采煤工作面瓦斯抽放技术设计

1采煤工作面瓦斯抽放技术设计专业：通风与安全系班级：09通风（2）班姓名：张学伟指导老师：姚向荣淮南职业技术学院通风与安全系2011年6月21地质概况：本工作面走向长度1500m、倾向长度120m，停采线至回风上山距离150m，采区回风上山长度1800m。局部弯头长度100m，工作面日产量3000t。本煤采区开采某煤层（2号），煤层厚度为5m；赋存稳定，倾角为15°顶板为砂质泥岩，岩层不能致密，上覆1号煤层50m，煤厚2m。本区域本区有小断层，对开采影响不大。2煤层瓦斯参数和抽放瓦斯参数：2.1煤层瓦斯参数：1号煤层瓦斯含量为12m3/t.r，煤的密度为1.45t/m3，水分0.2%、灰分21%、挥发份15%；2号煤层瓦斯含量为11.5m3/t.r，煤的密度为1.32t/m3，水分1.2%、灰分18%、挥发份17%。2.2抽放瓦斯参数：2号煤层透气性系数λ＝0.0276（m2/MPa2.d)，如用未卸压长钻孔预测抽煤层瓦斯，百米钻孔瓦斯抽和量为0.01m3/min·hm。3瓦斯储量计算：3.1煤层瓦斯储量计算：根据已知条件：2号煤层瓦斯含量为11.5m3/t.r，煤的密度为1.32t/m3，水分1.2%、灰分18%、挥发份17%；1号煤层瓦斯含量为12m3/t.r，煤的密度为1.45t/m3，水分0.2%、灰分21%、挥发份15%。可以得到原始瓦斯含量，公式如下：100/100AMQQdad）（可燃基原式中：Q原——矿井原始瓦斯含量，m³/t;3Q可燃基——可燃基瓦斯含量，m³/t.r;Mad——水分；Ad——灰分。可得：292.9100/182.11005.11Q2）（原可采层瓦斯储量：DHLQW22原式中：Q原2——2号煤原始瓦斯含量，m³/t；L——2号煤工作面走向长度，m；H——煤层厚度，m；D——2号煤倾向长度，m；ρ——2号煤的密度，t/m³。可得：DHLQW22原=9.292×1500×5×120×1.32=1104（万t）3.2工作面可抽量计算：相对瓦斯涌出量q可由以下公式求得：100/100AMQdad）（原Wcq式中：WC——可燃基残存量，m³/t可燃基残存量可根据表2-1查取表2-1q=9.292-3.2×(100-1.2-18)/100=6.7064可采抽瓦斯总含量W可：W可=q×L×H×D×ρ=6.7064×1500×5×120×1.32=7967203.2（m³）预抽纯量Q纯:Q纯=W可/(24×60×330)=16.766(m³/min)4抽放量Q:Q=Q纯/0.4=41.915(m³/min)4瓦斯抽放的必要性可行性论证：4.1瓦斯抽放的必要性：根据供风量为1500m³/min,工作面瓦斯浓度按0.6％计算风排瓦斯量Qp=Q×C=1500×0.6/100=9m3/min。而工作面绝对瓦斯涌出量为16.766m3/min，如不可抽放瓦斯，则工作面的瓦斯浓度将超限，尚需抽放瓦斯量＝QCH4-Qp=16.766-9=7.766m3/min工作面瓦斯浓度才能维持0.6％4.2、瓦斯抽放的可行性：本煤层瓦斯抽放的可行性是指在自然透气条件下进行预抽的可能性，衡量本煤层瓦斯预抽可行性指标有三个：煤层透气性系数（λ），钻孔瓦斯流量衰减系数（α）和百米钻孔瓦斯极限抽放量衰减系数（Qj）。按λ、α和Qj判断本煤层瓦斯抽放可行性标准如表2-2示。表2-2本煤层预抽瓦斯难易程度分类表根据已知条件，2号煤层透气性系数λ=0.0276（㎡/MPa2·d）,2号煤属于较难抽采煤层，如不采取其他技术措施，基本不具备预抽本煤层瓦斯的可能性，因此，我们要选取合适的抽采方法来治理工作面的瓦斯超限。55瓦斯抽放方法设计：5.1、瓦斯抽放方法分类与选择规定：a.按抽出瓦斯来源分：本煤层抽采、邻近层抽采、采空区抽采。b.按被抽采煤层的卸压状况分：原始煤体未卸压预抽瓦斯；煤层卸压后抽瓦斯。c.按抽采瓦斯源的汇集工程方法分：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。根据《MT5018-96矿井瓦斯抽放工程设计规范》第4.1.1条规定：选择抽放瓦斯方法，应根据煤层赋存条件、瓦斯来源、巷道布置、瓦斯基础参数、瓦斯利用要求等因素经技术经济比较确定。并应符合下列要求：a)尽可能利用开采巷道抽放瓦斯，必要时可设专用抽放瓦斯巷道；b)适应煤层的赋存条件及开采技术条件；c)有利于提高瓦斯抽放率；d)抽放效果好，抽放的瓦斯量和浓度尽可能满足利用要求；e)尽量采用综合抽放；f)抽放瓦斯工程系统简单，有利于维护和安全生产，建设投资省，抽放成本低。根据《AQ1027-2006煤矿瓦斯抽放规范》第7.1.2条规定：按矿井瓦斯来源实施开采煤层瓦斯抽放、邻近层瓦斯抽放、采空区瓦斯抽放和围岩瓦斯抽放；第7.1.3条规定：多瓦斯来源的矿井，应采用综合瓦斯抽放方法。瓦斯抽放系统选择还应注意以下问题：（a）分期建设、分期投产的矿井，抽放瓦斯工程可一次设计，分期建设、分期投抽。（b）抽放瓦斯站的建设方式，应经技术经济比较确定。一般情况下，宜采用集中建站方式。当有下列情况之一时，可采用分散建站方式：——分区开拓或分期建设的大型矿井，集中建站技术经济不合理。——矿井抽放瓦斯量较大且瓦斯利用点分散。——一套抽放瓦斯系统难以满足要求。根据本煤层的特点，我们选取抽采瓦斯钻孔法，而钻孔抽采瓦斯的方法又有穿层钻孔抽采瓦斯、顺层钻孔抽采和边采边抽。65.2、瓦斯抽放方法的比较和选择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：①单一煤层；②煤层透气性较小但应有抽放可能；③煤层赋存条件稳定，地质变化小；④钻孔要提前打好，有较长的预抽时间；⑤突出危险煤层（密集钻孔），而我们要设计的煤层就是煤层透气性较小但应有抽放可能，煤层赋存条件稳定，地质变化小。图——回采工作面本煤层瓦斯抽放钻孔布置示意图5.3、抽放钻孔的参数：5.3.1钻孔直径：钻孔直径大，暴露煤壁面积就大，瓦斯涌出量相应也大，但二者增长并非线性关系，在煤层条件不同的情况下，瓦斯涌出量并不随孔径的增大而成比例增大。据测定结果，孔径由73mm提高到300mm，钻孔的暴露面积增至4倍，而钻孔抽放量仅增至2.7倍，而日本赤平煤矿孔径由65mm增至120mm，抽放瓦斯量增加到3.5倍。孔径应根据钻机性能，施工速度与技术水平、抽放瓦斯量、抽放半径等因素确定，目前一般采用抽放瓦斯钻孔直径为60～110mm。根据本煤层的特性，选取钻孔直径为90mm。5.3.2钻孔的长度：据实测结果，单一钻孔的瓦斯抽放量与其孔长基本上成正比关系，因此在钻机性能与施工技术水平允许的条件下，尽可能采用长钻孔以增加抽放量和效益。本煤层的倾向7长度为120m，为了达到好的抽放效果，我们把钻孔从进风巷和回风巷顺煤层打入，进风巷打入的钻孔的长度为60m，回风巷打入的钻孔的长度为70m。5.3.3钻孔的间距与抽放时间：2号煤层透气性系数λ＝0.0276（m2/MPa2.d)，根据表3-1，我们选取钻孔间距为3m。表3-1钻孔间距选用参考值表煤层透气性系数(m2/(MPa2•d))钻孔间距(m)备注＜10-3---先采取卸压增透措施后，才能抽放10-3～10-22～510-2～10-15～810-1～108～12＞10＞10根据课程设计给的条件，我们可知抽放时间为一年。5.3.4抽放负压与钻孔长度：钻孔抽放负压一般选用13.3～26.6kPa(即100～200mmHg)，但最低不宜小于6.7kPa（50mmHg）。一些矿井提高抽放负压，抽放瓦斯量增大，但是也有的矿井抽放负压增加，抽放量变化不大。封孔长度既应保证不吸入空气又应使封孔长度尽量缩短，一般情况下岩孔应不小于2～5m，煤孔应不小于4～10m。6工作面瓦斯抽放系统：6.1、抽采管路系统选择的原则：6.1.1抽采管路系统应根据矿井开拓部署、井下巷道布置、抽采地点分布、瓦斯利用要求，以及矿井的发展规划等因素确定，并宜避免或减少主干管路系统的改动。86.1.2管路的敷设宜减少曲线，并宜使管路的长度较短。6.1.3管路宜敷设在矿车不经常通过的巷道中。若必须敷设在运输巷道内时，应采取必要的安全措施。6.1.4当抽采设备或管路发生故障时，应使管道内溢出的瓦斯不流入采、掘工作面及机电硐室内。6.1.5抽采管路系统宜符合管道运输、安装和维护方便的要求。6.2抽采管路管径、壁厚计算及管材选择：6.2.1抽采管径选择：选择瓦斯管径，可按下式计算：VQ0.1457D式中D—瓦斯管内径，m；Q—管内瓦斯流量，m3/min；V—瓦斯在管路中的经济流速，m/s，一般取V＝10~15m/s，在此取10m/s。可得：)(3.010915.411457.01457.0mVQD6.2.2抽采管路壁厚选择：选择管路壁厚可按下式计算：][2dP（6.2.2）式中:δ——管路壁厚（mm）；P——管路最大工作压力（MPa）；d——管路内径（mm）；［σ］——容许压力（MPa），可取屈服极限强度的60％；缺少比值时，铸铁管可取20MPa，焊接钢管可取60MPa，无缝钢管可取80MPa。管路最大工作取5Mpa,容许压力取80Mpa,9δ=P*d/2[σ]=5*300/2*80=10mm6.2.3抽采管路管材应符合抗静电、耐腐蚀、阻燃、抗冲击、安装维护方便等要求。6.3抽采设备选型：6.3.1抽采设备选型应符合下列规定。1瓦斯抽采泵应选用湿式。2抽采设备应配备防爆电气设备及防爆电动机。3备用的抽采泵及附属设备应与抽采设备具有同等能力。6.3.2标准状态下抽采系统压力可按下列公式计算：H=（Ht+Hc）·K(6.6.2-1)Hr=hrm+hrj+hk(6.6.2-2)Hc=hcm+hcj+hz(6.6.2-3)式中H——抽采系统压力（Pa）;Hr——抽采设备出口侧（负压段）10～15年内管路最大阻力损失（Pa）;Hc——抽采设备出口侧（正压段）管路阻力损失（Pa）;K——抽采系统压力富余系数，可取1.2～1.8；hrm——入口侧（负压段）管路最大摩擦阻力（Pa）;hrj——入口侧（负压段）管路局部阻力（Pa）;hk——井下抽采钻孔的设计孔口负压（Pa）;hcm——出口侧（正压段）管路最大摩擦阻力（Pa）;hrj——出口侧（正压段）管路局部阻力（Pa）hz——出口侧（正压段）的出口正压（Pa）；出口进入瓦斯储气罐，可取3500～5000Pa。6.3.3抽采泵工况压力可按下式计算：Pg=Pd－H（6.6.3）10Pg——抽采泵工况压力（Pa）；Pd——抽采泵站的大气压力（Pa）；6.3.4标准状态下抽采泵流量可按下式计算：KXQQb(6.6.4)式中Qb——标准状态下抽采泵的计算流量（m3/min）;Q——10～15年内最大的设计瓦斯抽采量（m3/min）;X——抽采泵入口处预计的瓦斯浓度（%）；η——泵的机械效率（%），可取80%；K——抽采能力富余系数，可取1.2～1.8。6.3.5抽采泵工况流量可按下列公式计算：00PTTPQQbg(6.6.5-1)P=Pd－Hr(6.6.5-2)T=273+t(6.6.5-3)式中：Qg——工况状态下的抽采泵流量（m3/min）;Qb——标准状态下的抽采泵的计算流量（m3/min）;P——抽采泵入口绝对压力（Pa）;T——抽采泵入口瓦斯的绝对温度（K）；t——抽采泵入口瓦斯的温度（℃）。6.4抽采附属装置和设施：6.4.1主管、干管、钻场及其他必要地点应装设瓦斯量测定装置。6.4.2钻场、管路拐弯、低洼、温度突变处应设置放水器，管路宜每隔200～300设置一个放水器，最大不应超过500m。6.4.3在管路的适当部位设置除渣装置和测压装置。6.4.4管路分岔处应设置控制阀门，阀门规格应与安装地点的管径相匹配。116.4.5地面主管上的阀门应设置在观察井内，观察井应位于地表以下，并应采用不燃性材料砌成，且不应透水。6.4.6干式瓦斯抽采泵吸气侧管路中，应装设具有防回火、防回气和防爆炸作用的安全装置。7、工作