耿村煤矿东区瓦斯抽放设计.doc

河南理工大学本科毕业设计 1 耿村煤矿东区瓦斯抽放设计 摘要 我国煤矿多为井工开采 瓦斯灾害严重 近年来 随着煤炭生产规模的 扩大和开采深度的延伸 一次死亡 10 人以上的煤矿瓦斯事故起数和死亡人数 均占同类事故的 80 以上 我国煤矿瓦斯灾害虽然严重 但瓦斯事故的发生是 有规律可循的 也是可以预防和治理的 建国以来 在党和政府的领导下 我 们在煤矿瓦斯治理方面做了大量工作 取得了一定的成效 也积累了比较丰富 的经验 在 2001 年国家煤矿安全监察局总结提出了 先抽后采 监测监控 以风定产 十二字方针 瓦斯抽放是解决我国煤矿瓦斯问题的根本途径采取抽放措施 将富含于煤 层中的瓦斯抽放出来 是解除瓦斯事故威胁 保障煤矿安全最为有效的措施 瓦斯主要成分为甲烷 CH4 纯瓦斯的热值大于 33000kJ m3 与常规天然气相 当 是一种洁净的能源 瓦斯的抽放利用 极大地促进了企业开展瓦斯抽放工 作的积极性 不仅有效地缓解了矿井瓦斯灾害 有效地改善了煤矿的安全生产 条件 同时还解决了部分就业问题 取得了良好的经济效益 社会和环境效益 关键词 煤矿开采 瓦斯 瓦斯治理 瓦斯抽放 河南理工大学本科毕业设计 2 East the Geng village coal mine the area gas pulls out puts thedesign AbstractAbstract Our country coal mine many for well labor mining the gas disaster isserious In recent years along with coal production scale expansion and miningdepth extending Time died 10 person of above coal mine gas accident to get up thenumber and the casualty occupies the similar accident above 80 Our country coal mine gas disaster although is serious But the gas accident occurrence is orderly may follow also is mayprevent and govern Since founding of the nation in party and under government sleadership We have done the massive work in the coal mine gas government aspect has obtained the certain result also accumulated the quite richexperience The national coal mine security supervision bureau summarized after2001 proposed first pulled out picks the monitor monitoring to thewind fixes production quotas 12 characters policies The gas pulls out puts is solves the our country coal mine gasquestion basic way to adopt pulls out puts the measure Richly will contain in the coal bed the gas pulls out emits will berelieves the gas accident to threaten to safeguard the coal minesecurity most effective measure The gas principal constituent for the methane CH4 the pure gascalorific value is bigger than 33000kJ m3 With the conventional natural gas quite is one kind of pure energy The gas pulls out puts the use enormously promoted the enterprise todevelop the gas to pull out puts the work the enthusiasm Not only effectively alleviated the damp disaster effectivelyimproved the coal mine safety in production condition Simultaneously also solved the partial employment problem hasobtained the good economic efficiency the society and the environmentbenefit KeyKey wordswords Coal mine mining Gas Gas government The gas pulls out puts 河南理工大学本科毕业设计 I 目 录 1 前 言 1 1 1 概述 1 1 2 设计依据 2 2 矿井概况 3 2 1 地理位置 3 2 2 井田自然地理特征 3 2 3 井田地质构造 3 2 4 煤层赋存情况 4 2 5 田井开拓与生产现状 5 2 6 矿井通风及瓦斯涌出情况 6 3 矿井瓦斯抽放的必要性和可行性分析 8 3 1 矿井瓦斯涌出量预测 8 3 1 1 东翼回采工作面相对瓦斯涌出量计算 8 3 1 2 掘进工作面相对瓦斯涌出量 10 3 1 3 生产采区瓦斯涌出量 11 3 1 4 矿井瓦斯涌出量 12 3 2 回采工作面瓦斯涌出来源与构成 12 3 3 瓦斯抽放的必要性 13 3 3 1 相关政策法规的要求 13 3 3 2 从安全生产角度来衡量 13 3 4 抽放瓦斯的可行性分析 15 4 矿井瓦斯抽放方案设计 18 4 1 抽放瓦斯方法的选择 18 4 1 1 选择抽放方法的原则 18 4 1 2 抽放方法选择 18 4 1 3 抽放钻孔设计 19 4 2 瓦斯抽放钻孔及施工 22 4 2 1 钻孔施工的设备及工艺 22 4 2 2 钻孔施工技术安全措施 23 河南理工大学本科毕业设计 II 4 2 3 钻孔封孔 23 4 2 4 钻孔与管路的连接 24 5 瓦斯抽放管路系统方案设计 26 5 1 瓦斯抽放管路系统的布置 26 5 2 瓦斯抽放管道的选择与管网阻力计算 27 5 2 1 瓦斯抽放管径的选型 27 5 2 2 管网系统阻力计算 28 5 3 瓦斯抽放泵的选型 29 5 3 1 瓦斯抽放泵的选型原则 29 5 3 2 瓦斯抽放泵流量计算 29 5 3 3 瓦斯抽放泵压力计算 30 5 3 4 瓦斯抽放泵的选型 31 5 5 瓦斯抽放管路系统设计 31 5 5 1 抽放系统安装的基本要求 31 5 5 2 瓦斯抽放泵安装 31 5 5 3 排放管路及附属设施安装 32 6 地面永久瓦斯抽放泵站建设 35 6 1 泵站的总体设计与规划 35 6 1 1 泵房及附属装置的设计原则 35 6 1 2 泵站位置的确定 35 6 2 地面瓦斯抽放泵站的管路系统及其附属装置 36 6 2 1 管路系统 36 6 2 2 水封式防爆 防回火装置 38 6 2 3 放空管 39 6 2 4 避雷器 39 6 2 5 瓦斯抽放管路系统控制设置 40 6 3 瓦斯泵房 42 6 4 瓦斯抽放泵站供电 42 6 5 瓦斯抽放泵给排水 42 6 6 其它设施 42 6 7 瓦斯抽放 排放管路及附属设施的安装 43 河南理工大学本科毕业设计 III 7 瓦斯抽放组织管理及安全技术措施 44 7 1 组织管理 44 7 1 1 管理规范 44 7 1 2 组织机构设置 44 7 2 瓦斯抽放钻场施工管理 44 7 3 井下瓦斯抽放管路管理 46 7 4 瓦斯抽放泵的维护和操作 47 7 4 1 瓦斯泵的日常维护和保养 47 7 4 2 瓦斯机的操作和注意事项 48 8 结 论 51 致 谢 52 参 考 文 献 53 附 图 54 附图 1 耿村矿东区地面抽放泵站布置平面示意图 55 附图 2 耿村矿东区抽放管路系统图 56 附图 3 工作面钻场钻孔布置图 57 河南理工大学本科毕业设计 1 1 前 言 1 11 1 概述概述 耿村煤矿属义马煤业 集团 有限责任公司所辖 于 1975 年 4 月由河南 省煤矿设计研究院设计 1975 年 12 月由义马矿务局建井处与河南省建井二处 共同施工兴建 1982 年 12 月投产 矿井设计能力 120 万 t a 服务年限为 39 年 为义马煤业 集团 有限责任公司大型骨干矿井之一 1985 年已基本达 到设计生产能力 为扩大生产规模 经义马矿务局 省煤炭厅批准矿井进行改 扩建 1988 年元月动工 1992 年 12 月完工 扩建后井型由 120 万 t a 增加到 240 万 t a 净增 120 万 t a 耿村矿原设计生产能力 240 万 t 现实际生产能 力在 300 万 t 以上 2006 年生产原煤为 385 万 t 根据该矿的矿井设计和 2006 年矿井瓦斯等级鉴定报告资料 矿井绝对瓦 斯涌出量为 38 99m3 min 相对瓦斯涌出量为 5 79m3 min 按 煤矿安全规程 第 133 条规定 确定耿村煤矿为高瓦斯矿井 近年来随着开采深度增加 开发 强度加大 煤层瓦斯赋存量和采掘生产期间的瓦斯涌出量都呈现出明显的上升 趋势 特别是目前主采的 2 3 煤层由于 1 2 煤层从井田中部开始向东南部与其 合层直到井田的深部边界 从而导致了煤层的大面积增厚 煤层瓦斯含量必将 有大幅度的提高 实际资料显示 日趋频繁的回采工作面上隅角瓦斯浓度超限 问题已经严重制约了生产进程 时刻威胁着井下作业工人的生命安全 另据河 南理工大学 原焦作工学院 先前针对耿村煤矿完成的 低瓦斯矿井瓦斯赋存 规律及瓦斯灾害治理技术研究 科研成果反映 随着开拓工程的延深 回采工 作面瓦斯涌出量将逐渐增大 预测井田东翼当煤层埋深超过 600m 后 绝对瓦 斯涌出量达到 25 m3 min 以上 而且还存在着绝对瓦斯涌出量超过 30 m3 min 的局部高瓦斯涌出区域 在此情况下 仅靠加大通风量解决回采工作面瓦斯问 题不仅不太合理 而且实现的难度相当大 耿村煤矿到目前为止尚没有任何煤层和地点出现过任何形式的瓦斯动力现 象 属于低瓦斯非突出矿井 目前对井下安全生产威胁最大的是回采工作面上 隅角的瓦斯浓度超限问题 为贯彻执行国家煤矿安全生产监督管理局制定的 先抽后采 以风定产 监测监控 的煤矿安全生产管理方针 有力保障井下 安全和生产计划的圆满完成 在地面建立固定抽放系统 是必要和可行的 特 此对耿村矿东区瓦斯抽放系统进行设计 河南理工大学本科毕业设计 2 1 21 2 设计依据 1 矿井抽放瓦斯工程设计规范 MT95018 96 中华人民共和国煤炭工业部 1997 年 2 矿井抽放瓦斯管理规范 中华人民共和国煤炭工业部 1997 年 3 煤矿安全规程 国家煤矿安全监察局 2004 年 4 防治煤与瓦斯突出细则 中华人民共和国煤炭工业部 1995 年 5 矿井地勘 通风 生产及相关瓦斯地质等资料 耿村煤矿 6 低瓦斯矿井瓦斯赋存规律及瓦斯灾害治理技术研究 研究报告 河南理工 大学 原焦作工学院 2003 年 河南理工大学本科毕业设计 3 2 矿井概况 2 12 1 地理位置地理位置 义马煤业 集团 耿村煤矿位于河南省三门峡市渑池县境内 北距渑池县 城 2km 陇海铁路 洛潼公路在井田北部边缘通过 为主要运输干线 有铁路 专用线及公路直达矿内 交通十分便利 2 22 2 井田自然地理特征井田自然地理特征 1 地形地貌特征 本井田以上侏罗统砾岩为骨架 上部广覆第四系亚粘土 地形较复杂 属 低山丘陵区 西部地势较平缓 东部沟谷发育 整个井田呈南高北低的形态 标高在 510 640 之间 最大相对高差 133m 平均标高 575m 2 气候 本区属于大陆性气候 夏季炎热 冬季寒冷 四季分明 根据渑池气象站 资料 最高气温 41 C 1966 年 6 月 20 日 最低气温 18 70 C 1969 年 1 月 31 日 年平均气温 12 4 C 7 月份最高气温一般在 24 27 8 C 元月份 最低气温为 0 5 5 1 C 冬季冷天数平均为 106 天 夏季炎热天数平均为 45 天 冰冻期一般为 11 月中旬至次年 3 月 土壤最大冻结深度 0 34m 一般为 0 15 0 21m 2 32 3 井田地质构造井田地质构造 1 地层 根据钻孔揭露 本区主要分布三叠纪 侏罗纪地层 关于本区中生代地层 的时代划分问题 许多生产单位和高等院校都做过不少研究工作 随着研究的 不断深入和古生物化石的大量发现 地层划分日趋详细和合理 耿村井田自下而上主要发育中生界三叠系上统谭庄组 T3 侏罗系中统 义马组 J21 侏罗系中统上部 J22 侏罗系上统 J3 及新生界第三系 R 第四系 Q 地层 中侏罗统义马组 义马组原定为下侏罗统 依据 1986 年江苏煤田地质四 队孢粉分析划为侏罗系中统 为本井田的主要含煤地层 主要由碎屑岩 泥岩 和煤层组成 厚 25 12 127 10m 一般厚 74 6m 含煤 5 层 由下到上为 2 3 煤 2 2 煤 2 1 煤 1 2 煤 1 1 煤 其中 2 3 煤普遍可采 1 2 2 1 2 2 煤为大面积可采煤层 1 1 煤局部可采 河南理工大学本科毕业设计 4 2 褶皱 耿村井田位于义马向斜西段北翼 为一总体向南倾斜的单斜构造 地层倾 角一般在 11 15 之间 仅在井田南部 F16 断层附近 地层局部直立或倒 转 褶皱不发育 沿走向局部发育有宽缓的背 向斜和井田浅部沿走向的挠曲 3 断层 本区以断层为主 西部以 F5101 正断层与杨村矿为界 南部止于 F16 逆断 层 井田内断层主要集中在 43 线以西 250m 标高以上 全部为正断层 最 大落差 18m 最小落差 0 3m 断层沿倾向的延伸性随落差变小而减弱 井田内 小断层在平面展布上 按断层走向大体可分为 NNW 近 SN 和 NNE NE 向三组 按断层组合的分布特点可划分为西风井构造区 东风井构造区和东三皮带大巷 构造区 根据该井田整个构造应力场及边界条件预测 由西向东 三个构造区 在断层展布范围和单一断层的延展规模上逐渐变小 这些规律性和差异性 与 该井田所处的古构造环境以及煤系形成之后 F16 断层由南向北的逆冲有关 4 井田边界 耿村煤矿位于义马矿区西部 为义马煤业 集团 有限责任公司大型骨干 矿井之一 井田范围北起各煤层露头或老窑采空区 南止于 F16 断层 东以 41 勘探线东 200m 与千秋矿人为划定界限 西部以 F5101 断层与杨村矿相接 井田东西走向长 4 5km 南北倾斜宽 2 8km 面积 12 5km2 5 水文条件 义马矿区乃至耿村井田水文地质条件简单 除第三纪泥灰岩外 均为弱含 水层 地表无大的水体 地下水的补给主要靠大气降水 据矿井历年涌水量观 测资料 矿井涌水量月度变化不明显 历年涌水量呈递减趋势 与大气降水 开拓进尺 采空区面积相关关系不密切 由此可以证实 地下水的补给和迳流 条件均较差 历年矿井最大涌水量为 178m3 h 一般在 100m3 h 对矿井采掘 生产无大的影响 2 42 4 煤层赋存情况煤层赋存情况 1 主要含煤地层岩性组合特征 义马组由下而上分为四段 即底部砂砾岩段 下部含煤砂岩段 中部泥岩 段 上部含煤泥岩段 该组地层与下伏上三叠统潭庄组呈不整合接触 本组岩 性特征分述如下 底部砂砾岩段 该段岩层厚度变化较大 0 39 45m 平均厚 13 10m 井 河南理工大学本科毕业设计 5 田范围内 43 线以东 由下向上依次为底部砂砾岩 含砾中粗粒砂岩 或夹细 砂岩 粉砂岩 细粉砂岩或泥岩 薄层砂砾岩 以西 砂砾岩尖灭 仅在浅 部 北部 少数钻孔中偶见砂砾岩 其岩性组合由下而上为含砾粗 中 细 粒砂岩 含砾细 粉 砂岩或含砾泥岩 多呈互层出现 井田西南部砾岩段 全部由砂质泥岩所代替 下部含煤砂岩段 本段厚 31 89 76 66m 主要由煤层和砂岩组成 中部泥岩段 主要为灰黑色致密状泥岩 偶夹泥灰岩 具水平层理 含瘤 状 透镜状黄铁矿和菱铁矿结核 全井田发育 为义马组主要标志层 JK1 厚度由 4 04 42 64m 平均厚为 24 19m 上部含煤泥岩段 主要由黄褐色 灰黑色泥岩 1 1 煤和 1 2 煤层所组成 有时泥岩中夹有粉砂岩薄层 井田内普遍受到后期剥蚀 保留不全 浅部有的 剥蚀殆尽 厚 0 10 5m 不等 一般为 4 6m 2 煤层 耿村井田主要含煤层为义马组 厚 25 12 127 10m 一般厚 74 6m 含 煤 5 层 由下到上为 2 3 煤 2 2 煤 2 1 煤 1 2 煤 1 1 煤 其中 2 3 煤普 遍可采 1 2 2 1 2 2 煤为大面积可采煤层 1 1 煤局部可采 煤层总厚 22 73m 含煤系数 29 7 2 3 煤层下距三迭纪地层 0 5 28 92m 煤层厚度 0 24 21 73m 一般 8 69m 岩性为砂质泥岩 泥岩或炭质泥岩 由于井田内 地层倾角平缓 构造简单 并以封闭式断裂为主 煤层较厚 且变质程度较高 瓦斯赋存条件较好 因此瓦斯含量较大 3 煤质 田内各煤层均为长焰煤 由钻探煤芯煤样和生产煤层煤样综合分析 1 1 煤为中 富灰高硫煤 1 2 2 1 和 2 2 煤均为低 富灰 以中灰为主 特 低 中硫煤 2 3 煤为中灰特低 中硫煤 原煤空气干燥基弹筒发热量除 2 2 煤略低外 其它煤层均在 20mj kg 以上 属中等发热量煤 经洗选炼焦 气化 等试验 精煤回收率低 可作为炼焦配煤 CO2 反应性强 产气率高 适宜气 化用煤 各煤层均具有自然倾向性 自然发火期为一个月 最短为 7 天 目前 主采的 2 3 煤层的煤尘爆炸指数为 36 03 具有爆炸性 2 52 5 田井开拓与生产现状田井开拓与生产现状 耿村矿于 1975 年 4 月由河南省煤矿设计研究院设计 1975 年 12 月由义 马矿务局建井处与河南省建井二处共同施工兴建 1982 年 12 月投产 矿井设 河南理工大学本科毕业设计 6 计能力 120 万 t a 服务年限为 39 年 为义马煤业 集团 有限责任公司大 型骨干矿井之一 1985 年已基本达到设计生产能力 为扩大生产规模 经义 马矿务局 省煤炭厅批准矿井进行改扩建 1988 年元月动工 1992 年 12 月完 工 扩建后井型由 120 万 t a 增加到 240 万 t a 净增 120 万 t a 耿村矿原 设计生产能力 240 万 t 现实际生产能力在 300 万 t 以上 2006 年生产原煤为 385 万 t 2004 年底工业储量 14674 5 万吨 东区为 7362 1 万吨 耿村煤矿采用斜井单水平上 下山开拓方式 目前矿井主要开采 1 2 2 1 2 2 和 2 3 煤层 厚度 0 至 21 76 米 平均厚度 9 59 米 全井田共分二个 采区 即西二 东三采区 全矿井采掘机械化程度较高 并配备了生产监控 安全监测系统 主斜井一个 主要承担全矿井的提升任务 副斜井两个 主要 用于进风 提料 提矸及升降人员 西二采区进风和回风斜井各一个 配备 BDK 8 22 防爆对旋主扇两台 东三采区有回风斜井一个 配备 BDK 8 22 防爆 对旋主扇两台 主 副斜井均为进风井之用 运输大巷设在 300m 水平的 2 3 煤层底板岩石中 贯穿东西采区 两个采区为两翼上下山开采 由于煤层厚度 大 采用走向长臂采煤法 煤厚小于 4 5m 时 一次采全高 全部陷落法管理 顶板 目前井下布置有两个高产高效综采工作面 西翼采区有 2 3 12190 综 采面 东翼采区有 2 3 13150 综采面 七个掘进工作面 东区有 2 3 13100 上下巷 2 3 13170 上下巷 西区有 2 3 12180 上下巷 专回延 伸 2 62 6 矿井通风及瓦斯涌出情况矿井通风及瓦斯涌出情况 耿村煤矿目前采用中央边界式抽出式通风 主 副斜井进风 东三风井 回风 两个西风井一个回风 一个辅助进风 目前 矿井总进风 6258m3 min 其中 东区 3109m3 min 西区 3149m3 min 矿井总回风 6592m3 min 其中 东区 3285m3 min 西区 3307m3 min 矿井等积孔 2 83 m2 其中 东区 1 25 m2 西区 1 23m2 矿井负压 东区 2607Pa 西区 2724Pa 2006 年 8 月实测 自 1983 年至 2004 年的矿井瓦斯等级鉴定结果表明 耿村煤矿为低瓦斯矿 井 表 1 2 但随开采深度的增加 回采强度的逐年增大 绝对瓦斯涌出量 有明显增大的趋势 图 1 2 2003 年矿井瓦斯涌出量为 27 95 m3 min 2004 年全矿井绝对瓦斯涌出量又升高到 34 02m3 min 特别是 2004 年下半年以来 河南理工大学本科毕业设计 7 该矿东 西采区瓦斯涌出量都明显升高 2 3 煤的综采 13130 面和 1 2 煤的 12171 面瓦斯涌出量都超过 10m3 min 而且在工作面风量达到 900 m3 min 以 上 又经过采用高位抽放和上隅角埋管抽放措施的情况下 工作面回风流的瓦 斯浓度仍维持在 0 5 0 8 2006 年瓦斯等级鉴定时 矿井绝对瓦斯涌出量为 38 99m3 min 东区为 17 8 m3 min 西区为 21 19 m3 min 矿井相对瓦斯涌 出量为 5 79m3 t 东区为 6 67 m3 t 西区为 4 92 m3 t 河南省煤炭工业局 批复为高瓦斯矿井 回采工作面上隅角瓦斯浓度超限是目前和今后严重影响和 制约安全生产的主要因素 表 1 1 耿村矿近年瓦斯等级鉴定结果 年 度 绝对瓦斯涌出量 m3 min 相对瓦斯涌出量 m3 t 鉴 定 结 果 CH4CO2CH4CO2CH4CO2 19947 469 864 936 67低低 19954 279 424 947 81低低 19963 704 592 112 63低低 19977 7512 592 504 07低低 19989 8916 143 455 63低低 199914 4019 633 755 11低低 200017 7935 286 6413 17低低 200125 8631 036 597 91低低 200229 9333 154 975 42低低 200327 9531 364 384 91低低 200434 0222 794 182 80低低 200532 656 263 551 31高高 200638 9934 255 795 00高高 河南理工大学本科毕业设计 8 3 矿井瓦斯抽放的必要性和可行性分析 3 13 1 矿井瓦斯涌出量预测矿井瓦斯涌出量预测 3 1 13 1 1 东翼回采工作面相对瓦斯涌出量计算东翼回采工作面相对瓦斯涌出量计算 1 开采煤层 包括围岩 瓦斯涌出量 3 10 1 0 3211 XX m m kkkq 1 式中 q1 开采煤层 包括围岩 相对瓦斯涌出量 m3 t k1 围岩瓦斯涌出系数 对于全部冒落法管理顶板的工作面 k1 1 25 k2 工作面丢煤瓦斯涌出系数 其值为工作面回采率的倒数 13150 综采工作面回采率为 80 k2 1 25 k3 准备巷道预排瓦斯对工作面煤体瓦斯涌出影响系数 系数 k3按下 式确定 3 2 L hL k 2 3 L 回采工作面长度 13150 综采面 L 156m h 巷道瓦斯预排等值宽度 通常取 h 20m 考虑到本煤层的透气系数 很低 取 h 10m m0 煤层厚度 夹矸层按层厚 1 2 计算 m m 11 47m m1 煤层开采厚度 采高 13150 综采面实行一次采全高 为 2 6m X0 煤层原始瓦斯含量 m3 t 0 940m3 t X1 煤的残存瓦斯含量 m3 t 与煤质和原始瓦斯含量有关 需实测 如无实测数据 可参考表 3 1 取值 表 3 1 运至地表时煤在残存瓦斯含量 煤的挥发份含量 Vdaf 6 88 1212 1818 2626 3535 4242 50 河南理工大学本科毕业设计 9 纯煤残存瓦斯含 量 X1 m3 t 9 66 44 33 2222 由于该工作面位于风化带 瓦斯含量应为甲烷含量 不包括二氧化碳 因 此原始瓦斯含量 X0为 0 94 m3 t 煤的残存瓦斯含量对义马低变质煤来说 根 据经验可以取为 2 0 m3 t 但这里面包括氮气和二氧化碳的成分 应按照实际 的气体比例计算 根据耿村的实际情况 这里 X1可以计算为 0 334 m3 t 将实 际参数代入公式 2 1 计算的出开采层瓦斯涌出量为 3 63m3 t 当日产量为 5000t 时 其对应的绝对瓦斯涌出量为 12 60m3 min 2 邻近层相对瓦斯涌出量 3 3 10 1 1 2iii n i i XXk m m q 式中 q2 邻近层相对瓦斯涌出量 m3 t mi 第 i 个邻近层厚度 m m1 开采层的开采厚度 m X0i 第 i 邻近层原始瓦斯含量 m3 t X1i 第 i 邻近层残存瓦斯含量 m3 t ki 受多种因素影响但主要取决于层间距离的第 i 邻近层瓦斯排放率 因耿村煤矿随着 1 2 煤层最后一个工作面回采结束 矿井下一阶段主要开 采 2 3 煤层 矿井生产进入单一煤层开采状态 没有邻近层 而 2 3 煤层只 有一个 13150 回采工作面 开采时的邻近层瓦斯涌出可以忽略不计 故邻近 层无须进行瓦斯抽放 3 围岩相对瓦斯涌出量 围岩相对瓦斯涌出量按下式计算 q围 Kn q1 3 4 式中 Kn 由顶板管理方法决定的围岩瓦斯涌出系数 全面冒落法管理 顶时 取值为 Kn 0 25 河南理工大学本科毕业设计 10 根据前面的计算结果 根据公式 2 4 计算各回采工作面的围岩瓦斯涌 出量为 回采工作面围岩瓦斯涌出量 q围 0 25 3 63 0 91m3 t 4 回采工作面瓦斯涌出量 根据公式 2 1 即 q5 q1 q2 q围 回采工作面的瓦斯涌出量计算结果 如下 回采工作面的 q5 3 63 0 91 4 54m3 t 绝对瓦斯涌出量为 15 76 m3 min 表 2 2 给出了西翼回采工作面的瓦斯涌出量预测结果 表 3 2 东翼回采工作面瓦斯涌出预测结果 3 1 2掘进工作面相对瓦斯涌出量 掘进巷道瓦斯涌出量可以认为由两部分组成 1 掘进巷道煤壁瓦斯涌出量 3 5 1 2 003 vLqvmnq 式中 q3 掘进巷道煤壁瓦斯涌出量 m3 min n 煤壁暴露面个数 单孔送道时 n 2 m0 煤层厚度 m 耿村煤矿 2 3 煤层 m0 11 47m 巷道平均掘进速度 m min L 巷道长度 m q0 煤壁瓦斯涌出初速度 m3 m2 min 按下式计算 q0 其中 X 为煤层瓦斯含量 m3 t 耿村煤矿 2 3 煤层X 1440 59 0 瓦斯含量取 2 03m3 t 据河南理工大学测定 2 掘进巷道落煤瓦斯涌出量 3 6 104 XXrvSq 参数 采区 K1K2 L m h m X0 m3 t X1 m3 t q1 m3 t q2 m3 t q围 m3 t q5 m3 t 131501 251 25156100 940 3343 6300 914 54 河南理工大学本科毕业设计 11 式中 q4 掘进巷道落煤瓦斯涌出量 m3 min S 掘进巷道断面积 m2 耿村煤矿掘进巷道平均断面积为 8 m3 巷道平均掘进速度 m min 煤的密度 t m3 耿村煤矿 2 3 煤层煤的密度为 1 46 t m X0 煤层原始瓦斯含量 m3 t 耿村煤矿为 0 940m3 t X1 煤层残存瓦斯含量 m3 t 耿村煤矿为 0 334 m3 t 掘进巷道的瓦斯涌出总量为 q6 q3 q4 3 7 按现有的煤炭生产能力和计划生产能力计算 预测东翼采区的 4 个煤巷掘 进工作面瓦斯涌出量 q6 1 22m3 min 煤巷掘进工作面的绝对瓦斯涌出量结果 如表 3 3 表 3 3 掘进工作面瓦斯涌出量预测 掘进面工作面 m min L m q3 m3 min q4 m3 min 合计 m3 min 13100 上巷 0 031260 070 210 28 13100 下巷 0 051380 100 350 45 13170 上巷 0 025560 040 180 22 13170 下巷 0 03790 060 210 27 3 1 3 生产采区瓦斯涌出量 生产采区瓦斯涌出量系采区内所有回采工作面 掘进工作面及采空区瓦斯 涌出量之和 其计算公式为 3 8 0 1 6 1 57 1440 1 AqAqkq n i i n i ii 式中 q7 生产采区瓦斯涌出量 m3 t k 生产采区内采空区瓦斯涌出系数 按表 3 4 取 K 值为 1 20 q5i 第 i 回采工作面瓦斯涌出量 m3 t A1 第 i 回采工作面平均日产量 t q6i 第 i 掘进工作面瓦斯涌出量 m3 min 河南理工大学本科毕业设计 12 A0 生产采区平均日产量 t 以现有的生产能力和计划生产能力来考虑 耿村煤矿东翼采区瓦斯涌出量 根据公式 2 8 计算 东翼采区的瓦斯涌出量为 东区 相对瓦斯涌出量 q7 8 97 m3 t 目前耿村煤矿西翼布置 4 个掘进工作面 1 个回采工作面 采区的回采工 作面的生产能力考虑现有生产能力和计划生产能力 表 3 5 给出了今后生产时 期的瓦斯涌出量预测 表 3 4 生产采区和已采采区采空区瓦斯涌出系数 采空区瓦斯涌出系数煤层赋存状况取值范围备注 单一煤层1 2 1 35 生产采区K 近距离煤层群1 2 1 45 单一煤层1 1 1 25 已采采区 K 近距离煤层群1 2 1 45 取值原则 1 对通风管理水平较高 开采煤层层数较少的矿井 或采区 应取下限值 2 对通风管理水平较 差 开采中厚以上煤层且煤层层数 较多的矿井 或采区 应取上限值 表 3 5 采区瓦斯涌出量预测结果 采区瓦斯涌出量 合 计 开采区域 平均产量 t d 回采 m3 min 掘进 m3 min 采空区 m3 min m3 min m3 t 东 区600015 761 222 5519 538 97 3 1 4 矿井瓦斯涌出量矿井瓦斯涌出量 表 2 6 给出了当前和今后生产时期的矿井瓦斯涌出量预测 由于地面瓦斯抽放 系统为一工程量较大的项目 服务年限长 一旦管路安装完毕不易更换 因此 对将来矿井瓦斯涌出量的预测留有一定余地 表 3 6 矿井瓦斯涌出量预测结果 东翼 开采区域平均产量瓦斯涌出量 河南理工大学本科毕业设计 13 合计 t d 生产采区 m3 min 已采采区 m3 min m3 min m3 t 东 区 600019 5319 538 97 3 23 2 回采工作面瓦斯涌出来源与构成回采工作面瓦斯涌出来源与构成 根据预测 13150 综采工作面绝对瓦斯涌出量为 15 76m3 min 回采工作面 的瓦斯涌出主要来自采空区 无论是生产班和检修班均达到工作面瓦斯涌出总 量的 70 以上 该部分瓦斯主要来自围岩和邻近煤层 生产实践表明 影响和 制约耿村矿安全生产主要原因就是由于采空区瓦斯大量涌出导致的回采工作面 上隅角瓦斯浓度超限 进入深部采区后 由于 2 1 2 2 煤相继合并入 2 3 煤 采空区的瓦斯将 主要来源于遗煤 上阶段采空区 下阶段未采煤体及围岩 3 33 3 瓦斯抽放的必要性瓦斯抽放的必要性 瓦斯抽放的目的有两个 为了确保矿井安全生产 防止和减少采 掘工 作面瓦斯浓度超限 为了开发利用瓦斯资源 减少瓦斯排空导致的大气环境 污染 变害为利 因此 对于一个矿井或采区 工作面 是否必要抽放瓦斯 首先应从保证安全生产的角度来考虑 即当采用通风方法解决瓦斯超限问题不 可能实现或方案不合理时 就应该采取抽放措施 其次 还应从充分利用瓦斯 资源和改善职工劳动 生活条件等方面综合考虑瓦斯抽放的必要性和经济上的 合理性 所以 在具体进行瓦斯抽放设计时 一般通过如下方面的指标来衡量 3 3 13 3 1 相关政策法规的要求相关政策法规的要求 根据 煤矿安全规程 矿井瓦斯抽放管理规范 以及 煤炭工业设计规 范 有关条款规定与要求 凡是同时具备如下三个条件时 需要建立瓦斯抽放 系统进行瓦斯抽放 矿井绝对瓦斯涌出量大于 15 m3 min 一个回采工作面的绝对瓦斯涌出量大于 5m3 min 或一个掘进工作面的瓦 斯涌出量大于 3m3 min 采用通风方法解决瓦斯问题不可能或不合理时 矿井抽放瓦斯总量能长期稳定在 2 m3 min 以上 抽放系统的服务年限 应在 10 年以上 河南理工大学本科毕业设计 14 很明显 耿村矿目前已经满足了前两条的要求 而且实际存在着回采工作 面上隅角瓦斯浓度频繁超限的问题 同时 由于今后的瓦斯抽放工作是密切服 务于矿井采掘生产 根据 1996 年矿井勘探地质报告资料反映 按改扩建后的 年产量 240 万 t a 计并考虑 1 3 的富裕系数 矿井服务年限为 39 年 由此推 断 从现在开始 耿村矿尚有 29 年的生产时间 即使按当前的生产计划正常 发展下去 矿井服务年限也应该在 20 年以上 所以设计建设的瓦斯抽放系统 的服务年限不会少于 20 年 3 3 23 3 2 从安全生产角度来衡量从安全生产角度来衡量 1 耿村矿瓦斯涌出现状 据耿村矿提供的实测资料反映 随着开采深度的增加 生产强度也在不断 增大 2006 年实际生产原煤 385 万 t 比原设计生产能力 240 万 t 提高了近 1 2 矿井绝对瓦斯涌出量逐年呈上升趋势 特别是 2000 年以来 矿井瓦斯 涌出量增幅愈发加快 其中 2005 年的鉴定结果为 32 65m3 min 2006 年为 38 99 m3 min 河南煤炭工业局批复为高瓦斯矿井 按此趋势发展下去 未 来的矿井瓦斯涌出量将会突破 40 m3 min 根据国家煤矿安全监察局 2004 年 颁布的 煤矿安全规程 第 145 条规定 如果矿井绝对瓦斯涌出量超过 40 0m3 min 无论井型大小 也不管煤层有无煤与瓦斯突出危险性 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 2 通风管理的局限性 当一个矿井或采区 工作面 的绝对瓦斯涌出量大于通风所允许稀释的瓦斯 涌出量时 就需要考虑瓦斯抽放 在此状况下 抽放瓦斯的必要性指标为 3 9 K VSC qq 6 0 式中 q 回采工作面绝对瓦斯涌出量 m3 min 通风能力可以排除的绝对瓦斯涌出量 m3 min q V 回采工作面允许的最大风速 m s 按 煤矿安全规程 规定 最高风速为 4 m s 结合耿村矿当前配风状况及煤层自燃的实 际情况 取 2 5 m s S 风流通过的最小巷道断面 m2 据 13150 工作面作业规程 工 作面平均控顶距为 4 9m 采煤机采煤机采煤采高 2 6m 工作 河南理工大学本科毕业设计 15 面平均断面积 11 27m2 C 煤矿安全规程 允许的工作面风流最大瓦斯浓度 取 1 0 K 矿井或采区 工作面 瓦斯涌出不均衡系数 K 1 2 1 7 取 1 5 由以上公式 2 1 及数据资料计算得到的 6 77m3 min 该数值远远 q 小于预测的东翼采区的瓦斯涌出量值 考虑矿井瓦斯涌出管理最困难时期的状 况 如果井田东翼回采工作面 预测 最大瓦斯涌出量按 15 76m3 min Qd 考虑到永久抽放系统一旦建成将难以调整 为了使设计的瓦斯抽放量保有充分 的余量 东采区回采工作面的需风量 Q 需 为 东翼 Q需 Qd kj C 15 76 1 6 100 2521m3 min 上式中 kj 为工作面瓦斯涌出不均衡系数 取 1 6 C 意义同前 目前耿村矿回采工作面的设计配风量 据 13150 工作面作业规程 为 1260 m3 min 由此说明 采用通风方法解决深部采场回采工作面瓦斯涌出基本 上是不可行的 必须采取瓦斯抽放措施 在未来的生产进程中需要抽放的最大 瓦斯量为 m3 min 3 10 99 8 77 6 76 15 东 q 综上所述 不仅从安全生产的角度考虑 还是根据国家相关法规中要求的 所有内容 耿村矿东区建立矿井瓦斯抽放系统都势在必行 3 43 4 抽放瓦斯的可行性分析抽放瓦斯的可行性分析 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 钻孔瓦斯流量衰 减系数 和百米钻孔瓦斯极限抽放量衰减系数 Qj 矿井瓦斯抽放管理规范 第 19 条规定 对未卸压的原始煤层 瓦斯抽 放的难易程度划分为三类 见表 2 3 根据实测的钻孔流量衰减系数和煤层透 气系数 据河南理工大学 2003 年测定 2 3 煤层透气系数为 0 074 m2 MPa2 d 远远低于较难抽放标准的下限 0 1 m2 MPa2 d 同时 对应的钻 孔衰减系数为 114 31d 1 远远超出较难抽放的上限 0 05d 1 煤层透气性系 河南理工大学本科毕业设计 16 数很低 钻孔瓦斯流量衰减的很快 是属于极难抽放煤层 表 3 7 本煤层预抽瓦斯难易程度分类表 抽放难易程度 钻孔瓦斯流量衰减系数 d 1 百米钻孔瓦斯极限抽量 Qj m3 煤层透气系数 m2 MPa2 d 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 由此确定 如不采取其它配套的辅助性技术措施 耿村矿基本不具备预抽 本煤层瓦斯的可行性 虽然如此 鉴于以下两个方面原因 在耿村矿设计建立 瓦斯抽放系统仍然具有很大的可行性 煤层瓦斯资源量稳定 可靠 由于 2 1 2 2 2 3 煤层同属于一组煤 在井田的浅部层间距较小 到深 部以后又合并成为一层煤 所以针对 2 3 煤层建立的瓦斯抽放系统实际上是为 有效抽放以上三层煤中瓦斯服务的 所以应该以该三层煤的瓦斯储量作为矿井 瓦斯储量来进行评价 矿井 采区 瓦斯储量是指在煤田开发过程中能够向矿井排放瓦斯的煤层 及围岩所储存的瓦斯量 开采 2 3 煤时 应该纳入矿井瓦斯储量计算的应该有 2 1 和 2 2 煤层和围岩 含煤线 的瓦斯储量 计算公式如下 XACWk 3 11 式中 Wk 矿井 采区 瓦斯储量 万 m3 C 围岩瓦斯储量系数 取 C 1 05 A 2 1 2 2 2 3 煤层工业储量 万 t X 2 3 煤平均瓦斯含量 m3 t 取 2 03m3 t 据河南理工大学测 定 矿井瓦斯可抽量是指矿井瓦斯储量中能被抽出的瓦斯量 由下式计算 kkkc WW 3 12 河南理工大学本科毕业设计 17 式中 Wkc 矿井瓦斯可抽量 万 m3 k 矿井瓦斯抽放率 按照义马矿区生产矿井的现状预计 k 25 35 取平均值 k 30 Wk 矿井瓦斯储量 万 m3 由以上公式计算耿村矿东区目前矿井瓦斯可抽量结果见表 3 8 所示 表 3 8 东区瓦斯储量及可抽取量计算结果 煤 层 煤炭工业储量 万 t 平均瓦斯含 量 m3 t 当前瓦斯储量 万 m3 当前瓦斯可抽量 万 m3 2 1 2 2 2 3 7362 12 0315692 34707 7 若结合目前耿村矿设立井下移动瓦斯抽放系统的实际抽放参数 东区瓦斯 抽放量可取 4 5m3 min 纯瓦斯量计算 则设计瓦斯抽放系统的服务年限为 4707 7 4 5 1046 1 104min 19 9 年 这个数据符合 矿井瓦斯抽放管理规范 第八条中关于 瓦斯抽放系统服 务年限应该保持在 10 年以上 的规定 同属义马煤业集团公司的相邻千秋煤矿已经设计完成并开始建造地面永 久瓦斯抽放系统 有前期的成功经验可以借鉴 河南理工大学本科毕业设计 18 4 矿井瓦斯抽放方案设计 4 14 1 抽放瓦斯方法的抽放瓦斯方法的选择选择 4 1 14 1 1 选择抽放方法的原则选择抽放方法的原则 抽放瓦斯的类型按空间对象分有开采层 邻近层 采空区和围岩抽放 按 地应力对比来分 有未卸压和卸压抽放 按时间对比分 有采 掘 前预抽 边掘边抽 边采边抽和采后抽放 抽放瓦斯方法是指汇集瓦斯的施工方法而言 可以分为钻孔法 巷道法和 综合法 选择矿井瓦斯抽放的类型和方法应根据矿井煤层赋存条件 瓦斯基本参数 瓦斯来源 巷道布置 抽放瓦斯的目的及瓦斯利用等因素来确定 并应遵守以 下原则 1 抽放方法应适合煤层赋存状况 巷道布置 地质条件和开采技术条 件 2 应根据矿井瓦斯涌出来源及涌出量构成分析 有针对性地选择抽放 瓦斯方法 以提高瓦斯抽放效果 河南理工大学本科毕业设计 19 3 在满足瓦斯抽放的前提下 应尽可能地利用生产巷道 以减少抽放 工程量 4 选择的抽放方法应有利于抽放巷道的布置和维护 5 选择的抽放方法应有利于提高瓦斯抽放效果 降低瓦斯抽放成本 6 瓦斯抽放应有利于钻场 钻孔的施工和抽放系统管网的布置 有利 于增加钻孔的抽放时间 4 1 24 1 2 抽放方法选择抽放方法选择 1 瓦斯来源分析 根据河南理工大学 2003 年的 低瓦斯矿井瓦斯赋存规律及瓦斯灾害治理 技术研究 科研成果中反映 耿村矿东翼采区瓦斯压力和瓦斯含量都比较低 表 4 1 根据一般规 律 测定地点均处于瓦斯风化带之内 同时 由于整个井田地质条件相对简单 地质构造不太发育 煤层赋存比较稳定 据此推断 井田深部虽然瓦斯压力和 瓦斯含量会有所增加 但总体升高幅度不应很大 即深部开采范围仍当属于低 瓦斯区域 表 4 1 耿村矿瓦斯基本参数测定成果表 据河南理工大学 2003 年测 测 点 编 号 测点位置煤层 瓦斯压力 MPa 瓦斯含量 m3 t 瓦斯中 CH4比例 1 东三采区 2 30 350 40210 3 回采工作面的瓦斯涌出主要来自采空区 无论是生产班和检修班均达到 工作面瓦斯涌出总量的 70 以上 该部分瓦斯主要来自围岩和邻近煤层 生产 实践表明 影响和制约耿村矿安全生产主要原因就是由于采空区瓦斯大量涌出 导致的回采工作面上隅角瓦斯浓度超限 进入深部采区后 由于 2 1 2 2 煤相继合并入 2 3 煤 采空区的瓦斯 将主要来源于遗煤 上阶段采空区 下阶段未采煤体及围岩 2 抽放瓦斯方案的初步设计 确定耿村矿东翼采区瓦斯抽放方案需要考虑以下几方面的因素 河南理工大学本科毕业设计 20 矿井下一阶段即井田深部的生产任务主要是针对 2 3 煤开展 矿井生产 进入单一煤层开采状态 没有邻近层 但是