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某煤礦瓦斯抽放設(shè)計說明書
目 錄
概 述 3
1 礦井概況 4
1.1交通位置 4
1.2 井田地形與氣候 4
1.3 井田地質(zhì)構(gòu)造情況 4
1.4煤層賦存情況 4
1.5礦井開拓方式 6
1.6礦井通風(fēng)方式及鄰近礦井瓦斯涌出 6
2 礦井瓦斯抽放的必要性與可行性 7
2.1 礦井瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果 8
2.2 回采工作面瓦斯涌出來源與構(gòu)成 9
2.3 瓦斯抽放的必要性 10
2.3.1 相關(guān)法規(guī)的要求 10
2.3.2 采掘工作面瓦斯治理的需要 10
2.4 瓦斯抽放的可行性 11
2.5 礦井瓦斯儲量與可抽量 12
3 礦井瓦斯抽放方案初步設(shè)計 13
3.1 抽放方法選擇的原則 13
3.2 抽放瓦斯方法選擇 13
3.2.1 回采工作面本煤層瓦斯抽放 14
3.2.2 掘進工作面瓦斯抽放 14
3.2.3 回采工作面高位抽放 16
3.2 抽放量預(yù)計及抽放服務(wù)年限 16
3.2.1 回采工作面本煤層預(yù)抽量預(yù)計 16
3.2.2 掘進工作面邊掘邊抽瓦斯量預(yù)計 16
3.2.3 礦井瓦斯抽放量預(yù)計 17
3.2.4 抽放服務(wù)年限 17
3.2.5 抽放參數(shù)的確定 17
3.3 瓦斯抽放鉆孔施工及設(shè)備 18
3.3.1 鉆機的選擇 18
3.3.2 鉆孔施工技術(shù)安全措施 18
3.3.3 鉆孔封孔 18
3.3.4 瓦斯抽放參數(shù)監(jiān)測 19
4 瓦斯管網(wǎng)系統(tǒng)選擇與管網(wǎng)阻力計算及設(shè)備選型 19
4.1 礦井瓦斯抽放設(shè)計參數(shù) 19
4.2 瓦斯管網(wǎng)系統(tǒng)選擇與管網(wǎng)阻力計算 19
4.2.1 瓦斯抽放管網(wǎng)系統(tǒng) 19
4.2.2 瓦斯抽放管管徑計算及管材選擇 20
4.2.3 管網(wǎng)阻力計算 21
4.2.4 瓦斯抽放管路與瓦斯抽放鉆孔的連接 22
4.2.5 瓦斯抽放管路敷設(shè) 22
4.2.6 瓦斯抽放管道的附屬裝置 23
4.3 瓦斯抽放泵選型計算 26
4.3.1 瓦斯抽放泵流量計算方法 26
4.3.2 瓦斯泵壓力計算方法 26
4.3.3 瓦斯抽放泵選型計算 27
4.3.4 瓦斯抽放泵選型 27
5 瓦斯抽放泵站布置 28
5.1 瓦斯抽放泵 28
5.2瓦斯抽放泵站供電 29
5.3 瓦斯抽放泵給排水 32
5.4 防雷設(shè)施 32
5.5 瓦斯抽放泵站照明 32
5.6 瓦斯抽放泵站通訊 32
5.7 抽放系統(tǒng)實時監(jiān)測 33
5.8 泵房采暖, 通風(fēng) 33
6. 瓦斯抽放系統(tǒng)的安裝 33
6.1瓦斯抽放系統(tǒng)安裝的基本要求 33
6.2 瓦斯抽放泵的安裝 33
6.3 瓦斯抽放, 排放管路及附屬設(shè)施安裝 33
7 環(huán)境保護 34
7.1 抽放瓦斯工程對環(huán)境的影響 34
7.2 污染防治措施 34
7.3 抽放站綠化 34
8 瓦斯抽放組織管理及主要安全技術(shù)措施 34
8.1 組織管理 35
8.2 瓦斯抽放組織機構(gòu)管理 35
8.3 瓦斯抽放鉆場管理 35
8.4 采空區(qū)抽放管道的拆裝 37
8.5 瓦斯抽放管路管理 37
8.6 主要安全技術(shù)措施 38
8.7 鉆機操作規(guī)程 38
8.8 瓦斯抽放泵司機作業(yè)操作規(guī)程 39
8.9 瓦斯抽放報表管理 41
9 瓦斯抽放工程技術(shù)經(jīng)濟指標 43
9.1 勞動定員 43
9.2 投資概算 43
9.3 礦井瓦斯利用 43
概 述
某煤礦為某集團公司所屬的大型煤礦之一. 1958年投產(chǎn), 設(shè)計生產(chǎn)能力為600kt/年. 1976年進行了生產(chǎn)環(huán)節(jié)改造, 1980年核定生產(chǎn)能力為1200 kt/年.
根據(jù)該礦提供的礦井設(shè)計和礦井瓦斯涌出資料(2004年鑒定報告), 礦井絕對瓦斯涌出量為21.84m3/t, 相對瓦斯涌出量為7.49 m3/min, 屬于低瓦斯礦井. 由于二區(qū)瓦斯較大, 按高瓦斯礦井管理. 隨礦井產(chǎn)量的增加和開采范圍的擴大及開采水平的延伸, 該礦今后主采煤層采掘進工作面和采空區(qū)的瓦斯涌出量都將進一步增大.
為貫徹執(zhí)行黨和國家的”安全第一, 預(yù)防為主”的安全生產(chǎn)方針和國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局制定的”先抽后采, 以風(fēng)定產(chǎn), 監(jiān)測監(jiān)控”的煤礦安全生產(chǎn)管理方針, 該礦已在井下安裝了為21181回采工作面服務(wù)的移動式瓦斯抽放泵站和與其相配套的瓦斯抽放系統(tǒng). 抽出的瓦斯直接排放到礦井的回風(fēng)系統(tǒng)中. 隨著礦井瓦斯涌出量的增大, 總回風(fēng)的瓦斯?jié)舛容^高, 并時常出現(xiàn)超限. 另外, 井下泵站的管理也比較復(fù)雜, 經(jīng)常需要對瓦斯抽放泵的水垢進行清理. 隨著新風(fēng)井的建成使用, 建立地面抽放泵站是非常必要的和可行的. 特此編寫某煤礦瓦斯抽放系統(tǒng)方案設(shè)計說明書.
編制本設(shè)計方案的依據(jù)
1. 《礦井抽放瓦斯工程設(shè)計規(guī)范》(MT95018-96),中華人民共和國煤炭工業(yè)部,1997年.
2. 《礦井抽放瓦斯管理規(guī)范》,中華人民共和國煤炭工業(yè)部,1997年.
3. 《煤礦安全規(guī)程》,國家煤礦安全監(jiān)察局,2004年.
4. 《防治煤與瓦斯突出細則》,中華人民共和國煤炭工業(yè)部,1995年.
5. 某煤礦提供的通風(fēng),生產(chǎn),瓦斯地質(zhì)等相關(guān)資料.
設(shè)計的主要技術(shù)經(jīng)濟指標
1. 礦井絕對瓦斯涌出量: 38.60m3/min(將來最大絕對瓦斯涌出量);
2. 礦井相對瓦斯涌出量: 7.49m3/t;
3. 礦井瓦斯抽放量: 11.58m3/min.
存在的主要問題及建議
某煤礦缺乏必要的煤層瓦斯基本參數(shù)(煤層瓦斯壓力, 瓦斯含量, 煤層透氣性系數(shù), 鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)等). 建議今后進行這方面的測定, 以便為瓦斯抽放管理提供必要的科學(xué)依據(jù).
1 礦井概況
某煤礦為某集團公司所屬的大型煤礦之一. 1955年建井, 1958年投產(chǎn), 設(shè)計生產(chǎn)能力為600kt/年. 1976年進行了生產(chǎn)環(huán)節(jié)改造, 1980年核定生產(chǎn)能力為1200 kt/年. 預(yù)計2004年的實際產(chǎn)量超過1000kt/年.
1.1交通位置
某煤礦位于河南省義馬市之南2km. 礦區(qū)的地理坐標為111º45′11″- 111º51′05″, 北緯34º41′36″- 34º43′16″.
1.2 井田地形與氣候
1). 地形地貌特征
本井田以上侏羅統(tǒng)礫巖為骨架, 上部廣泛第四系亞粘土, 地形較復(fù)雜, 屬低山丘陵區(qū). 標高為+437.20 - +670.73m, 最大相對高差233.53m. 整個井田呈南高北低的形態(tài), 在井田南部構(gòu)成近東西向分水坡, 標高+547.80 - +670.73 m. 井田內(nèi)南北及東西向沖溝發(fā)育. 井田北部較平坦, 季節(jié)性河流南澗河自井田北部由西向東流過.
2). 氣候
礦區(qū)為大陸性氣候, 四季分明, 雨量較為充沛和集中. 根據(jù)澠池氣象站資料, 最高氣溫41.6ºC, 最低氣溫-18.70ºC, 年平均氣溫12.3ºC.
3). 降水量
年最大降水量為1013.6mm, 最小為371.2mm, 7, 8, 9月降水量占全年的55%.
4). 凍結(jié)期
凍結(jié)期為11月至第二年3月, 凍結(jié)天數(shù)為31-93天, 最大凍結(jié)深度為0.34m.
1.3 井田地質(zhì)構(gòu)造情況
新井田北起二-3煤露頭線, 南至F16斷層, 東起F3-3斷層, 西至耿村井田人為邊界, 面積19.10km2. 構(gòu)造形態(tài)為一簡單的單斜構(gòu)造, 地層由老到新有三疊系, 侏羅系, 白堊系, 第三系和第四系.
1.4煤層賦存情況
侏羅系中統(tǒng)義馬組(J12)為本井田含煤地層, 煤系保留厚度20.10-99.86m, 平均厚度67.0m. 其上與馬凹組(J22)呈平行不整合接觸. 其下與三疊系譚莊組呈角度不整合接觸.
1). 巖性組合特征
義馬組(J12)含煤巖系自下而上劃分4段:
(1). 底礫巖段
厚0.30-32.81m, 平均厚度7.70m.
由淺灰色礫巖, 砂巖及棕灰色含礫粘土巖組成, 為一套河床相及河漫相沉積物, 在煤層分叉區(qū)為二-3煤底板, 合并區(qū)為二煤底板.
(2). 下含煤段
厚5.31-39.34m, 平均32.30m.
該段為義馬組主要含煤段, 含二煤組(二-1煤, 二-3煤), 其上稱二-1煤, 其下稱二-3煤, 兩層合并后稱二煤. 以煤層分差合并線為界, 本段巖煤層組合差異顯著. 二煤分叉為二-1煤, 二-3煤,本分叉后煤層總厚度變小, 兩煤層間為一套三角洲相砂質(zhì)沉積物. 該層特征明顯, 層位穩(wěn)定, 為義馬煤田重要標志層之一, 其編號為J12S1. 其厚度變化自北向南, 自東向西變薄尖滅. 在井田西北邊角處極小范圍內(nèi)有二-2煤存在.
合并區(qū): 以厚及特后二煤層為主體, 屬于泥炭沼澤相沉積, 煤層最大厚度為37.48m, 純煤厚度為m.
(3). 泥巖段
厚4.40-42.20m, 平均24m. 在井田內(nèi)該層自北向南, 自東向西逐漸增厚, 在煤層分叉區(qū)為二-1煤頂板, 在合并區(qū)為二煤頂板.
(4). 上含煤段
厚度為0 - 9.09m, 平均3.00m. 僅不同程度留于井田的中, 深部.
2). 煤層
本井田含煤地層為義馬組, 含煤兩組, 3-4層, 上部為一煤層, 含一-1煤, 一-2煤. 其中一-1煤被剝蝕殆盡, 一-2煤局部可采. 下部為二組煤, 含二-1煤, 二-2煤, 二-3煤. 二-1煤和二-3煤合并后稱二煤.
二-1煤, 二-3煤和二煤均為本井田主要可采煤層. 井田各可采煤層發(fā)育如表1-1所示.
表1-1. 某井田可采煤層發(fā)育情況
煤層 全層厚度, m 純煤厚度, m 可采厚度, m 可采程度
二-2 0-4.69(平均0.98) 0-2.54(平均0.6) 0.8-2.38(平均2.16) 局部可采
二-1 0.14-9.45(平均4.24) 0.14-7.40(平均3.60) 1.00-7.40(平均3.60) 全井田可采
二-3 0.20-18.99(平均4.72) 0.20-17.76(平均4.21) 0.80-17.76(平均4.25) 全井田大部可采
二 5.59-37.48(平均16.29) 3.89-33.26(平均13.81) 3.89-33.26(平均13.81) 全井田可采
目前開采的煤層為二煤. 二煤位于煤系下部, 屬于特厚煤層, 頂板為J2K1泥巖, 底板為J21S2含礫粘土巖及粘土巖, 上距一-1煤平均為24m.
1.5礦井開拓方式
某煤礦原來為一對立井多水平盤區(qū)上下山開拓, 主采層為二-1和二-3煤層.新材料井和新風(fēng)井于2004年投入使用. 目前開采的21181工作面為綜采放頂煤開采工作面. 該工作面位于21區(qū)下山西翼, 北鄰未回采的21161工作面, 南鄰未回采的21201工作面, 東鄰21區(qū)下山保護煤柱, 西鄰F3-9斷層保護煤柱. 工作面采用走向長壁開采, 一次采全高, 全部陷落法管理頂板. 工作面上下巷沿底掘進.
2004年, 礦井的生產(chǎn)能力達到1000Mt. 日生產(chǎn)能力為3000t/d. 礦井服務(wù)年限為90年.
1.6礦井通風(fēng)方式及鄰近礦井瓦斯涌出
某煤礦目前開采二-1和二-3煤. 采用中央邊界式抽出式通風(fēng)，材料立井和材料斜井進風(fēng)，3#風(fēng)井, 1#風(fēng)井和新風(fēng)井回風(fēng). 新風(fēng)井安裝兩臺DDK-6-No20型風(fēng)機, 風(fēng)量為3800m3/min. 3#風(fēng)井安裝兩臺70-D2-21-24型風(fēng)機, 1#風(fēng)井安裝兩臺BK54-6-13型風(fēng)機, 3#和1#風(fēng)井合并風(fēng)量為1000余m3/min. 3#和1#風(fēng)井對將來進行瓦斯抽放的區(qū)域影響甚微.
雖然煤礦周邊煤礦瓦斯涌出不大，為低瓦斯礦井（表1－2）, 但隨開采深度的增加, 瓦斯涌出量有增大的趨勢. 2004年8月某礦瓦斯鑒定結(jié)果表明全礦井絕對瓦斯涌出量為21.84.0m3/min, 相對瓦斯涌出量為7.49m3/t. 由于目前21181工作面開采的煤層厚度達到20m以上, 工作面回采期間的絕對瓦斯涌出量就已經(jīng)超過10.0m3/min.
鄰近煤礦都在考慮建立地面永久瓦斯抽放系統(tǒng)或井下移動瓦斯抽放系統(tǒng).
表1－2 鄰近礦井瓦斯等級鑒定結(jié)果(2004年8月)
年度
礦名 瓦斯(全礦井) 二氧化碳(全礦井) 鑒定等級 審批等級
絕對量
(m3/min) 相對量
(m3/t) 絕對量
(m3/min) 相對量
(m3/t)
某 21.84 7.49 低瓦斯 低瓦斯
躍進 低瓦斯 低瓦斯
耿村 低瓦斯 低瓦斯
2 礦井瓦斯抽放的必要性與可行性
根據(jù)國家煤礦安全監(jiān)察局2001年頒布的《煤礦安全規(guī)程》第145條規(guī)定, 如果礦井絕對瓦斯涌出量超過40.0m3/min, 無論井型大小, 也不管煤層有無煤與瓦斯突出危險性, 必須建立地面永久抽放瓦斯系統(tǒng)或井下臨時抽放瓦斯系統(tǒng). 雖然某煤礦的絕對瓦斯涌出量還沒有達到40.0m3/min, 但現(xiàn)有的通風(fēng)系統(tǒng)無法排放回采工作面所產(chǎn)生的瓦斯.
《煤礦安全規(guī)程》, 《礦井瓦斯抽放管理規(guī)范》以及《煤炭工業(yè)設(shè)計規(guī)范》有關(guān)條款規(guī)定: 當一個回采工作面的絕對瓦斯涌出量大于5m3/min或一個掘進工作面的瓦斯涌出量大于3m3/min, 采用通風(fēng)方法解決瓦斯問題不可能或不合理時應(yīng)采用瓦斯抽放措施.
除此而外, 某礦煤層極易自燃, 過大的風(fēng)量會導(dǎo)致煤層的自燃發(fā)火. 為貫徹國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局”先抽后采, 以風(fēng)定產(chǎn), 監(jiān)測監(jiān)控”的安全生產(chǎn)方針, 某煤礦已經(jīng)在井下建立了一個臨時抽放瓦斯泵站(兩臺40 m3/min抽放泵, 一臺20 m3/min抽放泵, 一臺60 m3/min抽放泵)為21181工作面抽放瓦斯服務(wù).
井下抽放泵站的安裝和清洗維護費用較高, 又便于管理. 2004年投入使用的材料井距離井下臨時抽放泵站的排氣點的水平距離很近. 只要延伸500m左右的抽放管路(不包括已經(jīng)安裝的材料立井內(nèi)的580m管道)就可以將抽放瓦斯泵站布置在地面為今后開采的各個采區(qū)服務(wù).
2.1 礦井瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果
表2－1至表2-4是二-1和二-3煤層開采時，對應(yīng)于不同生產(chǎn)時期的回采工作面、掘進工作面、采區(qū)及礦井瓦斯涌出量鑒定結(jié)果，由此可知，無論是當前生產(chǎn)時期、中期還是后期，某煤礦都屬于低瓦斯礦井.
表2－1給出了回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測(或鑒定)結(jié)果. 瓦斯含量是根據(jù)21181工作面的瓦斯涌出統(tǒng)計, 21181工作面煤樣的吸附實驗等確定的. 由于現(xiàn)場的煤層瓦斯含量及瓦斯壓力的實測數(shù)據(jù)十分有限, 表2-1中的數(shù)據(jù)只作為設(shè)計參考. 建議某礦將來進行這方面的實測工作.
表2－1 回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測(或鑒定)結(jié)果
生產(chǎn)時期 采區(qū)
煤厚(m)
瓦斯含量(m3/t)
日產(chǎn)量(t/d) 開采層瓦斯涌出量
(m3/t) (m3/min)
當前時期 二-1煤層 10 5.0 1500 7.49 15.60
二-3煤層 10 5.0 1500
中期 二-1煤層 10 5.0 2500 7.49 26.01
二-3煤層 10 5.0 2500
后期 二-1煤層 10 5.0 2500 7.49 26.01
二-3煤層 10 5.0 2500
表2－2 掘進工作面瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果
生產(chǎn)
時期 煤層 煤厚
(m) 瓦斯含量(m3/t) 巷長
(m) 掘進速度(m/月) 瓦斯涌出量(m3/min)
煤壁 落煤 合計
前期 二煤 10 5.0 1000 150 1.80 0.60 2.40
中期 二煤 10 5.0 1000 150 1.80 0.60 2.40
后期 二煤 10 5.0 1000 150 1.80 0.60 2.40
備注：⑴每個炮掘工作面掘進一條大巷，其瓦斯涌出量為這條大巷的煤壁瓦斯涌出量加上單頭掘進落煤瓦斯涌出量；⑵每個炮掘工作面掘進煤量均為70t/d，瓦斯涌出量為：初期2.40m3/min，中期2.40m3/min，后期2.40 m3/min.
統(tǒng)計表明, 21181工作面掘進期間瓦斯絕對涌出量為1.8-2.4m3/min. 因此, 當前階段和以后生產(chǎn)時期的每個掘進工作面的絕對瓦斯涌出量定為2.4m3/min(表2-2).
目前某礦布置一個工作面(21181工作面), 今后考慮布置兩個回采工作面, 即一個綜采綜放工作面和一個綜采工作面. 今后考慮布置4個掘進工作面. 表2-3給出了各個生產(chǎn)時期的瓦斯涌出量預(yù)測.
表2－3 采區(qū)瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果
生產(chǎn)
時期 工作面 平均產(chǎn)量(t/d) 采區(qū)瓦斯涌出量
回采
(m3/min) 掘進(m3/min) 采空區(qū)(m3/min) 合 計
(m3/min) (m3/t)
目前 綜采 3000 15.6 4.8 2.0 22.4 7.49
中期 綜采綜放 3000 15.6 4.8 2.0 22.4 7.49
綜采 2000 10.4 4.8 1.0 16.2 7.49
后期 綜采綜放 3000 15.6 4.8 2.0 22.4 7.49
綜采 2000 10.4 4.8 1.0 16.2 7.49
表2-4給出了當前和今后生產(chǎn)時期的礦井瓦斯涌出量預(yù)測. 由于地面瓦斯抽放系統(tǒng)為一工程量較大的項目, 服務(wù)年限長, 一旦管路安裝完畢不易更換. 因此, 對將來礦井瓦斯涌出量的預(yù)測留有一定余地.
表2－4 礦井瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果
生產(chǎn)
時期 開采區(qū)域 平均產(chǎn)量（t/d） 瓦斯涌出量
生產(chǎn)采區(qū)（m3/min） 已采采區(qū)
（m3/min） 合計
（m3/min） （m3/t）
目前 采掘工作面等 3000 22.4 22.4 7.49
中期 采掘工作面等 4000 38.6 38.6 7.49
后期 采掘工作面等 4000 38.6 38.6 7.49
2.2 回采工作面瓦斯涌出來源與構(gòu)成
在二-1和二-3煤層工作面采空區(qū), 生產(chǎn)工作面(按兩個回采工作面考慮)和掘進工作面(按4個掘進工作面考慮), 預(yù)計將來的最大瓦斯涌出量可達到38.6m3/min.
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2.3 瓦斯抽放的必要性
2.3.1 相關(guān)法規(guī)的要求
按照《煤礦安全規(guī)程》規(guī)程的有關(guān)規(guī)定及”先抽后采, 以風(fēng)定產(chǎn), 監(jiān)測監(jiān)控”的十二字方針，無論高瓦斯礦井的井型大小，也不管煤層有無煤與瓦斯突出危險性，必須建立地面永久抽放瓦斯系統(tǒng)或井下臨時抽放瓦斯系統(tǒng).
某煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力為600Mt/年, 目前生產(chǎn)能力達到1000Mt/年. 從瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果（表2－4）來看，礦井在生產(chǎn)過程中的瓦斯涌出量將達38.6 m3/min, 單純靠通風(fēng)系統(tǒng)來稀釋瓦斯是不可能的. 因此，必須建立瓦斯抽放系統(tǒng).
2.3.2 采掘工作面瓦斯治理的需要
《煤礦安全規(guī)程》、《礦井瓦斯抽放管理規(guī)范》以及《煤炭工業(yè)設(shè)計規(guī)范》有關(guān)條款規(guī)定:當一個回采工作面的絕對瓦斯涌出量大于5m3/min或一個掘進工作面的瓦斯涌出量大于3m3/min，采用通風(fēng)方法解決瓦斯不可能或不合理時應(yīng)采用瓦斯抽放措施. 雖然, 該礦回采工作面的絕對瓦斯涌出量已經(jīng)超過5m3/min. 產(chǎn)量和瓦斯涌出量都有進一步增加的趨勢.
采掘工作面需要采取瓦斯抽放的必要性判斷標準是: 在給定的巷道通風(fēng)斷面條件下，采掘工作面設(shè)計通風(fēng)能力小于稀釋瓦斯所需的風(fēng)量,即式(2－1)成立時, 抽放瓦斯才是必要的.
…………………………………(2－1)
式中:
Q0 - 采掘工作面設(shè)計風(fēng)量, m3/s；
Q - 采掘工作面瓦斯涌出量, m3/min；
K - 瓦斯涌出不均衡系數(shù),取K=1.5；
C -《煤礦安全規(guī)程》允許的采掘工作面瓦斯?jié)舛龋?，取C=1.
根據(jù)采掘工作面瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果，由式(2－1)計算得到的回采工作面(按綜采和炮采兩個工作面考慮)、掘進工作面(按3個掘進工作面考慮)瓦斯抽放必要性判斷結(jié)果如表2－5所示.
由表2－5可以看出，對回采工作面和采空區(qū)而言，單純靠通風(fēng)方法不能解決工作面瓦斯超限問題. 對掘進工作面而言, 部分掘進工作面可能存在供風(fēng)難的問題, 也可能需要采取瓦斯抽放措施.
表2－5 礦井瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果
生產(chǎn)
時期 工作面 瓦斯涌出量 設(shè)計風(fēng)量
(m3/s) 需要風(fēng)量
(m3/s) 是否需要
抽放瓦斯
(m3/t) (m3/min)
生產(chǎn) 采空區(qū) 3.0 不需要
回采 7.49 26.0 1300 >2600 需要
掘進 9.6 800 >960 需要
2.4 瓦斯抽放的可行性
本煤層瓦斯抽放的可行性是指在自然透氣條件下進行預(yù)抽的可能性.衡量本煤層瓦斯預(yù)抽可行性指標有三個：煤層透氣性系數(shù)(λ)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)（α）和百米鉆孔瓦斯極限抽放量衰減系數(shù)(Qj).
按λ、α和Qj判定本煤層瓦斯抽放可行性標準如表2－6示.
表2－6 本煤層預(yù)抽瓦斯難易程度分類表
抽放難易程度 鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)
α（d-1） 百米鉆孔瓦斯極限抽量
Qj (m3) 煤層透氣系數(shù)
λ（m2/MPa2·d）
容易抽放 <0.003 >14400 >10
可以抽放 0.003～0.05 14400～2880 10～0.1
較難抽放 >0.05 <2880 <0.1
目前，某煤礦基本沒有測定煤層透氣性系數(shù)、鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)和百米鉆孔瓦斯極限抽放量.
考慮到某煤礦毗鄰的其他礦井的情況和地質(zhì)勘探資料及有關(guān)文獻,可以斷定，某煤礦二煤屬于較難抽放煤層(表2-6)，如不采取其他技術(shù)措施, 基本不具備預(yù)抽本煤層瓦斯的可行性. 因此, 回采工作面將繼續(xù)采用高位瓦斯抽放來治理工作面的瓦斯超限.
2.5 礦井瓦斯儲量與可抽量
礦井瓦斯儲量是指在煤田開發(fā)過程中能夠向礦井排放瓦斯的煤層及圍巖所儲存的瓦斯量. 開采二煤時，應(yīng)該納入礦井瓦斯儲量計算有二-1和二-3煤層和圍巖（含煤線）的瓦斯儲量，計算公式如下：
…………………………（2－2）
式中:
Wk — 確礦井瓦斯儲量，萬m3；
C — 圍巖瓦斯儲量系數(shù) ，取C = 1.05；
A — 二煤工業(yè)儲量，萬噸；
X — 二煤平均瓦斯含量，m3/t.
可抽量是指礦井瓦斯儲量中能被抽出的瓦斯量，由下式計算：
……………………………………（2－3）
式中:
Wkc ---- 礦井瓦斯可抽量，萬m3；
ηk ---- 礦井瓦斯抽放率，按照義馬礦區(qū)生產(chǎn)礦井的現(xiàn)狀預(yù)計，
ηk =25～35%，取平均值ηk = 30%；
Wk ---- 礦井瓦斯儲量，萬m3.
表2－7 礦井瓦斯儲量及可抽取量計算結(jié)果
儲量類別 煤層 煤炭工業(yè)儲量
（萬噸） 平均瓦斯含量（m3/t） 瓦斯儲量
（萬m3） 可抽量
（萬m3）
開采層 二煤 16452 5 82260 24678
圍巖 4113 1233.9
合計 86373 25911.9
礦井瓦斯儲量和可抽量計算結(jié)果如表2－7所示. 由表可知， 礦井瓦斯儲量和可抽取量分別為86373萬m3和25911.9萬m3. 礦井的煤炭工業(yè)儲量是根據(jù)1990年的《河南省義馬礦務(wù)局某煤礦礦井地質(zhì)報告》給出的可采儲量減去1991-2004的采出量進行估算的.
煤炭工業(yè)儲量 = 17752 – 100 x 13 = 16452 萬噸
3 礦井瓦斯抽放方案初步設(shè)計
3.1 抽放方法選擇的原則
選擇礦井瓦斯抽放方法應(yīng)根據(jù)礦井煤層賦存條件, 瓦斯基本參數(shù), 瓦斯來源, 巷道布置, 抽放瓦斯的目的及瓦斯利用等因素來確定, 并應(yīng)遵守以下原則:
(1).抽放方法應(yīng)適合煤層賦存狀況, 巷道布置,地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件.
(2). 應(yīng)根據(jù)礦井瓦斯涌出來源及涌出量構(gòu)成分析, 有針對性地選擇抽放瓦斯方法, 以提高瓦斯抽放效果.
(3). 在滿足瓦斯抽放的前提下, 應(yīng)盡可能地利用生產(chǎn)巷道, 以減少抽放工程量.
(4). 選擇的抽放方法應(yīng)有利于抽放巷道的布置和維護.
(5). 選擇的抽放方法應(yīng)有利于提高瓦斯抽放效果, 降低瓦斯抽放成本.
(6). 瓦斯抽放應(yīng)有利于鉆場, 鉆孔的施工和抽放系統(tǒng)管網(wǎng)的設(shè)計, 有利于增加鉆孔的抽放時間.
3.2 抽放瓦斯方法選擇
某煤礦抽放瓦斯的目的是消除或緩解瓦斯突出的危險性及使工作面的瓦斯涌出量降低到通風(fēng)能解決的水平或減輕礦井通風(fēng)負擔. 因此, 確定礦井抽放瓦斯的方法為開采煤層抽放(包括開采工作面和掘進工作面抽放)和采空區(qū)抽放等方式.
在二-1和二-3煤層開采時，必須對所有的回采工作面進行高位抽放或本煤層預(yù)抽、對大多數(shù)的掘進工作面進行瓦斯預(yù)抽放. 選擇的瓦斯抽放方法如下：
?、?采用邊采邊抽相結(jié)合方式抽放回采工作面采空瓦斯；
?、?掘進工作面采用邊掘邊抽方法抽放本煤層瓦斯;
⑶.采用高位鉆孔抽放回采工作面及采空區(qū)瓦斯.
由于某礦煤層具有自燃傾向性, 不宜采用采用采空區(qū)抽放.
3.2.1 回采工作面本煤層瓦斯抽放
由于煤層的透氣性低, 采用預(yù)抽和邊采邊抽相結(jié)合的抽放方法，即：利用工作面膠帶順槽或軌道順槽向煤層打迎向平行鉆孔預(yù)抽本煤層瓦斯，并利用回采工作面前方超前卸壓效應(yīng)邊采邊抽本煤層瓦斯，以提高煤層瓦斯抽放效率.
推薦的鉆孔布置方式如圖3－1示.
圖3－1 回采工作面本煤層瓦斯抽放鉆孔布置示意圖
推薦的本煤層預(yù)抽鉆孔布置參數(shù)如下：
鉆孔長度 80-100m；
鉆孔直徑 ∮75mm；
鉆孔與工作面夾角 4°～6°；
鉆孔間距 10m；
封孔深度 5m；
封孔方式 聚胺脂封孔.
3.2.2 掘進工作面瓦斯抽放
掘進工作面抽放瓦斯的方法有邊掘邊抽和先抽后掘瓦斯抽放兩種方式.考慮到某煤礦掘進工作面瓦斯涌出較小,采用邊掘邊抽比較合適. 采用邊掘邊抽時, 抽放鉆孔布置方式如圖3－2示.
推薦的鉆孔布置參數(shù)如下：
鉆孔長度 60-100 m；
鉆孔直徑 ∮75 mm；
相鄰孔間夾角 3°～5°；
鉆場間距 50 m；
鉆場內(nèi)鉆孔數(shù) 3個；
封孔深度 5m；
封孔方式 聚胺脂封孔.
圖3－2 掘進工作面邊掘邊抽瓦斯鉆孔布置示意圖
在煤巷掘進工作面后5m處的巷道兩邦各施工一個鉆場. 鉆場的規(guī)格應(yīng)根據(jù)巷邦瓦斯抽放鉆孔布置的要求, 選用鉆機的外形尺寸及鉆桿長度而定. 根據(jù)該礦的具體情況, 每組鉆場在煤巷兩側(cè)錯開布置, 其規(guī)格為: 4 x 4 x 2m, 采用木棚支護. 相鄰兩組鉆場之間的間距為40-50m.
在每一鉆場內(nèi), 沿走向布置3個邊掘邊抽鉆孔, 即左, 右鉆場各三個, 孔深60m左右.
掘進工作面先抽后掘就是在煤巷掘進工作面向前方煤層施工扇形鉆孔, 每個循環(huán)6-9個鉆孔, 鉆孔深度50-60m, 每個循環(huán)間距40-50m, 預(yù)計抽放時間為20左右. 鉆孔終孔點分別距離巷道中心線0m, 2.5m和4m.
鉆孔布置的原則就是保證將鉆孔布置在煤層內(nèi), 鉆孔傾角與巷道底板平行或根據(jù)煤層的厚度向上或下傾斜. 當掘進工作面抽放鉆孔數(shù)量較多時, 為擴大鉆孔覆蓋范圍, 抽放鉆孔應(yīng)以巷道中線為基準, 向周圍煤體呈放散狀排列, 以提高抽放效果.
3.2.3 回采工作面高位抽放
采用高位抽放就把回采工作面上部煤層中和部分采空區(qū)中的瓦斯通過鉆孔和瓦斯抽放管道排放到地表或井下回風(fēng)巷中. 圖3-3為回采工作面高位鉆孔布置示意圖.
需要注意的是設(shè)計中的瓦斯抽放鉆孔設(shè)計僅供該礦工程技術(shù)人員參考. 在生產(chǎn)實際中, 應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際監(jiān)測參數(shù)對抽放鉆孔的布置進行調(diào)整, 以達到最好的抽放效果.
3.2 抽放量預(yù)計及抽放服務(wù)年限
3.2.1 回采工作面本煤層預(yù)抽量預(yù)計
由于二-1和二-3煤層的透氣性低及回采工作面巷道面積較小等原因, 盡量不采用邊采邊抽的方式, 而著重考慮采用高位鉆孔抽放的方式.
3.2.2 掘進工作面邊掘邊抽瓦斯量預(yù)計
某煤礦回采工作面順槽實行單巷掘進，每一條單巷掘進工作面的最大邊掘邊抽瓦斯量由下式計算：
(3-1)
式中:
Q1 - 單巷掘進工作面邊掘邊抽瓦斯量，m3 /min；
N - 每個鉆場內(nèi)邊掘邊抽鉆孔數(shù)，N＝3；
L2 - 掘進工作面平均走向長度，m，L2=2000m；
L3 - 鉆場間距，m，L3=100m；
L1 - 單孔有效抽放長度，m，L1=95m；
Qj - 百米鉆孔瓦斯極限抽放量，m3，Qj =67825 m3；
α - 鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)，d-1，α=0.0014d-1；
t - 巷道掘進期間邊掘邊抽鉆孔平均抽放瓦斯時間，d，在巷道長度為240m（包括聯(lián)絡(luò)橫貫長度）、掘進速度30m/mon條件下，t＝120d.
代入各參數(shù)值，計算得 Q1=0.691m3/min.
按全礦4個單巷掘進工作面考慮，邊掘邊抽瓦斯總量為2.764m3/min.
3.2.3 礦井瓦斯抽放量預(yù)計
當?shù)V井實施高位鉆孔抽放、邊采邊抽和邊掘邊抽等措施時，預(yù)計礦井最大瓦斯抽放總量可以達到11.58m3/min.按年抽放365天、日抽放24小時計算，礦井年最大年瓦斯抽放量可以達到6086448m3.
3.2.4 抽放服務(wù)年限
由于礦井瓦斯抽放方式為高位鉆孔抽放、邊采邊抽和邊掘邊抽，瓦斯抽放服務(wù)年限與礦井生產(chǎn)服務(wù)年限相同.
3.2.5 抽放參數(shù)的確定
根據(jù)目前礦井的具體情況和所選用的抽放瓦斯方法, 設(shè)計礦井的瓦斯抽放濃度為30%.設(shè)計掘進工作面的預(yù)抽(盡量不采用預(yù)抽)時間為20天, 回采面的預(yù)抽時間大于3個月, 回采面預(yù)抽鉆孔可作為邊采邊抽鉆孔, 當采煤工作面推進至該孔孔口附近時, 拆除鉆孔. 瓦斯抽放實踐證明, 由于預(yù)抽煤體瓦斯, 使煤體發(fā)生收縮變形, 當煤體原來占據(jù)的空間體積相等時, 煤體的收縮既使原有的裂隙加大, 又可以產(chǎn)生新的裂隙. 從而使煤層的透氣性增加, 提高瓦斯抽放效果.
3.3 瓦斯抽放鉆孔施工及設(shè)備
3.3.1 鉆機的選擇
選擇鉆機需要考慮的因素包括: 1).鉆進深度; 2).轉(zhuǎn)速范圍; 3).給進, 起拔能力; 4).液壓系統(tǒng); 5).價格.
某礦現(xiàn)在使用的鉆機采用整體箱式結(jié)構(gòu), 具有體積小, 重量輕, 移動安裝方便, 機械效率高等優(yōu)點,完全能夠滿足井下瓦斯抽放鉆孔鉆進的要求. 該鉆機主要用于井下鉆探深度為50m-200m的各種角度的瓦斯抽放鉆孔, 勘探鉆孔等多用途的工程鉆孔施工.
3.3.2 鉆孔施工技術(shù)安全措施
除了采取鉆孔施工技術(shù)的一般安全措施(略)外, 還必須采取以下特殊措施:
(1). 在施鉆地點附近安設(shè)一組(6個)壓風(fēng)自救器和一臺電話;
(2). 調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng), 使采煤工作面回風(fēng)不直接流經(jīng)施鉆地點, 開始以前完成該區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整;
(3). 采煤工作面放炮時, 撤出施鉆人員至安全地點, 放炮期間, 所有人員均不得進入回風(fēng)系統(tǒng);
(4). 放炮后, 待施鉆現(xiàn)場瓦斯不超限, 整個區(qū)域無安全異常, 則可保持正常施鉆;
(5). 若施鉆現(xiàn)場發(fā)生安全異常, 則立即按安全路線撤離.
3.3.3 鉆孔封孔
抽放鉆孔封孔方式主要有水泥注漿泵封孔, 人工水泥沙漿封孔和聚胺脂封孔等. 在巖層中封孔長度不小于3m. 在煤層中封孔長度不小于5m.
考慮到某煤礦的鉆孔數(shù)量不大, 沒有必要購買價格昂貴的封孔泵或采用人工水泥沙漿封孔. 因為使用水泥沙漿封孔, 凝固時間長, 對于傾斜鉆孔不易充滿. 因此, 應(yīng)該使用人工聚胺脂封孔.
聚胺脂封孔就是由異氰酸脂和聚醚并添加幾種助劑反應(yīng)而生成硬質(zhì)泡沫體密封鉆孔. 聚胺脂封孔采用卷纏藥液與壓注藥液兩種工藝方法. 現(xiàn)主要應(yīng)用卷纏藥液法封孔, 封孔深度一般為3-6m即可符合要求.
雖然聚胺脂封孔(見圖3-4)的成本略高于水泥漿封孔, 但聚胺脂封孔操作簡單, 省時省力, 氣密性好, 抽放效果好, 非常適用于某煤礦.
1— 集氣孔段; 2—聚氨酯封孔段; 3—水泥砂漿封孔段; 4—套管
圖3-4 聚胺脂封孔示意圖
3.3.4 瓦斯抽放參數(shù)監(jiān)測
采用孔板或便攜式數(shù)字鉆孔瓦斯參數(shù)監(jiān)測儀對鉆孔或采空區(qū)抽放管進行監(jiān)測很有必要. 除此之外, 在抽放巷道口設(shè)瓦斯抽放監(jiān)測傳感器, 對抽放管道的負壓, 瓦斯?jié)舛? 瓦斯流量, 溫度進行監(jiān)測. 井下抽放支管和地面主管都應(yīng)裝備管道監(jiān)測系統(tǒng), 并將其盡可能地將管道監(jiān)測系統(tǒng)掛靠入礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng).
4 瓦斯管網(wǎng)系統(tǒng)選擇與管網(wǎng)阻力計算及設(shè)備選型
4.1 礦井瓦斯抽放設(shè)計參數(shù)
根據(jù)煤礦提供的地質(zhì)資料和礦井設(shè)計資料, 某煤礦的設(shè)計瓦斯抽放量按一臺抽放泵同時服務(wù)兩個回采工作面(目前只布置一個回采工作面)和三個掘進工作面, 純瓦斯抽放量取11.58m3/min(將來最大瓦斯抽放量). 瓦斯抽放濃度按30%計算.
4.2 瓦斯管網(wǎng)系統(tǒng)選擇與管網(wǎng)阻力計算
4.2.1 瓦斯抽放管網(wǎng)系統(tǒng)
在選擇瓦斯抽放管路系統(tǒng)時, 主要根據(jù)抽放泵站位置, 開拓巷道布置, 管路安裝條件等進行確定. 抽放管路應(yīng)盡量選擇敷設(shè)在巷道曲線段少和距離短的線路中, 盡可能避開運輸繁忙巷道, 同時還要考慮供電, 供水, 運輸方便.
抽放泵的位置可以布置在地面也可以布置在井下. 井下布置是將瓦斯抽放泵布置在井下靠近抽放地點的進風(fēng)流中, 這樣可以減少抽放管路的長度, 并隨時根據(jù)抽放地點的需要改變抽放泵的位置, 可以節(jié)省管路投資, 節(jié)省防爆裝置和避雷裝置, 其必要條件是抽放管路的瓦斯排放到采區(qū)回風(fēng)巷或總回風(fēng)巷后, 在較小范圍內(nèi)經(jīng)過稀釋達到風(fēng)流瓦斯?jié)舛炔怀?
當?shù)V井總回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛雀? 抽出的瓦斯不能排放到總回風(fēng)巷, 或井下供水,供電及安裝成本較高, 或地面距離抽放地點較近時, 把瓦斯抽放泵安裝到地面具有明顯的經(jīng)濟和管理方面的優(yōu)勢.
某煤礦開采服務(wù)年限長，工作面到新材料井井口的距離較短, 且工作面需要抽放的瓦斯量較大，因此，建立地面永久瓦斯抽放系統(tǒng)較為合理.
根據(jù)礦井采掘工作面的具體位置及開拓布置, 確定將地面永久瓦斯抽放站布置在距離新材料井附近且地勢平坦, 無地質(zhì)災(zāi)害和洪水影響的地點. 要求瓦斯抽放泵站房50m范圍內(nèi)無主要建筑及民房, 在泵房周圍20m設(shè)立圍墻或柵欄, 并嚴禁明火.
根據(jù)某煤礦的井下開拓巷道和地表設(shè)施的具體情況,考慮了兩種井下管道布置最長路線.
方案1:
21171工作面順槽 二一區(qū)專用回風(fēng)下山 東軌大巷 材料立井 抽放泵房 放空管;
方案2:
21171工作面順槽 二一區(qū)軌道下山 東軌大巷 材料立井 抽放泵房 放空管;
如果把主管道延伸到21171工作面回風(fēng)順槽與二一區(qū)專用回風(fēng)下山匯合處, 兩個方案的井下主管道長度基本相同, 即1280m.
4.2.2 瓦斯抽放管管徑計算及管材選擇
瓦斯抽放管管徑按下式計算：
………………………………（3－5）
式中 D-----瓦斯抽放管內(nèi)徑，m；
Q-----抽放管內(nèi)混合瓦斯流量，m3/min；
V-----抽放管內(nèi)瓦斯平均流速，經(jīng)濟流速V＝5-15m/s, 取V=7 m/s.
約定：
采區(qū)、回風(fēng)井及地面瓦斯抽放管為干管；
綜采綜放工作面瓦斯抽放管為支管1；
(將來)綜采工作面瓦斯抽放管為支管2.
根據(jù)各瓦斯抽放管內(nèi)預(yù)計的瓦斯流量，按式（3－5）計算選擇的瓦斯抽放管管徑如表3－2示. 瓦斯抽放管選用無縫鋼管.
表3－2 瓦斯抽放管管徑計算選擇結(jié)果
抽放管
類別 純瓦斯抽放量
（m3/min） 瓦斯?jié)舛?br />
（%） 混合瓦斯抽放量
（m3/min） 計算管內(nèi)徑
（m） 選擇管徑
（mm）
干管 11.58 30 38.60 0.342 Φ402×10
支管1 6.50 30 21.67 0.256 Φ 275×7
支管2 5.08 30 16.93 0.227 Φ 275×7
備注：邊掘邊抽瓦斯管留做工作面高位瓦斯抽放管. 考慮將來有可能布置兩個工作面, 故選支管1與支管2同徑.
抽放管材均選擇無縫鋼管, 經(jīng)過計算得出主管直徑D = 0.342m, 支管1直徑 D = 0.242m, 支管2直徑 D = 0.242m. 故主管選擇直徑為Φ402mm的無縫鋼管, 壁厚可選擇9mm或10mm. 掘進及回采工作面支管可選擇直徑為Φ275mm的無縫鋼管, 壁厚可選擇7mm.
4.2.3 管網(wǎng)阻力計算
⑴. 摩擦阻力（Hm）計算
………………… (3－6)
式中:
Hm — 管路摩擦阻力，Pa；
L — 負壓段管路長度，m；
Q — 抽放管內(nèi)混合瓦斯流量，m3/h；
γ — 混合瓦斯對空氣的密度比；
K — 與管徑有關(guān)的系數(shù)；
D — 抽放管內(nèi)徑，cm.
為了保證選用的瓦斯抽放泵能滿足抽放系統(tǒng)最困難時期所需抽放負壓，應(yīng)根據(jù)礦井各生產(chǎn)時期瓦斯抽放系統(tǒng)中管路最長、流量最大、阻力最高的抽放管線來計算礦井抽放系統(tǒng)總阻力.
由于礦井的服務(wù)年限較長，且中后期開采的采區(qū)煤層瓦斯含量高，考慮到瓦斯抽放泵的有效使用年限僅為15年左右，故計算礦井生產(chǎn)時期的瓦斯抽放系統(tǒng)最大阻力. 根據(jù)礦井前期采掘接替安排，確定的瓦斯抽放系統(tǒng)最困難管線如下：
地面抽放泵站干管(長度為70m)材料立井抽放干管(長度為580m)采區(qū)抽放干管(長度為1280m)工作面抽放支管(長度為1200m).
前期最困難抽放管線阻力計算結(jié)果如表3－3示.
表3－3 生產(chǎn)前期瓦斯抽放系統(tǒng)最困難管網(wǎng)阻力計算結(jié)果
抽放管
類 別 Q
（m3/min） γ L
（m） K D
（cm） Hm
（Pa）
干管 38.60 0.866 1930 0.71 38.2 1522.81
支管 21.67 0.866 1200 0.71 26.1 2004.14
合計 3526.95
⑵.局部阻力（Hj）計算
管路局部阻力損失按直管阻力損失的15%計算，則抽放管路系統(tǒng)的局部阻力損失為:
Hj =0.15 Hm = 0.15 x 3526.95 = 529.04 Pa.
(3). 總阻力（H）計算
H = Hm + Hj
= 3526.95 + 529.04 = 4055.99 Pa
4.2.4 瓦斯抽放管路與瓦斯抽放鉆孔的連接
用彈簧軟管或礦用PVC管將鉆孔套管與鉆場匯流管(也稱混合器)相連, 匯流管與鉆場瓦斯管連接, 然后鉆場瓦斯管與布置在巷道中的瓦斯抽放支管相連接. 瓦斯抽放主管均采用法蘭盤螺栓緊固連接, 中間夾橡膠密封圈.
4.2.5 瓦斯抽放管路敷設(shè)
1). 瓦斯抽放管路敷設(shè)的一般要求
由于煤礦井下的環(huán)境條件比較惡劣, 巷道變形較大高低不平, 坡度大小不一, 空氣潮濕管路易生銹, 為此對煤礦井下瓦斯抽放管路的敷設(shè)有如下要求:
(1). 瓦斯抽放管路應(yīng)采取防腐, 防銹蝕措施;
(2). 在傾斜巷道中, 應(yīng)用卡子把瓦斯抽放管道固定在巷道支架上, 以免下滑;
(3). 瓦斯抽放管路敷設(shè)要求平直, 盡量避免急彎;
(4). 瓦斯抽放管路敷設(shè)時要考慮流水坡度, 要求坡度盡量一致, 避免由于高低起伏引起的局部積水. 在低洼處需要安裝放水器;
(5). 新敷設(shè)的管路要進行氣密性試驗.
地面敷設(shè)的管道除了滿足井下管路的有關(guān)要求外, 還需要符合以下要求:
(1). 在冬季寒冷地區(qū)應(yīng)采取防凍措施;
(2). 瓦斯抽放管路不宜沿車輛來往繁忙的主要交通干線敷設(shè);
(3). 瓦斯抽放管路不允許與自來水管, 暖氣管, 下水道管, 動力電纜, 照明電纜和電話線纜等敷設(shè)于一個地溝內(nèi);
(4). 在空曠的地帶敷設(shè)瓦斯抽放管路時, 應(yīng)考慮未來的發(fā)展規(guī)劃和建筑物的布置情況;
(5). 瓦斯抽放主管路距建筑物的距離大于5m, 距動力電纜大于1m, 距水管和排水溝大于5m, 距鐵路大于4m, 距木電線桿大于2m;
(6). 瓦斯抽放管路與其他建筑物相交時, 其垂直距離大于0.15m, 與動力電纜, 照明電纜和電話線大于0.5m, 且距相交建筑物2m范圍內(nèi), 管路不準有接頭.
2). 管路安裝
井下瓦斯抽放管路采用吊掛或打支撐墩沿巷道底板敷設(shè).掘進工作面瓦斯抽放管路可采用巷道側(cè)邦吊掛安全方式. 地面瓦斯管路安裝采用沿地表架空敷設(shè)方式, 架空高度0.5m. 每隔5-6m設(shè)置一個支撐架(支撐墩), 必要時在支撐墩上設(shè)半圓形管卡固定管路, 以防滑落.
3). 管道防腐防銹
所有金屬管道外表均要進行防銹處理,即在管道外表先涂刷兩層樟丹, 在刷一層調(diào)和漆.
4.2.6 瓦斯抽放管道的附屬裝置
為了掌握各抽放地點的瓦斯涌出量, 瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r, 便于調(diào)節(jié)管路系統(tǒng)內(nèi)的負壓和流量, 在管路上應(yīng)安裝閥門, 流量計和放水器等附件. 除此之外, 在瓦斯泵房和地面管路上還須安設(shè)有防爆, 防回火裝置及放空管等.
1). 閥門
瓦斯抽放管路和鉆場連接管上均應(yīng)安裝閥門, 主要用來調(diào)節(jié)和控制各抽放點的抽放量, 抽放濃度和抽放負壓等.
2). 放水器
在抽放管路系統(tǒng)最低點安裝人工或自動放水器, 及時放空抽放管路中的積水, 提高系統(tǒng)的抽放效率. 在排氣端低凹處安裝正壓放水器.
為減少瓦斯抽放成本, 建議采用人工放水器(如圖4-1, 圖4-2). 也可以使用負壓自動放水器.
1 – 鋼管; 2 – 閘閥DN25.
圖4-1 人工負壓放水器(也可以作正壓放水器用)
圖4-2 高負壓人工放水器安裝示意圖
臥式, (b) 立式.
1 – 瓦斯管路; 2 – 放水器閥門; 3 – 空器入口閥門;
4 – 放水閥門; 5 – 放水器; 6- 法蘭盤.
抽出的瓦斯排放至地面, 還必須安裝防爆, 防回火裝置, 放空管, 避雷線等.
3). 計量裝置及抽放參數(shù)測定
在井下與主管道匯合的各抽放支管處各安裝一套WYS型管道氣體參數(shù)監(jiān)測儀(南京科強科技實業(yè)有限公司產(chǎn)品), 計量各支管的瓦斯流量. 在抽放系統(tǒng)的主管道和各支管上安裝一套WYS型管道氣體參數(shù)監(jiān)測儀(南京科強科技實業(yè)有限公司產(chǎn)品),計量整個抽放系統(tǒng)的瓦斯抽放量. 應(yīng)用便攜式孔板流量計測定單孔瓦斯流量.
也可以使用板流量計來測定管道中氣體的流量. 在使用孔板流量計時要注意孔板與瓦斯管道的同心度, 不能裝偏. 在鉆場內(nèi)使用孔板流量計時, 應(yīng)保證孔板前后各1m段平直, 不要有閥門和變徑管. 在抽放瓦斯管末端安裝孔板流量計時, 應(yīng)保證孔板前后各5m段平直, 不要有閥門和變徑管.
測定孔板兩端的壓差可采用傾斜水柱計, 測定抽放管路中的抽放負壓可采用水銀計, 抽放管路中的瓦斯?jié)舛瓤刹捎秘搲何鼩馔埠透邼舛韧咚箼z定器.
孔板流量計兩側(cè)的測壓孔使用膠管分別與U形壓差計(煤礦自備,長800mm)連接. 根據(jù)水銀壓差計測定的負壓, 壓差和高濃度瓦斯檢測儀監(jiān)測的抽放管路內(nèi)的瓦斯?jié)舛染涂梢酝ㄟ^公式來計算瓦斯抽放量.
除孔板流量計外, 也可以使用煤氣表或瓦斯抽放管道監(jiān)測系統(tǒng)作為流量測量裝置. 煤氣表的量程應(yīng)根據(jù)預(yù)計的單孔瓦斯流量確定. 一般地本煤層預(yù)抽鉆孔使用J2.5型煤氣表, 其最大允許的瓦斯流量為66L/min, 最小流量在1L/min以下.
測定單孔流量也可以使用WYS便攜式瓦斯流量計. WYS型便攜式瓦斯抽放多參數(shù)測定儀是用于管徑D≤100mm瓦斯抽放管道參數(shù)測定的智能化測量儀表, 特別適用于鉆場單個鉆孔封孔前, 封口后的參數(shù)測定. 是一種便攜式礦用本質(zhì)安全型儀器, 防爆標志為ibl(±150ºC), 可測定的參數(shù)包括氣體流量,瓦斯?jié)舛群凸艿镭搲? 同時可測定抽放管道的瓦斯混合流量和純甲烷流量. 測定的所有數(shù)據(jù)都可以儲存, 顯示和打印. 儀器具有掉電自動保護功能以及電源欠壓提示功能. 儀器數(shù)據(jù)儲存量大, 可存儲綜合測定數(shù)據(jù)100組. 單參數(shù)據(jù)300組.
儀器的主要特點是: 1).儀器本身自帶渦街量傳感器, 自成一體, 無需另外配備孔板, 均速管道或皮托管, 流量系數(shù)直接固化在軟件中, 用戶無法改變, 這可避免因輸錯系數(shù)而造成測定數(shù)據(jù)不準確的問題. 2).使用方便. 用戶只需要軟管與儀器連接好既可進行測量工作. 3).阻力損失小, 對氣體流場影響小. 4).穩(wěn)定可靠, 測量精度高.
4.3 瓦斯抽放泵選型計算
瓦斯抽放泵的選型原則有二個：
?、俦玫牧髁繎?yīng)滿足抽放系統(tǒng)服務(wù)期限可能達到的最大瓦斯抽放量；
?、诒玫膲毫δ芸朔罾щy路線的管網(wǎng)阻力，使抽放鉆孔達到足夠的負壓，并滿足抽放泵出口正壓需求.
4.3.1 瓦斯抽放泵流量計算方法
……………………………(3－6)
式中:
Q — 瓦斯抽放泵所需額定流量，m3/min；
Q z — 礦井抽放系統(tǒng)最大瓦斯抽放純量，m3/min；
X — 礦井抽放瓦斯?jié)舛龋?；
K — 備用系數(shù)，K=1.20；
η— 抽放泵機械效率，η=0.80.
本抽放系統(tǒng)設(shè)計抽放量為11.58 m3/min. 則瓦斯抽放泵所需額定流量計算如下:
Q = 100 x 11.58 x 1.2/(30 x 0.80) = 57.9 m3/min
4.3.2 瓦斯泵壓力計算方法
瓦斯泵壓力, 必須能克服抽放管網(wǎng)系統(tǒng)總阻力損失和保證鉆孔有足夠的負壓, 以及能滿足泵出口正壓之需求. 瓦斯泵壓力按下式計算:
………………………（3－7）
式中:
H — 瓦斯抽放泵所需壓力，Pa；
K — 壓力備用系數(shù)，K=1.20；
Hzk — 抽放鉆孔所需負壓，Pa，取=14000Pa；
Hrm — 井下管網(wǎng)的最大摩擦阻力，Pa；
Hrj — 井下管網(wǎng)的最大局部阻力，Pa；
Hc — 瓦斯泵出口正壓，Pa，考慮今后瓦斯抽放利用的需要，取=15000Pa.
4.3.3 瓦斯抽放泵選型計算
表3－4 瓦斯泵流量、壓力計算結(jié)果
Qz
（m3/min） X
(%) Hzk
(Pa) Hrm
(Pa) Hrj
(Pa) Hc
(Pa) Q
（m3/min） H
（Pa）
11.58 30 14000 3526.95 529.04 15000 38.60 39667.19
根據(jù)前面的管路阻力損失計算得知, 礦井抽放管路系統(tǒng)的最大阻力損失為8615.3Pa, 則:
H = (14000 + 3526.95 + 529.04 + 15000) x 1.2
= 39667.19 Pa
根據(jù)當?shù)貧庀筚Y料, 地面抽放站的壓力為100000Pa, 泵的入口絕對壓力為:
100000 – 39667.19 = 60332.81Pa, 實際取泵的入口壓力為60KPa.
4.3.4 瓦斯抽放泵選型
根據(jù)上述計算結(jié)果, 查國內(nèi)有關(guān)廠家的真空泵曲線, 即可確定瓦斯抽放泵的型號. 由于目前我國的真空泵曲線都是按工況狀態(tài)下的流量繪制的, 所以還需要按下列公式把標準狀態(tài)下的瓦斯流量換算成工況狀態(tài)下的流量.
Q泵工 = Q泵 (3-8)
式中:
Q泵工 – 工況狀態(tài)下的瓦斯泵流量, m3/min;
Q泵 – 標準狀態(tài)下的瓦斯流量, m3/min;
P0 – 標準大氣壓力(P0=101325Pa), Pa;
P – 瓦斯泵入口絕對壓力, Pa;
T - 瓦斯泵入口瓦斯的絕對溫度(T=273+t), K;
T0 – 按瓦斯抽放行業(yè)標準規(guī)定的標準狀態(tài)下絕對溫度(T0=273+20), K;
t - 瓦斯泵入口瓦斯的溫度, ºC.
取瓦斯泵入口溫度t = 20ºC, 則:
Q泵工 = 57.9 x
= 97.78 m3/min
根據(jù)上述計算結(jié)果, 通過淄博, 武漢, 新鄉(xiāng), 佛山等國內(nèi)真空泵生產(chǎn)廠家產(chǎn)品的市場調(diào)查, 建議選用2臺廣東省佛山水泵廠有限公司生產(chǎn)的水環(huán)真空泵質(zhì)量最好, 而且節(jié)能. 通過查泵的性能曲線(見附圖), 可以選擇CBF410-2型或CBF360-2型水環(huán)真空泵. 由于CBF360-2型(510r/min)是該系列的最高檔, 其能耗高于CBF410-2型(330r/min). 建議選擇CBF410-2型(330r/min). 一旦將來隨著技術(shù)進步, 抽放效率提高, 可以通過更換電機把抽氣量提高至170m3/min. 在60KPa壓力狀態(tài)下CBF410-2型(330r/min)的工況流量為121.0m3/min, 泵的轉(zhuǎn)速為330r/min, 電機功耗為96KW, 電壓380/660v, 耗水量(吸入壓力>400mbar)5.3-12.0 m3/h.
CBF410-2型水環(huán)真空泵主要功能及技術(shù)參數(shù):
CBF410-2型水環(huán)真空泵環(huán)境適應(yīng)性強, 并可靠, 安全, 高效地長期運行. 其核心部分---水環(huán)式真空泵, 是根據(jù)煤礦對瓦斯泵的特殊要求而設(shè)計的. 其使用性能, 排氣量, 真空度, 安全性, 可靠性, 外形, 安裝尺寸等具體指標, 均優(yōu)于普通真空泵. 整個泵站系統(tǒng)可配套南京富鄴科技實業(yè)有限公司KJ-91瓦斯抽放泵站監(jiān)控系統(tǒng). 該系統(tǒng)提供瓦斯超限斷電聲光報警, 停水斷電, 恒水位控制, 抗結(jié)垢水質(zhì)磁化, 流量, 檢測, 其中供電系統(tǒng)具有過載, 過電壓及短路保護, 電機電纜漏電閉鎖等功能.
5 瓦斯抽放泵站布置
5.1 瓦斯抽放泵
某煤礦總回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛容^高, 礦井總風(fēng)量較小, 如果將瓦斯抽放泵安裝在井下把抽出的瓦斯排到總回風(fēng)巷, 極有可能造成總回風(fēng)瓦斯超限. 因此, 根據(jù)礦井采掘的具體位置及開拓布置, 確定將抽放泵站設(shè)在礦井材料井較近處且無地質(zhì),洪水等災(zāi)害影響, 地勢平坦的地點. 地面瓦斯泵房位置選擇如附圖1所示.
抽放泵站由瓦斯泵房, 配電值班室組成. 瓦斯泵房長8.0m, 寬6.0m, 高3.5m. 值班室3 x 3 x 3.5m, 3 x 3 x 3.5m. 瓦斯抽放泵房布置圖如附圖2所示.
瓦斯抽放泵房圍墻或柵欄的圈定范圍應(yīng)當保障泵房周圍50m范圍內(nèi)無居民, 20m內(nèi)無明火, 不得有易燃, 易爆物品, 并配備至少4只干粉滅火器和大于0.5m3的黃砂. 在泵站周圍設(shè)有防火栓. 抽放泵站是具有爆炸危險的甲類廠房, 設(shè)計門窗作為泄壓面積, 泄壓與廠房體積比應(yīng)在0.05-1.22之間, 瓦斯抽放泵房采用不燃性材料構(gòu)成. 其土建工程設(shè)計和施工由某煤礦自行完成.
地面抽放泵站主要建筑為泵房，抽放泵房內(nèi)設(shè)有配電裝置, 瓦斯泵、分水器、管路、閥門等設(shè)備.在泵房附近進出口處設(shè)有放水器、防爆防火裝置(圖5-1)、放空管、壓力測定、流量測定裝置、采樣孔、閥門等附屬裝置.
圖5-1 水封式防爆, 防回火裝置
1 - 入口瓦斯管; 2 - 出口瓦斯管; 3 - 水封罐; 4 - 橡膠蓋(膠皮板);
5 - 注水管口; 6 – 水位計; 7 – 支承柱; 8 – 放水管.
瓦斯抽放泵房內(nèi)的所有設(shè)備和儀表均選用防爆型. 圖5-2地面瓦斯抽放泵站布置示意圖.
5.2瓦斯抽放泵站供電
瓦斯抽放泵站供電參照主要通風(fēng)機的供電管理, 要求”三專”, 即專用變壓器, 專用線路和專業(yè)開關(guān). 根據(jù)礦井的實際情況, 采用380V或660V供電安排. 瓦斯抽放泵站的設(shè)備總?cè)萘繛?20KW, 工作容量為120KW.
根據(jù)煤炭工業(yè)礦井設(shè)計規(guī)范GB-5012-94, 瓦斯抽放站的電力負荷為一級負荷, 必須保證有兩個電源供電.
圖5－2 瓦斯抽放泵站管統(tǒng)及附屬設(shè)施布置示意圖
5.3 瓦斯抽放泵給排水
(1). 給水
瓦斯抽放泵的供水采用地面清潔水(PH值6-8). 在不建水循環(huán)系統(tǒng)時, 為節(jié)省水耗, 要求供水壓力大于600mbar, 供水量大于12m3/h. 如果建水循環(huán)系統(tǒng), 最好安裝一套南京富鄴科技實業(yè)有限公司制造的高頻電子除垢裝置, 要求供水壓力大于200mbar即可.
(2). 排水
水環(huán)式真空泵排出的水收集后排入礦井蓄水池或循環(huán)使用.
5.4 防雷設(shè)施
在瓦斯抽放泵站房頂上設(shè)置避雷針, 并接地.
根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(2000), 設(shè)避雷線保護瓦斯排放管, 在瓦斯抽放站房頂設(shè)置避雷帶防感應(yīng)雷. 在變電所設(shè)工作接地, 接地電阻<4Ω; 在瓦斯抽放站分別設(shè)防雷接地. 接地電阻均<10 Ω.
設(shè)計放空管的高度為7m, 在距放空管5m之內(nèi)設(shè)一高度為14m的避雷針.
由于某礦處于山區(qū), 有時雷害比較嚴重, 應(yīng)該注意以下幾點:
1). 放空管應(yīng)高于房脊4m以上, 放空管與避雷針距離小于5m;
2). 泵房房頂應(yīng)安放雷網(wǎng);
3). 避雷針接地電阻不得大于4Ω, 達不到要求的要增加接地極;
4). 瓦斯抽放泵房內(nèi)所有設(shè)備的金屬外殼都應(yīng)接地, 金屬走線架, 水管等金屬物必須接地;
5). 為防止井下瓦斯抽放管路帶電, 瓦斯抽放管也需接地;
6). 瓦斯抽放泵供電采用四芯電纜, 其中一芯接地;
應(yīng)由具有防雷專業(yè)資質(zhì)的相關(guān)部門或設(shè)計單位進行設(shè)計, 安裝.
5.5 瓦斯抽放泵站照明
在瓦斯抽放泵站內(nèi)和值班室內(nèi)的照明燈具選用隔爆型.
5.6 瓦斯抽放泵站通訊
在瓦斯抽放泵站應(yīng)設(shè)置有到礦調(diào)度室的防爆型電話分機.
5.7 抽放系統(tǒng)實時監(jiān)測
為保證瓦斯抽放系統(tǒng)的安全運行和礦井的安全生產(chǎn), 瓦斯抽放系統(tǒng)設(shè)計時必須具備完善的安全監(jiān)測系統(tǒng), 對泵站的環(huán)境瓦斯?jié)舛? 真空泵供水, 抽放瓦斯?jié)舛? 抽放量, 負壓, 溫度, 排放口的正壓, 瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)進行監(jiān)測. 建議南京科強科技實業(yè)有限公司生產(chǎn)的WYS型管道氣體參數(shù)監(jiān)測儀和KJ-91泵站監(jiān)測系統(tǒng).
5.8 泵房采暖, 通風(fēng)
某礦區(qū)冬天最低氣溫可以達到-10ºC以下, 應(yīng)該在泵房和值班室安裝采暖和通風(fēng)系統(tǒng).門窗及排氣口合計的泄壓面積要符合要求.
6. 瓦斯抽放系統(tǒng)的安裝
6.1瓦斯抽放系統(tǒng)安裝的基本要求
瓦斯抽放系統(tǒng)的安裝, 調(diào)試和運行等必須遵守《煤礦安全規(guī)程》和《礦井瓦斯抽放管理規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定.
瓦斯抽放系統(tǒng)安裝所使用的材料必須為煤礦井下所允許使用的產(chǎn)品, 并具備煤礦安全產(chǎn)品標志準用證.
6.2 瓦斯抽放泵的安裝
瓦斯抽放泵應(yīng)安裝在專門的瓦斯抽放泵房內(nèi), 泵房內(nèi)必須有足夠的照明, 消防等設(shè)施, 嚴禁堆放易燃物品, 嚴禁無關(guān)人員進入瓦斯抽放泵房內(nèi).
6.3 瓦斯抽放, 排放管路及附屬設(shè)施安裝
瓦斯抽放, 排放主管路采用無縫鋼管, 法蘭連接, 安裝時采用錨桿吊掛在巷道頂部, 也可以采用其他支撐方式安裝在巷道壁上, 但不能影響車輛和行人. 管路應(yīng)盡量避免與電纜安裝在同一巷邦上, 管路全程嚴禁與帶電物體接觸, 并在管路上安設(shè)可靠的接地措施.
抽放主管路每隔200-400m安裝一調(diào)節(jié)閘閥, 在管路的低洼處安裝人工或自動負壓放水器, 定期放水. 抽放支管安裝閥門, 流量計和放水器等.
瓦斯抽放用所有金屬部件均須防腐處理, 管路安裝完畢要進行密閉性試驗, 并進行吹掃處理, 以免管路漏氣和內(nèi)存雜物. 封閉性能實驗使用水試壓, 壓力為0.2MPa, 一小時內(nèi)壓降不超過10%.試壓后, 管路涂紅色漆.
7 環(huán)境保護
7.1 抽放瓦斯工程對環(huán)境的影響
礦井瓦斯的主要成份為CH4和N2, 不含硫化物和其他有毒物質(zhì), 是一種潔凈的優(yōu)質(zhì)能源. 當其與水體接觸時, 不會產(chǎn)生新的污染.
瓦斯是氣體燃料, 不含灰份, 也沒有硫化物, 燃燒后不產(chǎn)生粉塵. 與燃煤相比, 可減少SO2排放量, 飛灰, 爐灰運輸量, 提高礦區(qū)大氣的潔凈度. 因此, 抽放瓦斯并加以利用, 對保護環(huán)境是十分有利的.
如果把抽出的瓦斯直接排入大氣, 則對大氣環(huán)境產(chǎn)生溫室效應(yīng). 所以有條件時盡量對抽出的瓦斯加以利用.
抽放工程對環(huán)境的影響主要是水環(huán)式真空泵和電機產(chǎn)生的噪聲. 真空泵采用循環(huán)供水, 可減少對環(huán)境的影響.
7.2 污染防治措施
噪聲治理主要考慮聲源控制, 具體措施如下:
值班室與瓦斯泵房隔開, 內(nèi)墻表面采用吸聲設(shè)計, 以保證值班室內(nèi)噪聲低于規(guī)定要求值, 減少噪音對值班人員的危害.
循環(huán)泵采用可曲撓橡膠接頭防噪.
7.3 抽放站綠化
綠化在防治污染, 保護和改善環(huán)境方面起著特殊重要的作用. 它具有較好的調(diào)溫, 調(diào)濕, 吸灰, 吸塵, 改善小氣候, 凈化空氣, 減弱噪聲等功能. 在泵站周圍種植速生, 高大, 樹冠豐滿的樹種, 設(shè)置綠化帶, 降低噪音和凈化空氣.
8 瓦斯抽放組織管理及主要安全技術(shù)措施
瓦斯抽放制度定為三班制抽放, 一班打鉆, 即只在白班進行打鉆. 為了安全地進行瓦斯抽放工作和提高瓦斯抽放效果, 按照《煤礦安全規(guī)程》和《礦井瓦斯抽放管理規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定, 在安全和組織管理方面準備以下措施.
8.1 組織管理
(1). 建立抽放瓦斯的專門機構(gòu), 配備專業(yè)施工隊伍, 負責(zé)瓦斯抽放工程的施工和日常管理工作. 所有人員必須經(jīng)過培訓(xùn)合格后方能上崗;
(2). 應(yīng)對瓦斯抽放泵房內(nèi)的設(shè)備和管路系統(tǒng)進行日常檢查, 建立定期檢查維修制度;
(3). 在瓦斯抽放區(qū)主管和分支管路上安裝瓦斯流量,濃度,負壓等檢測裝置,同時還配備專人定期巡回檢測, 進行放水和管路維護, 處理管路積水和漏氣, 以保證管路暢通無阻;
(4). 對瓦斯抽放設(shè)計參數(shù)應(yīng)在實踐中進一步考察和驗證, 以便確定合理的綜合抽放方法. 達到合理布置鉆孔 |
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