沙曲矿瓦斯抽放改扩建工程设计说明书

华晋焦煤有限责任公司沙曲矿南北翼瓦斯抽放改扩建工程设计说明书工程编号：CS11SQ生产能力：8.0Mt/a院长王建国王魁军项目负责人高坤 煤炭科学研究总院沈阳研究院三月报告名称：华晋焦煤有限责任公司沙曲矿南北翼瓦斯抽放改扩建工程设计说明书报告审核：王魁军研究员院总工程师梁云涛研究员科技发展部主任课题负责人：高坤研究员国家重点实验室主任报告编写：赵新助理工程师课题工作人员：煤炭科学研究总院抚顺分院高坤赵新李守国潘竞涛汪开旺华晋焦煤有限责任公司沙曲矿李庆源元继宏刘兆元周文宇目录TOC\o"1-2"\h\z\u1井田概况 11.1井田位置、范围与交通 11.2地形地貌及水系 21.3气象、地震及地温 31.4地层及地质构造 31.5煤层及煤质 101.6井田水文地质 131.7矿井瓦斯、煤尘爆炸及自燃 141.8矿井概况 152矿井瓦斯储量及可抽量 212.1瓦斯储量计算范围 212.2瓦斯储量及可抽量 213瓦斯涌出量预测 233.1瓦斯涌出量预测方法 233.2矿井瓦斯涌出量预测结果 264矿井瓦斯抽放改扩建的必要性和可行性 284.1抽放瓦斯改扩建的必要性 284.2瓦斯抽放改扩建的可行性 294.3抽放站布置 315抽放瓦斯方法 335.1矿井瓦斯来源分析 335.2瓦斯抽放方法 335.3抽放巷道布置 425.4钻场、钻孔布置 425.5封孔方式、材料及封孔工艺 455.6抽放瓦斯效果及重要设备 466瓦斯抽放系统管路和设备布置及选型 516.1抽放管路系统 516.2抽放设备选型 577瓦斯抽放泵站 667.1瓦斯泵房及附属设备布置 667.2抽放站场地平面布置 667.3电气及通信 677.4检测、监控系统 717.5瓦斯抽放泵站场地建筑及环境保护 737.6给排水、供热及采暖 738瓦斯运用 768.1矿井瓦斯运用 768.2瓦斯运用管路布置 769抽放瓦斯管理 779.1队伍组织 779.2图纸和技术资料 779.3管理与规章制度 789.4常用记录和报表样式 7810瓦斯抽放安全技术措施 8210.1抽放系统安全措施 8210.2抽放瓦斯站安全措施的规定 8210.3瓦斯管道输送水封阻火泄爆安全措施 8310.4煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障措施 8511经济概算及投资 9011.1概算编制范围及依据 9011.2概算投资及明细 9011.3投资来源 9011.4技术经济分析及评价 91附表：华晋焦煤有限责任公司沙曲矿南北翼瓦斯抽放改扩建工程设计重要设备与材料清册1井田概况1.1井田位置、范围与交通沙曲井田位于吕梁山脉的中段西部、河东煤田中段，行政区划属山西省吕梁市柳林县管辖，由华晋焦煤有限责任公司开发建设，矿井现工业场地距柳林县城约5km。井田地理座标为：北纬37°18′54″－37°30′27″，东经110°45′33″－111°19′41″。井田北以聚财塔南断层与双柳井田为界，东南以批准的采矿权边界与贺西井田、金家庄井田为界，西部以采矿权边界与郭家沟井田为界，东部以采矿权边界与地方煤矿井田为界。井田大体呈北西～南东走向弧形，总体为一缓倾斜的单斜构造，倾向西～南西，井田走向长约22km，倾斜宽4.5～8km，井田面积138.3535km2。井田呈南北向分布，三川河在井田中部自东向西流过本井田，太(原)～军(渡)～绥(德)国家级公路（307国道）沿三川河北岸从本井田中部穿过，汾（阳）军（渡）高速公路与307国道并行穿过本井田；孝(西)～柳(林)铁路从南同蒲铁路介西支线的孝西站起，经中阳、柳林沿三川河北岸至沙曲井田穆村镇，全长116km,已在运营，沙曲矿井铁路专用线在其终点穆村站东端接轨，线路长1.96km，在建的太（原）至中（卫）银（川）铁路沿三川河穿过沙曲井田。（1）公路太(原)～军(渡)～绥(德)国家级干线公路（307国道）从矿井工业场地北侧通过，青（岛）～银（川）高速公路汾(阳)～军（渡）段从井田中部由东向西与307国道并行通过本井田，目前已建成通车。公路交通运送方便。（2）铁路孝(西)～柳(林)铁路从南同蒲铁路介西支线的孝西站起，经中阳、柳林至井田附近穆村镇，全长116km，沙曲矿井铁路专用线在其终点穆村站东端接轨。在建的太～中～银铁路在中部三川河北岸穿过本井田，拟2023年投入运营。太中银铁路设计标准为国铁Ⅰ级，双线电气化，设计时速160km/h，预留200km/h，设计通过能力6000万吨。铁路交通方便。沙曲矿井运送条件优越，可以满足矿井改扩建的规定。矿井交通位置参见图1-1。图1-1交通位置图1.2地形地貌及水系井田位于吕梁山脉中段西部，区内地形大部分为侵蚀切割强烈的梁峁状黄土丘陵，局部为堆积地形；区内沟谷密集狭窄，形状多呈“V”字型，堆积地形发育在横穿井田的三川河河谷及较大的沟谷中，为冲、洪积堆积，三川河河谷中发育有Ⅰ、Ⅱ级侵蚀阶地，第四系沉积物厚5～10m。井田内地形总的趋势东高西低，南高北低，三川河河谷是一个低凹地带，地形标高一般为+800～+900m，最高点在南部枣园山，高程+1149.39m，最低点位于西部边界鄢哉村附近的三川河河谷，标高+740.00m，一般相对高差100～200m，最大高差409.39m。井田属黄河水系，三川河是井田内唯一河流，它的上源是北川河、东川河和南川河，在离石交口镇汇合后，称为三川河，干流全长168km，流域面积4161km2，由井田中段向西穿出后，在石西镇西的两河口入黄河，井田内径流长度约8km。三川河长年流水，据井田以西的后大成水文站1956～1980年观测资料，三川河平均年径流量2.88亿m3，平均径流模数2.23L/s.km2，洪水期最大流量为2260m3/s，其余沟谷平时无水，只有在雨季才有短暂水流汇入三川河或直接流入黄河。柳林泉以泉群的形式出露于井田东界外三川河两岸，在东起寨东，西至薛家湾近2km的河谷中，大小泉点近百个，向三川河排泄。泉水出露高程790～801m，据1983～1991年长年观测资料，平均流量为2.53m3/s，最大流量6.17m3/s，水温在补给区为12～13℃，排泄区一般为15.5～18℃，局部高达20.5℃。1.3气象、地震及地温本区属暖温带大陆性季风半干旱气候，气温昼夜变化悬殊，四季分明，冬春季多西北风，夏秋季多东北、东南风，年平均风速1.2～2.46m/s，最大9.3～15m/s，气候干旱，冬季寒冷，夏季炎热,年最低气温平均为6.9℃，最高气温平均为24.6℃，年平均气温10.5℃，降水多集中在6～9月，年降水量最小为373.5mm，最大为577.7mm，平均为464.2mm，年蒸发量最低为1766.2mm，最高为2171.7mm，平均为1888.7mm，蒸发量大于降水量，年最小相对湿度为0，年平均相对湿度56%，初霜期一般在10月上旬，终霜期在翌年3月下旬，无霜期150－200天，初雪期为11月中、下旬，终雪期为翌年3月中、下旬。冻土期在11月至来年3月，最大冻土深度为1m。根据《中国地震动峰值加速度区划图》(GB18306-2023)，井田地震动峰值加速度小于0.05g。相称于原地震基本烈度Ⅵ度。全井田由东至西、由北至南、地温梯度呈增大趋势，恒温带深55m，温度14℃；由浅入深地温相应增长。山西组2、3、4、5#煤赋存范围均为地温正常区。太原组6、8、9、10#煤初期开采区域内亦为地温正常区，仅其深部区域有局部地段属地温异常区，尚需在此后生产中探查贯彻并采用相应的降温措施。1.4地层及地质构造1.4.1地层本区所属河东煤田离柳矿区，井田内地层层序自下而上为奥陶系中统上马家沟组（O2s）、峰峰组（O2f）；石炭系中统本溪组（C2b）、上统太原组（C3t）；二叠系下统山西组（P1s）、下石盒子组（P1x），上统上石盒子组（P2s）、石千峰组（P2sh）；三叠系下统刘家沟组（T1l）；新生界第三系、第四系。井田内地表只出露下石盒子组及以上地层，其余出露于井田以东。根据地表及钻孔揭露资料，将井田地层分述如下：（1）奥陶系中统a．上马家沟组出露于井田以东，与下马家沟组整合接触。本组共分三段：下段为灰、灰白色角砾状白云质泥灰岩，厚27～53m，平均厚48m；中段为青灰、灰黑色中厚层石灰岩、灰白色白云质灰岩、豹皮状灰岩，厚110～159m，平均厚122m；上段为灰、深灰色厚层状石灰岩、白云质灰岩、豹皮状灰岩，夹白云质泥灰岩及泥质白云岩，厚61～73m，平均72.7m。b．峰峰组（O2f）出露于井田以东，与下伏上马家沟组整和接触，本组厚103.54～147.41m，平均124.16m。下、中部多为浅灰、灰白色角砾状泥灰岩、砾屑灰岩，夹薄层白云质灰岩及铝土质泥岩，含不稳定的近似层状、透镜状细晶石膏2～3层，厚1～7m，或为巨厚层状的泥灰岩、白云质灰岩与石膏层混生，并有纤维状石膏脉充填于不规则的裂隙中，石膏脉宽0.5～5m，统称为石膏带。上部为中厚～巨厚层状灰白、深灰色微晶石灰岩、薄层状黑灰色泥灰岩、白云质灰岩、角砾状砾屑泥灰岩，局部夹薄层含铝质泥岩。本组变形层理及岩溶、裂隙较发育，地表见岩溶溶洞，钻孔中溶孔直径1～3cm。产头足类化石。（2）石炭系a．中统本溪组（C2b）出露于井田以东的沟谷中，与下伏奥陶系中统峰峰组呈平行不整合接触。本组厚16.29～39.00m，平均27.37m，北部较薄，向南增厚。本组岩性分为两段：下段岩性为铁铝岩段，厚0～16.29m，平均4.29m。其底部为山西式铁矿，呈透镜状～鸡窝状，厚0～4.90一般1m。地表多为褐铁矿，钻孔揭露为深灰、褐灰色铝土岩（G层铝土岩）及黄铁矿。上段为灰黑色泥岩、砂质泥岩、深灰色铝质泥岩、粉砂岩夹灰色中-细粒石英砂岩、灰岩及煤层，灰岩0～3层，本段厚8.81～32.17m，平均厚21.70m。b．上统太原组（C3t）本组零星出露于井田以东的一带沟谷中，底部以K1砂岩与下伏本溪组分界，为本区重要含煤地层之一。厚81.02～116.76m，平均96.22m，厚度变化为中部厚，西、南薄。根据岩性特性，本组可明显分为三段：下段（C3t1）：由K1至8号煤层顶，厚37.33～70.55m，平均52.70m。底部砂岩为灰、灰白色中～细粒石英砂岩，含岩屑、白云母，含黄铁矿及泥质包体，接触式铁-泥质及少量钙质胶结，具交错层理和缓波状层理，厚0.32～17.33m，平均厚4.81m。其上为一套灰、灰黑色细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩组成的碎屑岩段，夹0～2层不稳定的生物碎屑灰岩（L0）及薄层铝质泥岩，含煤3～7层，其中8、9、10号煤层为全区可采或局部可采的重要煤层。中段（C3t2）：由L1灰岩底至L5灰岩顶，厚25.66-57.76m，平均36.21m。岩性由3～5层深灰色生物泥晶（微晶）石灰岩夹深灰～灰黑色泥岩、砂质泥岩和少量薄层粉-细粒砂岩和煤层组成。石灰岩L5、L4层位稳定，L1、L2多合并为一层；本段所含的6号煤层为局部可采的不稳定煤层，7号、7下号煤层为不稳定煤层。上段（C3t3）：由L5灰岩顶界至K3砂岩底，厚0～13.93m，平均6.62m，为深灰-黑灰色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，夹薄层铝质泥岩和薄煤层（6上），本段底部泥岩中含动物化石。（3）二叠系a．下统山西组（P1s）为井田内另一重要含煤地层，底部以K3砂岩（相称于太原西山北岔沟砂岩）连续沉积于太原组之上，全组厚42.89～79.92m，平均厚60.80m，其变化为东南、西北部较厚，中部较薄。岩性为深灰、灰黑色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、中～细粒砂岩，含煤5～10层，其中2#、3#、4#、5#煤层为稳定可采或局部可采的重要煤层，井田北部3#、4#煤层合并，称为3+4#煤层。5#煤层顶板为黑色泥岩或砂质泥岩，富含黄铁矿结核，我们称之为“海相泥岩”该层产丰富的动植物物化石。b．下统下石盒子组（P1x）零星出露于井田东部，以K4砂岩连续沉积于山西组之上，厚66.12～102.18m，平均81.93m。岩性为灰色、深灰色石英砂岩、长石石英砂岩、粉砂岩、砂质泥岩及泥岩，下部偶夹1～2层煤线。底部K4砂岩为灰白-深灰色中厚层状中、粗粒长石石英砂岩，厚0.55～21.70m，平均厚5.41m。向上为灰色、绿灰色中～细粒岩屑石英砂岩、长石石英砂岩与深灰～黑灰色泥岩、砂质泥岩互层。上部为灰绿色细～粗粒长石石英杂砂岩夹灰～灰绿色砂质泥岩、泥岩，顶部为一层灰白～浅灰色铝质泥岩（桃花泥岩），富含铁质鲕粒及结核，露头上常呈网格状褐红色褐铁矿细脉，可作为上、下石盒子组分界的辅助标志。c．上统上石盒子组（P2s）全组厚269.70～457.40m，平均371.00m。以K6砂岩连续沉积于下石盒子组之上，重要由灰色、灰绿色、灰紫色、紫红色、紫色砂岩、砂质泥岩、泥岩组成，由下向上紫色渐深。全组分为三段。下段（P2s1）：重要为灰绿色、灰白色砂岩、粉砂岩与杂色、深灰色及紫红色泥岩、砂质泥岩互层，厚121.00～156.90m，平均137.13m。下部以砂岩为主，底部砂岩K6厚1.25～23.57m，平均10.06m，为灰～灰白色厚层状中粗粒长石石英砂岩，孔隙式胶结，碎屑颗粒多呈点-线接触。本段产羊赤类化石。中段（P2s2）：厚73.67～116.23m,平均91.40m。重要为紫红色砂质泥岩夹灰色、绿灰色砂岩及灰黑色泥岩。砂质泥岩多呈团块状，水平层理发育，夹泥岩条带，层面上有云母片；砂岩横向不稳定；底界砂岩为黄绿色厚层状粗～中粒岩屑长石石英砂岩。上段（P2s3）：厚102.00～184.30m，平均142.58m。以紫红、蓝灰色泥岩、砂质泥岩为主，夹灰色、灰绿色砂岩及燧石条带。砂岩中多含长石，胶结疏松，易风化成浅灰、灰白色碎屑，出露于泥质岩中，是本段的特性标志；泥质岩厚度较大，为紫色、蓝灰色夹灰色、灰绿色条带。底部砂岩K7厚2.39～10.52m，平均6.83m，为浅灰-灰绿色厚层状含砾粗-中粒长石石英砂岩。砾石成分为石英岩及燧石。本段中上部含结核状锰铁质砂岩。露头顶部常见一层黄色砂质泥岩，可作为K8的辅助标志。d．上统石千峰组（P2sh）厚101.00～193.50m，平均141.07m。以K8砂岩连续沉积于上石盒子组之上。岩性以紫红色、深红色、红色砂质泥岩、泥岩为主，夹不稳定浅红色中-细粒长石杂砂岩，上部泥质岩中含丰富的似层状、透镜状钙质结核。底部砂岩K8厚7.50～16.00m，平均11.71m，为浅灰绿色、灰白色间紫红色厚层状含砾中～粗粒长石杂砂岩，底部含砾石，夹透镜状紫红色砂质泥岩。本组以其色调鲜艳为特性。（4）三叠系下统刘家沟组（T1l）：出露于井田西北边界聚财塔断裂带之间和西南侧沟谷中，最大出露厚度409.80m,以K9砂岩连续沉积于石千峰组之上。本组岩性重要由浅灰紫、灰红色薄层、中厚层及厚层状细粒长石杂砂岩，夹紫红色粉砂岩、砂质泥岩、泥岩及数层不稳定的透镜体，砂岩中含磁铁矿条纹条带。层理很发育，具交错层理，变形层理和水平层理，岩层常呈薄板状。层面上可见波痕、泥裂及印模等构造。下部普遍具有浅色钾长石质胶结物集合而成的斑状构造，底部夹砾岩薄层，上部含同生砂岩球，夹多层紫红色粉砂岩及砾岩透镜体。底部砂岩K9厚6.00～32.00m，平均19.00m，为浅红、浅灰红色中厚层状铁质细粒长石砂岩，具小型交错层理。（5）新生界a．上第三系上新统(N2)井田内分布广泛，出露于冲沟中，厚4.00～94.50m，平均32.73m，分上下两部分：保德组（N2b）：底部为沙砾岩层，厚0～18.00m，平均2.84m，与下伏地层呈角度不整合接触，砾石成分以砂岩为主，少量为灰岩、伟晶岩、石英岩、角闪岩，砾径2～10cm为主，大者50cm，棱角状至圆状，孔隙式砂质钙质充填；其上为棕紫、棕红色及黄红色的粘土、砂质粘土、钙质粘土夹砂砾石层，含大量钙质结核。本组含化石：Hipparionsp.三趾马Chilotheriumsp.齐鲁兽静乐组（N2j）：与下伏地层保德组为平行不整合接触，以紫红色、红色粘土为主，夹数层钙质结核层，粘土中含豆状锰铁质结核。b．第四系中更新统离石组（Q2l）即“离石黄土”。广泛分布于井田内沟谷两侧，厚2.50～140.00m，平均27.28m，重要由浅红、黄灰色砂质粘土、亚粘土、亚砂土组成，底部常有一层砂砾石层，厚0～11.20m，平均5.07m；下部含2～6层古土壤及小型钙质结核和冲积小砾石；上部为红黄土，夹土壤层及小型钙质结核，发育垂直节理，地貌上多形成陡壁、黄土株等。c．第四系上更新统马兰组既“马兰黄土”。广泛分布于黄土梁、峁、垣顶部、河流三级阶地上部和河流二级阶地，厚0～40.00m，与下伏离石组为平行不整合接触，由浅灰黄、浅黄、棕黄色砂质粘土、粉砂土、亚砂土组成，颗粒均匀，结构疏松，具大孔隙，无层理，垂直节理发育，常形成黄土陡壁。d．第四系全新统重要分布于三川河河谷、河漫滩及一级阶地上，与下伏地层呈角度不整合接触，为近代河流冲积层。由不同时代的沙、砾、泥质碎屑组成，一般厚10m左右，富水性较强。井田煤系地层综合柱状见图1-2。1.4.2构造（1）区域地质构造本区位于鄂尔多斯盆地东部边沿，区域构造单元属晋西挠褶带中部，岩层总体上呈南北向，向西缓倾斜。离柳矿区位于离石～柳林东西向构造带，由于受印度洋板块及太平洋板块的推挤作用，导致本区东西向构造应力不均衡，产生了以离石～柳林聚财塔东西方向为转折、弧顶向西突出的弧状褶皱，及离石鼻状构造。中部王家会背斜将本区分隔成离石—中阳向斜煤盆地和三交～柳林单斜煤产地；东北鼻状构造与离石盆地相接部位，发育有一系列近南北或北北东向的断裂、褶皱构造。在鼻轴部位，由于张力作用的结果，产生了东西向的聚财塔断裂带。（2）井田构造井田位于离柳矿区西部，三交～柳林单斜含煤区中南部，为一缓倾斜的单斜构造，地层走向自北向南由南北向渐变为北西向，倾向由西渐变为南西，地层倾角平缓，一般为3～7°，地表为3～15°，局部地段受小褶曲及断层影响可达18°～23°。井田内以宽缓的小型褶曲构造为主，断层稀少且断距小，仅井田北界为一地堑式断裂带。地表未见陷落柱，仅三川河附近4个钻孔见陷落构造，井田构造属简朴型。=1\*GB3①褶曲以三川河为界，北部褶曲轴向以北北西和近东西向为主，南部以北东及北北东向为主，共见29条褶曲，延伸长度超过500m的有9条。其余褶曲延伸长度为100～430m。=2\*GB3②断层井田内断层稀少，仅北界为一地堑式断裂带。=3\*GB3③陷落柱井田勘探阶段内有4个钻孔见陷落柱，其中M26#孔、M27#孔、L1-4#孔陷落柱位于一水平北翼下山采区范围内。图1-2沙曲井田煤系地层综合柱状图M26#孔陷落柱，从孔深450m开始陷落，即从6#煤层下9.52m开始陷落，上距5#煤层29.64m。M27号孔陷落柱从6#煤层开始陷落，上距5#煤层17.64m。L1-4号孔陷落柱，从孔深424m开始陷落，即从4#煤层顶板开始陷落。M38号孔在井田范围内未查到。生产过程中揭露陷落柱构造37个，面积最小为20m2，最大为750m2。1.5煤层及煤质1.5.1煤层本井田共有可采煤层8层，分别为有2#、3#、4#、5#、6#、8#、9#、10#，可采煤层总厚15.42m。其中2#、3#、4#、5#赋存于山西组，6#、8#、9#、10#赋存于太原组。可采煤层分述如下：2#煤层赋存于山西组中部，上距K4砂体29m，下距4#煤16.50m。见煤点厚度0.25～2.20m，平均0.89m。可采厚度0.71～2.20m,平均1.07m。不含夹矸或偶含夹矸1～2层，结构简朴。井田中部及南端可采，重要可采区分布于11线以北，井田东北部大面积不可采。可采范围约占井田的61%。全井田仅有两孔煤层尖灭。在初采范围内，北部为薄煤层，局部为中厚煤层，南部基本上不可采。顶板为砂质泥岩、泥岩，有一定比例的粗碎屑岩；底板为泥岩，砂质泥岩、粉砂岩。本煤层为一较稳定的大部可采煤层。3#煤层赋存于山西组中下部，上距2#煤10.34m，下距4#煤0～16.99m，平均6.16m。见煤点厚度0.40～1.50m，平均1.05m。可采厚度0.76～1.50m，平均1.07m。不含夹矸或偶含夹矸1层，结构简朴。井田北部7线以北除西缘有小面积可采区外，大面积与4#煤层合并。以南独立分层，此范围内尖灭区和不可采区零星分布。可采范围约占井田的60%。基本属薄煤层，偶见中厚煤点。顶板以粉砂岩和砂质泥岩为主，泥岩、细粒砂岩次之；底板为砂质泥岩和粉砂岩，含一定量的细粒砂岩和泥岩。本层为一较稳定的大部可采煤层。4#煤层赋存于山西组下部，上距3#煤6.16m，下距K3砂体10.61m。煤厚度0.50～6.05m，平均2.98m。含夹石0～4层，多数为1～2层，夹石厚度在0.06～0.20m之间居多，个别达0.50m。夹石岩性以炭质泥岩和泥岩为主。从生产采区揭露情况来看，在M36孔附近发现300m×100m、M35孔南发现200m×100m的不可采区。煤厚变化有明显的规律性，总的趋势是由北向南从厚煤层变为中厚煤层至薄煤层。在原精查勘探区，7线以北基本上为3#、4#煤合并的厚煤地段，煤厚多为4m左右，最厚达6.05m，以南为分出3#煤后的中厚带，厚度约2m左右，井田西南角为薄煤带。初采地段中厚煤约占2/3，厚煤占1/3左右。顶板为中～细砂岩、砂质泥岩、泥岩；底板为砂质泥岩和粗碎屑岩。4#煤为一较稳定的全区可采煤层。5#煤层赋存于山西组下部，上距4#煤层2.98m，下距K3砂体1.79m。见煤点厚度0.10～5.04m,平均2.73m。可采厚度1.05～5.04m，平均2.89m。含夹石0～6层,多数为1～2层,岩性为炭质泥岩和泥岩，厚度大多在0.06～0.20m之间。全井田大部可采，仅在井田西北角的2#孔尖灭。北界外的三交区南缘为尖灭区或不可采区，推测其范围已伸入本井田内。此外在原精查勘探区，南部16线以南大部不可采。厚煤区分布于井田东北部，面积约占可采范围的1/4多，一般厚度在4m左右，最大达5.04m。由此向西和向南厚度递减。全井田以中厚煤层为主，13线以北厚度在2m以上，以南小于2m，初采地段基本上为中厚煤层，厚度在2m以上，北部接近或局部为厚煤层。顶板为泥岩及很少量中-细粒砂岩；底板为粉砂岩、泥岩，含一定比例的粗碎屑岩。本煤层为一较稳定的全井田大部可采煤层。6#煤层赋存于太原组上部，上距K3砂体16.48m，下距8#煤27.73m。伏于L5灰岩下。见煤点厚度0.10～1.66m，平均0.81m。可采厚度0.70～1.66m，平均1.00m。不含夹石，少数含夹石1～2层，岩性为炭质泥岩和泥岩。本层虽尖灭范围很少，但可采范围分布不广，且连续性差，3线至15线的西半部，为最大的可采区。可采范围占井田的67%。可采区内煤层以薄煤为主，局部为中厚煤层。顶板为石灰岩，底板为泥岩或粉砂岩。本层为一较稳定的大部可采煤层。8#煤层赋存于太原组中部，上距L5石灰岩35m，下距K1砂体52.70m，伏于L1灰岩下。煤厚度0.79～9.33m，平均3.91m。含夹石0～7层，大多数为1～3层，夹石厚度多数在0.06～0.20m之间。夹石岩性为炭质泥岩、泥岩，结构复杂。全井田可采。西北角与9#、10#合并，厚度增大，为特厚煤层。中部及中北部与9#合并，向南至14线，厚度在4m左右，为厚煤层，基本上占据了整个探明（A级）资源/储量区。14线向南与9#分叉，变薄至中厚煤层，东南角又分叉出8上#煤层，8#煤变为薄煤层。综观全井田，煤层从西北向南东变薄趋势十分明显。顶板为石灰岩，底板为泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩，含一定比例的中～细粒砂岩。本层为一较稳定的全井田可采煤层。9#煤层赋存于太原组下部，上距8#煤1.32m，下距K1砂体50.38m。见煤厚度0.18～3.12m，平均1.39m。可采厚度0.73～3.12m，平均1.86m。含夹石0～5层，夹石岩性为炭质泥岩、泥岩，结构复杂。煤层大部分与以上8#及以下10#煤合并，仅在井田南部14～17线间、东北角及中部一小片单独成层，可采范围占全井田的27%。顶板为泥岩、炭质泥岩、粉砂岩，底板为泥岩，砂质泥岩。本煤层为一不稳定的局部可采煤层。10#煤层赋存于太原组下部，上距8#煤10.75m，下距K1砂体40.93m。见煤点厚度0.18～5.38m，平均1.66m。可采厚度0.82～5.38m，平均1.97m。含夹石0～4层，多数含1～2层，夹石厚度多数在0.06～0.20m之间，夹石岩性为泥岩、炭质泥岩。井田中部有一片面积稍大的不可采区，东北角及西北部各有一块面积不大的不可采区，西北角与8#及9#煤合并，局部地段尖灭。可采范围占全井田的75%。井田西南角9#煤并入本煤层，煤层厚度增大，成为厚煤区，其余以中厚煤层为主。顶板为中～细粒砂岩、砂质泥岩；底板为炭质泥岩、铝质泥岩。本层为一较稳定的全井田大部可采煤层。可采煤层特性见表1-1。1.5.2煤质井田内含可采煤层8层，各煤层以低～中灰为主，山西组煤为特低～低硫；太原组煤为中硫～富硫。除2#、8#煤为特低磷外，3#、4#、6#、9#煤为低磷，5#、10#煤为中磷。发热量均为中高～高发热量。山西组以焦煤为主，太原组6#煤为焦煤，8#、10#煤以焦煤为主，瘦煤次之，有少量贫瘦煤。煤质特性见表1-2。根据化验测试结果，山西组以焦煤为主，夹少量肥煤；太原组6#煤为焦煤，8#、10#煤以焦煤为主，瘦煤次之，有少量贫瘦煤。井田煤质采样点偏低，但初采区相对较高，控制限度比较好。沙曲（精查）勘探还对各煤层夹矸硫分进行测试，从记录结果看2#、4#、5#、10#煤层夹矸硫分一般小于1%，8#煤夹矸硫分为0.36～36.77%，平均为4.84%。本井田煤层属炼焦煤，炼焦是最合理的加工运用方向，此外也可作为动力、化工用煤。除2#、4#煤可单独炼焦外，其它煤层单独炼焦因灰分高难洗选，经济效益差。井田内各煤层覆盖较厚，煤层最小埋深93m，最大埋深810m，根据钻孔煤层采样化验结果，井田内所有煤层均不存在风化和氧化的现象。1.6井田水文地质1.6.1井田水文地质条件根据井田勘探报告，本区山西组煤矿床重要属二类一～二型，即水文地质条件简朴～中档的裂隙充水矿床；太原组煤矿床重要属三类一～二型，即水文地质条件简朴～中档的岩溶充水矿床。鉴于沙曲矿井目前正在进行水文地质勘探（预计2023年5月底出勘探报告），设计建议根据沙曲井田水文地质勘探报告对矿井水文地质条件进一步定性，并开展矿井防治水设计工作。表1-1可采煤层特性表含煤地层煤层编号煤层厚度(m)最小～最大平均层间距离(m)最小～最大平均结构夹矸层数可采性稳定性视密度(t/m3)岩性描述山西组20.25～2.200.891.01～23.9210.340～16.996.161.80～9.745.5611.56～31.8216.8817.39～37.5827.730～12.481.320～22.509.43简朴0～2局部可采不稳定1.36砂泥岩、泥岩泥岩、砂泥岩、粉砂30.40～1.501.05简朴0～1局部可采不稳定1.43粉砂岩、砂泥岩砂泥岩、粉砂岩40.84～6.052.98中档0～4所有可采稳定1.36中-细砂岩、砂泥岩、岩砂泥岩和碎屑岩50.10～5.042.74复杂0～6大部可采较稳定1.47泥岩及少量中-细砂岩粉砂岩、泥岩太原组60.10～1.660.81简朴0～2局部可采不稳定1.43石灰岩泥岩或粉砂岩80.79～9.333.91复杂0～7所有可采稳定1.39石灰岩、泥岩、炭质泥岩、砂泥岩90.18～3.121.30复杂0～5局部可采不稳定1.43泥岩、炭质泥岩、粉岩泥岩、砂泥岩100.18～5.381.66中档0～4大部可采较稳定1.43中细砂岩、砂质泥岩炭质泥岩、铝质泥岩表1-2煤质特性表含煤地层煤层编号水分(%)最小～最大平均灰分(%)最小～最大平均挥发分(%)最小～最大平均硫分磷分煤类山西组20.32～1.110.587.77～29.5814.5216.69～27.0622.97特低硫特低磷焦煤为主，局部为肥煤30.36～1.520.578.30～30.5921.6619.76～25.8022.68特低硫特低磷焦煤为主，局部为肥煤40.18～1.160.497.52～25.4015.2318.75～26.9721.90特低硫低磷焦煤为主，局部为肥煤50.30～1.200.5615.01～34.1423.8818.95～23.5521.43低硫为主局部特低中硫中磷焦煤太原组60.32～0.800.566.72～33.2918.3917.25～24.4220.21中硫低磷焦煤80.29～1.920.578.39～24.7815.2113.81～21.4717.15富硫特低磷焦煤为主，局部为瘦煤、贫瘦煤90.28～0.860.6213.61～31.6121.1914.55～19.8816.95富硫低磷瘦煤为主，焦煤次之，少量贫瘦煤100.40～1.730.6213.95～32.5822.6114.39～23.3118.73低中硫中磷焦煤为主，瘦煤次之，少量贫瘦煤沙曲井田位于柳林泉域外西侧，现有的水文地质资料表白，井田内地下水补给、运移、排泄自成体系，其地下水或排泄于井田沟谷内，或向西及西南缓慢移动。1.6.2矿井涌水量沙曲矿井井涌水量随开采面积的增大而增大。在枯水期、丰水期、平水期涌水量没有太大的变化。考虑到本井田处柳林泉域，目前下龙花垣井底施工中，涌水量已超过100m3/h。1.7矿井瓦斯、煤尘爆炸及自燃1.7.1瓦斯沙曲矿属高瓦斯和具有煤与瓦斯突出危险的矿井，2023年瓦斯等级鉴定结果为：矿井绝对瓦斯涌出量高达479m3/min（非标态），相对瓦斯涌出量高达103m3/t（非标态）。瓦斯涌出量逐年升高，导致采掘工作面瓦斯增大，出现瓦斯超限等问题，给正常生产带来很大安全隐患，且瓦斯治理难度越来越大。沙曲矿4#、5#和6#煤层具有煤与瓦斯突出危险性；2#煤层在＋430m水平及以上区域无煤与瓦斯突出危险性；3#煤在南翼＋420m水平及以上区域无煤与瓦斯突出危险性，北翼3+4#煤层（3#和4#煤层合并）具有煤与瓦斯突出危险性。1.7.2煤尘爆炸=1\*GB3①地质勘探时对井田内M25#、8#、18#孔采样作煤尘爆炸性实验，结果为各煤层爆炸指数在18%～31%之间，表白各煤层均有煤尘爆炸危险性。=2\*GB3②经煤炭科学研究总院沈阳研究院瓦斯通风防灭火基础实验室对沙曲矿井4#煤层煤尘爆炸性鉴定结论为有爆炸性。据此，沙曲矿各煤层均有煤尘爆炸危险。1.7.3煤层自燃根据煤炭科学研究总院沈阳研究院瓦斯通风防灭火基础实验室对2#、3#、4#、5#和6#煤层进行煤炭自燃倾向鉴定，结果为4#煤层为三类不易自燃煤层，2#、3#、5#和6#煤层为均为Ⅱ类自燃煤层。1.8矿井概况1.8.1矿井生产现状矿井目前有5个场地、10个井筒（7个立井、3个斜井）开拓，采用立、斜井混合开拓方式，矿井以两个水平开拓全井田，一水平开拓山西组2#、3#、4#、5#煤，标高+400m，二水平开拓太原组6#、8#、9#、10#煤，矿井目前生产水平为+400m水平。矿井以南、北工业场地为中心向南北两翼开拓，在+400m水平分南北两翼各布置三条大巷，分别为胶带输送机大巷、辅运大巷和回风大巷，+400m水平各条大巷大部分沿5#煤层底板岩石布置，北翼大巷从井底车场向北延展长度约为6800m，南翼大巷从井底车场向南延展长度约为3800m.。见图1-3。矿井投产4年以来，基本维持南北翼各一个采区、一个综采面生产的格局。目前井下生产采区为南二采区和北一采区，其中南二采区设计生产能力1.0Mt/a，在4#煤层中装备有一个一次采全高综采工作面，工作面采高约2.5m，工作面长度180m，工作面顺图1-3沙曲矿4#煤层采掘工程平面图槽重要是“两进一回”布置；北一采区设计生产能力2.0Mt/a，4#煤层中装备有一个一次采全高综采工作面正在生产，工作面采高约4.2m，工作面长度180m，工作面顺槽重要是“两进一回”布置。采煤方法均为倾斜长壁一次采全高采煤方法，所有垮落法管理顶板。井下煤炭运送采用胶带输送机方式；辅助运送现采用调度绞车牵引矿车方式，沙曲矿北翼正在实行井下无轨胶轮车辅助运送系统，材料设备换装站、大巷底板硬化工程已完毕。2023年全矿井产量为245万t，其中北一采区约150万t，南二采区约为95万t。1.8.2矿井改扩建工程根据山西省煤炭工业局“晋煤安发【2023】529号”文献，沙曲矿井属于煤与瓦斯突出矿井，煤科总院沈阳研究院对各煤层煤与瓦斯突出危险性鉴定结果为：2#煤层在+430m水平及以上、3#煤层南翼+420m以上区域无煤与瓦斯突出危险性，4#、5#和6#煤层具有煤与瓦斯突出危险性，沙曲矿生产过程中，在南翼数次发生煤与瓦斯突出（倾出）现象，矿井勘探、生产实践和瓦斯研究成果均表白，矿井南翼煤层瓦斯含量大、瓦斯压力大，煤与瓦斯突出危险性明显比井田北翼高，矿井目前一个矿南北翼开采的现状不利于对南北翼瓦斯进行有针对性的管理，一旦矿井一翼发生煤尘、瓦斯、水、火等安全事故，灾害将波及另一翼，灾害波及范围大。因此，设计提出将原井田划分为南北翼独立开采系统进行开采，适当缩小井田面积，可以有效减少安全风险，最大限度地减小灾害严重限度。发挥资源优势，加大井田开发强度，充足运用现有设施，完善南北翼独立开采系统，采用先进的技术、工艺、设备，力求使南比翼各生产环节系统独立、简朴、先进可靠、合理实用，把沙曲矿建成安全、高效的现代化大型矿井。1.8.3改扩建方案（1）本次改扩建项目，拟将沙曲井田沿南北走向方向中部，以三川河、孝柳铁路、307国道、太中银铁路、汾军高速公路保护煤柱带为界划分为两个井田，保护煤柱带以北为沙曲北翼井田，保护煤柱带以南为沙曲南翼井田；沙曲北翼和沙曲南翼运用原沙曲矿井的生产系统严格分开后分别进行改扩建，其中，沙曲北翼运用原沙曲矿180万吨/年的能力及部分生产系统扩建到500万吨/年；沙曲南翼运用原沙曲矿120万吨/年的能力及部分生产系统扩建到300万吨/年。（2）将现有的10个井筒按其功能和原服务于南翼和北翼的范围进行划分，其中6个井筒（主斜井、副立井、北翼进风立井、北翼回风立井、下龙花垣进、回风立井）服务于沙曲北翼，4个井筒（1＃回风斜井、2＃进风斜井、白家坡进、回风立井）服务于沙曲南翼。将现有的主斜井井底中央泵房、变电所、水仓、副立井井底车场及硐室划分服务于分矿后的沙曲北翼。（3）为完善沙曲南翼的生产系统，在三川河南工业场地新增2＃主斜井，担负沙曲南翼的煤炭提高任务，在2＃主斜井井底布置沙曲南翼2个井底煤仓、中央泵房和变电所、井底水仓，白家坡井底新增泵房、变电所，井底水仓和井下火药库等硐室。（4）沙曲北翼自工业场地向北开拓，由主斜井、副立井、北翼进风立井、下龙花垣进风立井共四个进风井筒，北翼回风立井、下龙花垣回风立井两个回风井筒回风构成分区通风系统，矿井以两个水平开拓全井田，一水平+400m开拓上煤组，二水平开拓下煤组，一、二水平间用暗斜井联络，+400m水平大巷涉及辅运、皮带运送、回风大巷维持原北翼大巷方位不变，由于矿井为煤与瓦斯突出矿井，+400m水平北翼大巷逐渐转入5#煤层底板岩石中布置。沙曲北翼以倾斜长壁、走向长壁为主的采煤方法，达成改扩建设计能力时，新增北三采区一个4#煤层大采高综采工作面、北二采区2#煤开采保护层工作面，运用原有北一采区4#煤综采设备布置一个5#煤综采工作面，以3个采区、3个面达成500万t/a，井下主运送采用胶带输送机运送，辅助运送采用无轨胶轮车运送。（5）沙曲南翼自工业场地向南开拓，由2＃主斜井（新增）、2＃副斜井、白家坡进风立井共三个进风井筒，1＃回风斜井、白家坡回风立井两个回风井筒构成分区式通风系统，后期南部再增长南七采区进、回风立井。矿井以两个水平开拓全井田，一水平+400m开拓上煤组，二水平开拓下煤组，一、二水平间用暗斜井联络，+400m水平大巷涉及轨道、皮带运送、回风大巷维持原南翼大巷方位不变，由于矿井为煤与瓦斯突出矿井，+400m水平南翼大巷逐渐转入5#煤层底板岩石中布置。沙曲南翼以倾斜长壁和走向长壁为主的采煤方法，达成改扩建设计能力时新增长移交南一采区5#煤层综采工作面、南四采区4#煤层综采工作面（作为现生产南二采区4#煤层综采工作面的接替面）、南三采区3#煤层综采工作面（开采保护层工作面），以三个采区、两个中厚煤层综采面和一个薄煤层综采工作面达成300万t/a，3#、4#和5#煤层在井下实现分采分运，井下主运送采用胶带输送机运送，辅助运送采用无极绳牵引车轨道运送。（6）沙曲北翼运用原有地面原煤系统进行改建，启用1号毛煤仓（容量8000t）加大缓冲能力、改造现有毛煤仓，仓下毛煤经给煤机到新增长的收集皮带机，返煤到11号转载点，再到原1号主井上煤系统，进入动筛车间。沙曲南翼新建一套原煤输送系统、新建2号毛煤仓（容量10000t）、11号转载点及上仓皮带栈桥、转载皮带栈桥，2号主井毛煤经皮带输送机进入2号毛煤仓储存。仓下毛煤经给煤机到收集皮带机，毛煤转运至新2号转载点再经皮带机进入动筛车间分级、排矸洗选。扩建选煤厂主厂房，在原有300万t/a模块主厂房西侧新增500万t/a模块主厂，新建7号、9号转载点和2个原煤仓，扩建后地面原煤输送系统、动筛系统和选煤厂能力与两个矿井能力相匹配，并留有1000万t/a的余地。 （7）沙曲北翼矿井和南翼矿井为在原沙曲矿井基础上改扩建矿井，华晋焦煤有限责任公司原沙曲矿已形成比较完善的供电系统，在北翼工业场地（北工业场地）北约1km有本公司的华晋110kV变电所，变电所安装两台三圈主变压器（2×25000kVA）；变电所两回110kV电源引自柳林电厂，线路导线型号为LGJ−150mm2，长度分别为2.722km和3.135km。在沙曲选煤厂有本公司的35kV变电所，变电所安装两台主变压器（2×16000kVA）；变电所两回35kV电源引自华晋110kV变电所，线路导线型号为LGJ−150mm2，长度分别为5.547km和5.567km。柳林电厂为吕梁地区的主力电厂，装机容量为（2×100+2×600）MW，在本矿井北约3km已建设下龙花垣220kV变电站。改扩建后沙曲北翼和南翼的供电仍由本公司华晋110kV变电所担负。改扩建后两矿井总用电负荷约为47811kW，按经济电流密度计算110kV线路的导线截面为300mm2。根据《煤炭工业矿井设计规范》第11.2.1条“矿井供电电源应取自电力网中两个不同区域的变电所或发电厂”，在下龙花垣220kV变电站建成后可将一回110kV电源改由此220kV变电站提供、线路导线型号为LGJ−300mm2，长度约为3km；保存一回引自柳林电厂的110kV电源。改扩建后的二回110kV电源供电方式为，下龙花垣220kV变电站提供的电源为主供电源，柳林电厂提供的电源为备用电源；每回电源单独供电时线路压降分别为0.34%或0.42%。因此矿井两回110kV电源满足安全供电的规定。沙曲矿改扩建后改为南北翼两个两矿，负荷增长较大，为便于管理，原则上两矿井的供电系统互相独立。北翼根据地面及井下负荷的分布在下龙花垣风井场地新建一座35kV变电所，担负风井场地地面及井下部分负荷的供电，35kV变电所二回电源引自110kV变电所。北翼北风井场地和北工业场地地面及井下部分负荷由110kV变电所10kV配电室供电。北翼主斜井皮带和副立井场地10kV变电所的电源保存现有供电方式仍由选煤厂35kV变电所供电。南翼根据地面及井下负荷的分布在白家坡风井场地新建一座35kV变电所，担负风井场地地面及井下部分负荷的供电，35kV变电所二回电源引自沙曲选煤厂35kV变电所。南翼其它负荷及选煤厂负荷由沙曲选煤厂35kV变电所供电。（8）由于矿井扩建，实行南北翼同时开采，随着生产能力的增大及采空区的增长，导致瓦斯涌出量增大，导致现有瓦斯抽放系统抽放能力不够，给正常安全生产带来不便，所以本次设计对沙曲矿北翼和沙曲矿南翼瓦斯抽放系统进行二期扩建，将瓦斯抽放系统提成南北翼独立的两套抽放系统，分别服务于沙曲矿北翼和沙曲矿南翼，增长矿井瓦斯抽放能力，提高矿井及工作面瓦斯抽放率。根据井田划分及沙曲矿北翼和沙曲矿南翼的生产规模，在原有北翼瓦斯泵站（4台2BEC67A型水环式真空泵，2台运营，2台备用）及一期扩建工程（2台2BEC72水环式真空泵，1台运营，1台备用）的基础上，设计对沙曲矿现有北翼瓦斯抽放系统进行二期扩建，共同服务于改扩建后的沙曲北翼。在原有南翼1#瓦斯抽放泵站（2台CBF410A-2BV3型水环式真空泵，1台运营，1台备用）和一期扩建工程新建的南翼2#瓦斯泵站（3台2BEC72水环式真空泵，2台运营，1台备用）的基础上，设计对沙曲矿现有南翼瓦斯抽放系统进行二期扩建，共同服务于改扩建后的沙曲南翼。2矿井瓦斯储量及可抽量2.1瓦斯储量计算范围计算范围为整个矿井的所有采区，面积约135Km2，瓦斯储量计算的纵向范围为矿井一、二水平。参与瓦斯储量计算的煤层除现开采的4#煤层外，还涉及受开采层采动影响能向矿井涌出瓦斯的上邻近层2#、3#煤层和下邻近层5#、6#、8#、9#和10#煤层以及围岩中的瓦斯。2.2瓦斯储量及可抽量瓦斯储量一般是指煤田开发过程中可以向矿井排放瓦斯的煤层（涉及不可采煤层）及围岩所赋存的瓦斯总量，其计算公式为：式中：Wk—矿井瓦斯储量，Mm3；W1—可采煤层的瓦斯储量之和，Mm3；A1i—矿井第i个可采煤层的煤炭储量，Kt；X1i—第i个可采煤层的瓦斯含量，m3/t；W2—可采煤层采动影响范围内的不可采邻近煤层的瓦斯储量之和，Mm3；A2i—可采煤层采动影响范围内第i个不可采邻近煤层的煤炭储量，Kt；X2i—可采煤层采动影响范围内第i个不可采邻近煤层的瓦斯含量，m3/t；W3—受采动影响的围岩瓦斯储量，Mm3；k—围岩瓦斯储量系数，计算时将1#、7#、11#等不可采薄煤层及其它煤线在这里一并考虑，取k=0.15。可抽瓦斯量是指矿井瓦斯储量中能被抽出的瓦斯量，其计算公式为：式中：Wkc—矿井可抽瓦斯量，Mm3；ηk—矿井瓦斯抽放率，%。按照我国目前抽放瓦斯的实际水平，结合本矿抽放所采用的方法（本煤层抽放、邻近层抽放），ηk取30%。根据上述计算方法和公式，沙曲矿瓦斯储量及可抽量的计算结果汇总于表2-1。表2-1瓦斯储量及可抽量汇总表类别煤层地质储量（Kt）平均瓦斯含量（m3/t）瓦斯储量（Mm3）可抽量（Mm3）开采层449502010.894543.341363.00邻近层211537010.651043.16312.95312331012.551203.52361.06540592012.083705.101111.5368242010.15678.03203.41869892013.527958.282387.4897505017.01998.17299.451025627012.632484.81745.44围岩——————3392.161017.65合计26006.577801.97注：各煤层瓦斯含量来源于沙曲矿煤层瓦斯基础参数测定报告。3瓦斯涌出量预测3.1瓦斯涌出量预测方法本矿井瓦斯涌出量的预测，采用国家安全生产监督管理总局2023年5月1日实行的《矿井瓦斯涌出量预测方法》（AQ1018-2023）的分源预测法。分源预测法的技术原理是：根据煤层瓦斯含量和矿井瓦斯涌出的源汇关系（图3-1），运用瓦斯涌出源的瓦斯涌出规律并结合煤层的赋存条件和开采技术条件，通过对回采工作面和掘进工作面瓦斯涌出量的计算，达成预测采区和矿井瓦斯涌出量的目的。汇：矿井瓦斯涌出汇：矿井瓦斯涌出生产采区瓦斯涌出源：已采采区采空区瓦斯涌出回采工作面瓦斯涌出掘进工作面瓦斯涌出源：生产采区采空区瓦斯涌出源：开采层瓦斯涌出源：邻近层瓦斯涌出源：煤壁瓦斯涌出源：落煤瓦斯涌出图3-1矿井瓦斯涌出源汇关系示意图（1）回采工作面瓦斯涌出量计算回采工作面瓦斯涌出量涉及开采层瓦斯涌出量和邻近层瓦斯涌出量两部分组成。①开采煤层（涉及围岩）瓦斯涌出量计算Q1-1＝K1•K2•K3•(X–Xc)式中：Q1-1——开采煤层(涉及围岩)瓦斯涌出量，m3/t；K1——围岩瓦斯涌出系数，与围岩岩性、围岩瓦斯含量及顶板管理方法有关，一般按顶板管理方法取值。所有陷落法管理顶扳时，K1＝1.20；K2——工作面丢煤瓦斯涌出系数，K2＝1/η，η为工作面回采率；X——煤的原始瓦斯含量，m3/t；Xc——煤的残存瓦斯含量，m3/t；K3——采区内准备巷道预排瓦斯对开采层煤体瓦斯涌出的影响系数。采用长壁后退式回采时，K3按下式拟定：K3＝（L-2h）/LL——工作面长度，m；h——巷道瓦斯排放带宽度，m。根据本矿井具体条件，取h=20m。②邻近层瓦斯涌出量计算Q1-2=式中：Q1-2——邻近层瓦斯涌出量，m3/t；mi——第i个邻近层的煤厚，m；m0——开采煤层的开采厚度，m；Xi——第i个邻近层的瓦斯含量，m3/t；Xic——邻近层的残存瓦斯含量，m3/t；Ki——第i个邻近层受采动影响的瓦斯排放率。Ki值与邻近层的位置、煤层倾角、层间距离等多种因素有关。可根据层间距由图3-2查取。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图3-2邻近层瓦斯排放率与层间距的关系曲线③回采工作面的瓦斯涌出总量为：Q1＝Q1-1＋Q1-2式中：Q1——回采工作面的瓦斯涌出量，m3/t。（2）掘进工作面瓦斯涌出量计算掘进工作面瓦斯涌出量涉及掘进巷道煤壁瓦斯涌出量和掘进落煤瓦斯涌出量两部分组成。①掘进巷道煤壁瓦斯涌出量Q2-1＝D•V•q0（2-1）式中：Q2-1——掘进巷道煤壁瓦斯涌出量，m3/min；D——巷道断面内暴露煤面的周边长度，m。对于薄及中厚煤层，D＝2m0，m0为煤层厚度，对于厚煤层，D=2h+b，h及b分别为巷道的高度及宽度；V——巷道平均掘进速度，m/min；L——巷道长度，m；q0——暴露煤壁初始瓦斯涌出强度，m3/min•m2。②掘进巷道落煤瓦斯涌出量Q2-2=S•V•ρ•(X-Xc)式中：Q2-2——掘进巷道落煤瓦斯涌出量，m3/min；S——掘进巷道断面积，m2；V——巷道平均掘进速度，m/min；ρ——煤的密度，t/m3；X——煤的原始瓦斯含量，m3/t；Xc——煤的残存瓦斯含量，m3/t。③掘进工作面瓦斯涌出量为：Q2＝Q2-1＋Q2-2式中：Q2——掘进工作面瓦斯涌出量，m3/min。（3）采区瓦斯涌出量计算采区瓦斯涌出量，系采区内所有回采工作面、掘进工作面（巷道）和采空区瓦斯涌出量之和，按下式计算：Q3=式中：Q3——生产采区瓦斯涌出量，m3/t；K’——生产采区采空区瓦斯涌出系数；q2i——第i个回采工作面的瓦斯涌出量，m3/t；Ai——第i个回采工作面的平均日产量，t/d；q1i——第i个掘进工作面(巷道)的瓦斯涌出量，m3/min；A0i——生产采区回采煤量和掘进煤量之总和，t/d。（4）矿井瓦斯涌出量计算矿井瓦斯涌出量是矿井内所有生产采区和已采采区（涉及其它辅助巷道）瓦斯涌出量之和，按下式计算；Q＝式中：Q——矿井瓦斯涌出量，m3/t；K”——已采采空区瓦斯涌出系数；q3i——第i个生产采区的瓦斯涌出量，m3/t；A0i——第i个生产采区的产煤量，t/d。3.2矿井瓦斯涌出量预测结果（1）沙曲矿北翼瓦斯涌出量预测结果沙曲矿北翼达成500万t/a生产能力时，全矿井绝对瓦斯涌出量为381.28m3/min，其中回采工作面绝对瓦斯涌出量为175.15m3/min，占全矿井涌出量的45.9%，回采工作面瓦斯涌出量中，开采层瓦斯涌出量占45%，邻近层瓦斯涌出量占55%；掘进工作面绝对瓦斯涌出量为34.06m3/min，占全矿井涌出量的8.9％；采空区绝对瓦斯涌出量为172.07m3/min，占全矿井涌出量的45.2%。沙曲矿北翼达成500万t/a生产能力时，各地点瓦斯涌出量预测结果见表3-1。表3-1沙曲矿北翼达成500万t/a生产能力时各地点瓦斯涌出量预测序号涌出地点涌出量（m3/min)涌出比例(%)1回采工作面涌出量175.1545.9其中北一采区工作面28.38北三采区工作面120.53北二采区工作面26.242掘进工作面涌出量34.068.9其中北一采区顺槽掘进5.23北三采区顺槽掘进25.46北二采区顺槽掘进3.373采空区及其他172.0745.2涌出量合计381.28100（2）沙曲矿南翼瓦斯涌出量预测结果沙曲矿南翼达成300万t/a生产能力时，瓦斯绝对涌出量为317.15m3/min，其中回采工作面绝对涌出量为149.74m3/min，占全矿井涌出量的47.2％，回采工作面瓦斯涌出量中，开采层瓦斯涌出量占45%，邻近层瓦斯涌出量占55%；掘进工作面绝对瓦斯涌出量为30.97m3/min，占全矿井涌出量的9.8％；采空区绝对瓦斯涌出量为136.44m3/min，占全矿井涌出量的43.0％。沙曲矿南翼达成300万t/a生产能力时，各地点瓦斯涌出量预测结果见表3-2。表3-2沙曲矿南翼达成300万t/a生产能力时各地点瓦斯涌出量预测序号涌出地点涌出量（m3/min)涌出比例(%)1回采工作面涌出量149.7447.2其中南一采区工作面66.41南四采区工作面59.79南三采区工作面23.542掘进工作面涌出量30.979.8其中南一采区顺槽掘进9.46南四采区顺槽掘进14.99南三采区薄煤层工作面顺槽掘进6.523采空区及其他136.4443.0涌出量合计317.151004矿井瓦斯抽放改扩建的必要性和可行性4.1抽放瓦斯改扩建的必要性根据国家安全生产监督管理总局2023年发布的《煤矿瓦斯抽放规范》（AQ1027-2023）4.1节规定，凡符合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移动泵站抽放瓦斯系统：（1）一个采煤工作面绝对瓦斯涌出量大于5m3/min或一个掘进工作面绝对瓦斯涌出量大于3m3/min，用通风方法解决瓦斯问题不合理的。（2）矿井绝对涌出量达成以下条件的：1.大于或等于40m3/min；2.年产量1.0～1.5Mt的矿井，大于30m3/min；3.年产量0.6～1.0Mt的矿井，大于25m3/min；4.年产量0.4～0.6Mt的矿井，大于20m3/min；5.年产量小于或等于0.4Mt的矿井，大于15m3/min。（3）开采有煤与瓦斯突出危险煤层的。下面从四个方面来具体分析本矿瓦斯抽放的必要性。4.1.1从矿井瓦斯涌出情况来看瓦斯抽放改扩建的必要性根据预测结果，沙曲矿南北翼综采工作面的瓦斯涌出量远大于5m3/min；矿井瓦斯涌出量远大于40m3/min。因此，从瓦斯涌出的现状分析，现有瓦斯抽放系统的抽放能力明显局限性。所以，必须进行瓦斯抽放改扩建，保证矿井安全生产。4.1.2从矿井通风能力来看瓦斯抽放改扩建的必要性采掘工作面实行瓦斯抽放的必要性判断标准是：采掘工作面稀释瓦斯所需的风量大于设计配风量，即下式成立时，抽放瓦斯才是必要的。式中：Q——采掘工作面设计配风量，m3/s；q绝——工作面绝对瓦斯涌出量，m3/min；c——采掘工作面允许的瓦斯浓度上限；k——瓦斯涌出不均衡系数，取1.4～1.6；据计算，沙曲矿南北翼综采采煤工作面稀释瓦斯所需的风量已超过300m3/s，而设计根据煤层通风断面积、风速等因素综合拟定的配风量≤80m3/s，且通过现有瓦斯抽放系统瓦斯抽放后，也不能满足需要。沙曲矿南北翼设计通风能力无法满足矿井稀释瓦斯所需风量的规定，且通过现有瓦斯抽放系统瓦斯抽放后，也不能满足需要，难以保证采掘工作面瓦斯不超限，所以必须进行瓦斯抽放改扩建，保证矿井安全生产。4.1.3从防止煤与瓦斯突出来看瓦斯抽放改扩建的必要性本矿井煤层瓦斯含量较高，瓦斯压力较大，具有煤与瓦斯突出的危险性，且开采深度越来越深，因此，从防止煤与瓦斯突出看，必须进行瓦斯抽放改扩建。4.1.4从资源运用和环保的角度来看瓦斯抽放改扩建的必要性煤层瓦斯重要为甲烷，是煤层形成过程中的一种伴生产物，煤层开采或掘进过程中涌出的瓦斯不仅对矿井安全生产产生威胁，并且破坏地球大气的臭氧层，污染大气环境。根据气候变迁跨国委员会研究报告，瓦斯温室效应是C02的21倍，瓦斯是一种仅次于氟利昂占第二位的重要温室气体。同时，瓦斯又是一种优质的能源，将抽出的瓦斯加以运用，可以变害为宝，不仅改善能源结构，并且减少了对环境的污染，目前国家大力提倡节能减排，节约能源，因此建立地面瓦斯抽放系统，进行瓦斯运用，响应国家政策，可以取得显著的经济效益和社会效益。本矿通过瓦斯抽放改扩建后，可以有效的增长瓦斯抽放量。运用抽放出的瓦斯进行发电及民用等，这对环境保护、资源运用及创收效益都是十分有利的!因此，从资源和环保的角度来看有必要进行瓦斯抽放改扩建。4.2瓦斯抽放改扩建的可行性4.2.1开采层瓦斯抽放改扩建的可行性开采层抽放瓦斯的可行性，是指煤层在天然透气性条件下进行预抽的可行性。衡量其可抽性的指标，一个为煤层的透气性系数（λ），一个为钻孔瓦斯流量衰减系数（α），据此指标将煤层预抽瓦斯的难易限度进行分类，如表4-1所示。表4-1开采层预抽瓦斯难易限度分类表抽放难易限度指标钻孔瓦斯流量衰减系数α(d-1)煤层透气性系数λ(m2/MPa2·d)容易抽放＜0.003＞10可以抽放0.003～0.0510～0.1较难抽放＞0.05＜0.1沙曲矿井实测的4#煤层瓦斯可抽性指标为：百米钻孔极限瓦斯流量q0＝30000m3钻孔瓦斯流量衰减系数α＝0.024～0.028d-1煤层透气性系数λ＝3.524～3.785m2/MPa2·d（0.088～0.095mD）对照表4-1可知，本矿的4#煤层从钻孔瓦斯流量衰减系数和煤层透气性系数来鉴定属于可以抽放的煤层，具有进行本煤层瓦斯抽放改扩建的条件。4.2.2邻近层和采空区瓦斯抽放改扩建的可行性邻近煤层瓦斯抽放，即为通常所称的卸压层瓦斯抽放。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得到卸压后会发生膨胀变形，其透气性会大幅度提高，邻近煤层的卸压瓦斯会通过层间裂隙大量涌向开采空间，为防止和减少邻近层瓦斯涌向开采层，本矿井采用抽放的办法来解决这一部分瓦斯。向4#煤开采空间释放瓦斯的邻近层重要有上邻近层2#、3#煤层和下邻近层5#、6#煤层，各煤层都属于中近距离邻近层，在进行4#煤层开采时，4#煤层顶板垮落，裂隙增长，这样就为瓦斯流动提供了良好的条件，在煤层瓦斯压力的作用下，邻近层的瓦斯通过层间裂隙向4#煤层回采空间大量涌入；采空区存在大量的瓦斯将在通风负压的作用下又向回采工作面涌出，势必导致回采工作面及回风隅角的瓦斯超限。本矿井在4#煤层开采过程中，运用现有瓦斯抽放系统抽放邻近层和采空区的瓦斯，且能力明显局限性。瓦斯抽放改扩建后，能有效增长邻近层和采空区的瓦斯抽放量，保证矿井安全生产，所以进行瓦斯抽放改扩建是可行的。4.2.3瓦斯抽放系统改扩建的条件根据数年来沙曲矿地质勘探及瓦斯涌出量预测的结果分析，随着开采深度增长，瓦斯有明显增长的趋势，且现有瓦斯抽放系统的瓦斯抽放能力明显局限性，所以沙曲矿已经具有了对现有瓦斯抽放系统进行改扩建的条件。沙曲矿目前建设有三个瓦斯抽放站，分别为：南翼1#瓦斯抽放泵站、南翼2#瓦斯抽放泵站及北翼瓦斯抽放泵站。南翼1#瓦斯抽放站装备有CBF410A-2BV3型抽放泵2台（1备1用），单台电机功率185kW，额定流量150m3/min，重要承担矿井南翼区域已采区（14101、14102、14103、14201、14202）的采空区抽放，Φ325mm主管路,管路长度4950m。目前抽放负压最大150mmHg，平均节流28mmH2O,平均浓度37%，平均混合量45m3/min，平均纯量16.65m3/min，供应柳林民用。南翼2#瓦斯抽放装备有2BEC-72型抽放泵3台（1备2用），单台电机功率900kW，额定流量600m3/min，重要承担矿井南翼区域的瓦斯综合抽放。Φ630mm主管路，管路长度5860m。其中南翼2#瓦斯泵站一台瓦抽泵承担低浓度瓦斯抽放。目前抽放负压最大275mmHg，平均节流888mmH2O,平均浓度9%，平均混合量297m3/min，平均纯量27m3/min；南翼2#瓦斯泵站另一台泵承担高浓度瓦斯抽放。目前抽放负压最大210mmHg，平均节流416mmH2O,平均浓度32%，平均混合量236m3/min，平均纯量75m3/min，供应选煤厂燃气锅炉运用。北翼抽放泵站装备有4台2BEC-67A型水环式真空泵（1#、2#、3#、4#泵）和2台2BEC-72型抽放泵（5#、6#泵），其中2#、3#、5#、6#泵运营，1#、4#泵备用。2#、3#、5#泵抽出的低浓度瓦斯排空。2#、3#泵并联带抽北翼井下C号低浓Φ450mm主管路，重要抽放气源为：22201、22202掘进工作面保护层预抽钻孔、24201、24302已采面采空区，该管路平均抽放混合量为181m3/min，平均抽放浓度为8%，平均抽放纯量为15m3/min；5#泵带抽北翼井下B号低浓Φ630mm主管路，重要抽放气源为24202综采工作面采空区，24101、24102、24103已采面采空区，该管道平均抽放混合量为302m3/min，平均浓度为8%，平均纯量为23m3/min。6#泵抽出的高浓度瓦斯进行发电，6#泵带抽北翼井下A号高浓Φ630mm主管路，重要抽放气源为：24202综采工作面本煤层钻孔及采空区高位钻孔，24207掘进工作面本煤层预抽钻孔，24208澳钻区域预抽钻孔，24301、24303已采面采空区，该管路平均抽放混合量为326m3/min，平均抽放浓度为32%，平均抽放纯量为104m3/min。沙曲矿初期生产能力为3.0Mt/a，后期南北翼开采，生产能力为8.0Mt/a。随着生产能力的增大及采空区的增长，导致瓦斯涌出量增大，导致现有瓦斯抽放系统抽放能力不够，给正常安全生产带来不便，所以本次设计对沙曲矿南、北翼瓦斯抽放系统进行改扩建。瓦斯抽放系统改扩建投入抽放后，采用有效的抽放瓦斯方法，可以取得良好的抽放效果。4.3抽放站布置4.3.1布置原则抽放瓦斯泵站位置必须符合下列规定：（1）泵站最佳设在回风井工业广场内，站房距井口和重要建筑物以及居民点不得小于50m，并用栅栏或围墙保护；（2）泵房内和泵房周边20m以内严禁明火；（3）泵站位置应考虑到便于运用和敷设管路；（4）泵站位置应选在运送、供水和供电方便的地点；（5）泵站应设在不受洪涝威胁且工程地质条件可靠地带，应避开滑坡、溶洞、断层破碎带及塌陷区等。4.3.2位置选择（1）南翼新建3#瓦斯抽放泵站布置沙曲矿现有南翼1#泵站位于南工业广场1#回风井南侧，南翼2#泵站位于南工业场地东南角。根据对抽放泵站场地位置的选择分析，经煤科总院沈阳研究院和建设单位共同现场踏勘，并充足考虑地面运送、供电等条件，设计将新建南翼3#瓦斯抽放泵站布置在白家坡风井工业场地回风立井正北，通风机房前面。该场地地形较平坦、开阔，可以保证安全瓦斯抽放。（2）北翼新建1#瓦斯抽放泵站布置沙曲矿现有的北翼瓦斯抽放泵站位于北风井工业场地南侧约1.5km处。根据对抽放泵站场地位置的选择分析，经煤科总院沈阳研究院和建设单位共同现场踏勘，并充足考虑地面运送、供电等条件，设计将新建北翼1#瓦斯抽放泵站布置在高家山北风井工业场地原矸石排放场。该场地地形较平坦、开阔，可以保证安全瓦斯抽放。新建南翼3#瓦斯抽放泵站和新建北翼1#瓦斯抽放泵站两处场地这样选择既充足运用原有场地,不另新增用地,又方便地下管路铺设。新建南翼3#瓦斯抽放泵站和新建北翼1#瓦斯抽放泵站的重要建筑有瓦斯抽放泵站和水池等，场地布置根据尽量减少占地的原则和规程规范的规定，且远离锅炉房等产生明火的建构筑物。5抽放瓦斯方法5.1矿井瓦斯来源分析矿井在开采4#煤层期间的瓦斯来源由以下三部分组成：回采工作面的瓦斯涌出、掘进工作面的瓦斯涌出和采空区（涉及围岩）的瓦斯涌出。各瓦斯源涌出的瓦斯占矿井瓦斯的涌出比例与矿井的开采深度和矿井的生产接续布局、采掘强度等有关，根据矿井瓦斯涌出量预测结果，计算拟定本矿生产时期的瓦斯涌出构成为：沙曲矿北翼回采工作面瓦斯涌出占45.9%，掘进工作面瓦斯涌出占8.9％，采空区瓦斯涌出占45.2%。其中回采工作面瓦斯涌出中，开采层瓦斯涌出占45%，邻近层瓦斯涌出占55%。沙曲矿南翼回采工作面瓦斯涌出占47.2％，掘进工作面瓦斯涌出占9.8％，采空区瓦斯涌出占43.0％。其中回采工作面瓦斯涌出中，开采层瓦斯涌出占45%，邻近层瓦斯涌出占55%。可以看出，本矿南北翼瓦斯涌出构成中以回采工作面和采空区瓦斯涌出为主，占全矿井瓦斯涌出量的90%左右，因此矿井的瓦斯治理重点应放在回采工作面和采空区上。5.2瓦斯抽放方法5.2.1选择瓦斯抽放方法的原则煤矿抽放瓦斯是减少矿井和采区瓦斯涌出量的有效途径。我国煤矿的瓦斯抽放方法按瓦斯来源大体可以分为以下五类：(1)开采层瓦斯抽放方法；(2)邻近层瓦斯抽放方法；(3)采空区瓦斯抽放方法；(4)围岩瓦斯抽放方法；(5)综合抽放瓦斯方法。其中综合抽放瓦斯方法是前四类方法中两种或两种以上方法的配合使用。选择抽放瓦斯的方法时应遵循如下的原则：(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)抽放方法的选取应根据瓦斯来源及涌出构成进行，应尽也许采用综合抽放瓦斯方法，以提高抽放瓦斯效果；(3)选择的抽放瓦斯方法应有助于减少井巷工程量，实现抽放巷道与开采巷道的结合；(4)选择的抽放瓦斯方法应有助于抽放巷道的布置与维护；(5)选择的瓦斯抽放方法应有助于提高瓦斯抽放效果，减少抽放成本；(6)选择的瓦斯抽放方法应有助于钻场、钻孔的施工、抽放系统管网敷设，有助于增长抽放钻孔的瓦斯抽放时间。5.2.2瓦斯抽放方法根据前面对矿井采、掘工作面瓦斯涌出量的预测、矿井抽放瓦斯必要性的阐述和对工作面瓦斯来源和涌出构成的分析，结合沙曲矿开拓开采技术条件，可以采用的瓦斯抽放方法有：本煤层瓦斯抽放；邻近层瓦斯抽放；采空区瓦斯抽放；本煤层、邻近层和采空区综合瓦斯抽放。按照沙曲矿南北翼回采工作面的设计产量、瓦斯涌出量、通风能力以及目前的瓦斯抽放水平，经全面分析计算，沙曲矿为达成设计的产量，无论南翼还是北翼的各回采工作面都必须采用本煤层、邻近层和采空区同时抽放的综合瓦斯抽放方法，否则难以达成设计的生产能力。（1）本煤层瓦斯抽放本煤层瓦斯抽放可分为开采层未卸压抽放和卸压抽放两种方法。前已述及，本矿4#煤层属于可以抽放的煤层，设计在4#煤层回采工作面采用未卸压抽放（预抽）和边采（掘）边抽方法。运用回采工作面回风巷向煤层打迎面斜交和平行于工作面的钻孔预抽瓦斯。但假如打钻施工等有困难时，也可分别从工作面的回风、胶带巷双向布置钻孔，以提高工作面的抽放量，从而提高瓦斯抽放率，减少开采层的瓦斯涌出量。如图5-1所示。图5-1本煤层斜交和平行工作面钻孔预抽瓦斯示意图通过对本矿4#煤层掘进工作面瓦斯涌出量预测，其结果超过相关规定的3m3/min，且采用通风方法不合理，特别是掘进工作面进入地质构造区域内，煤层瓦斯含量有也许增大，必须采用边掘边抽方法，减少掘进工作面瓦斯涌出量，以减轻掘进工作面的通风承担，提高巷道的掘进速度，缓解矿井采掘接替紧张问题。掘进工作面抽放瓦斯方法重要为运用巷道两帮的卸压条带，向巷道前方施工抽放钻孔进行瓦斯抽放，抽放方法如图5-2和图5-3所示。图5-2掘进工作面抽放瓦斯方法示意图（单巷掘进）图5-3掘进工作面抽放瓦斯方法示意图（双巷掘进）（2）邻近层瓦斯抽放邻近层瓦斯抽放是沙曲矿井瓦斯治理的重点之一。前已述及，沙曲矿井的上、下邻近层均为中、近距离的邻近层，瓦斯涌出量占全矿井的六成左右，南翼稍大、北翼稍小。1）上邻近