第5章矿井瓦斯爆炸及其预防

第6章矿井瓦斯抽放§6.1煤矿瓦斯抽放可行性分析防止瓦斯超限的两类方法：（1）利用矿井主要通风机，将瓦斯冲淡到安全浓度并将烷空混合物排放到地面大气中（通风方法）；（2）利用瓦斯泵抽放瓦斯，在负压下人工抽放高浓度瓦斯并通过巷道隔离的管网抽放到地面（抽放方法）。一、抽放瓦斯的目的1、预防瓦斯超限、确保矿井安全；2、开采保护层并具有抽放系统的矿井，应抽放被保护层的卸压瓦斯；3、预抽瓦斯作为区域性或局部防措施；4、开发利用瓦斯资源，变害为利。二、新建抽放瓦斯矿井应同时具备的条件1、一个回采工作面的瓦斯涌出量大于5m3/min;2、矿井瓦斯涌出量大于15m3/min；3、矿井抽放瓦斯总量应稳定在4m3/min以上；4、瓦斯抽放系统的服务年限＞10年；5、煤层透气性系数应大于一定值。三、采区抽放瓦斯标准当一个工作面瓦斯涌出量＞5m3/min，或一个掘进工作面瓦斯涌出量＞3m3/min。当采用通风方法解决瓦斯问题不合理时，应抽放瓦斯。四、抽放瓦斯必须遵守下列规定（1）利用瓦斯时，瓦斯浓度不得低于30%，且在利用瓦斯的系统中必须装设有防回火、防回气和防爆炸作用的安全装置。不利用瓦斯、采用干式抽放瓦斯设备时，抽放瓦斯浓度不得低于25％。（2）抽放容易自燃和自燃煤层的采空区瓦斯时，必须经常检查一氧化碳浓度和气体温度等有关参数的变化，发现有自然发火征兆时，应立即采取措施。（3）井上下敷设的瓦斯管路，不得与带电物体接触并应有防止砸坏管路的措施。§6.2瓦斯抽放设计基础一、矿井概况矿井储量、煤层赋存条件、矿井生产能力、巷道布置、开采方法、通风状况、矿井瓦斯涌出量、瓦斯来源分析等。二、瓦斯基础参数包括：煤层瓦斯含量、瓦斯储量、可抽瓦斯量、抽放率、煤层透气系数等。1、瓦斯储量----矿井开采过程中能够向矿井排放的煤（岩）所储存的瓦斯量。W=W1+W2+W3+W4式中：W1----可采煤层瓦斯储量；W2----局部可采煤层瓦斯储量；W3----采动影响范围内不可采煤层瓦斯储量；W4----采动影响范围内围岩瓦斯储量。2、可抽瓦斯量概算----瓦斯储量中可能被抽放出来的瓦斯量。式中W----瓦斯储量；dk----矿井瓦斯率。100kkdWW3、瓦斯抽放率（1）矿井抽放率----指矿井的抽出瓦斯量占其风排瓦斯量与抽放量之和的百分比。式中Qky----矿井风排瓦斯量；Qkc----矿井抽放瓦斯量。（2）本开采煤层抽放率式中QBy----开采层抽放瓦斯量；QBc----开采层涌出瓦斯量。kckykckQQQd100BcByBckQQQd100（3）工作面邻近层抽放率式中QLy----邻近层抽放瓦斯量；QLc----邻近层涌出瓦斯量。（4）工作面总抽放率LcLyLckQQQd100BYBCLyLCBCLckQQQQQQd)(1004、钻孔瓦斯流量衰减系数----不受采动影响条件下，煤层内钻孔的瓦斯流量随时间衰减变化特性系数。作用：可以作为煤层预抽瓦斯难易程度的一个指标。衰减系数的推导过程：∵tqttteqq0tqqt0lnlntqqtlnln05、煤层瓦斯透气性系数及人工增透方法----是衡量瓦斯在煤层流动难易程度的重要参数。是决定抽放效果的主要因素。测定方法见附录。人工增透方法：（1）使煤层有机物溶解；如：从煤层中取出一部分物质，形成新的裂隙、注入酸液。（2）在煤层内注入支撑剂；如：注入高压水或压气，将煤压裂，然后注入砂等。（3）破坏煤的结构。如：水力破裂、深孔松动爆破。三、煤层可抽放性分类根据煤层可抽瓦斯的难易程度分为：（1）容易抽放（2）勉强抽放（3）难以抽放类别钻孔流量衰减系数（d-1）煤层透气性系数（m2/MPa2.d）容易抽放0.00310可以抽放0.003~0.0510~0.1较难抽放0.050.1§6.3抽放瓦斯方法及工艺参数一、抽放类型、方法和适用条件1、抽放类型的划分按空间对象分：围岩抽放采空区抽放邻近煤层抽放开采煤层抽放按地应力划分：按时间对比划分（采掘与抽放）：卸压抽放瓦斯未卸压抽放瓦斯采后抽放边采边抽放边掘边抽放前预抽掘采)(2、抽放方法钻孔法、巷道法、综合法。3、各种抽放方法的适用条件抽放方法的选择主要根据瓦斯来源、地质采矿条件确定。具体见表6-2~6-4。（1）未卸压抽放----预抽A）巷道法优点：暴露面积大，流量大，稳定，流动阻力小。缺点：工程量大，掘进费用高。B）钻孔法（i）穿层钻孔抽放率约20%（个别大于30%）。优点：施工方便，掘进巷道少。缺点：单孔流量小。适用条件：（1）煤层透气性较大；（2）煤层群开采；（3）开拓岩巷超前较多；（4）可抽放时间长。（ii）沿层钻孔抽放率约20~60%。优点：施工方便。缺点：可抽时间短，对煤层赋存条件要求高。（2）卸压抽放（采动影响）特点：卸压后，煤层的透气性大大增加。所以必然能抽出瓦斯。主要包括：边采边抽•边掘边抽煤巷钻场钻孔邻近层抽放开采层邻近层邻近层二、未卸压抽放钻孔参数1、孔径孔径愈大煤壁暴露面积大瓦斯流量增大。如：阳泉一矿，φ从73mm300mm，S提高4倍，瓦斯抽放量提2.7倍。一般地，采用瓦斯抽放钻孔直径为60~110mm。2、钻孔长度单一钻孔瓦斯抽放量与其孔长基本上成正比关系。即：∴沿层钻孔，尽可能长。LQCH43、钻孔间距钻孔有效排放半径：规定的排除放时间内，该范围内瓦斯压力or瓦斯含量降低到安全容许值，此时的有效范围。L≤2RRL≤2R钻孔有效排放半径测定方法。多孔法：R（m）P(MPa)P0P’T1T2T3T1、T2、T3为不同抽放时间测定结果。且T1＜T2＜T3R1R2R301抽放孔测量孔123456784、抽放时间确定依据：钻孔瓦斯有效抽放率；钻孔瓦斯衰减系数。计算公式：式中T----抽放时间，d；β----钻孔瓦斯衰减系数，d-1;k----系数（or抽放率）,取0.7~0.8。5、孔口抽放负压与封孔长度抽放负压与煤层透气性系数、封孔质量、管路质量有关。一般取13.6~26.6kPa。封孔长度：岩孔：≮2~5m；煤孔：≮4~10m)11ln(1kT三、卸压抽放瓦斯参数（邻近层抽放）邻近层：开采煤层顶底板内赋存的能向开采煤层涌出瓦斯的煤层。1、开采煤层回采后对邻近层影响特征（1）形成采动裂隙和卸压带顶板：冒落、移动、卸压、变形底板：膨胀、卸压变形按裂隙发育情况分为“三带”I带内：瓦斯大量流向开采煤层采空区。当层间距小于8~10m时，煤层处于冒落带内。II带：瓦斯流向开采煤层采空区。特点：煤层透气性大大增加，抽出量大，瓦斯浓度高。III带：瓦斯不流向开采煤层采空区。特点：煤层透气性增加较小，抽出量小，瓦斯浓度高。（2）邻近层采动影响区内透气性系数煤层透气性系数增加几倍~几百倍。（3）邻近层残余瓦斯压力变化规律由于不同层间距的邻近层瓦斯得到不同程度的排放，其残余瓦斯压力变化如图。R=层间距/采高PC（MPa）RR抽放未抽放2、邻近层瓦斯抽放率分析：煤层群开采条件下，受采动影响，邻近层卸压，煤层透气性大大增加，邻近层瓦斯通过层间裂隙，进入开采煤层采空区。邻近层瓦斯涌出量∝1/层间距。当进行邻近层抽放时。沿煤层流向钻孔抽放巷道地面沿层间裂隙开采煤层采空区回风邻近层瓦斯∵抽放系统压差＞邻近层与采空区之间的压差∴大部分瓦斯被抽放，少量进入采空区主要结论：（1）邻近层抽放总可以抽出瓦斯，适用于各种条件；（2）钻孔流量决定于采动影响程度（层间距）和瓦斯含量。（3）抽放率的高低，决定于层间距及各种抽放参数的选择。（4）邻近层距开采层愈远，抽放率愈大，抽出的瓦斯浓度愈，可抽时间愈长。3、钻孔法邻近层抽放的主要参数（1）确定可抽放的邻近层上邻近层冒落带内煤层不可抽放（8~10m）。冒落带高度：缓倾斜煤层hm=k.M式中M----开采煤层厚度，m；k----冒落倍数,硬岩4~5，中硬3~4，软岩1~2煤层上邻近层/m下邻近层/m缓倾斜煤层12080急倾斜煤层6030（2）钻场位置原则：孔短，抽放瓦斯量多。•位于工作面进回风巷。风巷优点：孔短，易打入卸压带，抽放量大。可预防工作面上隅角瓦斯。缺点：打钻时，供电、供水、通风困难。•位于层间巷道（3）钻孔参数I）钻孔间距现场试验确定。始抽距离：----开采层工作面，在邻近层的投影线接近钻孔或超过钻孔一定距离（ld）时钻孔流量时显增加，即可开始抽放，这一距离称为始抽距离。停抽距离：----随着工作面不断向前推进，邻近层瓦斯含量降低，煤层透气性恢复，流量明显下降，可以停止抽放，此距离即为停抽距离（ls）ldlsⅡ）终孔层位决定于上、下邻近层层数及层间距。单一邻近层，终孔于该层顶（底）板1~2m。多邻近层，层间距小于30m内的邻近层，且各层间距不大于10m时；或层间距大于30m内的邻近层，且各层间距不大于15m时，可用一孔穿透全层。若有远有近，则分别打钻抽放。Ⅲ)钻孔角度原则：进入采动影响区，不穿过冒落带。Ⅳ）孔径影响不大，75~100mmⅤ）抽放时间式中L----孔间距,mV----工作面推进速度，m/d。Ⅵ）抽放负压6.7~13.3kPa四、采空区抽放目的：（1）减少瓦斯涌出，防止工作面回风及上隅角集聚；（2）抽出瓦斯进行利用。VLT1、向工作面冒落拱顶部打钻抽放2、从开采煤层顶板专用巷道打钻3、回风巷密闭墙插管抽放4、老空区抽放特点：瓦斯压力小，瓦斯量有限，瓦斯浓度不高，易漏气。要求：低负压、小流量、勤检查。1、抽放花管长度15~20m左右；2、要求采用低负压抽放；要求瓦斯抽放管路软管抽放花管采空区工作面回风巷至瓦斯泵采空区上隅角埋管抽放瓦斯机巷风巷泄排巷煤层顶板走向钻孔（巷道）抽放瓦斯1、作用从回风顺槽沿煤层走向在煤层顶板向采空区上方施工巷道或钻孔，抽放采空区顶板裂隙或冒落空间内积存的高浓度瓦斯，通过巷道或钻孔抽放，能够切断上邻近层瓦斯涌向工作面的通道，改变采空区流场分布，减少采空区瓦斯涌向工作面，并控制上隅角瓦斯积聚。2、抽放原理根据矿压理论，煤层开采后其顶底板岩层发生冒落移动，当上覆岩层下沉稳定后，上覆岩层采动裂隙区划可分为“竖三带”和“横三区”，即采动区沿垂直方向由下往上划分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带；•沿工作面推进方向在工作面风巷和机巷区域分为煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区。随着工作面不断向前推进，沿工作推进方向上的“横三区”随之交替向前移动。离层区的范围可采用相似材料模型实验或现场探测。离层区压实区采空区“O”区域示意图120m20~30m3、钻场及钻孔布置•4、技术参数–顶板抽放口最佳位置：法距位于垂直煤层顶板向上8~25m（位于冒落带顶部，裂隙带下部），平距位于回风巷内错8~30m。具体矿井，要根据其实际综合确定。其中钻孔的终孔位置，可以利用几何知识，通过计算得到。如图为谢一矿考察结果；–钻场间距大于100m，钻孔长度大于120m，抽放负压16~20kPa。–淮南矿区顶板走向钻孔抽放钻孔纯量一般为5~20m3/min抽放率大于45%。–钻孔角度尽量小。§6-4抽放瓦斯设备、器材及安全装置一、钻孔设备包括：钻机、封孔装置、管路、抽放泵、检测仪表二、封孔方法与设备要求：密封性好，操作方便、封孔速度快，材料便宜。1、封孔器封孔主要用于穿层钻孔岩石段封孔。2、充填材料封孔三、抽放管与瓦斯管路连接胶管流量计放水器分区管路主管四、瓦斯泵式中Pa----大气压；Ps----泵的绝对压力。1、水环式真空泵工作原理：工作叶轮偏心，旋转时形成偏心水环，前半圈水环逐渐离开轮毂，形成真空，吸入瓦斯，后半圈，水环靠近轮毂，压出瓦斯。特点：安全、真空度高、流量小。2、回轮式罗茨瓦斯泵两个叶轮，左轮逆时针转，右轮顺时针转。100asaPPP真空度PaPs3、离心式瓦斯泵五、抽放瓦斯管路中的安全装置1、放水器（1）人工放水器正常：开1，关2，3放水：关1，开2，3（2）自动放水器123hh2、防爆阻火器《规程》规定：干式抽放瓦斯泵吸气侧管路系统中，必须装设有防回火、防回气和防爆炸作用的安全装置，并定期检查，保持性能良好。铜网：4~