永红煤矿北区3号煤层瓦斯抽放方案研究

本科毕业论文1永红煤矿北区3号煤层瓦斯抽放方案研究摘要瓦斯抽放是保证现代煤矿企业安全生产的基本措施之一,是消除煤矿危险源的技术手段,其重要性不言而喻。因此，本文以山西省晋城市沁和能源集团有限公司永红煤矿为蓝本对煤矿瓦斯抽放系统方案设计所涉及的技术问题，包括煤层瓦斯储量的计算，煤层的抽放难易程度的确定等进行了分析和讨论。根据矿井抽放瓦斯工程设计规范规定选择抽放瓦斯方法，采用本煤层预抽、边掘边抽和采空区抽放相结合的综合瓦斯抽放方法。永红煤矿北区因开采服务年限长，需要抽放的瓦斯量大,需建立地面永久瓦斯抽放系统较为合理。通过计算确定瓦斯抽放管管径、管网阻力，从而得出所需的管道材料，以及相符的瓦斯抽放泵。介绍了瓦斯抽放泵站布置和瓦斯抽放系统的安装，及他所要注意的问题。最后本文估算了瓦斯抽放工程投资。关键词永红煤矿瓦斯抽放设备选型方案设计本科毕业论文2RESEARCHOFGASDRAINAGESCHEMAATNO3COALSEAMOFNORTHERNAREAYONGHONGMINEABSTRACTGASDRAINAGEISANESSENTIALMEASURETOGUARDAMODERNCOLLIERYSSAFETYANDATECHNIQUETOELIMINATETHEDANGEROUSSOURCESITSIMPORTANCEISNEEDLESSTOSAYTHEREFORE,BASEDUPONYONGHONGMINE,QINHEENERGYGROUPCOALCOMPANYLTD,JINCHENG,SHANXI,CHINATHISPAPERPRESENTSTHEANALYSESANDDISCUSSIONSONTECHNICALPROBLEMSENCOUNTEREDINGASDRAINAGESYSTEMDESIGN,INCLUDINGCALCULATIONOFGASRESERVES,COALSEAMPERMEABILITYETCACCORDINGTO“THEDESIGNNORMOFTHECOALMINEGASDRAINAGEPROJECT”PROVISIONTOCHOICETHEGASDRAINAGEMETHOD,ADOPTIONTHEGASDRAINAGEFROMVIRGINAREASBYINSEAMBOREHOLES,GASDRAINAGEFROMRELAXEDAREASBYCROSSMEASUREBOREHOLESGASDRAINAGEFROMSEALEDGOAFAREATHATPUTTOCOMBINETOGETHERTHEGASDRAINAGEMETHODTHEYONGHONGCOALMINEBECAUSEOFMININGTHELONGSERVICETIME,THEGASDRAINAGECONTENTHASGREAT,ITNEEDTOBUILDUPTHEPERMANENTGASDRAINAGESYSTEMINGROUNDTOCOMPAREFORTHEREASONABLETHROUGHCALCULATIONASSURANCETHEGASDRAINAGEPIPEPATH,THEPIPENETRESISTANCE,THUSTOGETNEEDINGOFPIPINGMATERIAL,THEPUMPINGWHICHAGREEWITHTHEGASDRAINAGEITINTRODUCETHEGASDRAINAGEPUMPINGSTATIONCOLLOCATIONANDTHESYSTEMSETTING,ANDTHEADVERTENTPROBLEMENDTHETEXT,THEINVESTMENTOFTHEGASDRAINAGEPROJECTISESTIMATEDKEYWORDSYONGHONGMINEGASDRAINAGEEQUIPMENTSELECTIONSCHEMADESIGN本科毕业论文3目录1前言52矿井概况721交通位置722地形与气候823地质特征8231地层8232地质构造1024煤层赋存情况1025矿井开拓方式11251井筒及装备11252大巷布置及采区划分12253采煤方法1326矿井通风与瓦斯涌出现状1333号煤层瓦斯含量分布规律1431煤层瓦斯的赋存规律及影响因素14311煤层瓦斯赋存的垂向分带14312影响煤层瓦斯含量的因素1432瓦斯含量的测定1633煤层瓦斯含量测定结果1834煤层瓦斯的分布规律184矿井瓦斯抽放的必要性与可行性2041矿井瓦斯涌出量现状2042矿井瓦斯涌出来源与构成2043瓦斯抽放的必要性2044瓦斯抽放的可行性2245矿井瓦斯储量与可抽量23本科毕业论文45矿井瓦斯抽放方案初步设计2551抽放方法选择25511抽放方法概述25512瓦斯抽放方法确定26513抽放瓦斯工艺设计2752抽放量预计及抽放服务年限32521回采工作面本煤层抽放量预计32522掘进工作面边掘边抽瓦斯量预计33523采空区瓦斯抽放量预计33524矿井瓦斯抽放量预计34525抽放服务年限3453瓦斯管网系统选择与管网阻力计算34531瓦斯抽放管网系统选择34532瓦斯抽放管管径计算及管材选择35533管网阻力计算3654瓦斯抽放泵选型计算37541瓦斯抽放泵的选型原则37542瓦斯抽放泵流量计算方法37543瓦斯泵压力计算方法38544瓦斯抽放泵选型计算3855瓦斯抽放泵站布置396瓦斯抽放工程投资估算40结论41致谢42参考文献43附图1永红煤矿矿井开拓系统示意图200704附图2永红煤矿矿井通风系统示意图200704附图3永红煤矿3煤层瓦斯含量分布预测图附图4永红煤矿3煤层瓦斯抽放管网系统图本科毕业论文51前言我国煤矿多为井工开采，瓦斯灾害严重。据资料统计，建国以来，在我国煤矿发生的重特大事故中，瓦斯（煤尘）事故占70以上。在迄今为止发生的一次死亡百人以上的22起事故中，瓦斯事故占20起，死亡3314人，分别占总事故和总死亡人数的944和962。由此可见，瓦斯事故已经严重威胁了我们煤矿工人生命安全，损害着企业和国家的利益。特别是近年来，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70以上。因此，防治瓦斯事故而进行瓦斯涌出量预测及瓦斯抽放工作就显得尤为重要。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年召开的铁法现场会上，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。采取瓦斯抽放、尤其是采取“先抽后采”的技术措施后，由于极大地降低了煤层和采空区中的瓦斯浓度，尤其是降低了煤层中的瓦斯压力，因而可有效防止采掘空间的瓦斯积聚现象的发生，防止瓦斯突出事故的发生。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。本文以山西晋城沁和能源公司永红煤矿3煤层为研究对象。本文的研究内容和采取的技术路线是收集永红煤矿3煤层地勘和生产期间的瓦斯含量测值和地质构造，分析3煤层瓦斯含量分布规律；统计了北区煤层生产期间的瓦斯涌出量；分析3煤层北区的瓦斯抽放必要性和可行性；根据矿井瓦斯涌出来源和需要抽放的瓦斯量，选择瓦斯抽放方法，确定包括瓦斯抽出量、管径、抽放泵在内的瓦斯抽放系统。本课题的基本思路及论文写作流程图如图11所示本科毕业论文6永红煤矿北区3号煤层瓦斯抽放方案研究资料收集矿井基本概况矿井开拓方式矿井通风方式瓦斯地质构造瓦斯抽放现状瓦斯涌出现状分析3煤层瓦斯含量分布规律分析3煤层北区的瓦斯抽放必要性和可行性瓦斯抽放方案初步设计矿井瓦斯涌出来源分析矿井最大抽放量预计瓦斯抽放方法的确定瓦斯抽放系统管网布置干管、支管直径确定最困难时期系统抽放阻力计算抽放泵选型结论计算永红煤矿北区3煤层瓦斯储量图11论文写作流程图本科毕业论文72矿井概况21交通位置永红煤矿位于晋城市沁水县东南部嘉峰镇境内，距沁水县城约55公里，毗邻阳城县，地理坐标为北纬353246353431，东经11229121123127，矿井走向长32KM，倾向宽265KM，面积85KM2。阳（城）端（氏）公路从矿区西部通过，经阳端公路可与晋（城）韩（城）公路、沁辉干线相联，可达侯马、临汾、沁水、阳城、晋城、高平等地；新开通的侯月铁路经由矿井工业广场西北侧并在工业广场内建有嘉峰煤炭集运站。由此可见，本矿公路、铁路运输条件优越，交通便利（图21）。图21永红煤矿交通位置图本科毕业论文8永红煤矿始建于1971年，1981年移交生产。该矿原设计能力15万吨，1996年进行1545万吨/年生产能力扩建，2004年山西省煤炭工业局以晋煤行发2004986号文件批准核定生产能力为90万吨/年。永红煤矿井田周边共有9座煤矿北面为嘉峰煤矿，北东为枣坡沟煤矿，东为武安煤矿，东南为尉迟煤矿、阳城大夫街煤矿，西南为阳城南岭山煤矿，南为阳城西冯街煤矿，西为南凹寺煤矿，西北为张山煤矿，周边小煤矿除阳城西冯街煤矿为地方国营煤矿外，其余均为集体村办煤矿，目前，均开采3号煤层，开采范围均不大，均为高瓦斯矿井。22地形与气候井田位于沁水盆地南缘，太行山南端西侧，地貌划属为侵蚀山地，以低山丘陵为主，地形呈西高、东低之势，最高点位于矿井西部韩山村东，标高为7606M，最低点位于嘉峰电厂东河床，标高为50082M，地形相对高差为23768M。矿区属沁河水系，沁河源于沁源县西北，向南汇入黄河。本矿矿井地表水向西汇集入沁河。矿区属温带大陆性气候，一年内四季分明。春季干燥多风、夏季炎热多雨、秋季天高气爽、冬季寒冷少雪。据沁水县气象站近13年资料统计，年平均气温103，最高气温373（1978年6月30日），最低气温187（1990年12月）。无霜期180天左右。最大冻土深度为43CM。年降雨量最大为8912MM，最小为4125MM，平均年蒸发量为15787MM。按其基本烈度分区，地震烈度为七度区。23地质特征231地层本井田为半裸露区，出露地层为二叠系下统下石盒子组（P1X），上统上石盒子组（P2S），第四系（Q）地层。结合钻孔资料由老到新分述如下（一）奥陶系中统峰缝组（O2F）井田内钻孔最大揭露厚度447M，为浅灰色厚层状石灰岩、泥质灰岩，顶部含较多的星散状黄铁矿及其结核。（二）石灰系中统本溪组C2B本科毕业论文9与下伏地层峰缝组呈平行不整合接触。厚2711159M。平均829M。为灰色泥岩、砂质泥岩，浅灰色粘土质泥岩，局部为鲕粒结构，底部偶夹透镜状铁矿层（山西式铁矿），本组厚度变化大。（三）石灰系上统太原组（C3T）为井田内主要含煤地层之一。厚77109807，平均8421M。一K1砂岩与下伏本溪组整合接触。本组为一套海陆交互相沉积，旋回结构明显，由多层石灰岩，不同粒级的砂岩，灰黑色泥岩及煤组成。（四）二叠系下统山西组（P1S）为主要含煤地层之一。厚40045102M，平均4228M。以K7砂岩与太原组整合接触，由灰色粉砂岩和深灰色灰黑色泥岩，砂质泥岩及煤组成。（五）二叠系下统下石盒子组（P1X）本组厚57728371M，平均7117M，以K8砂岩与山西组整合接触，顶部为灰白色铝质泥岩，含大量菱铁矿球粒及黄铁矿团块，俗称“桃花泥岩”。中部和下部为灰绿色，灰色泥岩、间夹黄绿色、浅灰色砂岩。（六）二叠系上统上石盒子组（P2S）本井田内钻孔揭露最大厚度为26020M。以K10砂岩与下伏下石盒子组整合接触。仅保留有中段（P2S2）和下段（P2S1）地层。岩性主要为砂岩及杂色泥岩，为灰绿色、黄绿色。局部夹紫色斑块的泥岩与灰绿色、灰白色砂岩互层。局部泥岩中含菱铁质鲕粒，中上部夹铁质砂岩及锰铁质结核。（七）第四系中更新统（Q2）厚O1500M，与下伏地层为不整合接触。上部为黄灰色、浅红色砂质粘土，合钙质结核，下部为砂层及灰红色砂质粘土，底部为一层未固结的砂砾层。（八）第四系上更新统（Q3）厚047M，分布于河谷边缘阶地上，上部分为浅黄色砂质粘土，含零星的钙质结核，下部为未胶结的粗砂、细砂、砾石层与粘土互层，底部为砾石层，与下伏地层呈不整合接触。（九）第四系全新统（Q4）厚度一般为07M，分布于河床、河漫滩及沟谷中，由砂质粘土、砂、砾层为主，与下伏地层呈不整合接触。本科毕业论文10232地质构造井田位于沁水复式向斜轴部的南端，以宽缓的褶曲为主要构造形迹，未见落差20米以上的大断裂，无岩浆活动，构造属于简单类。井田主要构造分述如下（1）大罗沟背斜位于井田东部边界外缘，近北东东向，两翼地层为山西组和下石盒子组，地层倾角59，一般6左右。（2）沟北村向斜属于井田内的主要褶皱构造，近南北向，两翼地层为上石盒子组中下段，地层倾角49，一般7左右，纵贯井田南北。（3）韩山背斜位于井田西北部，北北东向，两翼地层为上石盒子组中下段，地层倾角为46；（4）张山向斜位于井田西部边界边缘，近南北向，两翼地层为上石盒子组,地层倾角一般4左右。（5）F14正断层在井田西北边界处，为一正断层，井田内延伸150M，断距为5M，倾向南东，倾角70左右。24煤层赋存情况井田内主要含煤地层为上石炭统太原组和下二迭统山西组，二者合计地层总厚1179615965M，平均12649M。含煤11层，煤层厚度10371356M，含煤系数为1035。山西组含煤地层厚度40045102M，平均4228M，含煤2层（1、3），煤层总厚621M，含煤系数1469。3煤层位于山西组下部，厚度为550699M，平均598M，含泥岩或炭质泥岩夹矸03层，一般12层，厚度001085M，距底板100M左右的一层炭质泥岩夹矸较为稳定，属于稳定可采煤层，也是矿井目前唯一开采的煤层。3煤为中灰、特低硫、低磷、高强度、高发热量的无烟煤，热稳定性好，精煤回收率高，主要作合成氨用煤，部分作为电厂的锅炉用煤及民用燃料。太原组含煤地层总厚77109807M，平均8421M；共含煤9层，自上而下为5、7、81、82、9、10、11、12和15，煤层总厚444727M，平均688M，含煤系数为817。15煤层位于太原组一段顶部，上距3煤层81M左右，厚185468M，厚煤带分布于西北部。含泥岩或炭质泥岩夹矸04层，一般2层，结构简单较本科毕业论文11简单。属于稳定可采煤层；15煤为低中灰、富硫、中高发热量的无烟煤，精煤回收率良，由于含硫较高且较难选除，目前尚未开采。各可采煤层赋存特征如表21所示。表21永红煤矿可采煤层特征表25矿井开拓方式251井筒及装备矿井采用斜井立井混合式开拓，目前在井田范围内分布有5个井筒。其中主提升斜井位于井田东北部；材料运输斜井和行人斜井均位于井田东部；新区采区风井位于井田北部；牛家岭风井位于井田东南部。主斜井为半圆拱断面，料石砌碹，井筒净宽40M，净断面145M2，倾角265，斜长560M，落底于3号煤层下井筒内安装有皮带运输机，担负全矿井的主提升任务，并作为矿井的进风井和安全出口。地层单位煤层编号煤层厚度（M）最小最大平均煤层间距（M）最小最大平均煤层结构煤层稳定程度顶底板岩性容重T/M3性质夹矸层数顶板底板山西组3563699598477652854781简单12稳定可采泥岩、砂质泥岩、粉砂岩泥岩、粉砂岩145太原组9065110081简单1稳定可采泥灰岩、石灰岩砂质泥岩15128105162388815185468318简单至复杂13稳定可采K2石灰岩泥岩、砂质泥岩146本科毕业论文12材料运输斜井为半圆拱断面，料石砌碹，井筒净宽35M，净断面83M2，倾角22，斜长406M，落底于3号煤层；井筒内装有双钩串车，担负全矿井的辅助提升,并作为矿井的进风井和安全出口。行人斜井为半圆拱断面，料石砌碹，井筒净宽33M，净断面73M2，倾角20，斜长426M井筒内装有行人车，作为矿井的主要行人通道。新区采区回风立井为圆形断面，料石砌碹，井筒净宽40M，净断面1257M2，垂深242M；牛家岭回风立井为圆形断面，料石砌碹，井筒净宽35M，净断面96M2，垂深214M。各井筒技术特征如表22所示。永红煤矿3煤层开拓示意图见附图1所示。表22各井筒技术特征252大巷布置及采区划分目前，井下布置有三条煤层大巷运输大巷沿煤层底板布置，在350水平和井底煤仓相连，担负井下运煤任务；轨道大巷沿煤层底板布置，通过运料联络巷和副井相连，用于辅助运输；另一条为回风大巷，沿煤层顶板布置。该矿现开采一水平3号煤层，煤层地质构造简单，平均倾角35，井田南、北两翼各有一个生产采区（新区和旧区）（论文中北区就是指新区），新、旧两区通过联络巷相通。新区位于井田东北部，由东向西延伸开拓，分两翼开采，现开采右翼工作面，工作面采用前进式布置方式。旧区位于井田东南部，主大巷由北东向南西延伸开拓，现采采区又西向东开拓，分两翼开采，现开采左翼工作面，工作面采用后退式布置。采区内采用分层开采，先采上分层，后矿井井筒长度（M）断面（M2）倾角（）用途主井560145265原煤提升副井4068322材料提升副井42673205行人风井242125790新区回风风井2149690旧区回风本科毕业论文13采下分层。矿井采用走向长壁式采煤方法。上分层回采工作面支护采用DI2500单体液压支柱配合铰接顶梁支护；下分层回采工作面采用DI2500单体液压支柱配合型钢梁错梁直线柱式对棚支护。掘进工作面采用金属摩擦支柱配型钢梁或梯形木棚的支护形式。253采煤方法永红煤矿投产于1981年，原设计生产能力150KT/A，现核定生产能力900KT/A，近几年的实际生产能力已达到和超过1000KT/A。目前该矿井下布置有三个回采面，三个准备工作面，四个掘进工作面。其中新区布置有两个回采工作面，分别为3306和3308下分层回采工作面，二个准备工作面，即3310上分层回采工作面；3312上分层回采工作面；一个掘进工作面为3314。新区两个工作面均采用走向长壁式采煤、全部跨落法控制顶板。人工爆破落底煤（厚度23M）、放中层煤（厚度1M左右）的采煤方法。26矿井通风与瓦斯涌出现状矿井采用分区抽出式通风，主斜井、副斜井及进风井共同担负矿井进风任务，南、北两个生产采区各自有独立的回风井。矿井总进风量为88009100M3/MIN，总回风量91009300M3/MIN，其中，北区（新区）进风量45004600M3/MIN，回风量46004700M3/MIN，回风井安设两台BDK5424型主扇，电机功率均为2220KW；南区（旧区）进风量43004500M3/MIN，回风量44004600M3/MIN，回风井安设有两台型号为BDK5422型主扇，电机功率均为2160KW。永红煤矿3煤层通风系统示意图见附图2所示。据本矿2006年度瓦斯等级鉴定资料，矿井瓦斯绝对涌出量13203M3/MIN，相对涌出量7395M3/T，属煤与瓦斯突出矿井。矿井建有地面永久瓦斯抽放系统，装备有6台瓦斯抽放泵（5台SK80、1台CBF5102BV3泵），6台泵主要针对南区（旧区）进行抽放，正常情况下，4台抽放泵同时对本煤层和采空区实施瓦斯抽放，平均抽出瓦斯浓度4045，年抽放纯瓦斯7073106M3，矿井瓦斯抽放率高达7580。抽出瓦斯主要用于发电、民用和作锅炉热风炉燃料，目前，矿井已装备5台总功率为2340KW的瓦斯发电机组，瓦斯利用率为3840。本科毕业论文1433号煤层瓦斯含量分布规律煤层瓦斯含量是单位质量煤中所含的瓦斯体积换算为标准状态量，单位是M3/T或MLG。31煤层瓦斯的赋存规律及影响因素311煤层瓦斯赋存的垂向分带由于煤层内的瓦斯向地表运移和地面空气向煤层深部渗透、扩散，其结果是煤层沿垂向一般会出现四个分带即“CO2N2”、“N2”、“N2CH4”、和“CH4”带。“CO2N2”、“N2”、“N2CH4”三带统称为瓦斯风化带。位于瓦斯风化带下边界以下的甲烷带，煤层的瓦斯压力、瓦斯含量随埋藏深度的增加呈有规律的增长。增长的梯度，在不同煤质煤化程度、不同地质构造与赋存条件有所不同。从甲烷带内其一深度起，某些矿井除一般瓦斯涌出外还出现了特殊瓦斯涌出瓦斯喷出与煤和瓦斯突出。因此，在甲烷带内的矿井或区域，只有掌握矿井瓦斯的赋存与运动规律，采取相应的措施，才能预防般和特殊瓦斯涌出。312影响煤层瓦斯含量的因素在成煤过程中每形成1T煤所生成的瓦斯量理论上约为100400M3，但国内外大量实测资料表明，现今的煤层原始瓦斯含量一般最大不超过3040M3/T，这就说明成煤过程中生成的瓦斯绝大部分已逸散到地表，或在地质条件适合时，如煤盆地地层中有大面积隔气层和储气构造，煤层中的瓦斯运移到储气构造中，形成煤层气，因此，煤层瓦斯含量除与生成瓦斯量有关外，主要取决于煤生成后瓦斯运移条件和煤保存瓦斯的能力（吸附性、孔隙率等），即主要受如下因素控制（1）煤田地质史从植物的堆积一直到煤炭的形成，经历了长期复杂的地质变化，这些变化对煤中瓦斯的生成和排放都起着一定的作用。煤层中瓦斯生成量、煤田范围内瓦斯含量的分布以及煤层瓦斯向地表的运移，归根到底都有取决于煤田的地质史。成煤后地壳的上升将使剥蚀作用加强，从而给煤层瓦斯向地表运移提供了条件；当成煤后地表下沉时，煤田为新的覆盖物覆盖，从而减缓了煤层瓦斯的逸散。本科毕业论文15（2）地质构造断层对煤层瓦斯含量可以有性质上截然不同的两种影响，开放性断层是煤层瓦斯排放的通道，在这类断层附近，煤层瓦斯含量减小，封闭性断层本身透气性差，而且截断了煤层与地表的联系，往往使封闭区段的煤层瓦斯含量增大。在被基岩覆盖的闭合和半闭合背斜转折区，由于煤层运移路线加长和瓦斯排出口不断缩小，增大了瓦斯运移的阻力，因此，在同一开采深度下比构造两翼瓦斯含量大；而在向斜转折处则恰恰相反，煤层瓦斯含量减小，这是由于供应瓦斯区域逐渐减小，而瓦斯向地表运移的通道逐渐扩大的结果。（3）煤层的赋存条件煤层有无露头对煤层瓦斯含量有一定影响。煤层有露头时，瓦斯易于排放；无露头时，煤层瓦斯易于保存。煤层埋藏深度是决定煤层瓦斯含量大小的重要因素。对同一煤田或煤层，在瓦斯风化带以下，煤层瓦斯压力随深度加大呈线性增大趋势，故煤层瓦斯含量随深度增大而增大，它反映了煤层瓦斯由深部向地表运移的总规律，该规律已被大量生产和科研实践所证实。由于煤层的透气性一般比围岩大得多，而倾角越小瓦斯运移的途径越长，因此在其它条件大致相同的情况下，在同一开采深度上，煤层倾角越小，煤层所含瓦斯越大。（4）煤层围岩性质围岩致密完整、不透气时，煤层瓦斯易于保存；反之，煤层瓦斯易于逸散。大同和抚顺两煤田瓦斯的对比可作为围岩性质对煤层瓦斯含量影响的典型例子。大同煤田煤的变质程度高（无烟煤），其成煤过程生成瓦斯量和煤的吸附能力均较抚顺煤田的煤层为大，但大同煤田的煤层瓦斯含量却远比抚顺煤田为小，这是因为大同煤田煤层的顶板由孔隙发育、透气良好的砂岩、砾岩和砂页岩组成，煤层中的瓦斯绝大部分已逸散；而抚顺煤田煤层的顶板则为厚达百米的致密的油母页岩和绿色页岩，大量瓦斯得以保存。（5）煤的变质程度煤的变质程度越高，生成的瓦斯量越大，因此，在其它条件相同的条件下，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量就越大。在同一煤田，煤吸附瓦斯的能力随煤的变质程度的提高而增大，故在同一瓦斯压力和温度条件下，变质程度高的煤层往往能保存更多的瓦斯。但应指出，当由无烟煤向超级无烟煤过渡时，煤本科毕业论文16的吸附能力急剧减小，煤层瓦斯含量大为减低。（6）岩浆活动岩浆活动对煤层瓦斯含量的影响较为复杂。在岩浆接触变质和热力变质的影响下，煤能够再一次生成瓦斯，并由于煤变质程度的提高而增大了吸附能力，因而岩浆活动影响区域煤层的瓦斯含量增大。但在无隔气层的情况下，由于岩浆的高温作用强化了煤层排放瓦斯，从而煤层瓦斯含量减小。故对不同煤田，岩浆活动对煤层瓦斯含量的影响可能是各不相同的。在北票煤田，火成岩侵入区域煤层瓦斯含量较大,且煤与瓦斯突出严重。（7）水文地质条件尽管瓦斯在水中的溶解度仅14，但在地下水交换活跃地区，水却能从煤层中带走大量瓦斯，从而使煤层瓦斯含量明显减少。32瓦斯含量的测定瓦斯含量测定用井下钻屑解吸法。其原理方法如下井下实测采集煤样的瓦斯解吸量，根据煤样的井下瓦斯解吸规律推算煤样采集过程中的损失瓦斯量，然后测定煤样的残存瓦斯量，最后根据煤样的取样损失瓦斯量、井下瓦斯解吸量、残存瓦斯量和煤样重量计算煤层瓦斯含量。井下解吸法测定煤层瓦斯含量的步骤如下1选择新暴露的采掘工作面煤壁，用煤电钻垂直煤壁打一个42MM、孔深10M的钻孔，当钻孔钻至9M时开始取样，并记录采样开始时间T1；2将采集的新鲜煤样装罐并记录煤样装罐后开始解吸测定的时间T2，用图31瓦斯解吸速度测定仪与密封罐示意图1量管2吸气球3温度计4水槽5螺旋夹6弹簧夹7排水管8排气胶管9胸骨穿刺针头10密封罐11压紧螺帽本科毕业论文17FHJ2型瓦斯解吸速度测定仪（图31）测定不同时间T下的煤样累积瓦斯解吸总量V0I，瓦斯解吸速度测定一般为2个小时，解吸测定停止后拧紧煤样罐以保证不漏气，送实验室测定煤样残存瓦斯量。3损失量计算将不同解吸时间下测得数据按下式换算成标准状态下的体积VOI31式中V0I换算成标准状态下的解吸瓦斯体积，ML；VI不同时间解吸瓦斯测定值,ML；PO大气压力,PA；HW量管内水柱高度,MM；PSHW下饱和水蒸汽压力,PA；TW量管内水温，。设煤样解吸测定前的暴露时间为T0（T0T2T1），不同时间T下测得的VOI值所对应的煤样实际解吸时间为T0T；将全部测点T0T05,VOI绘在坐标纸上，将测点的直线关系段延长与纵坐标轴相交，直线在纵坐标轴上的截距即为瓦斯损失量，如图32所示。4将解吸测定后的煤样连同煤样罐送实验室测定煤样中的残存瓦斯量、水分、灰分和煤样重量。5根据煤样损失瓦斯量、解吸瓦斯量及残存瓦斯量和煤样重量，求算煤样的瓦斯含量XV0V1V2/G032式中VO换算成标准状态下的煤样在井下测得的瓦斯解吸总量，ML；V1换算成标准状态下的煤样取样过程损失瓦斯量，ML；V2换算成标准状态下的煤样残存瓦斯量，ML；G0煤样重量,G；T273100131VPH819P2273VW5ISW0I01000800600400200020040060080010000246810解吸瓦斯量（ML）损失瓦斯量（ML）T0TMIN05图32瓦斯损失量计算曲线图本科毕业论文18X煤样瓦斯含量，ML/G。33煤层瓦斯含量测定结果利用上述方法，分别在永红煤矿北区3310运输巷、南区3503回采工作面，对3煤层瓦斯含量进行了测定，测定结果如表31示。表313煤层瓦斯含量测定结果测定地点测定时间采样深度（M）样品中气体组分（）瓦斯含量（M3/TR）CH4O2N2北区3310运输巷2003年11月27195690054261873北区3310运输巷2003年11月27496730013271744南区3503工作面2004年4月25991470567971686南区3503工作面2004年4月2559596021383163334煤层瓦斯的分布规律根据揭示的地质资料显示，由于永红煤矿井田范围内主要构造形态为宽缓的褶皱，井田内无落差大于20M的断层，未发现岩浆活动，地质构造简单。并且3煤为高强度、高发热量的无烟煤，顶板为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，底板是泥岩、粉砂岩，所以可以排除以上几种影响因素，煤层埋深是控制永红煤矿3号煤层瓦斯含量的主导因素。考虑到永红煤矿毗邻永安、嘉丰矿，其3的煤层瓦斯地质条件和这两个矿井的煤层瓦斯地质条件相似，因此，结合永安、嘉丰矿瓦斯含量实测值，可以较好地获得永红煤矿3煤层瓦斯含量规律。图33为包括永红、永安、嘉丰矿在内的3煤层瓦斯含量实测值分布散点图，由图可以看出3煤层瓦斯含量具有随埋深加大而增加的总体趋势。本科毕业论文19图33永红煤矿3号煤层瓦斯含量与埋深关系散点图永红矿瓦斯含量测值其它煤矿瓦斯含量测值经回归分析，永红煤矿3煤层瓦斯含量与埋深之间具有如下的统计规律W00478H5587533式中W煤层瓦斯含量，M3/TR；H煤层埋藏深度，M。根据上式和煤层埋藏深度，绘制了永红煤矿3煤层瓦斯含量分布预测图，见附图3所示。0510152025050100150200250300350埋藏深度（M）瓦斯含量（M3/TR）本科毕业论文204矿井瓦斯抽放的必要性与可行性41矿井瓦斯涌出量现状当永红煤矿（北区）3号煤层两个上分层回采工作面回采时，回采区瓦斯涌出量为3075M3/MIN；一个掘进工作面瓦斯涌出量为618M3/MIN；矿井瓦斯涌出量为采、掘面之和，再加上老采空区或其它峒室的涌出量，矿井（北区）瓦斯涌出量为5209M3/MIN。42矿井瓦斯涌出来源与构成井下涌出瓦斯的地点即为瓦斯涌出源。瓦斯涌出源的多少、各涌出源涌出瓦斯量的大小直接决定着矿井瓦斯涌出量的大小。永红煤矿首先开采的是3煤层，3煤层与9、15煤层间距较大，可以看作独立煤层开采，暂不考虑邻近层瓦斯涌出量。开采3煤层时，工作面瓦斯一部分来源于开采层的煤壁和落煤解吸的瓦斯，另一部分来源于采空区丢煤解吸的瓦斯和围岩涌出的瓦斯，所以大量瓦斯来自开采层本身和采空区（含采空区丢煤、下分层煤、邻近层和围岩）涌出的瓦斯，其中邻近层涌出的瓦斯所占的比例较小。因此矿井瓦斯治理的重点应放在预抽本煤层瓦斯和抽放采空区瓦斯上。表41表明，整个矿井的瓦斯涌出以回采区和采空区为主，两者的瓦斯涌出量占了矿井瓦斯涌出量的881，因此，永红煤矿瓦斯抽放应以“本煤层抽放与采空区抽放相结合”的方法来进行抽放。表41矿井瓦斯涌出来源构成分析开采区域回采区掘进区采空区矿井（3新区）3煤层瓦斯涌出量（M3/MIN）307561815165209占瓦斯涌出量总量百分比（）5911929143瓦斯抽放的必要性根据国家煤矿安全监察局2004颁布的第一百四十五条规定,凡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本科毕业论文21一一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不可能或不合理时应采用瓦斯抽放措施。二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1015MT的矿井，大于30M3/MIN；3年产量0610MT的矿井，大于25M3/MIN；4年产量0406MT的矿井，大于20M3/MIN；5年产量小于或等于04MT的矿井，大于15M3/MIN。三开采煤与瓦斯突出危险煤层。根据永红煤矿实际情况，下面从四个方面来详细分析永红煤矿瓦斯抽放的必要性。一、从矿井目前的瓦斯涌出现状来看瓦斯抽放的必要性从瓦斯涌出量来看，生产过程中的矿井瓦斯涌出量高达5209M3/MIN，远远超过了25M3/MIN。回采工作面瓦斯涌出量3075M3/MIN；掘进工作面瓦斯涌出量为618M3/MIN。瓦斯频繁超限已经严重地威胁着矿井的安全生产，为解决瓦斯问题，矿井已建有地面永久瓦斯抽放系统，所以，从瓦斯涌出的现状分析，矿井完全符合建立瓦斯抽放系统的条件。二、从矿井通风能力来看瓦斯抽放的必要性采掘工作面实行瓦斯抽放的必要性判断标准是采掘工作面设计风量小于稀释瓦斯所需要的风量，即下式成立时，抽放瓦斯才是必要的。CKQ1670Q1440010可以抽放00030051440028801001较难抽放005288001本科毕业论文23目前，永红煤矿实测3号煤层透气性系数（）、钻孔瓦斯流量衰减系数（）和百米钻孔瓦斯极限抽放量（QJ）实测结果为透气性系数248328M2/MPA2D钻孔瓦斯流量衰减系数0002800036D1百米钻孔瓦斯极限抽放量QJ1840020329M3，由此可以推断，永红煤矿3号煤层应属于可以抽放煤层，具备预抽本煤层瓦斯的可行性。永红煤矿所在区域的其它矿井良好的瓦斯抽放效果也已经证实该区域3号煤层确实属于可以抽放煤层，详见表43表43部分邻近矿井瓦斯抽放效果统计结果矿井瓦斯涌出量（M3/MIN）瓦斯抽放量（M3/MIN）抽放率（）抽放浓度（）抽放方法亚美大宁179912971715070预抽、边掘边抽县营义城21961048477233预抽、边掘边抽、边采边抽、采空区抽放永安129944023389425嘉峰5982482415145芹池2221140513534马寨27218503124334侯村1003373371958545矿井瓦斯储量与可抽量矿井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。对于永红煤矿3煤层而言，瓦斯储量计算公式如下XACWK1（42）式中WK矿井瓦斯储量，万M3；C围岩瓦斯储量系数，取C005；A3煤层工业储量，万吨；X3煤层平均瓦斯含量，M3/T。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KKKCWWH（43）式中WKC矿井瓦斯可抽量，万M3；本科毕业论文24K矿井瓦斯抽放率，按照我国煤矿的瓦斯抽放技术及装备现状，取平均值K40；WK矿井瓦斯储量，万M3。瓦斯储量和可抽量计算结果如表44示。由表可知，永红煤矿3煤层北区开采时，矿井瓦斯储量和可抽量分别为1574846万M3和629938万M3。这为矿井瓦斯开发利用提供了充足的资源条件。表443煤层北区矿井瓦斯储量及可抽量计算结果煤层煤层性质煤炭储量MT瓦斯含量M3/T瓦斯储量MM3可抽量MM33开采层6555320801431678572671围岩按可采煤层瓦斯储量的10计计1574846629938本科毕业论文255矿井瓦斯抽放方案初步设计51抽放方法选择抽放瓦斯方法的选择，主要是根据矿井（或采区、工作面）瓦斯来源、煤层赋存状况、采掘布置、开采程序以及开采地质条件等因素进行综合考虑。目前抽放瓦斯方法主要有开采层瓦斯抽放、邻近层瓦斯抽放、采空区瓦斯抽放，选择具体抽放瓦斯方法时应遵循如下原则1、选择的抽放瓦斯方法应适合煤层赋存状况、开采巷道布置、地质条件和开采技术条件；2、应根据瓦斯来源及涌出构成进行，尽量采取综合抽放瓦斯方法，以提高抽放瓦斯效果；3、有利于减少井巷工程量，实现抽放巷道与开采巷道相结合；4、选择的抽放瓦斯方法应有利于抽放巷道布置与维修、提高瓦斯抽放效果和降低抽放成本；5、所选择的抽放方法应有利于抽放工程施工、抽放管路敷设以及抽放时间增加。511抽放方法概述（一）开采层瓦斯抽放开采层抽放包括预抽、边采边抽和强化抽放等方式。预抽主要采用钻孔预抽，是在工作面开采前预先抽放煤体中的瓦斯，属于未卸压煤层的瓦斯抽放，对于透气性条件较好的煤层，预抽会取得较好效果。边采（掘）边抽利用采面（掘进面）开采时的卸压效应抽放本层瓦斯，当工作面推进时，工作面前方煤体由于卸压，透气性大大增加，抽放效率大幅度提高。永红煤矿3煤层透气性好，采用钻孔抽放本煤层瓦斯会取得较好的效果。瓦斯抽放方法采用本煤层预抽，向煤巷两侧打钻孔进行区域预抽；回采工作面预抽，在顺槽内向待采煤体打平行钻孔；掘进巷道还采取边掘边抽方式。（二）邻近层瓦斯抽放邻近层瓦斯抽放就是通常所说的卸压层瓦斯抽放。在煤层群条件下，受开采层的采动影响，其上部或下部的邻近层煤层得到卸压，而产生膨胀变形，煤层透气性大幅度提高。此时煤层与岩层之间形成的空隙与裂缝，不仅可储存卸本科毕业论文26压瓦斯，而且也是良好的瓦斯流动通道，为防止邻近层瓦斯向开采层工作面涌出就应当用抽放的办法来处理这部分瓦斯。对于煤层群开采时，邻近层瓦斯抽放效果较好。根据永红煤矿的煤层赋存与开采条件，各邻近层较薄，3号煤层开采时，邻近层瓦斯涌出较小，因此，无须进行邻近层瓦斯抽放。（三）采空区瓦斯抽放采空区瓦斯抽放具有抽放量大、来源稳定等特点，由于矿井采用分层开采，先采上分层，下分层卸压瓦斯大量涌出，使采空区瓦斯涌出量较大，因此，必须进行采空区瓦斯抽放。采空区瓦斯抽放可采用钻孔抽放，亦可采用埋管抽放，严重时可采用巷道抽放，即密闭巷道抽放采空区瓦斯。512瓦斯抽放方法确定根据抽放方法的选择原则，结合永红煤矿的3煤层赋存条件、瓦斯来源等特点，提出永红煤矿较合理的抽放方法。抽放方法见表51所示因永红煤矿3煤层远离下部的9和15煤层，开采时的邻近层瓦斯涌出可以忽略不计。考虑到3煤层瓦斯含量大，采掘工作面均需要实施瓦斯抽放，故选择采用本煤层预抽、边掘边抽和采空区抽放相结合的综合瓦斯抽放方法。对于3306和3308两个下分层回采工作面，虽然该矿属高瓦斯矿井，但由于在进行上分层回采工作时煤层瓦斯已基本释放，工作面绝对瓦斯涌出量43M3/MIN，相对瓦斯涌出量75M3/T，故这两个工作面不进行瓦斯抽放工作。对于本煤层回采工作面本文采用采前预抽，和边采边抽的瓦斯抽放方法。而可供选择的本煤层瓦斯抽放方式包括钻场平面扇形钻孔、底板岩巷穿层钻孔、正向平行钻孔和迎面平行钻孔四种方式。结合工作面的巷道布置特点，并充分考虑预抽钻孔的边采边抽效率，选择迎面平行钻孔方式进行本煤层瓦斯抽放。迎面平行钻孔方式的优点在于既可保证瓦斯预抽的均衡性，还可充分利用工作面超前采动卸压效应，实行边采边抽，提高本煤层瓦斯抽放率。本科毕业论文27表51抽放方案选择表种类抽放方式理由备注本煤层抽放区域预抽区域煤体内瓦斯含量大，提前进行瓦斯预抽，以利于今后采、掘工作的进行向区域煤体内打水平长钻孔进行预抽回采工作面预抽煤体内瓦斯含量大，回采时瓦斯涌出量大。在顺槽内向待采煤体打平行钻孔掘进面边掘边抽煤体内瓦斯含量大，掘进巷道煤壁及掘进落煤瓦斯涌出量大。利用钻场在掘进面两帮布置钻孔采空区抽放现采空区半封闭抽放回采过程中，下分层及围岩等瓦斯涌出，造成采空区内瓦斯涌出量大密闭尾巷，插（埋）管抽放老采空区全封闭抽放已采完封闭的老采空区瓦斯涌出量大密闭内插管抽放513抽放瓦斯工艺设计（一）区域及回采工作面平行钻孔预抽1、抽放方法在工作面打顺层平行钻孔，工作面开采前进行煤层瓦斯预抽，开采时进行采动卸压抽放。2、抽放钻孔布置抽放钻孔布置见图51，钻孔技术参数见表52。3、封孔工艺采用聚氨酯封孔，封孔深度35M，表52顺层钻孔技术参数表钻孔类别钻孔与巷道夹角（）钻孔与水平面夹角（）孔深（M）钻孔直径（MM）孔间距（M）平行孔903390916本科毕业论文28图51预抽平行钻孔布置方式示意图（二）掘进工作面瓦斯抽放永红煤矿掘进工作面瓦斯涌出量较大且有突出危险，除采取迎头打钻孔抽放外，还需采取边掘边抽，其优点抽放时不影响掘进，且抽放效果较好。见图52，钻场规格尺寸为宽35M，长4M，高25M，钻场掘成后，在开口处架设一架抬棚进行支护。钻孔技术参数见表53。封孔工艺与前面封孔方法相同。表53边掘边抽钻孔技术参数表钻孔类别钻孔与巷道中心线夹角（）钻孔仰角（）孔深（M）钻孔直径（MM）边掘边抽1025310415大致同煤层倾角12075（三）采空区瓦斯抽放采空区瓦斯抽放具有抽放流量大、来源稳定等特点，采空区瓦斯抽放可采用钻孔抽放，可采用埋管抽放，还可采用巷道抽放，采空区瓦斯抽放可分为半封闭采空区抽放和全封闭采空区抽放两种。1、半封闭采空区瓦斯抽放由于永红煤矿工作面采用尾巷布置，可采用密闭尾巷抽放采空区瓦斯，见图53；也可采用密闭联络川抽放采空区瓦斯，如图54所示；也可采用采空区埋管抽放瓦斯，如图55所示；三种方法均为半封闭抽放采空区瓦斯。轨道顺槽轨道顺槽预抽钻孔本科毕业论文29图52掘进工作面边掘边抽示意图图53密闭尾巷抽放采空区瓦斯示意图5M贯眼15004000250035003500钻场钻孔掘进巷道抽放管路钻场示意图100M120M100M采空区采空区密闭尾巷抽放管路本科毕业论文30图54密闭尾巷联络川抽放采空区瓦斯示意图图55利用插管方法抽放采空区瓦斯示意图或视情况定）木墩联络巷密闭墙黄土抽放管抽放管尾巷胶巷风巷道巷机区运区回轨输采采带付巷采区正巷尾巷密闭采空区回采工作面采空区抽放管网纱阀门20M本科毕业论文312全封闭采空区抽放对于刚采完的工作面，为防止采空区向外涌出瓦斯，打密闭墙时，向采空区密闭墙内插管，进行瓦斯抽放，见图56。图56全封闭全采区瓦斯抽放示意图抽放管密闭墙本科毕业论文3252抽放量预计及抽放服务年限521回采工作面本煤层抽放量预计按照永红煤矿实测的3号煤层钻孔自排瓦斯流量变化规律（平均值），获得的百米钻孔在时间T内的预抽瓦斯总量计算公式为000341936451TTQE（51）式中QT百米钻孔在T时间内可抽放瓦斯总量，M3；T预抽瓦斯时间，D。按上式计算出的百米钻孔在不同时间内的抽放瓦斯总量如表54示表54不同抽放时间内百米钻孔抽放瓦斯总量预抽时间T（D）180270300330360540630抽放瓦斯总量（M3）8864116321239313059136701627717091按预抽时间360天考虑，百米钻孔在给定孔间距下所能达到的最大瓦斯抽放率由下式计算/13670XDMLGH（52）式中预抽360天的瓦斯抽放率；L钻孔长度，M，L90M；M煤层平均厚度，M，M56M；D钻孔抽放影响范围（两侧影响宽度之和），M，取D4M；煤平均容重，T/，145T/M3；X煤层平均瓦斯含量，M3/T，X2080M3/T。经计算，2248。工作面在预抽期内平均抽放瓦斯量计算公式为1440/360/11HGXMDLNQ（53）式中Q预抽期间平均瓦斯抽放量，M3/MIN；N钻孔数量，NL2/D1；L1单孔有效抽放长度，M，钻孔长度90M时取L185M；L2预抽工作面平均走向长度，M，L2720M；D1钻孔间距，M，取D16M；本科毕业论文33M煤层平均厚度，M，M56M；煤平均容重，T/，145T/M3；X煤层平均瓦斯含量，M3/T，X2080M3/T；瓦斯预抽率，2248。代入各参数值，计算得Q448M3/MIN。由于永红煤矿3煤层（新区）有二个下分层回采工作面（3306、3308），二个上分层准备工作面（3310、3312）。但由于在进行上分层回采工作时煤层瓦斯已基本释放，故（3306、3308）下分层回采工作面不进行瓦斯抽放工作。因此，总的预抽瓦斯量为2Q896M3/MIN。522掘进工作面边掘边抽瓦斯量预计单巷掘进工作面的最大边掘边抽瓦斯量由下式计算211002T001321AEQQLLLNQ（54）式中Q1单巷掘进工作面边掘边抽瓦斯量，M3/MIN；N每个钻场内边掘边抽钻孔数，N8；L2掘进工作面平均走向长度，M，L2720M；L3钻场间距，M，L3100M；L1单孔有效抽放长度，M，钻孔长度120M时L1115M；Q0百米钻孔初始瓦斯抽放量，M3/MIN，由式QJ1440Q0/得Q0QJ/14400043M