安全工程-四通矿井下移动抽采系统研究论文

本科论文摘要我国煤矿瓦斯开采行业拥有悠久的历史，煤矿资源属于不可再生资源，随着煤矿资源的运用以及开发，开采过程中难度很大，容易出现安全事故。开采的首要任务就是瓦斯抽采。我国已经运用很多种方法进行瓦斯抽采，让我们可以有多方面的发挥。瓦斯抽采对于煤矿企业而言是至关重要的。瓦斯抽采存在的隐藏性的危险也是极大的。如果我们不能科学合理的对瓦斯进行抽采，就会很容易的发生安全事故。煤矿瓦斯是煤矿安全生产的天敌，它不仅会导致煤矿工作人员轻则损害人类的身心健康，重则窒息身亡，同时它还会引发瓦斯煤尘爆炸、造成矿毁人亡的严重状况。因此有效治理瓦斯，合理以瓦斯作为资源进行抽采是至关重要的。对瓦斯进行抽采还需要抽采方法，本次设计选用的是采空区插管抽采以及高位瓦斯钻孔方法。关键词：瓦斯抽采；抽采方法；安全

AbstractChina'scoalminegasminingindustryhasalonghistory.Coalmineresourcesarenon-renewableresources.Withtheuseanddevelopmentofcoalmineresources,theminingprocessisverydifficultandpronetosafetyaccidents.Thefirsttaskofminingisgasextraction.Chinahasusedmanymethodsforgasdrainage,sothatwecanplayinmanyways.Gasdrainageisveryimportantforcoalminingenterprises.Thehiddendangerofgasdrainageisalsogreat.Ifwecannotscientificallyandreasonablyextractgas,safetyaccidentswilleasilyoccur.Coalminegasisthenaturalenemyofcoalminesafetyproduction.Itwillnotonlycausecoalmineworkerstoharmhumanphysicalandmentalhealth,butalsosuffocatedeath.Atthesametime,itwillalsocausegasandcoaldustexplosions,causingseriousdamagetothemine.Therefore,itisveryimportanttoeffectivelycontrolgasandreasonablyusegasasaresourceforextraction.Thegasextractionalsorequiresagasextractionmethod.Inthisdesign,thegoafcannulaextractionandhighgasdrillingmethodareselected.Keywords:Gasextraction；extractionmethod；safety目录TOC\o"1-1"\h\u第1章矿井概况 11.1位置与交通 11.2自然地理 11.2.1地形、地貌及河流 11.2.2气象、地震 11.3矿井地质 21.3.1地质的基本情况 21.3.2井田基本构造形态 31.4煤层的赋存及煤质 31.4.1含煤性 31.4.2可采煤层 31.4.3煤质 41.5瓦斯、煤尘和煤的自燃 51.5.1矿井瓦斯情况 51.5.2煤尘的爆炸性及煤的自燃倾向性 51.6矿井的开拓 51.6.1开拓的方式 51.6.2采煤方法 51.7矿井通风 5第2章矿井瓦斯涌出量的预测 72.1煤层瓦斯基础参数 72.2瓦斯涌出量的预测 72.2.1影响矿井瓦斯涌出量的主要因素 72.2.2瓦斯涌出量预测方法 72.2.3预测条件 82.2.4回采工作面瓦斯涌出量预测 82.3工作面瓦斯来源分析 11第3章瓦斯抽采量计算 133.1瓦斯抽采方法的选择依据 133.2瓦斯的抽采方法的确定 133.3采空区抽采瓦斯 133.3.1日常瓦斯抽采的方法 133.3.2瓦斯涌出异常时的抽采方法 143.3.3现采空区抽采防灭火措施 153.4抽采瓦斯效果预计 163.4.1抽采量情况预计 163.4.2瓦斯抽采量 163.4.3矿井瓦斯抽采率 173.4.4回采工作面配风量 173.4.5回风巷瓦斯排放口配风量 183.5建立抽采系统的类型 183.6抽采瓦斯检测仪表 18第4章抽采管路阻力计算 194.1抽采管路系统的选择原则 194.2瓦斯管路敷设路线 194.3瓦斯抽采管径选择 194.4瓦斯管的连接方式 214.5管路敷设及附属装置 214.5.1井下抽采管路敷设的要求 214.5.2井下管路安装 224.5.3附属放水装置 22第5章瓦斯抽采泵选型 265.1抽采设备布置及瓦斯泵的选型 265.1.1选型的原则 265.1.2抽采泵流量的计算 265.1.3瓦斯抽采泵压力的计算 265.1.4瓦斯泵的真空度计算 285.1.5抽采泵选型 295.2瓦斯抽采泵站主要附属的设施 315.3瓦斯抽采泵站 33第6章结论 34参考文献 35致谢 36附录一中文译文 37附录二外文原文第1章矿井概况1.1位置与交通四通煤业有限公司矿井位于山西省临汾市，行政区划上归属临汾市管辖。该井田的位置为山西省西南部，东倚太岳，西临黄河。地理位置很重要，古时候还是兵家必争之地。该市的井田公路交通以高速公路运输条件为主，外运运输条件良好，交通便利。1.2自然地理1.2.1地形、地貌及河流井田景区地处山西省吕梁山南端，地形复杂，黄河等大冲积河沟不断发育，多处形成“V”字形，梁、垣、峁冲沟发育，地势西北高东南低，最高处位于井田西部的吕梁山脉，海拔大多在1000米以上，最低处位于井田东部太岳山沟谷中，海拔大多在300米左右。属强烈季风侵蚀的中山字形地貌。本管理区域内地表水系均属于我国黄河流域汾河支流水系，区内主要河流大多属温带季节性淡水河，沟内基本常年干涸无水，雨季才开始有少量水流，雨后不久即洪水断流。井田地理位置及矿场交通优势情况位置见图表下图1-1。图1-1四通煤业有限公司矿场交通情况位置图1.2.2气象、地震四通煤矿春夏凉爽，秋冬寒冷，四季气温分明，昼夜的温差相对较大，蒸发降水量较少，属温带半干旱季风型大陆性气候。据临汾市气象站近年来利用气象观测资料进行统计，年平均降水量最小为380.4mm，最大为612.5mm。年平均气温为15°，气温低时可达-17°，气温最高的时候大约为30°左右。结冰期为十一月下旬至翌年二月底，最大面积冻土结冰深度大约为60cm。据本区有关统计资料，本区属多发地震区，尤其是地震活动带最强烈的东部地区，根据《建筑设计抗震规范》，本区地表抗震动能设防应力烈度大约为6度，地表抗震动能的峰值应力加速度大约为0.15g。1.3矿井地质1.3.1地质的基本情况本煤矿位于河东煤田乡宁矿区台头精查煤矿勘探区东部。查阅相关资料将煤矿按地层顺序排列相关内容。见表1-1。表1-1地质基本情况地质组厚含有煤层岩性奥陶系中统上马家沟组（O2s）182-225m无灰黄、浅灰、灰白色中薄层泥灰岩、泥质灰岩，白云岩奥陶系中统峰峰组（O2f）上段：厚为50.16-69.55m下段：厚为95.98-106.35m无泥灰岩及灰色白云岩为主，并有石灰岩、白云岩角砺状泥灰岩，纤维状石膏以脉状、网格状与石灰岩交织在一起石炭系中统本溪组2.68-24.68m无铝质石灰泥岩、石英砂岩，间中还夹有中细粒石英砂岩石灰系上统太原组（C3t）53.10-79.34m6、7下、7、8、10号细粒红色砂岩、粉红色砂岩二叠系下统山西组（P1s）19.34-30.72m1、2上、2中、2下、3号灰白色、灰色细粒砂岩、深灰色细粒砂岩续表1-1地质基本情况地质组厚含有煤层岩性二叠系下统下石盒子组（P1s）72.73-113.18m无黄绿色、灰绿色的块状砂质泥岩、粉红色砂岩及黄绿色的细粒砂岩二叠系上统上石盒子组（P2s）265.42-535.50m无灰白色中粒砂岩，石英泥质二叠系上统石千峰组（P2sh）110.78m无各种鲜红色的砂泥岩，中、细粒砂岩三叠系（T）下统刘家沟组（T11）130m无灰白色、紫红色砂岩岩质灰白色、紫红色砂岩岩质第四系中更新统（Q2）0-18m含1-3层浅黄浅灰黄亚粘土，含白色泥岩第四系上更新统（Q3）和全新统（Q4）0-5.6m无浅灰、浅灰黄亚粘土及亚灰色砂土。现代火山冲积、洪积的石质砂砾及古代砂质1.3.2井田基本构造形态井田位于台头详查区的西部、精查区东部，倾向于北西的单斜构造。在该井田内基本没有岩浆岩活动。综上所述，井田的地质构造属于简单地质类。[5]1.4煤层的赋存及煤质1.4.1含煤性本次设计主要开采的是山西组和太原组煤层。其中山西组地层平均厚度为30.55m，含煤4层，煤层的编号自上而下分别为1、2上、2下、3号煤层。太原组地层平均厚度为64.30m，含煤5层，煤层的编号自上而下分别为7、7下QUOTE、8、9、10号煤层。其中：2下、3、10号煤层为本井田全区稳定的可采煤层，2上号煤层为全区局部稳定可采煤层。不可采煤层本井田共有5层，分别是1、7、7下、8、9号煤层。[4]1.4.2可采煤层可采煤层特征见下列表1-2。表1-2可采煤层特征地层煤层号煤层厚度煤层间距结构稳定性可采顶板岩性——底板岩性最小―最大————平均最小―最大————平均P1S2上0.00-2.28——1.080.70-9.65——3.96简单1-2较稳定局部可采砂质泥岩、粉砂岩、泥岩——粉砂岩、细粒砂岩、泥岩2下2.14-3.85——2.31较简单1-3稳定全区可采粉砂岩、泥岩——粉砂岩，炭质岩1.14-2.27——1.6530.80-1.23——1.02简单偶含1较稳定局部可采粉砂岩、砂质泥岩——泥岩、粉砂岩53.34-65.60——60.28C3t102.40-3.412.80简单0-2稳定全区可采石灰岩、泥岩、粉砂岩——粉砂岩、细粒砂岩、中砂岩1.4.3煤质为了充分了解煤的质量及工业用途，我们可以采用物理和化学的方法对煤进行测验工作。根据国家技术标准来进行煤质的分析。见表1-3。表1-3煤质及其工业用途的评价煤层煤质工业用途2上号特低灰-中灰、特低硫-低硫、高热值-特高热值、强粘结-特强粘结的焦煤良好的炼焦工业用煤2下号特低灰-中灰、特低硫-低硫、高热值-特高热值、中强粘结-特强粘结的焦煤良好的炼焦用煤3号特低灰-中灰、特低硫-高硫、中热值-特高和强热值、中粘结-特强粘结的焦煤和瘦煤良好的炼焦用煤续表1-3煤质及其工业用途的评价煤层煤质工业用途10号特低灰-中灰、高灰脱硫、中热值-特高灰低热值、弱和微粘结-中强和弱粘结的瘦瘦和肥肥炼焦煤和贫瘦肥肥煤脱硫后煤层可作其他炼焦煤的配煤1.5瓦斯、煤尘和煤的自燃1.5.1矿井瓦斯情况根据查阅相关资料可知：2015、2016、2017这三年的矿井瓦斯涌出量分别为4.05m³/min，3.06m³/min，3.51m³/min。瓦斯鉴定等级均为低瓦斯矿井。1.5.2煤尘的爆炸性及煤的自燃倾向性本次设计是对2下号煤层进行爆炸分析，采用特定的拍照设备进行测验测得火焰长度为14m，由此可知2下号煤层有自燃爆炸性危险。通过内部和外部的因素可知2下号煤层的吸氧量大约为0.6500cm³/g，因此自燃煤层的倾向性危险等级为Ⅱ级，2下号煤层具有自燃倾向性。1.6矿井的开拓1.6.1开拓的方式四通煤矿现采用斜井开拓的方式，此方法在矿井内部工作场地需要布置主斜井、副斜井和回风立井这三个井筒。主斜井：负责矿井设备安全问题，运输煤炭和提升矿井进风的任务，并作为进风口，确保矿井的通风安全。副斜井：负责全部矿井的设备安全问题，下放所需的材料和工作人员升降过程中安全方面等任务，并作为安全矿井的进风口，确保工作人员的安全。回风立井：负责全部矿井的回风任务和安全出口，保证工作人员能够紧急疏散。1.6.2采煤方法根据该矿井内2下号煤层的厚度不大，煤质条件良好，矿井生产能力较强，由此可以推断四通煤矿采用了后退式长壁采煤工艺方法，煤炭回踩率高，矿井顶板可以采用自然冒落法进行管理。1.7矿井通风控制系统采用压入式对通风机进行局部通风，安装两台局部对旋风机，一用一备，实行“双风机、双电源、自动切换”。矿井通风控制系统的布置要合理可靠。

第2章矿井瓦斯涌出量的预测2.1煤层瓦斯基础参数该矿井所依据的煤层瓦斯基础参数数据是来源于《山西四通煤业有限公司2下号煤层瓦斯涌出量预测》。QUOTE2下号煤层原煤现有条件实测的瓦斯含量大约为2.54m³/t。2.2瓦斯涌出量的预测2.2.1影响矿井瓦斯涌出量的主要因素煤层瓦斯涌出量并不是固定不变的，它随着开采技术条件和自然条件的变化而变化。（1）自然条件因素煤层的围岩致密完整，煤层瓦斯就会容易保存下来，反之，瓦斯就容易逸散，直接影响瓦斯涌出量。地质构造是同一区瓦斯涌出量差别的主要因素，开放性断层会使瓦斯涌出量减少，压性断层会是瓦斯涌出量增大。（2）开采技术条件因素该煤矿开采的最大深度是多少，开采的具体位置在哪，现有的设备能开采多少瓦斯等问题都会直接影响到瓦斯涌出量。在开采首采煤层时，它的上下邻近层中的部分瓦斯会随着首采煤层瓦斯一同涌出，导致首采煤层的瓦斯涌出量增大。[1]2.2.2瓦斯涌出量预测方法经过対几种方法的了解我选用分源预测法进行瓦斯涌出量预测。分源预测法的优点是成熟，应用起来效果较佳。其主要方法是通过计算开采煤层和临近煤层的相对瓦斯涌出量，然后进行求和。表示的是矿井煤层瓦斯含量与涌出源、汇的关系。见图2-1矿井煤层瓦斯涌出源汇关系分析示意图。图2-1矿井瓦斯涌出源汇关系分析示意图2.2.3预测条件（1）一采区QUOTE2下号煤层，煤层平均厚度为2.40m，矿井煤层年产量为0.92mt/a。（2）QUOTE2下号煤层采用的方法是综采一次采全高采煤法，全部采用垮落法来进行管理煤层顶板。其中回采工作面平均长度为166m；回采工作面的平均回采率为95%。（3）瓦斯含量：根据瓦斯等值线图以及开拓布置图可知一采区回采工作面瓦斯涌出总含量大约取2.5m³/t。残存量取1.54m³/t。2.2.4回采工作面瓦斯涌出量预测回采工作面瓦斯涌出量是开采工作层瓦斯涌出量和邻近工作层瓦斯涌出量两个相加组成。2-1式中：—回采工作面瓦斯涌出总量，m³/t；—开采层瓦斯涌出总量，m³/t；—邻近层瓦斯涌出总量，m³/t。（1）工作面开采层瓦斯涌出量（包括围岩）按下式计算：2-2式中：—开采层瓦斯涌出量，m³/t；—开采层围岩瓦斯涌出量的系数；—工作面丟煤瓦斯涌出系数；—准备巷道预排瓦斯影响系数。2-3式中：—回采工作面长度；—巷道预排等值瓦斯宽度，m；取14.1m；—煤层原始瓦斯含量，m³/t；—煤层残存瓦斯含量，m³/t。开采层相对瓦斯涌出量计算，见表2-1。表2-1开采层相对瓦斯涌出量预测表采区K1K2K3瓦斯含量（m³/t）残存量（m³/t）相对涌出量（m³/t）一1.201.050.832.51.541.00（2）邻近层相对瓦斯的涌出量2-4式中：—邻近层相对瓦斯涌出量，m³/t；—第i个邻近层的厚度，m；—工作面采高，m；—第i邻近层的原始瓦斯排放含量，m³/t；—煤层残存瓦斯排放含量，m³/t；—取决于层间距离的第i邻近层瓦斯排放率，见图2-2。图中的数字表示的含义是：1-上邻近层排放曲线；2-和缓倾斜煤层下邻近层排放曲线；3-急倾斜煤层下邻近层排放曲线。图2-2邻近层瓦斯的排放率与邻近层间距的排放率关系曲线回采煤层工作面各邻近层的瓦斯排放涌出量见下表，表2-2。表2-22下号煤层各邻近层的瓦斯排放涌出量计算表煤层名称煤厚采厚瓦斯含量残存瓦斯含量距2下号煤层的距离瓦斯排放率相对瓦斯涌出量备注mmm³／tm³／tm％m³／t10.562.501.547.41840.19上邻近层2上1.082.501.543.96850.372下2.402.402.501.54开采层31.022.501.541.65800.33下邻近层合计0.89回采工作面相对瓦斯的涌出量相对每分钟瓦斯的涌出量公式为：2-5式中：—瓦斯相对每分钟涌出量，m3/t；—瓦斯的月平均每分钟瓦斯产量，t；—绝对瓦斯涌出量，m3/min。回采工作面瓦斯相对每分钟涌出量为:瓦斯平均日产量大约为2600t/d，工作面瓦斯绝对涌出量为：回采工作面的合计相对瓦斯邻近层涌出量，见合计图表如下。表2-3回采工作面合计相对瓦斯涌出量的预测结果表采区瓦斯含量（m³／t）日产量（t／d）瓦斯涌出量开采层（m³／t）邻近层（m³／t）合计相对瓦斯涌出量（m³／t）绝对瓦斯涌出量（m³／min）一2.5026001.000.891.893.412.3工作面瓦斯来源分析根据对回采层丢煤和工作面瓦斯的涌出量构成预测的结果，工作面的开采层瓦斯涌出量构成预测结果，见表2-4。表2-4工作面开采层瓦斯的涌出量构成预测结果表采区瓦斯涌出区域工作面涌出量开采层邻近层一瓦斯涌出量（m³/min）3.411.901.51所占比例（％）1005644对表2-5进行瓦斯来源分析，可以很容易地得出以下的结论：（1）开采一采区回采工作面时，开采层落煤瓦斯的涌出量约占56%，邻近层瓦斯的涌出量则占44%。（2）瓦斯分析开采层落煤瓦斯包括回采面落煤瓦斯的涌出和采空区瓦斯丢煤、围岩瓦斯的涌出，根据式2-2可知：开采层瓦斯涌出量分别包含落煤瓦斯的涌出量为2-6与采空区丢煤、围岩瓦斯的涌出量为2-7开采层瓦斯的涌出量构成预测结果，见表2-5。表2-5开采工作层瓦斯的涌出量构成预测结果分析表采区瓦斯涌出区域开采层开采层落煤围岩、丟煤（现采空区）一瓦斯涌出量（m³/min）1.901.360.54所占比例（％）1007228

第3章瓦斯抽采量计算3.1瓦斯抽采方法的选择依据瓦斯抽采在煤矿开采过程中承担着很重要的角色，瓦斯抽采可以降低瓦斯涌出量，预防瓦斯超限，防止瓦斯爆炸等突发性的情况，还可以利用开发瓦斯资源，充分体现节约精神。瓦斯抽采方法类型见表3-1。表3-1瓦斯抽采方法类型瓦斯抽采方法（时间上的不同）瓦斯抽采方法（空间上的不同）采前抽采本煤层层瓦斯的抽采采中抽采邻近区煤层瓦斯的抽采采后抽采采空区煤层瓦斯抽采因此在瓦斯抽采方法选择时应遵循以下原则：（1）如果煤层瓦斯涌出的含量主要是来源于开采邻近的煤岩层，则瓦斯抽采需要合理地选择瓦斯抽采的方法；（2）选择作业程序简单，抽采管道架设方便和能够延长系统寿命的瓦斯抽采方法，使瓦斯利用率达到最高，确保系统的安全性。[6]3.2瓦斯的抽采方法的确定四通煤矿瓦斯抽采需要根据瓦斯抽采方法的选择依据来确定合适的抽采方法。结合四通煤矿各个煤层的储存瓦斯、来源等特点来考虑工作面所需要的抽采量，确定四通煤矿瓦斯的抽采方法。由于回采工作面的上隅角瓦斯控制难度比较大，因此此次设计只考虑工作面上隅角的瓦斯抽采。四通煤矿在回采工作面可以采用采空区（上隅角）插管抽采以及高位瓦斯钻孔等方法。如果瓦斯抽采浓度较高，可以考虑采用采空区瓦斯埋管。3.3采空区抽采瓦斯3.3.1日常瓦斯抽采的方法根据矿井的实际情况，综合的考虑了各种瓦斯抽采方法，在四通煤矿的瓦斯抽采上，我们选用的日常瓦斯抽采方法是采空区插管瓦斯抽采。上隅角采空区瓦斯插管抽采的主要工作原理是形成一个带有负压的采空区在工作面上隅角管路处，通过抽采管道内的瓦斯来有效抽走该上隅角区域内的所有瓦斯，这样就能使我们可以有效避免因采空区局部上隅角位置的风流不畅（或强烈的微风）而直接导致采空区工作面上隅角段管路处瓦斯超限，并且还同样可以有效解决上隅角采空区局部涌出的瓦斯是由于上隅角漏风所导致的上隅角瓦斯超限的日常处理问题。为了充分方便我们的操作，在主抽采面上隅角段抽采管路的吸出口处可以直接采用一根钢丝骨架胶管与上隅角抽采管路相连接，将采空区的钢丝骨架胶管吸出口插入上隅角，以此方法来有效保证采空区钢丝骨架胶管的吸入口在上隅角的一个上部位置（因为上部位置采空区瓦斯的浓度较高）。由于上隅角采空区和工作面的瓦斯通风网络基本上是相互连通的，顶板岩性的不同以及顶板冒落程度的不同，都会对负压区的选择造成较大的影响。在回采过程中确保安全生产和上隅角的瓦斯不超限的情况下，本次设计的瓦斯抽采方法主要采用的是插管抽采采空区瓦斯。具体参见图3-1。图3-1采空区插管抽采瓦斯的示意图3.3.2瓦斯涌出异常时的抽采方法由于考虑到瓦斯抽采浓度较高，瓦斯涌出异常等情况时，可以采用埋管、高位钻孔这两种方式。埋管法是采空区抽采的主要方法。采空区埋管抽采工作方法设计示意图请参见图3-2。采空区埋管方法：埋入钢管所采用的工作方式一般是“L”型。为了减少采空区处漏风，为了防止预埋瓦斯抽采管的吸气口遭到破坏，为了提高瓦斯抽采的效果，必须在采空区回风巷处进行填充。必要时可以在立管处来进行打木垛，实施后起到保护抽放瓦斯管路的稳定性作用。图3-2所示。图3-2采空区回风顺槽埋管高位钻孔抽采瓦斯示意图采空区高位钻孔抽采瓦斯的示意图见图3-3。在采空区回风顺槽布置的高位钻场区域内向采空区回风顺槽冒落拱上方打3-4个高位瓦斯钻孔。为了有效防止抽采瓦斯在高位钻场内释放和聚集，需要采用局部通风机在钻场内来进行通风。采空区埋管抽采和高位钻孔抽采这两种方法，各自有各自的优缺点和局限性。由于采空区埋管抽采的操作相对来说比较简单一些，瓦斯的抽采量比较大，建议大家优先选择这种抽采方法。如果仅仅采用一种简单的方法并不能彻底解决瓦斯采空区域的瓦斯涌出量大的问题时，建议大家采用两种方法同时进行，综合解决采空区瓦斯的抽采。[3]图3-3采空区高位钻孔抽采瓦斯示意图3.3.3现采空区抽采防灭火措施采空区抽采时应注意采取防火措施，需要定期进行防火密闭检测，从而对整个采空区的防火墙进行了管理。（1）采空区的防火密闭检查具体的要求操作步骤如下：①在采空区防火墙附近的出入口处设置防火栅栏、警标，悬挂防火说明牌严令禁止任何工作人员入内。②定期检查防火墙瓦斯的额定浓度、防火墙正常空气温度、湿度和水压，注重防火墙安全等问题。发现防火墙有安全问题或者是其他情况，必须及时采取相应措施进行处理。③所有的检测情况和结果都必须记录下来。为了加强防灭火措施，本矿井特意安装了束管监测系统。采用预先布束管的监测和抽采系统方法来对束管进行防灭火气体的监测分析，从而对上隅角采空区进行各种防灭火气体的管理。（2）对束管的监测员的要求如下：①监测室悬挂明显的标牌，非工作人员不得入内，室内保持干净整洁，严禁吸烟，设备附近放置干粉式灭火器，不测试时，必须关好门上好锁。②进行测试前，检测工作人员首先需要认真仔细检查测试地面至井下监测系统连接地点的主、支路束管，如果在测试中发现明显的束管漏气处或有问题的地方需要立即的进行安装和维修，以此才能确保井下测试的过程和结果准确无误。③测试的结果需要认真核对无误，如果发现有问题，需要重新进行检测，得到的检测结果也需要及时的上报矿总工程师来审阅。3.4抽采瓦斯效果预计3.4.1抽采量情况预计根据第2章工作面瓦斯来源分析，现采空区瓦斯涌出量是围岩、丢煤与邻近层采空区瓦斯之和，即0.54+1.51=2.05m³/min。四通煤矿采用的是采空区插管抽采瓦斯及埋管、高位钻孔辅助抽采瓦斯等方法，采空区瓦斯抽采率一般为63%左右，瓦斯的抽采量为1.30m³/min。3.4.2瓦斯抽采量矿井的设计年抽采矿井瓦斯量计算式为：3-1式中：—矿井设计年抽采瓦斯量，Mm³/d；QUOTE—矿井设计日抽采瓦斯量（数值应根据矿井的通风能力、采掘设备部署、矿井选用的瓦斯抽采的方法及其瓦斯抽采率等因素来计算和确定），Mm³/d；—矿井设计年工作日数，d。矿井实际年抽采瓦斯量为：3.4.3矿井瓦斯抽采率矿井（工作面）瓦斯的平均抽采率一般定义是说泛指整体矿井（同时包括整个工作面）瓦斯的平均抽采量及其浓度占整个整体矿井（同时包括整个工作面）矿井瓦斯总平均涌出量的比例大小一个量的百分比，计算公式：3-2式中：—工作面瓦斯抽采率，%；—工作面瓦斯的总平均抽采量，m³/min；—工作面瓦斯总平均涌出力的量（风排瓦斯量），m³/min。回采面瓦斯抽采率为：四通煤矿2下号煤层的回采工作面预测最大瓦斯涌出量为3.41m³/min左右，回采面瓦斯抽采量为1.30m³/min左右，回采面瓦斯抽采率约为37%左右。由于四通煤矿在瓦斯含量等级为低瓦斯煤矿，并没有达到《煤矿瓦斯抽采工程设计标准》所规定的建立瓦斯抽采系统条件。但回采工作面采用的是“U”型通风的系统，所以上隅角容易在工作面回采的过程中出现瓦斯超限的问题，为了解决局部瓦斯所存在的问题，需要做好防治瓦斯超限的准备工作，以此确保回采工作面的安全，四通煤矿决定建立瓦斯抽采系统，采取瓦斯抽采的相关有效措施。3.4.4回采工作面配风量2下号煤层回采工作面预测最大瓦斯涌出量为3.41m3/min，抽采所需瓦斯量的平均值为1.30m³/min，则回采工作面的最大风排瓦斯量大约为2.2m³/min。回采工作面最大瓦斯所需气排的风量可按式3-3计算：3-3式中：—回采工作面的风排瓦斯所需风量，m³/min；—回采工作面的风排所需瓦斯量，m³/min；—回采瓦斯量为风量涌出不均衡系数，回采工作面取1.2；—按照山西省四通采掘工作面瓦斯浓度管理规定，允许的瓦斯浓度，%，C≤0.8。回采工作面的风排瓦斯所需风量为：通过计算可以得到回采工作时最大需风量约为330m³/min，实际上的配风量是可以满足回采工作面风排瓦斯的需求。3.4.5回风巷瓦斯排放口配风量四通矿井下移动瓦斯抽采泵站管路抽出瓦斯的量大约是1.30m³/min，瓦斯需要在一个开采区回风巷的排放口进行排放；同时瓦斯在一采区回风巷的风排瓦斯量为2.20m³/min。为了安全起见，需要根据煤矿安全规程的要求来进行合理安排，所以瓦斯排放口处至少需要配风量为600m³/min。3.5建立抽采系统的类型建立井下瓦斯连续抽采系统的两种类型，用于建立井下瓦斯的永久连续抽取回采综合处理控制系统。一般来说可以大致分为在地面永久建立瓦斯连续抽取回采综合处理控制系统和井下可在局部井层建立永久瓦斯的连续抽取回采综合处理控制系统这两类。由于四通煤矿的抽采条件并不成熟，所以不考虑建立地面永久抽采系统。首先考虑的是建立井下局部瓦斯抽采系统来解决一采区工作面（上隅角）瓦斯的相关问题，一个大的抽采区工作面积就是一个需要我们着重服务的工作范围。在抽采区的回风大巷与抽采区轨道运输大巷之间的一个联络巷内来负责进行布置整个抽采工作的系统。四通煤矿在积累了抽采经验后，如果以后瓦斯涌出量增大了，井下局部瓦斯抽采系统不能够很好的解决问题了，这个时候就可以考虑一下建立地面永久抽采系统。因此四通煤矿应建立井下局部瓦斯抽采系统。最后建议四通煤矿需要预敷设瓦斯抽采管路在井筒这个位置上，为了在地面上建立固定的瓦斯抽采系统而做的准备。3.6抽采瓦斯检测仪表四通煤矿井下抽采瓦斯主要检测的仪表和检测仪器包括U型水柱计（汞柱计）、孔板流量计、高浓度负压取样器和瓦斯浓度检定器等。为了保证四通煤矿的瓦斯抽采效果，需要不断地学习积累自己的经验，及时的发现和解决问题，这样才能达到最佳的抽采效果。

第4章抽采管路阻力计算4.1抽采管路系统的选择原则抽采管路系统的选择确定原则根据《煤矿瓦斯抽采规范》，为了有效避免或尽量减少总是频繁改动的煤矿瓦斯主干抽采管路运输系统，抽采管路系统会根据矿井的建设和发展战略规划、抽采瓦斯运输地点的合理分布、瓦斯利用的技术要求以及井下抽采巷道的合理布置等多种重要影响因素来进行选择确定。为了有效保障抽采管道运输的安全，为了维护管道进行安装的方便，应该严格遵循以下的要求和原则：（1）抽采管路的巷道曲线距离比较短并且巷道曲线段之间可以直接通过的比较少，安装抽采管路的时候也应该按照平直曲线来进行，需要转弯的时候，该角度应小于且等于50°。（2）如果将抽采管路系统敷设在非常主要运输巷道内部里，在人行道侧将抽采管路系统架设并固定在高度大于且等于1.8m巷道壁上，抽采管路系统与巷道壁的距离应该符合检修的要求。瓦斯的抽采系统管件的外边缘距离巷道壁的宽度应该大于且等于0.1m。（3）瓦斯抽采过程中，当管路系统设备发生重大故障时,，管路内的任何瓦斯是不允许可以直接流入采掘人员正常工作的地点、机房或机电硐室内的。（4）根据最大通过流量来可以进行分段计算瓦斯的抽采系统管路的长度和管径，并且抽采管路能够充分适应瓦斯抽采系统设备的要求且具备能力，抽采系统管路的长度和管径一般是按照5-12m/s的全流速和最大通过流量来进行计算的，可以采取10%左右的瓦斯抽采管路系统设备和管材的抽采设备用量。（5）在同一管道地沟内是不允许将瓦斯抽采系统管路和暖气管、下水道管、自来水管、通讯传输线电缆、照明电缆以及动力电缆等瓦斯抽采装置直接敷设在一起的。（6）必须安装可以测定、调节并且能控制的防回气装置在抽采管路系统中。[7]4.2瓦斯管路敷设路线根据达到抽采标准的情况下，四通煤矿抽采瓦斯泵站选择在专用的瓦斯抽采泵站硐室内，设计并采用一套瓦斯抽采系统。四通煤矿的抽采瓦斯管网敷设路线为：工作面抽采区→工作面回风顺槽→瓦斯抽采泵站→工作面回风巷。4.3瓦斯抽采管径选择瓦斯抽采管径的选择是设计瓦斯抽采系统工作中重要的环节，其结果可以直接影响瓦斯抽采效果。导致抽采管路的阻力损失大的原因主要是抽采管路直径过细，同时可以使之留有备用量，这是由于我们参照了瓦斯抽采泵的实际使用能力。为了方便详细说明，以下称为负压段管路的是井下抽采孔口或管口到抽采泵站段抽采管路，称为正压段混合瓦斯管路的是用于从抽采泵站至瓦斯排放口之间抽采的管路。混合瓦斯抽采管路内径一般可以采用下式计算为：4-1式中：—抽采瓦斯管内径，m；—瓦斯管中的混合瓦斯平均流量，m³/min；—瓦斯管中的混合瓦斯平均流速，=5-12m/s。由以上公式计算可得：抽采瓦斯支管路内径为：抽采瓦斯主管路内径为：按照上述公式计算并且加以一定的富余估量值。四通煤矿2下号煤层工作面瓦斯抽采管路管径选择结果，见表4-1。表4-1四通煤矿2下号煤层工作面瓦斯抽采管径选择的结果类别抽采纯量（m3/min）瓦斯浓度（%）备用系数混合流量（m3/min）平均流速（m/s）计算管径（mm）选择管径（mm）壁厚（mm）材质负压顺槽支管路1.3021.265103714006焊缝钢管（1.0MPa）负压硐室主管路1.3021.26593914006焊缝钢管（1.0MPa）续表4-1四通煤矿2下号煤层工作面瓦斯抽采管径选择的结果类别抽采纯量（m3/min）瓦斯浓度（%）备用系数混合流量（m3/min）平均流速（m/s）计算管径（mm）选择管径（mm）壁厚（mm）材质正压主管路1.3021.26593914006焊缝钢管（1.0MPa）从表格中可以看出计算管径和选择管径的差距有点大，主要原因是四通煤矿抽采采空区是主要的。只有加大采空区瓦斯抽采量才能解决工作面瓦斯超限的问题，管路留有一定的备用系数是为了以后瓦斯抽采规模的扩大。4.4瓦斯管的连接方式本次设计，抽采瓦斯封闭式泵房的室内主、支管路均选用的都是优质焊缝法兰盘钢管，采用配套的钢质焊缝法兰盘螺栓将其紧固地与钢管连接在一起。中间连接处夹有优质橡胶密封垫。4.5管路敷设及附属装置4.5.1井下抽采管路敷设的要求四通煤矿井下抽采瓦斯管路在倾斜巷道底部受压变形，空气湿润易发生锈蚀，巷道高低不平，坡度大小不一等的情况下，生活的工作环境和条件可能是比较恶劣的。因此对于新敷设的四通煤矿井下抽采的瓦斯管路敷设有必要符合如下几点的要求：（1）为了预防新敷设瓦斯管路的附件底部遭到腐蚀、锈蚀，应及时对管路采取有关的防腐防锈蚀的安全保护措施；（2）为了防止新敷设倾斜瓦斯巷道的底部瓦斯运输管路的下滑，应及时对管路采取其他保护相关的措施，比如在倾斜巷道的支护上应及时采用坚固的卡子将瓦斯管道底部固定住；（3）为了避免瓦斯管路底部在敷设过程出现急弯，必须严格要求瓦斯管路敷设平直；（4）在主要瓦斯运输线路中，瓦斯管路的架设高度一般应大于且等于1.8m；（5）为了防止瓦斯管路敷设时井下流水坡度出现高低起伏和井下流水坡度不一致等相关情况的出现时，应该对管路及时采取安装瓦斯放水器在低洼地处等有效的安全保护措施；（6）新敷设的瓦斯管路需要对放水器进行气密性检验。（7）为了防止底部损坏瓦斯管路，应采取管路底部垫有高度大于且等于30cm的木垫等有效措施。4.5.2井下管路安装四通煤矿抽采管路安装采用的是顶帮吊挂方式，抽采支管路的每根管路采用的均是井字架支撑敷设，离地高度不小于300mm。工作面抽采瓦斯管吊挂方式安装见图4-1。图4-1工作面抽采瓦斯管路吊挂安装示意图4.5.3附属放水装置（1）由于抽采管路低洼处在敷设时出现流水坡度高低的起伏和管路流水坡度的不一致，因此抽采时在管路低洼处可能需要在管路上安装附属放水器。（2）在敷设于抽采低洼处的管路上需要配置U型管控制阀门，测压嘴，孔板流量计等。（3）抽采泵站需要配置U型管汞柱流量计，U型管水柱流量计，瓦斯检测器，气压计等仪器。具体装置如下：①阀门：为了防止瓦斯抽采时间和地点的抽采瓦斯负压、抽采量、瓦斯浓度等根据数值的高低而有起伏，同时也为了保证瓦斯能够有效的修理和更换瓦斯管时，我们可以随时随地的自动关闭瓦斯阀门从而切断瓦斯抽采回路，所以我们需要在各个独立瓦斯抽采的管路上安装阀门。本次设计选用的阀门为蝶阀。②测压嘴：因为要经常定期检测抽采管内部里的压力，所以需要在抽采管路适当的位置上设置测压嘴。在日常情况下，需要用细胶管将测压嘴捆住或者是具有良好密封效果的密封罩将其罩住，这样才会保证测压嘴平时的使用效果。除此之外，取出气体并且进行气体成分的分析或者是进行检定瓦斯的浓度,都是可以用测压嘴来测定，测压嘴可以作为取样气孔这样的一个装置，非常方便有效。③计量装置：计量装置计量的是瓦斯抽采工作中非常重要的参数，这个参数就是瓦斯的流量。有了计量装置，才能通过其他计量装置来准确的跟踪测定井下瓦斯的流量，进而保证达到对瓦斯含量抽采预测效果的数据真实性。目前计量井下瓦斯抽采方法的设备种类很多，应用的条件也都是各不相同的。移动泵站现场配备的是孔板流量计，它是作为一种计量瓦斯的装置，用孔板瓦斯流量计可以直接测定井下瓦斯流量。孔板流量计的结构原理简图见图4-2。图4-2孔板流量计结构原理图孔板连接管道具体的安装要求描述如下：a）当在进行管道孔板的连接安装时，孔板的连接孔口必须与连接管道的两个下水管管道口在同一点的水平线上，其间的连接端面也必须与两个下水道口管道的平行轴线相互连接方向保持垂直并形成90°，偏心度数应小于1-2%。b）预先在孔板前（按照管内气流的速度和方向进行了测量）0.4D（按照管径）和孔板后半部D处这两个孔板的地方分别安装了焊接两个孔板进行测量用的压嘴。c）在对管道内壁进行测量安装孔板时，防止在焊接孔板前边D的范围内出现凸凹不平、焊缝和垫片等糟糕的情况，应及时采取有关防范措施，避免发生糟糕的状况。d）在安装孔板流量计的范围内与前端连接处，其管道直线段的长度应大于且等于30D，后端连接处的管道直线段的长度应大于且等于15D。e）为了有效防止孔板在使用中发生的锈蚀，需要定期用水清洗孔板前后的管道积水和灰尘等污物，保证了孔板的清洁干净度，如果时间久了清洗不出来的话就需要及时的更换孔板，保证孔板的使用效果是最佳状态。f）需要更换孔板的条件是抽采瓦斯量有明显大的变化。为了更好地进行更换孔板，应该根据空气流量的大小和使用情况等因素来进行确定，最终达到更换到良好孔板的目的。g）使用孔板时间在1年左右的时候，为了防止计量出现误差，需要对孔板进行校正，这样才会计量得当，不会出现误差这种情况。为了方便检测抽采瓦斯管路中CO浓度的情况。详见图4-3。图4-3瓦斯的抽采流量、负压、浓度等主要参数的测定示意图④放水装置放水装置有很多的型号和种类，需要根据四通煤矿瓦斯抽采的实际情况进行分析，抽采管路内部的积水主要为冷凝水，由于进行负压抽采时抽采管路内部的积水有可能会涌出，因此需要安装负压放水器，也可安装人工放水器。图4-4中左图图标分别是1-三通，2-法兰，3-闸阀，4-管，5-活接头，6-正压放水器。右图图标分别是1-四通，2-闸阀，3-管，4-法兰，5-闸阀，6-管，7-插头，8-负压放水器（法兰连接）。本次设计放水装置安装方法详见本文图4-4、图4-5。图4-4正、负压人工瓦斯放水器与其抽采管路互相连接的结构图图4-5人工负压放水器的结构及其安装抽采放水器与管路的连接

第5章瓦斯抽采泵选型5.1抽采设备布置及瓦斯泵的选型5.1.1选型的原则（1）为了能够满足对瓦斯泵在抽采期间可以预计最大的瓦斯负压和抽采量的实际使用需求，瓦斯抽采泵的负压和流量必须能够达到瓦斯泵预计的最大压力范围内；（2）为了能够有效地克服瓦斯抽采期间管路系统的最大负压和阻力，这样的瓦斯泵是我们所首选的，原因之一就是瓦斯泵的最大负压和流量可以有效地抵住瓦斯抽采期间管路系统的最大负压和阻力；（3）瓦斯抽采泵选型有很多种，本次设计选用的是湿式；（4）为了安全起见，抽采设备配备的抽采发电机必须保证是完全具有防爆作用的，这样瓦斯抽采才能安全的进行下去；（5）瓦斯抽采泵需要具有良好的真空度，真空度高表示真空度好，真空度低表示真空度差；（6）运行的瓦斯抽采泵的装机传动能力需要好一些，方便矿井瓦斯的抽采。[2]5.1.2抽采泵流量的计算在标准状态下，抽采泵流量的计算如下：5-1式中：—抽采泵的额定瓦斯流量，m³/min；—矿井瓦斯抽采总量（额定瓦斯纯量），m³/min；—矿井瓦斯抽采泵的额定浓度，%；—矿井备用泵流量系数，取1.2-2，K=1.2；—瓦斯抽采泵的抽采效率，%，一般取80%；瓦斯抽采泵的额定流量计算结果为：Q泵=97.5m³/min根据上式计算标准状态下抽采泵额定流量见表5-1。表5-1低负压系统瓦斯抽采泵流量的计算设计抽采量（m3/min）抽采浓度（%）机械效率（%）备用系数抽采泵设计流量（m3/min）1.302.00801.297.55.1.3瓦斯抽采泵压力的计算抽采钻孔处会给瓦斯抽采泵带来一定的阻力，途径抽采管路及其设备，到达排放点，所克服的阻力值总和为瓦斯抽采泵的压力，计算公式如下：5-2式中：—瓦斯抽采泵所需的压力，pa；—瓦斯抽采系统管网总阻力，pa；—瓦斯泵采空区插管阻力由于抽采时瓦斯管口必须关闭造成的瓦斯负压，采空区插管瓦斯泵出口抽采取6500pa；—瓦斯泵出口抽采为正压，取5500pa；—瓦斯泵压力按上式备用系数，可取1.2-2，K=1.2。按上式备用系数计算抽采期间瓦斯泵的总阻力：（1）摩擦阻力备用系数计算根据采空区四通煤矿抽采巷道的瓦斯管路布置和使用情况，最长管路长度为1000-1500m。局部阻力系数按照0.15来计算。计算摩擦阻力，可按下列的公式进行计算：5-3式中：—摩擦阻力，pa；—管路混合瓦斯长度，m；—管路抽采瓦斯的混合量，m³/h；—混合瓦斯管路内径，cm；—与瓦斯管径长度有关的系数，查混合相关表可知取该系数K=0.71—混合抽采瓦斯对于空气的相对流动密度，查相关表可知取=0.991①系统负压段摩擦阻力：系统负压段的局部摩擦阻力：②系统正压系统摩擦阻力：系统正压段的局部摩擦阻力：（2）系统正常负压段管路局部摩擦阻力和总阻力的计算如下表，表5-2。表5-2系统负压段阻力计算表管路名称摩擦阻力（Pa）局部阻力系数局部阻力（Pa）总阻力（Pa）管口负压6500负压段主管34590.155193978负压段管路总阻力10478（3）系统正常正压段管路局部摩擦阻力和总阻力的计算如下表，表5-3。表5-3系统正压段阻力计算表管路名称摩擦阻力（Pa）局部阻力系数局部阻力（Pa）总阻力（Pa）管口正压5500正压段主管23060.153462652正压段管路总阻力8152（4）系统抽采系统总压力计算：表5-4系统压力抽采系统总压力计算表负压段管路最大阻力损失Hr（Pa）出口侧管路阻力损失Hc（Pa）压力富余系数K抽采系统压力H（Pa）8152104781.2223565.1.4瓦斯泵的真空度计算（1）压力抽采泵系统真空度的计算5-4式中：—抽采泵的真空度，%；—抽采系统压力，Pa；—抽采泵站的大气压力，Pa，取92521。瓦斯抽采泵真空度为：表5-5抽采泵的大气压力真空度计算表抽采系统压力H（Pa）大气压力Pd（Pa）抽采泵真空度I（%）223569252124抽采泵的工况大气压力计算5-5式中：—抽采泵的工况压力，Pa；—抽采系统泵站的大气压力，Pa；—抽采系统压力，Pa。抽采泵的工况压力为：Pg=92521-22356=70165Pa表5-6抽采泵的工况压力计算表抽采系统压力H（Pa）大气压力Pd（Pa）抽采泵工况压力Pg（Pa）2235692521701655.1.5抽采泵选型在国内抽采泵的类型有三种：水环式真空瓦斯泵，离心式抽采泵和回转式抽采泵。对不同抽采泵的优缺点见表5-7。表5-7抽采泵优缺点对比表名称水环式真空瓦斯泵离心式抽采泵回转式抽采泵优点运行稳定，操作简单，维修方便。运行稳定，流量高，噪音小。运行稳定，效率高。缺点效率低，真空度低。效率低，价格高。噪声大，检修复杂。是否采用是否否根据上述情况，考虑到四通矿井下的真实情况，因此本次设计选用水环式真空瓦斯泵属最佳的选择。水环式真空瓦斯泵的优点是它的真空度高，结构简单，运转可靠，就算瓦斯抽采浓度达到爆炸的界限，也不会发生爆炸。唯一的一个缺点就是需要提供工作水。[2]通过上述计算结果：负压系统所需Q泵=97.5m3/min，H泵=70165Pa，真空度I=24%。由于我国目前为止的水环式真空瓦斯泵的特性曲线都完全是按照标准工况使用状态下的真空瓦斯抽采流量所进行绘制的，因此我们需要把标准状态下的瓦斯抽采流量换算成相应绝对压力（工况压力）下的瓦斯抽采流量。抽采泵工况状态下的瓦斯抽采量计算见表5-8。用下列式子进行换算：5-6式中：—标准状态下的瓦斯抽采量，m³/min；—测得的瓦斯抽采量，m³/min；—测定时管道内气体绝对压力（工况压力），kPa；—测定时管道内的所有气体绝对温度（标准工况绝对摄氏温度），K；—测定时管道内所有气体绝对摄氏温度，取24℃；—标准绝对的稳定压力，101.325KPa；—标准绝对稳定压力的摄氏温度，（273）K。由上述公式计算可求：工况压力下的瓦斯抽采量表5-8抽采泵工况状态下的瓦斯抽采量计算表标态抽采量（m3/min）标态绝对压力（kPa）标态绝对温度（K）工况绝对压力（kPa）工况绝对温度（K）工况抽采量（m3/min）98101.32527370297154负压抽采系统下的瓦斯标态抽采泵可选择ZWY210-260型井下移动瓦斯抽采泵站。当转速大约为360r/min，真空度I=24%，工况绝对空气压力大约为70KPa时，泵抽出的空气量约最大转速为170m³/min左右，得知以上条件能够满足瓦斯抽采的需求。瓦斯抽采泵站需要安装两台瓦斯泵来进行设计，一台瓦斯泵可以用来日常工作，一台瓦斯泵可以作为备用及日常检修。ZWY210-260型井下移动瓦斯抽采泵性能规格，见表5-9；ZWY210-260型井下移动瓦斯抽采泵工况曲线图，见图5-1。表5-9井下供水泵移动瓦斯抽采泵的性能规格表型号最大抽气量（m3/min）最大轴功率（kW）转速（r/min）供水量（m3/h）备注ZWY210-2601701753607.7-17.5ZWY210-260型井下移动瓦斯抽采泵选择配备的电机功率为260kW，电压等级1140V。ZWY210-260型井下移动瓦斯抽采泵站供水采用两台BQW12-12-3.2型潜水泵，其中一台瓦斯泵主要用来正常工作，另外一台瓦斯泵主要作为备用及日常检修。BQW12-12-3.2型潜水泵性能规格，详见表5-10。表5-10BQW12-12-3.2型潜水泵的性能规格表型号扬程（m）流量