瓦斯抽采设计

矿井瓦斯抽采课程设计 矿井瓦斯抽采课程设计 目录目录 1 瓦斯抽采必要性与可行性论证 1 1 1 瓦斯抽采的必要性论证 1 1 2 瓦斯抽采的可行性论证 1 1 3 瓦斯抽采设计的依据 2 2 区域防突措施 3 2 1 矿井概况 3 2 2 区域防突措施的选择 3 2 3 保护层开采的可行性分析 3 2 4 保护范围的划定 4 3 瓦斯抽采方法 8 3 1 煤层 B 瓦斯抽采设计 8 3 2 煤层 A 瓦斯抽采设计 10 3 3 未保护区卸压瓦斯抽采设计 11 4 瓦斯抽采参数 12 5 瓦斯抽采管网 13 5 1 瓦斯管路 13 5 2 管路阻力计算 13 5 3 抽采泵选型 14 5 4 抽采瓦斯泵确定 15 矿井瓦斯抽采课程设计 1 1 瓦斯抽采必要性与可行性论证瓦斯抽采必要性与可行性论证 1 1 瓦斯抽采的必要性论证瓦斯抽采的必要性论证 突出煤层瓦斯含量大 必须建立瓦斯抽采系统且必须是地面瓦斯抽采系统 以保降预抽煤层瓦斯的有效性 可靠性 防治煤与瓦斯突出规定 以下简 称 防突规定 突出矿井必须建立满足防突工作要求的地面永久瓦斯抽采 系统 高瓦斯矿井采掘过程中瓦斯涌出大 需要根据工作面绝对瓦斯涌出量 工作面产 量和矿井瓦斯绝对瓦斯涌出量的要求 建立地面瓦斯抽采系统或井下临时抽采瓦 斯系统 但地面瓦斯抽采系统可靠性更高 能力更强 必要时应在高瓦斯矿井建立 地面瓦斯抽采系统 防突规定 规定 一个采煤工作面的瓦斯涌出量大于 5 m3 min 或一个掘进工作面瓦斯涌出量大于 3 m3 min 用通风方法解决瓦斯问 题不合理的 必须建立地面永久抽采瓦斯系统或井下临时抽采瓦斯系统 煤矿瓦斯抽放规范 规定 有下列情况之一的矿井 必须建立地面永久 抽采瓦斯系统或井下临时抽采瓦斯系统 a 一个采煤工作面的瓦斯涌出量大于 5m 3 min 或一个掘进工作面瓦斯涌 出量大于 3m 3 min 用通风方法解决瓦斯问题不合理时 b 矿井绝对涌出量达到以下条件的 大于或等于 40m 3 min 年产量 1 0 1 5Mt 的矿井 大于 30m 3 min 年产量 0 6 1 0Mt 的矿井 大于 25m 3 min 年产量 0 4 0 6Mt 的矿井 大于 20m 3 min 年产量等于或小于 0 4Mt 的矿井 大于 15m 3 min c 开采有煤与瓦斯突出危险煤层 1 2 瓦斯抽采的可行性论证瓦斯抽采的可行性论证 传统的瓦斯抽采需进行抽采可行性论证 论证指标有 3 项 分别为煤层透 气性系数 孔瓦斯流量衰减系数 和百米钻孔瓦斯极限抽放量衰减系 数 Qi 并根据上述指标 将煤层瓦斯抽采的难易程度进行分类 如表 1 2 1 所 列 表 1 2 1 煤层瓦斯抽采难易程度分类 矿井瓦斯抽采课程设计 2 指标 难易程度 钻孔瓦斯流量衰 减系数 1 d 百米钻孔瓦斯极 限抽量 3 i m Q 煤层透气系数 23 dMPam 容易抽放14400 10 可以抽放0 003 0 0514400 288010 0 1 较难抽放 0 05 2880 0 1 1 3 瓦斯抽采设计的依据瓦斯抽采设计的依据 1 国家安全生产监督管理总局 国家煤矿安全监察局 防治煤与瓦斯突出规 定 2009 年 2 国家安全生产监督管理总局 国家煤矿安全监察局 煤矿安全规程 2001 年 3 国家安全生产监督管理总局 煤矿瓦斯抽采规范 AQ1027 2006 2006 年 4 国家安全生产监督管理总局 煤矿瓦斯抽采基本指标 AQ1026 2006 2006 年 5 国家煤矿安全监察局 煤矿瓦斯治理经验五十条 2005 年 6 国务院安全生产委员会办公室 关于进一步加强煤矿瓦斯治理工作的指导 意见 安委办 2008 17 号 2008 年 7 国家安全生产监督管理总局 煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保陣系统 设 计规范 AQ1076 2009 2009 年 矿井瓦斯抽采课程设计 3 矿井瓦斯抽采课程设计 4 2 区域防突措施区域防突措施 2 1 矿井概况矿井概况 已知煤系地层从上到下有煤层 A 和煤层 B 煤层倾角 12 为贫煤 煤层 A 厚 2 6m 煤层 B 厚 2 8m 均具有煤与瓦斯突出危险性 A 煤层与 B 煤层距 离为 75m A 煤层和 B 煤层工作面均设计走向长 1500m 面长 120m 其中 A 煤层工作面平均瓦斯含量为 15m3 t 煤层透气性系数为 0 003mD B 煤层工作 面平均瓦斯含量为 10m3 t 煤层透气性系数为 0 1mD 2 2 区域防突措施的选择区域防突措施的选择 防突规定 第四十五条 区域防突措施是指在突出煤层进行采掘前 对 突出煤层较大范围采取的防突措施 区域防突措施包括开采保护层和预抽煤层 瓦斯两类 开采保护层分为上保护层和下保护层两种方式 预抽煤层瓦斯可采用的方式有 地面井预抽煤层瓦斯以及井下穿层钻孔或 顺层钻孔预抽区段煤层瓦斯 穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯 顺层钻孔或穿 层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯 穿层钻孔预抽石门 含立 斜井等 揭煤区域 煤层瓦斯 顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯等 预抽煤层瓦斯区域防突措施应当按上述所列方式的优先顺序选取 或一并 采用多种方式的预抽煤层瓦斯措施 由于 A 煤层的煤层透气性系数 0 003 0 1 在不采取其它增透卸压措施 的前提下较难抽放 而 B 煤层的煤层透气性系数 0 01 可以抽采 所以可 选 B 煤层为首采煤层作为保护层 进而对 A 煤层进行卸压瓦斯抽采 进行消突 2 3 保护层开采的可行性分析保护层开采的可行性分析 1 防突规定 关于保护层选取的要求 防突规定 第四十六条 选择保护层必须遵守下列规定 在突出矿井开采煤层群时 如在有效保护垂距内存在厚度 0 5m 及以上的无 突出危险煤层 除因突出煤层距离太近而威胁保护层工作面安全或可能破坏突 出煤层开采条件的情况外 首先开采保护层 有条件的矿井 也可以将软岩层 矿井瓦斯抽采课程设计 5 作为保护层开采 当煤层群中有几个煤层都可作为保护层时 综合比较分析 择优开采保护 效果最好的煤层 当矿井中所有煤层都有突出危险时 选择突出危险程度较小的煤层作保护 层先行开采 但采掘前必须按本规定的要求采取预抽煤层瓦斯区域防突措施并 进行效果检验 优先选择上保护层 在选择开采下保护层时 不得破坏被保护层的开采条 件 2 保护层的有效保护范围 A 煤层与 B 煤层的煤层倾角为 12 属于缓倾斜煤层 参照表 2 2 3 4 保 护层与被保护层之间的最大保护垂距可得缓倾斜和倾斜煤层的最大保护垂距为 100m B 煤层与 A 煤层垂距为 H 75m 所以该煤层采用下保护层开采保护有效 开采下保护层时 不破坏上被保护层的最小层间距离可参用下列公式确定 当 60 时 H KMsin 2 式中 H 允许采用的最小层间距离 m M 保护层的开采厚度 m 煤层倾角 度 K 顶板管理系数 冒落法管理顶板时 K 取 10 充填法管理顶板时 K 取 6 所以当开采 B 煤层作为下保护层时允许最小层间距离 H 10 2 8 cos12 27 4m A 煤层与 B 煤层距离为 75m 大于 27 4m 故 选取 B 作为下保护层不会破坏 上被保护层 3 综上 选取 B 煤层作为保护层 既能符合 防突规定 达到消突效果 又能不破坏被保护层 A 煤层 可行性得证 2 4 保护范围的划定保护范围的划定 1 沿倾斜的保护范围 在被保护层中 沿倾斜方向的保护范围可按卸压角划定 如图 2 4 1 所示 卸压角的大小与煤层倾角 煤系地层的岩石力学性质等因素有关 但主要取决 于煤层倾角 应根据矿井实际考察结果确定其卸压角 也可参考表 2 4 2 的数据 进行划分倾向被保护层工作面的保护范围边界 矿井瓦斯抽采课程设计 6 图 2 4 1 保护层工作面沿倾斜方向的保护范围 A 保护层 B 被保护层 C 保护边界范围线 表 2 4 2 保护层沿倾斜方向卸压角 矿井瓦斯抽采课程设计 7 由上 根据 B 煤层的倾角 12 工作面长度 120m 假设数值连续变化 76 2 可得 1 76 2 2 83 8 则沿倾斜的有效保护长度 L倾斜 120 93 5m tan76 2 75 tan83 8 75 2 沿走向的保护范围 若保护层采煤工作面停采时间超过 3 个月且卸压比较充分 则该保护层采 煤工作面对被保护层沿走向的保护范围对应于始采线 停采线及所留煤柱边缘 位置的边界可按卸压角 5 56 60 划定 如图 2 4 3 所示 对于不规则煤柱 按照其最外缘的轮廓划出平直轮廓线 并根据保护层与被保护层之间的间距变 化 确定煤柱的影响范围 图 2 4 3 保护层工作面始采线 采止线和煤柱的影响范围 卸压角 煤层倾角 1234 080807575 1077837575 2073877575 3069907770 4065908070 5070908070 6072908070 7072908072 8073907875 9075807580 矿井瓦斯抽采课程设计 8 A 保护层 B 被保护层 C 煤柱 D 采空区 E 保护范围 F 始采线 采止线 A 煤层和 B 煤层工作面均设计走向长 1500m 为方便计算 取卸压角为 60 则沿走向的有效保护长度 L走向 1500 2 1314 4m tan60 75 3 最大保护垂距 保护层与被保护层之间的最大保护垂距可参照表 2 4 4 选取 表 2 4 4 保护层与被保护层之间的最大保护垂距 最大保护垂距 煤层类别 上保护层下保护层 急倾斜煤层 60 80 缓倾斜和倾斜煤层 5010 1000 倍 矿井瓦斯抽采课程设计 13 堆积 存 在较大的 裂隙通道 流入开采 工作面 高的 4 6 倍 底鼓裂隙 带 穿层裂隙 和顺层裂 隙发育均 充分 瓦斯流动 活跃 且 具备流向 开采工作 面的条件 下限为 15 25m采空区底 板 底鼓变形 带 以顺层裂 隙为主 瓦斯层内 流动活跃 下限为 50 60m 3 300 倍 为将被保护层卸压瓦斯在有效卸压期内抽采出来 降低煤层瓦斯含量 时 高瓦斯突出危险煤层转变为低瓦斯无突出危险煤层 扩大保护层的有效垂距 根据不同裂隙带分带内裂隙发育程度的不同 位于各带内的被保护有着不同的 裂隙特征 而被保护层的卸压流动与汇集受制于煤层的裂隙发育特征 且考虑 到上 下被保护层与保护层的位置关系 查设计采用表 3 2 2 邻近层卸压瓦斯抽 采方法 设计 A 煤层采用网格式穿层钻孔瓦斯抽采方法 表 3 2 2 邻近层卸压瓦斯抽采方法 类型被保护层所处层位抽采方法备注 弯曲带 顶板或底板巷道网格式向上穿层钻孔 地面钻井法 下保护 层 顶板层 位 断裂带 走向高位钻孔法 倾向高位钻孔法 沿空留巷钻孔或采空区埋管法 走向 长钻法 走向高法 倾向高抽巷法 地面钻井法 上保护 层 底板岩层 顶板或底板巷道网格式向上穿层钻孔 走向高抽巷法及沿空留巷钻孔法 可根据 需要选 取一种 方法或 多种方 法组合 使用 矿井瓦斯抽采课程设计 14 3 2 1 网格式穿层钻孔瓦斯抽采网格式穿层钻孔瓦斯抽采 底板岩巷网格式上向穿层钻孔瓦斯抽采方法是最常见的邻近煤层卸压瓦斯抽采 方法 该方法首先需要在被抽采的煤层工作面底板岩层内施工一条或多条岩石 巷道 在岩石巷道 中每隔一定距离施工钻场 在钻场内施工上向穿层钻孔抽采 被保护层卸压瓦斯 如图 8 18 所示 底板岩石巷道沿工作面走向布置在距被保护厚马 5 m 考性较好的岩层中 在 倾 向上 底板巷布置在被保护层工作面的中部 但以穿层钻孔不出现下向钻孔为 原则 在底 板巷道内 垂直于底板巷每隔一定距离施长度为 5s 饥的瓦斯抽采 钻场 在卸压范围内 钻场间距与走向上的穿层钻孔间距相同 钻场断面满足 钻场施工要求 每个钻场内的穿层 钻孔呈扇形布置 钻孔直径不小 f 90 tirni 钻 孔间距与被保护层的卸压程度及层间岩层的 裂朦发育程度有关 钻孔进人煤层 顶板长度不小于 0 5 m ix 面开切眼 停采线附近等 未充分卸压或未卸压区域 应根据煤层的原始瓦斯透气 性系数确定钻孔间距 该区域钻孔间 距建议为 5 10 m 所有抽采钻孔必须在保护层开釆前施工结束 封孔后接入瓦斯抽采 管 150 矿井瓦斯抽采课程设计 15 3 3 未保护区卸压瓦斯抽采未保护区卸压瓦斯抽采设计设计 矿井瓦斯抽采课程设计 16 4 瓦斯抽采参数瓦斯抽采参数 4 1 工作面瓦斯涌出量预测工作面瓦斯涌出量预测 分源预测法预测煤矿瓦斯涌出量也称瓦斯含量预测煤矿瓦斯涌出量 采用 分源预测法的实质是按照煤矿生产过程中瓦斯涌出源的多少 各个瓦斯源涌出 瓦斯量的大小 来预计煤矿各个时期 如投产期 达标期 萎缩期等 的瓦斯 涌出量 首采工作面为 B 工作面 该工作面的瓦斯涌出源主要有 B 煤层 邻近层 A 煤层和采空区 采煤工作面瓦斯涌出量预测用相对瓦斯涌出量表示 以 24h 为一个预测圆班 采用式 4 1 进行计算 Q采 q 1 q 2 式 4 1 式中 Q 采 采煤工作面相对瓦斯涌出量 m 3 t q 1 开采层相对瓦斯涌出量 m 3 t q 2 邻近层相对瓦斯涌出量 m 3 t 1 开采层瓦斯涌出量 由于 B 煤层煤厚为 2 8m 属于薄及中厚煤层 在不分层开采时 开采 层涌出量可由式 4 2 进行计算 式 4 2 q 03211C WW M m kkk 式中 q 开采层相对瓦斯涌出量 m3 t K1 围岩瓦斯涌出系数 K 1 值取值范围为 1 1 1 3 全部陷落 法管理顶板 碳质组分较多的围岩 可取 1 3 局部填充法管理顶板取 1 2 全部充填法管理顶板取 1 1 砂质泥岩等致密性围岩取值可偏小 K2 工作面丢煤瓦斯涌出系数 用回采率的倒数来计算 K3 采区内准备巷道预排瓦斯对开采层瓦斯涌出影响系数 m 开采层厚度 m M 工作面采高 m W0 煤层原始瓦斯含量 m3 t Wc 运出煤矿后煤的残存瓦斯含量 m3 t 首采工作面 B 煤层采用全部陷落法管理顶板 K1取 1 3 回采率为 80 因此 K2为回采率的倒数 K2 1 25 由于采用长壁后退式回采 因此 K3可按照式 4 3 进行计算 K3 L 2h L 式 4 矿井瓦斯抽采课程设计 17 3 式中 L 工作面长度 m h 掘进巷道预排等值宽度 其取值可以按照下表进行选取 表 4 1 巷道预排瓦斯带宽度值 不同煤种巷道预排瓦斯带宽度 H m巷道煤壁暴露时间 T d无烟煤瘦煤或焦煤肥煤 气煤 256 59 011 5 507 410 513 0 1009 012 416 0 15010 514 218 0 20011 015 419 7 25012 016 921 5 30013 018 023 0 由于巷道平均暴露时间为 200 天 且 B 煤层煤质为瘦煤 所以 h 取 15 4 因此 K3 L 2h L 0 743 煤层为 2 8m 一次采全高 因此 m M 1 W 0为煤层原始瓦斯含量 10m 3 t W c为运出煤矿后煤的残存瓦斯含量 由于贫煤的挥发分为 10 20 左右 因此根据下表取 W c 4m 3 t 表 4 2 纯煤的残存瓦斯含量取值 挥发分 6 88 1212 1818 2626 3535 4242 56 WC9 66 44 33 2222 综上可得 开采层瓦斯涌出量为 q1 1 3 1 25 0 743 1 10 4 7 24m3 t 2 邻近层瓦斯涌出量 邻近层瓦斯涌出量采用式 4 4 进行计算 式 4 4 i i ci M m WW q i0 2 式中 q 邻近层相对瓦斯涌出量 m3 t mi 第 i 个邻近层煤层厚度 m M 工作面采高 m i 第 i 个邻近层瓦斯排放率 W0i 第 i 个邻近层煤层原始瓦斯含量 m3 t Wci 第 i 个邻近层煤层残存瓦斯含量 m3 t 本设计中邻近层只有一个 即为 A 煤层 其高度为 2 6m 故 m i 矿井瓦斯抽采课程设计 18 2 6m M 为工作面采高 即 B 煤层的采高 M 2 8m 图 5 1 邻近层瓦斯排放率与层间距的关系曲线 1 上邻近层 2 缓倾斜煤层下邻近层 3 倾斜 急倾斜煤层下邻近层 由于 A 煤层位于 B 煤层上方 故 A 煤层为上邻近层 与 B 煤层的间距 为 75m 故根据图中取 i 27 W o i 为邻近层 A 煤层原始瓦斯含量 15m 3 t W ci 为第 i 个邻近层煤层残存瓦斯含量 由表取 W ci 4m 3 t 综上可得 邻近层瓦斯涌出量为 q 2 2 76m 3 t 因此 工作面瓦斯涌出量 q q 1 q 2 7 24 2 76 10m 3 t 4 2 瓦斯抽采指标瓦斯抽采指标 强化瓦斯防治十条规定 中指出 突出矿井必须建立地面永久瓦斯抽 采 系统 新建突出矿井必须进行地面钻井预抽 做到先抽后建 必须落实以地面 钻井预抽 保护层开采 岩巷穿层钻孔预抽为主的区域治理措施 因此 在 采取保护层开采或者预抽煤层瓦斯之后 需要进行区域措施效果检验 要求采 取措 矿井瓦斯抽采课程设计 19 施后的最大参与瓦斯压力或残余瓦斯含量降到经实验考查确定的临界值以下 由于没有实测值 所以可以按照残余瓦斯压力 0 74MPa 和参与瓦斯含量 8m 3 t 确定 由于 B 工作面预测的瓦斯含量为 10m 3 t 属于突出煤层大于 8m 3 t 因此需要采取瓦斯抽采方案 使得煤层瓦斯含量降到 8m 3 t 以下 或将煤层瓦 斯压力降到 0 74Mpa 以下 由于题目没有给出其他数据用以计算瓦斯压力 本 矿井采用煤层瓦斯含量作为抽采指标 要将煤层瓦斯含量降到 8m 3 t 以下 就 必须使得煤层瓦斯抽采率达到 20 以上 表 4 3 突出煤层采前井下常用的抽采瓦斯方法及参数建议值 抽采分类抽采方法封孔长度 m 流量 m 3 min 1 负压 KPa 浓度 卸压抽采底板穿层钻孔 810 30 2040 65 底板岩巷大面积 810 15 2040 60 底板岩巷预抽煤 85 10 2040 60 8 封孔深度 2 封孔段长度 10 15 1310 30 原始煤层预 抽 顺层钻孔预抽 8 封孔深度 6 封孔段长度 10 20 1530 60 因此 采用底板岩巷大面积穿层钻孔加顺层钻孔预抽两种方法进行瓦斯抽 采 使得工作面的瓦斯抽采率达到 20 以上 这样才能够达到区域效果检验的 指标 才能够继续进行正常的生产作业 矿井瓦斯抽采课程设计 20 矿井瓦斯抽采课程设计 21 5 瓦斯抽采管网瓦斯抽采管网 5 1 瓦斯管路瓦斯管路 5 1 1 瓦斯管管径瓦斯管管径 瓦斯管直径选择的恰当与否对抽采瓦斯系统的建设投资及抽采效果均有影 响 直径太大 投资就多 直径过小 阻力损就大 瓦斯管直径一般采用式计算 R Q D1457 0 式中 D 瓦斯管内径 m Q 瓦斯管中的瓦斯流量 m3 min V 瓦斯管中的瓦斯平均流速 一般取 V 5 15m s 取 10m s 计算 0 25m 10 30 1457 0 D 5 1 2 瓦斯管管材瓦斯管管材 瓦斯管材一般选定国家定型产品 如热轧无缝钢管 冷拔无缝钢管和焊接 钢管等 也可以采用钢板卷制 壁厚为 3 6mm 并需进行 0 2 0 5MPa 的水压 试验合格 目前 PE 管也广泛应用于煤矿瓦斯抽采管路中 这种管路具有材质 轻 安装方便简捷等特点 强度也能满足要求 建议诸如采空区埋管 抽采系 统的主管路选用钢管 干管和支管选用 PE 管路 5 2 管路阻力计算管路阻力计算 5 2 1 摩擦阻力摩擦阻力 抽采管路的摩擦阻力与管路的流量 长度 内径等参数相关 中的管路长 度应考虑最不利的情况 如采区内最远的工作面 抽采管路摩擦阻力计算公式 5 2 81 9 KD LQ H 摩 式中 H摩 管路的摩擦阻力计算 pa L 管路长度 取 2000m 矿井瓦斯抽采课程设计 22 K 与管径有关的系数 取 0 71 D 瓦斯管路内径 cm Q 抽采混合瓦斯量 m3 h 混合瓦斯对空气的密度比 取 0 866 计算 a 7 7939 2571 0 2000866 0 603081 9 5 2 PH 摩 表 5 2 1 1 不同管径的系数 K 值 通称管径 mm152025324050 K 0 460 470 480 490 500 52 通称管径 mm7080100125150 150 K 0 550 570 620 670 700 71 5 2 2 局部阻力局部阻力 局部阻力可用估算法计算 一般取摩擦阻力的 10 20 管路系统长 网络复杂或主管管径较小者 可按上限取值 反之 则按下限取值 本题取摩擦阻力的 15 计算 计算 H局 H摩 15 7939 7 15 1191 0Pa 5 2 3 管网总阻力管网总阻力 瓦斯抽采管网系统的总阻力 H 总 H总 H局 H摩 式中 H 摩 摩擦阻力 Pa H 局 局部阻力 Pa 计算 H 总 7939 7Pa 1191 0Pa 9130 7Pa 5 3 抽采泵选型抽采泵选型 5 3 1 瓦斯泵流量计算瓦斯泵流量计算 抽采瓦斯泵额定流量计算公式如下 矿井瓦斯抽采课程设计 23 X QK Q Z 10