对提高邻近层煤层气的抽放效果是有利的 三 井下抽放煤层气技术 4采空区煤层气抽放一般情况下 开采高含气煤层 尤其是开采特厚煤层和煤层群时 从邻近层 包括围岩和煤线 煤柱及工作面丢煤中会向开采层采空区涌入大量煤层气 采空区煤层气的大量涌出将增加矿井的通风负担 对安全生产造成危害 因此 采空区抽放煤层气主要是为了解决回采工作面的瓦斯超限问题 采空区煤层气抽放方法通常有 a插管抽放 b顶板尾巷抽放 c顶板钻孔抽放 三 井下抽放煤层气技术 1 插管抽放方法插管抽放采空区煤层气的方法适用于未进行预抽的煤层或有近距离邻近层的采煤工作面 该方法是在顶板冒落之前 把抽放管直接插入采空区 使其尽量靠近煤层顶板 以提高煤层气的抽放浓度 插管抽放方法能抽出的煤层气纯量一般为1 5 2m3 min 有时可达3 4m3 min 其抽放效果可使采空区煤层气涌出量降低10 20 这种抽放方法简单易行 成本低 但抽放的煤层气浓度不高 一般为10 25 而且抽放效率低 三 井下抽放煤层气技术 2 向冒落拱上方打钻孔抽放向冒落拱上方打钻孔抽放采空区煤层气既可以用于有上 下邻近层的采煤工作面 也可用于单一厚煤层的采煤工作面 抽放钻孔的孔底应处在冒落拱的上方 三 井下抽放煤层气技术 三 井下抽放煤层气技术 这种抽放方法主要是拦截来自上邻近层和厚煤层的未开采分层中的煤层气 抽出的煤层气浓度有时高达60 80 抽出量为3 4m3 min 可降低采空区煤层气涌出量的20 35 三 井下抽放煤层气技术 2 全封闭采空区的煤层气抽放全封闭采空区指工作面 或采区 矿井 已采完井封闭的采空区 一般称老采空区 其中往往储存大量的高浓度煤层气 它能通过巷道密闭或隔离煤柱的裂隙泄漏出来 影响其它区域的安全 增加矿井通风负担 全封闭采空区的抽放方法通常有密闭巷道抽放 均压密闭抽放和地面钻孔抽放等方法 三 井下抽放煤层气技术 1 密闭巷道抽放该方法首先在巷道中打密闭墙 然后将管子插入采空区直接抽放煤层气 密闭墙通常打在采区回风石门或采区回风巷 厚度1 3m 砌两层砖墙或料石 层间充填砂 黄土等 抽放的管子插进 0m左右 抽放煤层气浓度一般初期为50 60 后期为20 25 抽放量根据采空区的大小而不同 一般为2 3m min 三 井下抽放煤层气技术 2 均压密闭抽放煤层气由于施工质量和矿山压力的影响 密闭墙特别是其周围的煤 岩层往往漏气 因而不易保持规定的抽放煤层气浓度 甚至会引起采空区煤炭自燃 均压是指均压室的气压与采空区的气压保持大致相等 以免密闭墙外面的空气漏进采空区 三 井下抽放煤层气技术 均压方法就是将漏进均压室的空气及时排出 以降低均压室的压力 使之与采空区内平衡 由于抽放负压的作用 采空区内的气压低于密闭墙外面的压力 这样 空气将会通过副密闭墙漏进均压室 为了避免空气通过主密闭墙进入采空区 可用专门设备将漏进均压室的空气及时排出 这样 外面的空气只能漏入均压室 而不能再进入采空区 三 井下抽放煤层气技术 四 抽放钻孔的施工与密封 钻孔设备与工具钻机泥浆泵钻杆钻具钻头 电机及其附属电器必须防爆 四 抽放钻孔的施工与密封 2钻进常见孔内事故及预防1 孔壁坍塌2 卡钻 四 抽放钻孔的施工与密封 3煤层气钻孔施工中的安全措施1 防止煤层气涌出事故 1 边钻进边抽放煤层气 2 配备瓦斯检定器及报警器 定期检查瓦斯浓度 一旦瓦斯超限 须立即停钻处理 3 钻场内使用的敲击工具必须为铜制品 4 配备合适比重泥浆 四 抽放钻孔的施工与密封 2 防止煤与瓦斯突出事故 1 在突出危险煤层中打钻时 钻探工人必须经过专门培训 掌握煤与瓦斯突出预兆 熟悉避灾路线和待避地点 并随身佩带自救器 2 钻机与孔口之间应设置防护挡板或挡栏 以保护打钻工人不致被突出的煤 岩粉打伤 四 抽放钻孔的施工与密封 3 钻孔密封钻孔密封是抽放煤层气工作的重要环节之一 密封效果不好 不仅会影响抽放煤层气的效率 降低抽放煤层气管路中煤层气浓度 密封钻孔的材料或封孔装置应能承受一定的压力 相对压力小于0 1MPa 而且还要留有将煤层气引出钻孔的通道 密封可以采用机械式直接密封抽放钻孔 但最常用的是用黄泥 水泥砂浆或聚氨脂等材料来密封抽放钻孔 四 抽放钻孔的施工与密封 1 机械式封孔机械式封孔通常是利用胶圈受挤压膨胀来封住抽放钻孔的 该方法具有操作简单 速度快 质量好 可回收重复利用等优点 主要用于岩石钻孔段的密封 但胶圈因受地压作用难以回收 故成本较高 目前使用较少 四 抽放钻孔的施工与密封 2 水泥砂浆封孔水泥砂浆由400号以上的硅酸盐水泥 砂子与水混合搅拌而成 砂子颗粒直径为0 5 1 5mm 水泥砂浆中的水量取决于封孔方式 水泥与砂子的质量比一般为1 2 4 2 5 配好的水泥砂浆材料要向抽放瓦斯钻孔内填送 填送水泥砂浆的方式有人工和压气两种 四 抽放钻孔的施工与密封 四 抽放钻孔的施工与密封 四 抽放钻孔的施工与密封 3 聚氛脂封孔聚氨脂是聚氨基甲酸脂的简称 聚氨脂作为封孔材料具有运输简单 操作方便 封孔可靠等优点 但成本较高 聚氨脂封孔方法主要有卷缠药液法及压注药液法两种 四 抽放钻孔的施工与密封 1 卷缠药液法 四 抽放钻孔的施工与密封 四 抽放钻孔的施工与密封 2 压注药液法 四 抽放钻孔的施工与密封 五 煤层气抽放系统及设备 抽放钻孔封闭后 与钻孔相连的管路接入抽放网管 路 最后 通过在地面或井下设置的抽放泵使管网中造成负压 放管路及抽放系统的附属装置 从而形成煤层气抽放系统 因此 抽放系统包括抽放泵 抽放管路及抽放系统的附属装置 五 煤层