兴无矿井下移动抽采系统研究

本科论文摘要煤矿瓦斯抽采在采矿过程中是一项非常重要的技术。现在中国所有的矿山都建立了天然气开采系统，因此为矿井设计一个完整有效的井下移动抽采系统是非常必要的。本文基于对兴无矿业的概况，设计研究了一套完整的井下移动抽采系统，结合兴无矿业的实际情况及生产运行规律建立了一套完整的井下移动抽采系统，对有效解决该煤矿的瓦斯抽采，对保障该煤矿的安全生产具有重要意义。通过对兴无煤业4号煤层的瓦斯实际含量检测得出的结果，该煤矿属于高瓦斯煤矿。在生产工作中，瓦斯含量的高低时刻影响着矿井的安全状态。超过标准就会威胁矿山的安全生产。采取积极有效的措施，有利于降低瓦斯含量，保障矿井安全生产。因此，设计经下移动抽采系统时要十分注意，这关系到整个矿井的安全生产。开采4号煤层时回采工作面瓦斯涌出以开采层为主，邻近层为辅。兴无矿业瓦斯的赋存规律是由地质，地理等因素综合作用的结果。本次设计结合兴无煤业煤层赋予瓦斯来源等特点，采用顺层钻孔抽采的方法。通过对兴无煤业矿井瓦斯抽采系统分析，计算该矿井的瓦斯涌出量并采取有效的瓦斯抽采方法，为兴无煤业提供了可行性的方案，也对类似矿井瓦斯抽采设计提供了参考依据。关键词：煤矿安全；瓦斯抽采；高瓦斯矿井；瓦斯涌出AbstractThecaptureoffiredampincoalminesisanimportantmeasureforthepreventionoffiredampexplosionsandfiredampreleases.Gasdrainagetechnologyreferstotheuseofspecialfacilitiesincoalseam，rockandgoafgasextractiontechnology.BasedonthegeneralsituationofXingwuminingindustry，acompleteundergroundmovingextractionsystemisdesignedandstudied，andacompleteundergroundmovingextractionsystemisestablishedaccordingtotheactualsituationofXingwuminingindustryanditisofgreatsignificancetoeffectivelysolvetheproblemofgasdrainageinthecoalmine.BasedontheactualgascontentofNo.4coalseaminXingwuCoalIndustry.Safetyproductionisthemostimportantmanagementworkinmineoperation，inwhichgascontentisanimportantfactoraffectingminesafety.Takingactiveandeffectivemeasurestoreducegascontentishelpfultoensureminesafetyproduction.Therefore，intheproductionprocessofhighgasmine，analysisofgasdrainagemethodandtechnologicalimprovementwillhelptoreducegascontentquantity，toensureminesafetyproduction.WhenminingNo.4coalseam，gasemissionfromminingfaceisdominatedbymininglayer，supplementedbyadjacentlayer.TheoccurrenceruleofgasinXingwuMineistheresultofthecombinationofgeologyandgeography.ThisdesigncombinedwithXingwucoalcoalseamtogivegassourceandothercharacteristics，usingthemethodofboreholedrainage.ThroughanalyzingthegasdrainagesystemofXingwucoalmine，calculatingthegasemissionandadoptingtheeffectivegasdrainagemethod，thispaperprovidesafeasibleschemeforXingwucoalindustry，andalsoprovidesareferenceforthesimilarminegasdrainagedesign.Keywords：coalminesafety；gasdrainage；highgasmine；gasemission目录TOC\o"1-3"\h\u13584第1章矿井概况 132351.1位置与交通 1243771.2自然地理 2244371.2.1地形、地貌及河流 2109961.2.2气象、地震 218731.3矿井地质 229081.3.1井田基本构造形态 3293801.4煤层赋存及煤质 3258941.4.1含煤性 3191041.4.2可采煤层 42601.4.3煤质 449451.5瓦斯、煤尘和煤的自燃 7159141.5.1瓦斯 7209441.5.2煤尘 7281551.5.3煤的自燃 764201.6矿井开拓 8189861.6.1开拓方式 8195131.6.2采煤方法 8165911.7矿井通风 9690第2章瓦斯涌出量预测 10282292.1煤层瓦斯基础参数 10100542.2瓦斯涌出量预测 1168562.2.1影响矿井瓦斯涌出量的主要因素 11285782.2.2瓦斯涌出量预测方法 115532.2.3预测条件 12311702.2.4回采工作面瓦斯涌出量预测 1277082.3工作面瓦斯来源分析 141422第3章瓦斯抽采量计算 15122603.1瓦斯抽采方法的选择 15133943.2瓦斯抽采方法的确定 15277503.3抽放钻孔参数确定 15176603.4现采空区抽采防灭火措施 1515273.5抽采瓦斯效果预计 16151713.6建立抽采系统的类型 17269653.7抽采检测仪表 174397第4章瓦斯抽采管路系统 18285884.1瓦斯抽采管路系统的选择原则 18198464.2瓦斯管路敷设路线 1855374.3瓦斯抽采管径选择 18284854.4管路敷设及附属装置 1919624.5瓦斯管的连接方式 20238014.6抽采设备布置及选型 2157004.6.1选型原则 21165574.6.2抽采泵流量计算 21309194.6.3瓦斯抽采泵压力计算 21153374.6.4真空度计算 2315334第5章瓦斯抽采泵选型 24319265.1抽采泵选型 24248615.1.1瓦斯抽采泵站主要附属设施 25173645.2抽采管路、设备的安装要求 2678335.3瓦斯抽采泵站 2611647第6章结论 2727488参考文献 2822899致谢 298646附录一外文译文 30附录二中文翻译矿井概况1.1位置与交通山西柳林兴无煤矿有限责任公司，地处距离柳林县城东6km处，行政划属柳林县庄上镇管辖。东经110°54′24″～110°56′48″，北纬37°21′24″～37°24′29″是其地理位置坐标。该井田在山西省柳林县境内，工业场地位于柳林县庄上镇庄上村，位于柳林县县城南6km，距离太原240km。井田西北、北、东北、东、南分别与山西柳林汇丰兴业等其他矿井相邻。井田位置及交通情况见下图1-1。图1-1兴无井田位置及交通图1.2自然地理1.2.1地形、地貌及河流井田是低山丘陵区，具体位置在山西省西部河东煤田中段。井田内部地质环境因长期收侵蚀冲刷导致沟谷纵横，被黄土大面积覆盖，西北地势低，东南较高，地形地貌，复杂多变。井田内海拔最高点+1095m（双枣圪垯），海拔最低点+846m（前元庄），相对高最大差约250m。该范围没有大型水系和河流。区内主要的河流为，其先从东南流经矿井工业场地向西北旁，再从柳林县城北侧附近汇入三川河。矿井南部山区是其发源地，全长大约60km，是季节性的溪流，受到小泉补给。1.2.2气象、地震本区所在的位置典型的大陆性气候，大陆性气候，有较为明显的四季交替，日平均气温最高25.6℃，最低-6.5℃，次年3月份开始解冻，冻土厚度最大为0.91m；最大日平均风速3.1m/s；年降雨量364.5～577.6mm，大多集中在7、8月份；年蒸发量1712mm。1.3矿井地质各地层特征简述如下表1-1[1]：表1-1矿井各地质层特征地质层特征奥陶系（O）厚度约431.20m，其中峰峰组厚、马家沟组厚分别为84.50m、345.70m。揭露本区最大钻孔厚度为19.98m，为厚层状深灰色石灰岩岩性，上部呈棕红色含较多铁质而下部较纯呈乳白色。石炭系中统本溪组（C2b）上部主要为泥岩，砂岩，砂质泥岩等。该组地层厚度相对稳定，厚度为36.98~42.99m，层积较厚。平均42.10m，它与下伏奥陶纪峰峰组平行不整合面接触；石炭系中统本溪组（C2b）中段沉积三层灰岩，相对稳定；下部主要都是铝土矿泥岩。本地钻孔铁元素含量特别高，是山西式铁矿石。二叠系下统山西组（P1S）本组厚度31.80～67.91m，为平均61.61m，厚度在全区变化较小。与下伏太原组地层呈整合接触。续表1-1矿井各地质层特征地质层特征二叠系下统下石盒子组（P1X）总体主要由灰绿、灰白色、灰黑色泥岩、砂岩、砂质泥岩及小量紫红色泥岩组成的陆相沉积、沉积厚度为112.27m左右，与下伏山西组地层连续沉积；和下伏山西组地层形成整合接触；上段由泥岩、砂岩沉积构成，顶部泥岩沉积为紫红色，是上、下石盒子组分界的标志层，本段厚度为71.00～92.00m；下段以砂岩、泥岩沉积为主、下部为中、细砂岩沉积，中部为泥岩沉积，上部为砂岩沉积；顶部为灰黑色泥岩沉积，含铝土，厚度为34.00～48.70m。二叠系上统上石盒子组（P2S）总体为一套砂岩、泥岩、砂质泥岩、铝土质泥岩组成的陆相沉积，本井田只有少部分钻孔揭露此段地层。本组地层厚度为146.09m。和下伏地层石盒子组岩层形成整合接触；中段主要为砂岩、泥岩沉积。本段厚度为116.06m；下段下段：以灰白色砂岩，灰绿色-紫色泥岩沉积为主。本段厚度为31.03m。第三系（N）、第四系（Q）厚度37.9m左右，主要由黄土及红土组成；另外有少量冲积的砂砾层，砂层和次生的黄土等，与下伏上二叠统上石盒子组呈角度不整合接触。1.3.1井田基本构造形态兴无井田位于吕梁背斜的西翼、地层大致走向为北偏北西至北偏西南，倾斜角一般2º至8º。井田内构造简单，没有断层，没有大的褶皱，但在井田中间却形成了小褶皱。1.4煤层赋存及煤质1.4.1含煤性井田内含煤地要为二叠系下统山西组（P1S）和石炭系上统的太原组（C3t），含煤地层总厚度153.17m，共含煤9～10层，含煤地层特征简述如下表1-2：表1-2含煤地层特征地层特征山西组本组含煤建造类型主要以三角洲相为主，基本反映了温室条件下形成的含煤建造；续表1-2含煤地层特征地层特征太原组本组地层厚73.10m～93.80m，平均为91.56m，有5到6层煤，总厚度为7.65m，煤系数为8.37％。6、8、9和10号煤层在整个区域内具有稳定的沉积。岩性由石灰岩，泥岩，砂岩，铝土矿泥岩，煤层等组成，煤层与煤层线组成的海陆交替相。1.4.2可采煤层井田内稳定可采煤层6层（5、6、8、9、10），各叙述如下表1-3：表1-3煤层特征煤层特征5号位于山西组底部，较稳定的可采煤层之一。4号上煤层厚度7.11m，厚度为0.46~1.91m，平均值为1.23m。它的大部分都可以开采，并且包含厚度为0~0.31m的煤岩层。煤层顶板是一套湖相沉积物，岩性为泥岩和砂质泥岩。底板是一套湖相沉积物，岩性是泥岩、细砂岩；6号位于太原组L5灰岩的下部，不稳定，局部可采煤层。厚度0～1.46m，平均0.78m。煤层顶板为一套浅海相石灰岩沉积；底板为一套过渡相沉积，岩性为砂质泥岩；8号位于太原组的中部，上距6号煤层23.94m，厚度0.50m～2.50m，平均1.44m。结构一般简单，不含或含一层夹矸，局部含2～3层夹矸，在井田内沉积基本稳定。顶板为石灰岩，底板为泥岩、砂质泥岩；9号太原组煤层，全区沉积稳定，大多数可采，可采主要煤层之一。厚度1.29m～2.11m，平均1.89m，含1～2层夹矸。煤层的顶底板均为一套闭流沼泽相泥岩，砂质泥岩沉积；10号太原组煤层，厚度0.90m～2.60m，平均2.00m，含0～2层夹矸，全区沉积稳定，大多数可采。煤层顶板和底板都是一套封闭的沼泽相的泥岩，砂质泥岩沉积。1.4.3煤质（1）物理性质在生产矿井中开采的煤中观察到的煤芯煤样品和每个煤层为粉状呈现黑色，光泽度很好，有黑色和棕色的纹理，内部产生裂纹，比较柔软，容易脆裂，一般是由硬煤和轻煤两种成分构成，而煤岩的类型是轻煤球。根据该地区采集的煤核煤样品的测试结果，山西省煤层属于中等变性焦炭，太原集团煤层属于易变形性瘦煤。（2）化学性质依据中国煤炭分类国家标准（GB5751-86），得出本区煤质测试的结果，4、5号煤属焦煤，8、9、10号煤为瘦煤，6号煤层由于采样不足，尚未对其进行分析。在垂直分区中，山西组煤层为焦煤，除6号煤层外太原组煤层均为瘦煤。（3）各煤层的煤质依分析如下表1-4：表1-4地质报告煤层成分分析4号煤层（该煤层为低灰—中灰、低硫分焦煤）水分（Mad）原煤12.33～19.74%，平均17.45%；浮煤6.98～10.13%，平均9.21%。挥发分（Vdaf）原煤0.47～1.88%，平均1.13%；浮煤0.60～1.31%，平均0.64%。灰分（Ad）：原煤1.01～2.98%，平均1.77%；浮煤0.56～0.98%，平均0.67%发热量（Qgr.d）原煤20.33～24.61%，平均23.87%；浮煤15.33～20.98%，平均17.67%全硫（St.d）原煤33.45～38.77MJ/kg，平均36.34MJ/kg。最大胶质层厚度（Y值）：5.85～15.81mm，平均11.28mm粘结性指数（GR.I）40.6～90.5，平均72.8。5号煤层（该煤层为特低灰--中灰、低硫分--中硫分焦煤）水分（Mad）原煤0.60～1.21%，平均0.78%；浮煤0.50～0.61%，平均0.54%灰分（Ad）原煤11.98～25.12%，平均20.37%；浮煤6.31～11.67%，平均8.33%挥发分（Vdaf）原煤20.72～22.71%，平均21.83%；浮煤17.99～18.82%，平均18.59/%全硫（St.d）原煤1.14～3.13%，平均2.02%；浮煤0.67～1.16%，平均0.85%发热量（Qgr.d）原煤35.04～35.88MJ/kg，平均35.15MJ/kg。粘结性指数（GR.I）65.0～79.2，平均70.6元素分析碳（Cdaf）89.51～90.16，续表1-4地质报告煤层成分分析6号煤层（煤层为中灰、中高硫焦煤）水分（Mad）原煤0.91～2.02%，平均1.48%。灰分（Ad）：原煤24.56～35.55%，平均30.1%挥发分（Vdaf）煤27.8～28.52%，平均28.02%。原全硫（St.d）原煤1.63～2.22%，平均2.03%发热量（Qgr.d）原煤31.97～34.55MJ/kg，平均33.69MJ/kg8号煤层（为低灰--中灰、中低硫-高硫分瘦煤）水分（Mad）原煤0.61～1.29%，平均0.84%；浮煤0.27～1.34%，平均0.71%灰分（Ad）原煤11.93～21.84%，平均18.03%；浮煤6.93～9.67%，平均8.16%挥发分（Vdaf）原煤18.02～19.59%，平均18.83%；浮煤15.75～17.62%，平均16.67%全硫（St.d）原煤0.98～4.66%，平均2.76%；浮煤0.88～2.23%，平均1.62%8号煤层（为低灰--中灰、中低硫-高硫分瘦煤）发热量（Qgr.d）原煤34.88～35.97MJ/kg，平均35.58MJ/kg，胶质层最大厚度（Y值）为0粘结指数（GR.I）4.0～32.1，平均21.5元素分析碳（Cdaf）90.26～92.73%，平均91.51%；氢（Hdaf）4.40～4.77%，平均4.61%；氮（Ndaf）1.31～1.41%，平均1.36%；氧（Odaf）2.98～3.16%，平均3.06%9号煤层（该煤层为低灰--中灰、中硫分-高硫分瘦煤）水分（Mad）原煤0.54～1.16%，平均0.84%；浮煤0.38～1.19%，平均0.66%灰分（Ad）原煤13.38～22.37%，平均17.61%；浮煤6.82～10.07%，平均8.35%挥发分（Vdaf）原煤17.77～21.61%，平均19.45%；浮煤15.16～17.98%，平均16.92%全硫（St.d）原煤1.27～5.31%，平均2.77%；浮煤1.05～1.58%，平均1.32%发热量（Qgr.d）原煤34.73～35.84MJ/kg，平均35.51MJ/kg。胶质层最大厚度（Y值）0～7.4mm，平均3.8mm粘结性指数（GR.I）5.6～56.2，平均38.2元素分析碳（Cdaf）89.53～89.81%10号煤层（为低灰-中灰、低硫分-高硫分瘦煤）水分（Mad）原煤0.63～1.35%，平均0.96%；浮煤0.41～1.36%，平均0.78%灰分（Ad）原煤19.53～27.13%，平均23.76%；浮煤8.35～11.31%，平均9.28%挥发分（Vdaf）原煤19.70～21.54%，平均20.51%；浮煤16.33～18.65%，平均17.43%续表1-4地质报告煤层成分分析10号煤层全硫（St.d）原煤0.41～3.23%，平均1.03%；浮煤0.56～2.26%，平均0.94%发热量（Qgr.d）原煤33.95～35.67MJ/kg，平均34.76MJ/kg。胶质层最大厚度（Y值）：7.8～12.2mm，平均9.7mm粘结性指数（GR.I）13.1～91.1，平均54.4各煤层的水分、灰分、发热量等指标在井田范围内没有明显变化。1.5瓦斯、煤尘和煤的自燃1.5.1瓦斯根据山西省煤炭工业厅文件，兴无煤矿为高瓦斯矿井。1.5.2煤尘根据地质报告，各煤层爆炸性测试如表1-5。表1-5煤层煤尘爆炸性表煤层号火焰长度（mm）加岩粉用量（%）爆炸性测试时间测试单位备注42545有2006.4.12国家煤及煤化工产品质量监督检验中心本矿55060有2004.8.5山西省煤炭工业局综合测试中心本矿以北同德焦煤有限公司86030有2005.7.5国家煤及煤化工产品质量监督检验中心本矿以西北新建联办煤矿96060有2006.4.10国家煤及煤化工产品质量监督检验中心本矿以东曹家山联办煤矿1.5.3煤的自燃根据地质报告，4、5、8、9号煤层煤的自燃倾向等级全为不自燃煤层。鉴定结果如表1-6。表1-6煤层自燃等级表煤层号吸氧量（cm3/g）自燃等级倾向性质测试时间测试单位备注40.5037Ⅲ不易自燃2006.4.12国家煤及煤化工产品质量监督检验中心本矿50.3496Ⅲ不易自燃2004.8.5山西省煤炭工业局综合测试中心本矿以北同德焦煤有限公司86030有2005.7.5国家煤及煤化工产品质量监督检验中心本矿以西北新建联办煤矿96060有2006.4.10国家煤及煤化工产品质量监督检验中心本矿以东曹家山联办煤矿1.6矿井开拓1.6.1开拓方式本矿井采用的是主斜井，副立井混合开拓的开采方式，此方法需要在本矿的作业面内布置四个井筒，采用机械抽风，其主要作用如下所述[2]：（1）主斜井：负责提升整个矿井的煤炭及其他产物，同时也负责本矿井的进风任务，确保井下空气畅通，保证矿井的通风安全。（2）副立井：满足矿井需要的最大进风量，兼做一个安全出口，确保作业人员的安全。（3）回风立井：负责整个矿井的回风作业，并在发生突发情况时可以作为矿井的另一个安全出口，保证作业人员的快速疏散。1.6.2采煤方法本矿井为高瓦斯矿井，煤尘有爆炸危险性。矿井目前装备有一个综合机械化采煤工作面，单一走向长壁回采。即仍选用单一走向长壁采煤方法，综合机械化采煤，全部垮落法管理顶板。1.7矿井通风回风立井安装NMAF-2800/1600-1B型通风机，掘进工作面通风采用BSDF2×37KW对旋局扇压入式通风[3]。第2章瓦斯涌出量预测2.1煤层瓦斯基础参数根据山西省安全生产监督管理局文件（晋安监煤字[2006]427号）《关于吕梁市石楼县原则河煤矿等三十七座矿井2006年度矿井瓦斯等级鉴定的批复》中“006年度矿井瓦斯等级和二氧化碳涌出量鉴定汇总表”，2006年度，兴无矿井开采煤层为4号煤层，瓦斯鉴定等级为高瓦斯矿井，而二氧化碳绝对涌出量则为3.44m3/min，相对涌出量为2.15m3/t；2010年12月至2011年通风瓦斯测定结果及瓦斯涌出量情况见表2-1。表2-1矿井通风瓦斯涌出量表测定日期4103工作面m3/min2204工作面m3/min2105工作面m3/min矿井总回风m3/min2010年12月5日5.6210.5126.122010年12月15日6.768.7926.122010年12月15日6.394.6525.812011年1月5日6.58.6533.662011年1月15日6.37.6731.532011年1月25日12.193.1328.952011年2月5日7.318.514.6129.052011年2月22日6.129.716.0235.354、8、10煤层采样各一个，结果见表2-2。表2-2钻孔瓦斯鉴定成果表钻孔号煤层瓦斯含量总计（ml/g.r）自然瓦斯成分（%）CH4CO2CH4CO2N260246.740.0394.000.615.3940186.090.2489.452.323.244011010.250.1792.222.590.22山西省第148煤田地质勘探队采用直接法确定该矿4号煤层瓦斯含量为6.76m3/t。基于前苏联和中国大多数矿山的经验，该设计的系数修改为1.25，那么4号煤层的瓦斯含量可按8.46m3/t计算。各煤层瓦斯含量见表2-3。表2-3煤层瓦斯含量煤层编号1号2号3号4号5号6号7号8号9号10号瓦斯含量（m3/t）8.819.8610.648.4612.211.1810.068.417.297.292.2瓦斯涌出量预测2.2.1影响矿井瓦斯涌出量的主要因素（1）开采规模开采规模是指煤矿的各方面发开和产量。开发得越深，煤层的瓦斯含量也就越多，因此瓦斯排放量也随之增大。对一个矿井来说，有些情况复杂。如果煤矿通过改善煤矿开采工艺和增加工作面的单位产量来增加产量，那么相对气体排放量将大大减少，第一个原因是，当产量增加时，与采煤面无关的瓦斯排放不会显着增加。第二个是随着开采速度的加快，相邻层和开采的煤中的残留气体量将增加。如果煤矿仅通过扩大采矿规模来增加产量，则煤矿的相对瓦斯排放可能保持不变或增加。（2）开采顺序及方法当在开采层中开采第一个煤层时，排出的气体不仅来自煤层本身，而且还来自相邻的上，下层。因此，开采第一个煤层时的瓦斯排放量通常是其他层的瓦斯排放量的几倍。

煤矿开采方法的回收率越低，气体排放量就越大，因为损失的煤中所含的大部分气体仍必须倒入巷道中[4]。2.2.2瓦斯涌出量预测方法根据安全生产行业标准《矿井瓦斯涌出量预测方法》（AQ1018-2006），采用分源预测法预测矿井瓦斯涌出量。矿井瓦斯涌出源汇关系，见图2-1[5]。图2-1矿井瓦斯涌出源汇关系示意图2.2.3预测条件（1）一采区，4号煤层，煤层厚度平均3.09m，年产量为1.20Mt/a。（2）4号煤层采用单走向长壁采煤法，机械化综合采煤，全部挎落法管理顶板。回采工作面长度为160m；回采率为95%。（3）一采区回采工作面瓦斯含量8.46m3/t、残存量2m3/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（q采）预测及抽放率：（1）开采煤层（包括围岩）瓦斯涌出量；2-1式中：——开采煤层（包括围岩）瓦斯涌出量，m3/t；——围岩瓦斯涌出系数，取=1.2；——工作面丢煤瓦斯涌出系数，，为工作面回采率值为0.95；——准备巷道预排瓦斯影响系数；2-2式中：——回采工作面长度，=160m；——巷道预排瓦斯带宽度，取=9m；——煤层厚度，m；——煤层开采厚度，m；——煤层原始瓦斯含量，m3/t；取8.46m3/t；——煤层残存瓦斯含量，m3/t；2-3式中：——纯煤残存瓦斯含量，取=2m3/t；——原煤中灰份含量，%；根据地质报告煤芯煤样化验资料取15.71%；——原煤中水分含量，%；根据地质报告煤芯煤样化验资料1.06%；则=1.66，m3/t；则开采煤层（包括围岩）瓦斯涌出量：=7.65m3/t；（2）回采工作面邻近煤层瓦斯涌出量；2-4式中：——第i个邻近煤层的厚度；——开采煤层的开采厚度，4煤层厚度为2.5m；——第i个邻近煤层受采动影响的瓦斯排放率。3煤层、4上煤层、5煤层、6煤层、7煤层Ki值分别为85%、95%、60%、20%、10%；——第i个邻近煤层瓦斯含量，m3/t，3煤取10.64m3/t；4上煤取8.46m3/t；5煤取12.2m3/t；6煤取11.18m3/t；7煤取10.06m3/t；——第i个邻近煤层残存瓦斯含量，3煤、4上煤取1.66m3/t；根据下文计算取5煤取1.98m3/t；6煤取1.57m3/t；7煤取1.57m3/t；计算后得出：=9.63m3/t。（3）4煤回采工作面瓦斯涌出量=7.65+9.63=17.28m3/t。回采工作面的瓦斯涌出量，见表2-4。表2-4回采工作面瓦斯涌出量预测结果表采区瓦斯含量（m3/t）日产量（m3/t）瓦斯涌出量开采层（m3/t）邻近层（m3/t）合计相对涌出（m3/t）绝对涌出（m3/min）一24024457.659.6317.2829.342.3工作面瓦斯来源分析根据工作面涌出量的预测结果，工作面涌出量构成结果，见表2-5。表2-5工作面瓦斯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）29.348.9720.37所占比例（％）5115.635.4对表2-5进行分析，可以得出以下结论：在回采工作面开采4号煤层时，瓦斯涌出量开采和临近层所占比例分别为35.4%、15.6%，前者为主后者为辅。2-6。表2-6开采层瓦斯涌出构成预测结果表煤层瓦斯涌出区域开采层开采层落煤围岩、丢煤（现采空区）4号瓦斯涌出量（m3/min）8.975.923.05所占比例（%）1006634

第3章瓦斯抽采量计算3.1瓦斯抽采方法的选择抽放方法的分类见下表3-1：表3-1瓦斯抽放方法分类分类方法抽出瓦斯来源本煤层抽采、邻近层抽采、采空区抽采被抽采煤层卸压状况原始煤体未卸压预抽瓦斯；煤层卸压后抽瓦斯抽采瓦斯源汇集工程方法抽采瓦斯钻孔法、抽采瓦斯巷道法和抽采瓦斯钻孔巷道综合法3.2瓦斯抽采方法的确定根据钻孔抽采瓦斯的优缺点及适用条件，我们最终选择顺层钻孔抽采，因为顺层钻孔抽采的适用条件是[6]：（1）抽采煤层是但一煤层；（2）层的较差，但应该有抽放可能；（3）煤层赋存条件稳定且地质变化小；（4）为了留有较长的预抽时间，要提前打好钻孔；（5）突出危险煤层（密集钻孔），而我们要设计的煤层就是煤层渗透性有些差但应有抽放可能，煤层条件稳定，地质变化小；结合本煤层的数据和特点进行分析后，最终选取抽采瓦斯钻孔法进行抽采。3.3抽放钻孔参数确定钻孔直径：暴露煤壁面积跟着它变化，直径增大面积就增大，瓦斯涌出量也是这样，但它增长不是一种线性关系，煤层的条件不同的话，瓦斯涌出量就会呈比例增长。目前瓦斯钻孔直径为60至110mm。根据本煤层的特性，选取钻孔直径为90mm。3.4现采空区抽采防灭火措施采用现采空区抽采时应注意采空区着火问题，防灭火预测预报和措施是一定要加强的。开采时，使用束管监测系统、通风监测系统和抽采监测系控制统来预测预报着火的风险。矿井可邀请相关资质单位进行专项防灭火设计[7]。（1）束管监测使用这个系统将井下监测地点的气体，通过束管将气体抽至气体分析仪中进行精确分析，实现对CH4等气体的监测。根据指标气体的不同数据，推断留在采空区中煤的自燃状态，推断采空区氧化区域、自燃区域和窒息区域的范围，并大致确定采空区的范围，高温地区要根据气体浓度梯度确定，便于及时采取措施。（2）防灭火措施利用矿井现有的防灭火措施，包括喷洒阻化剂、注黄泥浆等。3.5抽采瓦斯效果预计（1）抽采量预计根据2.3节工作面瓦斯来源分析，现采空区瓦斯涌出量为围岩、丢煤与邻近层采空区瓦斯之和，1.56+9.96=11.56m3/min。兴无煤业采用采空区插管抽放的方法抽采回采工作面现采空区瓦斯，根据对其他类似矿井抽采经验，采空区插管抽放抽采率为60%左右，瓦斯抽采量为6.94m3/min。（2）瓦斯抽采量计算式为：3-1式中：——矿井设计年抽采瓦斯量，Mm3/a；——矿井设计日抽采瓦斯量，Mm3/d；——矿井设计年工作日数，d。矿井实际年抽采瓦斯量为：=6.94×1440×365/1000000=3.56Mm3/a（3）工作面瓦斯抽采率计算公式为：3-2式中：——工作面瓦斯抽采率，%；——工作面瓦斯抽采量，m3/min；——工作面风排瓦斯量，m3/min。兴无煤业回采工作面预测最大瓦斯涌出量为29.34m3/min左右，回采面瓦斯抽采量为6.94m3/min左右，回采面瓦斯抽采率约为24%左右。（4）回采工作面配风量兴无煤业，回采工作面预测最大瓦斯涌出量为29.34m3/min，抽采瓦斯量为6.94m3/min，则回采工作面的风排瓦斯量为22.4m3/min。回采工作面最大需风量可按式3-3计算：3-3式中：——回采工作面风排瓦斯所需风量，m3/min；——回采工作面风排瓦斯量，m3/min；——瓦斯涌出不均衡系数，回采工作面取1.3；——山西省允许的工作面瓦斯浓度，%，C≤0.8。通过计算最大需风量为364m3/min，回采工作面，风排瓦斯需要是可以被满足的。（5）回风巷瓦斯排放口配风量兴无煤业井下移动瓦斯抽采泵站管路有6.94m3/min的瓦斯抽出，需在一采区回风巷瓦斯排放口排放；同时4号煤层回风巷的风排瓦斯量为22.4m3/min。根据煤矿安全规程的要求，为安全起见，瓦斯排放口至少需配风量为800m3/min。3.6建立抽采系统的类型兴无煤业建立井下移动抽采系统解决一采区工作面（上隅角）瓦斯问题，服务范围为一采区工作面。抽采系统应布置在回风大巷与轨道大巷之间的联络巷内。3.7抽采检测仪表井下抽采瓦斯的主要检测仪器包括U型水柱计（汞柱计）、高负压取样器、瓦斯浓度检定器和孔板流量计等。第4章瓦斯抽采管路系统4.1瓦斯抽采管路系统的选择原则井下巷道的安装布置、不同的抽采地点、抽采方式以及矿井的未来发展规划等因素都是瓦斯抽采管路系统选择的重要因素，为了减少系统不必要的浪费，尽量做到抽采管路一次成型，不做二次改动，还要考虑到管道连接的密闭性及其功能性的完整，和保证设备安装、维护的方便性，应遵循以下六点原则[8]：（1）使巷道的曲线段部分尽可能的少，转弯时角度不应过大确保在50°以内，并且在与巷道最短的距离内安装抽采管路；（2）为了不影响其他方面的效率，最好应选择在运输作业较少的位置安装管路，例如回风巷；确保作业的人员能够顺利通行并且头部不会发生磕碰等情况。抽采管路与巷道壁的距离应大于10cm，用来给抽采管路的附件等物品预留出足够的检修、维护距离；（3）当管道在发生意外故障时，严格控制住管道内的瓦斯流向，要求系统可通过操作使向远离采掘工作面、矿井机房或机电硐室内的方向疏散，以确保作业环境和人员的安全；（4）应按照《工业企业总平面设计规范》的有关规定，严格控制抽采管道井下建（构）筑物及设施的间距；（5）为系统选用合适的管路管径；（6）在系统中安装能对管路进行调节、控制、测定的防回气装置，严防瓦斯回流造成经济财产损失及人员伤亡的事件发生。4.2瓦斯管路敷设路线设计采用一套抽采系统。兴无煤业抽采瓦斯管网敷设路线为：抽采区工作面回风顺槽抽采泵站一采区回风巷4.3瓦斯抽采管径选择抽采管径选的对，那么系统的投资和施工效果就好。要是没选对直径，过大了，那么成本就会增加；如果直径过细，则管路阻力损失会很大，同时，储备容量将参考泵的实际容量来保留。为了便于描述，负压段管道代表井下抽采孔口或管口到抽采泵站段抽采管道，正压段管路代表抽采泵站至排放口抽采管路。计算公式如下：4-1式中：——抽采瓦斯管内径，mm；——瓦斯管中混合瓦斯流量，m3/min；——瓦斯管中混合瓦斯平均流速，一般=5～12m/s。兴无煤业瓦斯抽采管径选择结果，见表4-1。表4-1瓦斯抽采管径选择结果类别抽采纯量（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6.9431.53593504265焊缝钢管（1.0MPa）负压硐室主管路6.9431.53583714265焊缝钢管（1.0MPa）正压主管路6.9431.53583714265焊缝钢管（1.0MPa）4.4管路敷设及附属装置煤矿环境条件较恶劣，巷道不平坦，坡度不同，巷道受压变形，空气潮湿易锈蚀等，为此敷设井下管路有如下几点要求[9]：（1）在主要管路上涂刷防腐、防锈漆，管路附件一律采用防腐、防锈蚀的管件，延长管路的使用年限；（2）为了防止管路下滑，应在巷道支护上用卡子将其固定；（3）敷设平直的管道，如果实在没有安装平直管道的条件时，应避免安装的角度过大；（4）瓦斯管路在主要运输巷道中的敷设高度应在1.8m以上，确保作业人员能流畅通过；（5）管路敷设时，要求流水坡度应尽可能保持一致，避免高低波动、参差不齐，在低洼处应该装设放水器进行辅助工作；要求新敷设管路的气密性必须符合国家要求的标准，并进行检验，发现不合格的部位立即向上级汇报，修整合格后方能投入使用。4.5瓦斯管的连接方式此次设计，抽采主、支管路选用焊缝钢管，采用配套法兰连接。法兰连接示意图，如下图4-1。图4-1法兰连接（1）井下管路安装抽采支管路采用井字架支撑敷设，每根管路支撑井字架，离地高度大于300mm。（2）附属装置①阀门：在瓦斯抽采管路上需要安装阀门，可以在修理和更换燃气管时可关闭阀门。本设计选用蝶阀。②为便于经常观测抽采管内的压力，应在主管上设置测压表。③计量装置：瓦斯流量是十分重要的参数，想要真实地反映瓦斯抽采效果一定要准确的测定瓦斯流量。当前，瓦斯计量方法有很多类型，不同类型有不同应用条件。④可以根据兴无煤业的实际情况，结合各种类型的排水装置，来设计自己的排水装置。4.6抽采设备布置及选型4.6.1选型原则（1）瓦斯泵的流量必须满足兴无矿井开采过程中所选瓦斯泵的使用流量，该流量应大于预计最大瓦斯抽出的需求量，防止发生安全事故；（2）该瓦斯泵的负压强度应大于管路系统的最大阻力；（3）该瓦斯泵的真空度必须满足使用标准；（4）该设备所配备电机一定要有防爆功能。4.6.2抽采泵流量计算公式为：4-2式中：——瓦斯抽采泵的额定流量，m3/min；——矿井瓦斯抽采总量（纯量），m3/min；——矿井瓦斯抽采浓度，%；——备用系数，取1.2~2；——瓦斯抽采泵的抽采效率。计算抽采泵所需的额定流量见表4-2。表4-2低负压系统抽采泵流量计算表设计抽采量（m3/min）抽采浓度（%）机械效率（%）备用系数抽采泵设计流量（m3/min）6.9430801.543.374.6.3瓦斯抽采泵压力计算公式为：4-3式中：——瓦斯抽采压力，Pa；——抽采系统管网总阻力，Pa；——采空区插管抽采时管口必须造成的负压，采空区瓦斯抽采取6700Pa；——瓦斯泵出口正压，取5000Pa；——压力备用系数，可取1.2～1.8。摩擦阻力计算，见表4-3：表4-3摩擦阻力计算表管路名称ρ（kg/m3）Q0（m3/h）ν0（m2/s）d（mm）C（%）L（m）进气端压力（Pa）气压（Pa）气体温度（℃）H（Pa）顺槽干管1.275735000.00001511416315008348575991257327硐室主管1.275735000.00001511416380759917588625105主管正压段1.275735000.0000151141635086215861572558系统负压段阻力计算见表4-4：表4-4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6700负压段主管73270.1513128639负压段管路总阻力15339系统正压段阻力计算，见表4-5：表4-5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5000正压段主管630.15770正压段管路总阻力5070系统抽采系统总压力计算，见表4-6：表4-6系统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）5070153391.5285724.6.4真空度计算（1）抽采泵真空度计算：4-4式中：——抽采泵真空度（%）；——抽采系统压力（Pa）；——抽采泵站的大气压力（Pa）。表4-7抽采泵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（%）322257893441（2）抽采泵工况压力计算抽采泵工况压力可按下式计算：4-5式中：——抽采泵工况压力（Pa）；——抽采泵站的大气压力（Pa）。表4-8抽采泵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）322257893446709

第5章瓦斯抽采泵选型5.1抽采泵选型根据上述计算结果，检查相关制造商的真空泵性能曲线，以确定泵的类型。所以本次设计选取水环式真空泵。由于中国目前的水环真空泵特征曲线代表不同吸入压力下的流量，因此标准状态下的的泵送流量必须转换为相应绝对压力（工况压力）下的流量。通过下式换算：5-1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，kPa；——测定时管道内气体绝对温度，K；=+273；——测定时管道内气体摄氏温度，取25℃；——标准绝对压力，101.325KPa；——标准绝对温度，（273）K。由上述公式计算，见表5-1；表5-1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）100101.32527362298178井下移动瓦斯抽采泵可选择2BE3-720-2BY4型。当转速为350r/min，能满足抽采瓦斯的需要，泵抽气量约为200m3/min左右。规格见表5-2。表5-2井下移动瓦斯抽采泵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2BE3-720-2BY42002003507.8~17.42BE3-720-2BY4型井下移动瓦斯抽采泵选择配套隔爆电机功率250kW，电压等级1140V。供水采用2台BQW15-15-2.2型潜水泵，其中一台工作，一台备用及检修。BQW15-15-2.2型潜水泵性能规格，详见表5-3。表5-3BQW15-15-2.2型潜水泵性能规格表型号扬程（m）流量（m3/h）功率（kw）BQW15-15-2.215152.25.1.1瓦斯抽采泵站主要附属设施除了辅助设备，如控制阀，压力测量喷嘴，孔板流量计和管道系统的负压排放口外，抽气泵站还应配备以下辅助设施[10]：（1）抽采硐室内配置砂箱、灭火器和其他灭火工具；（2）应在排水管道正压端的低洼处安装正压排水器，并在排水管道负压端的低洼处安装负压排水器；（3）控制阀，压力测量喷嘴和孔板流量计布置在泵站的抽气管道（入口和入口）上，以测量和测量抽气系统；（4）泵站内采用BQW15-15-2.2型潜水泵供应工作用水给2BE3-720-2BY4型煤矿井下移动式瓦斯抽采泵站并冷却水环式真空泵的轴温，选取潜水泵2台，一台工作，一台备用及检修；（5）由于兴无煤业水质较硬，管路中需安装软化水装置，可选用JK200-400型自动软水器，软水器处理水量为5m3/h。软水器安装在水池的补水管侧；（6）除了U型管水柱仪，U型管汞柱仪，瓦斯检测仪，气压计和其他测试仪器外，泵站还应配备瓦斯泵站监控系统，并建立测试抽气站监视真空泵的供水和抽气泵的轴温，并监视气体浓度，负压和流速。矿井环境监控系统的制造商提供了用于气泵站监控系统的设计和安装；（7）抽采站设置防爆照明灯和按钮。5.2抽采管路、设备的安装要求以下是对设施设备的安装要求：为了便于观察管路状况，需要安装瓦斯计量装置，要装设在主管路上；（2）排水管必须安装在管道的角落、低海拔和温度变化较大及管道之间的距离为200到300m处（不得超过500m）；（3）为了管路内部的通常安装用于及时清除管路内部残渣的排渣装置和用于检测局部管路是否存在压强增大现象的测压装置在管路的关键部位；（4）将控制阀门安装在抽采管路分岔处，且其规格应与分支管道的直径相匹配；（5）对于角度较小、转弯较急的，间距在15m至20m的倾斜巷道中，管路必须配备设防滑卡，之间的距离可以根据巷道的特定坡度确定；（6）确保抽气管的气密性，并严格检查防腐、抗压和抗负荷措施是否完好，如有问题立即上报，经检测合格后方能投入使用；（7）抽采瓦斯管路必须进行防腐化处理，外部应设置警示标志防止误伤操作人员。5.3瓦斯抽采泵站瓦斯抽采泵站位于风井工业场地，高负压和低负压分源抽采。配备2BE3-720-2BY4型煤矿下移动式瓦斯抽采泵给高负压泵系统，配套电动机、减速器、气水分离器、管道、控制阀门和循环管等；主要附属设备包括正负压自动排水器、冷却循环水泵、计量检测装置等。瓦斯抽采硐室主要设备详细布置图，见图5-1。图5-1瓦斯抽采硐室主要设备布置图结论本文对山西柳林煤业井下移动抽采系统进行研究。首先通过对兴无煤业的基本情况进行调研，明确该煤业的基本概况，包括矿井的地理位置、交通、位置、自然地理等信息。之后为山西柳林兴无矿井的4号开采煤层，进行井下移动瓦斯抽采系统的设计。首先要计算其瓦斯涌出量、抽采管径阻力等；其次选定抽采瓦斯方法、泵选型；根据抽采泵选型原理及对所需流量、抽采压力和真空度的计算，最后得出结论：（1）兴无煤矿采用单一走向长壁采煤方法进行采煤；（2）抽采管路选用焊缝钢管，并用配套法兰连接：（3）选用2BE3-720-2BY4型煤矿井下移动式瓦斯抽采泵两台，作为兴无矿井下移动抽采系统的主题设备。参考文献国家煤矿安全生产监督管理局.煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2016，13-21.中国煤炭行业标准.GB50471-2018.煤矿瓦斯抽采工程设计标准[S].2018.王显政主编.煤矿安全新技术[J].北京：煤炭工业出版社，2002，13：19-31.郑爽，王估安等.中国煤矿抽采瓦斯和利用煤矿安全[J]，2003，9：33-47.刘过兵主编.采矿设计指导[J]，煤炭工业出版社，2004，27-53.袁亮.高瓦斯矿区复杂地质条件安全高效开采关键技术[J].煤炭学报，26，31（2）：t74-178.于不凡，王佑安.煤矿瓦斯灾害防治与利用技术手册[M].北京：煤炭工业出版社，2005，67-70.林柏泉，张建国.矿井瓦斯抽放理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2016，44-63.中华人民共和国建设部主编.煤炭工业矿井设计规范[S].中国计划出版社出版，2006，1，1.[10]C.M.Pietersen.Consequencesofaccidentalreleasesofhazardousmaterial[J].J.LossPrev.ProcessInd，2015（3）：136-141.致谢回想这一路走来的日子，老师的悉心教诲，朋友的支持帮助一直陪伴着我，让我渐渐长大，也慢慢走向成熟。在本文的撰写过程中，从本文的选题，到论文思路的引导、文字的组织、结构的安排、资料的收集和整理，再到论文的修改，自始自终得到老师的悉心指导，才得以使我顺利的完成本文的写作。在此我由衷的感谢老师在我血学业、生活和工作上的指导和关怀。正式由于老师在百忙之中多次审阅全文，对细节进行修改，并为本文的撰写提供了许多中肯而宝贵的意见，本文才得以成型。在毕业之际，我真诚地感谢给我无私帮助的老师们，他们的教诲为本文提供了理论基础，并创造了许多必要条件与学习机会。还有朝夕相处的同学们，与我度过了四年的大学美好时光，在此我也一并感谢你们。最后，由衷的感谢在百忙之中抽出时间审阅本文的老师。

附录一外文译文

论文的研究方法和手段有哪些

（1）调查法

调查法是科学研究中最常用的方法之一。它是有目的、有计划、有系统地搜集有关研究对象现实状况或历史状况的材料的方法。一般是通过书面或口头回答问题的方式获得大量数据，进而对调查中收集的大量数据进行分析、比较、总结归纳，为人们提供规律性的知识。

（一）典型例子

调查法中最典型的例子是问卷调查法。它是通过书面提问收集信息的一种方法，即调查人员编制调查项目表，分发或邮寄给相关人员，询问答案，然后收集、整理、统计和研究。

（二）研究步骤

1.确定调查课题

确定题目时要注意选题是否具有研究的必要性和可能性，同时要注意选题切忌太大，也要避免无意义的重复劳动。

2.制定调查计划

要明确调查课题、调查目的、调查对象、调查范围、调查手段、调查步骤、时间安排。

3.收集材料

收集材料时要尽可能保持材料的客观性，尽可能采取多种手段或途径。

4.整理材料

将收集到的材料进行整理，以便后续总结归纳、形成结论。

5.总结研究

对整理完的材料进行分析、总结、归纳，得出一般性的结论。

（三）特点

调查法相对其他研究方法来说较为耗时耗力，但也有其优势，即获得的一手资料信息真实具体，能够对研究对象有更加准确、清晰的认识。

（2）观察法

观察法是指人们有目的、有计划地通过感官和辅助仪器，对处于自然状态下的客观事物进行系统考察，从而获取经验事实的一种科学研究方法。

（一）典型例子

皮亚杰的儿童认知发展理论就是通过观察法提炼总结出来的；儿童心理学创始人——普莱尔，也是在一次次地使用观察法后，提出了儿童心理学领域中的诸多理论。

（二）研究步骤

1.明确观察对象

在选择和确定研究问题的基础上确定观察者与观察对象。

2.制定观察计划

在观察计划中要规定明确的观察目的、重点、范围以及要搜集的材料。

3.做好观察准备

观察准