17瓦斯抽放设计7.1引言“安全第一、预防为主”是我国各行各业都要遵循的安全生产方针。采煤作业作为高危险行业,在安全生产方面尤为重视。但是随着煤矿开采技术的快速发展,一方面煤矿机械化水平不断提高,煤矿生产越来越高效化、集约化;另一方面随着煤矿开采深度的不断加深,采煤作业的不断提速,使得矿井瓦斯涌出量一直处于上升状态,对煤矿的安全生产造成重大威胁。近年来我国煤矿安全生产状况有明显改善,百万吨死亡率从2002年的4.94降至2011年的0.564,但是与发达国家的百万吨死亡率相比仍相差甚远,煤炭行业在我国仍然是一个高风险的行业,煤矿事故发生率居高不下。而在这些事故中,瓦斯事故死亡人数所占比例最大;据统计我国煤矿一次死亡10人以上的特大事故中有70%以上是由于瓦斯(煤尘)爆炸事故;2002年~20011年,工矿类相关行业死亡10人/次以上特重大事故中,煤矿死亡人数就占72.8%~89.3%;而在煤矿企业所发生的一次死亡10人以上事故中,瓦斯事故占死亡人数的77%。这些血淋淋的事实无不说明了瓦斯事故是制约煤矿安全生产的“头号大敌”[1]。为了减少或解除矿井瓦斯对煤矿安全生产的威胁,就要利用机械设备和专用管道造成负压,将煤层中赋存或释放的瓦斯抽采出来,送到地面或其它安全地点,也就是瓦斯抽采。瓦斯抽采对煤矿瓦斯治理有以下几方面的作用:首先,瓦斯抽采可以减少开采时的瓦斯涌出量,从而减少瓦斯隐患和各种瓦斯事故,是保证安全生产的一项预防性措施。其次,瓦斯抽采可以减少通风负担,能够解决通风不易解决的瓦斯难题,降低通风费用。尤其针对瓦斯涌出量很大的矿井或采区,瓦斯抽采在技术上和经济上都是必须的。最后,煤层中的瓦斯同样是一种地下资源,将瓦斯抽采出来送到地面作为燃料和原料加以使用,可以起到保护环境和提高经济效益的作用。因此,瓦斯抽采已成为我国煤矿瓦斯灾害治理的主要技术手段。王坪煤矿设计生产能力1.8Mt/a,服务年限为26a,根据瓦斯涌出预测,王坪煤矿的矿井相对瓦斯涌出量为11.52m3/t,该矿井属于高瓦斯矿井。并且该矿井通过通风方式无法消除瓦斯隐患,安全难以得到保证,所以本次对王坪煤矿进行的瓦斯抽采设计,具有防止该煤矿发生瓦斯事故,提高生产效率,实现该煤矿本质安全化的重要作用。7.2矿井瓦斯储量及可抽量预测7.2.1煤层瓦斯参数根据矿井地质报告,瓦斯含量与煤层埋藏深度有关,随着煤层埋藏深度加深,瓦斯2含量亦随之增加。在各地质单元内,瓦斯含量高低受构造的控制,一般距大断层近,瓦斯含量相对较低,离大断层远,瓦斯含量则相对较高。表2-2-1二1煤层残余瓦斯含量原始瓦斯含量m3/t残存瓦斯含量m3/t.r残存瓦斯含量平均值m3/t.rm3/t83.03~3.613.3928~113.82~4.934.523.74115.15~5.895.524.577.2.2矿井瓦斯储量矿井瓦斯储量包括可采煤层、不可采煤层以及围岩中所赋存的瓦斯,其计算公式如下:W=(K1·K2)Ai·Xi)(2-1)式中W——矿井瓦斯储量,Mm3;K1——围岩瓦斯储量系数;K2——不可采邻近层瓦斯储量系数;Ai——第i个煤层地质储量,Mt;Xi——第i个煤层平均瓦斯含量,m3/t。梁北矿井二1煤层为主采煤层,其它不可采煤层的瓦斯不会涌入开采空间,因而在计算矿井瓦斯储量时不考虑不可采煤层的瓦斯储量。根据经验取K1=1.1;取K2=1.02。可以看出,王坪矿井瓦斯储量为995.16Mm3,表明矿井瓦斯资源非常丰富。7.2.3瓦斯可抽量瓦斯可抽量是指在瓦斯储量中能被抽出的最大瓦斯量,其计算公式如下:Wk=W·K(2-2)K=K1·K2·K3(2-3)K1=K4(W0Wc)/W0(2-4)式中K——可抽系数;K1——瓦斯涌出程度系数;K2——负压抽采时抽采作用系数,K2=1.2;3K3——矿井瓦斯抽采率,%;K4——煤层瓦斯排放率,%;W0——煤层原始瓦斯含量,m3/t;Wc——运到地面煤的残余瓦斯含量,m3/t;Wk——可抽瓦斯量,Mm3。设计矿井瓦斯抽采率为45%,K4取95%,K1为0.64,经计算,矿井瓦斯可抽量为343.93Mm3,这为瓦斯抽采提供了充足的资源条件。7.2.4矿井瓦斯涌出量预测根据《矿井瓦斯涌出量预测方法》(AQ1018-2006,国家安全生产监督管理总局),本设计中瓦斯涌出预测采用分源预测法。7.2.5分源预测法分源预测法是根据时间和地点的不同,分成数个瓦斯源涌出,分别对这些瓦斯涌出源进行预测的基础上得出矿井瓦斯涌出量的预测方法。一、回采工作面瓦斯涌出量计算回采工作面的瓦斯涌出量由开采层、邻近层瓦斯涌出量两部分组成,其相对瓦斯涌出量按下式确定:Q采=Q1+Q2(3-1)式中Q1——开采层相对瓦斯涌出量,m3/t·d;Q2——邻近层相对瓦斯涌出量,m3/t·d;开采层相对瓦斯涌出量按下式确定:错误!未找到引用源。(3-2)式中K1——围岩瓦斯涌出系数,取1.2;K2——工作面丢煤系数,用回采率的倒数来计算;K3——采区内准备巷道预排瓦斯对开采层瓦斯涌出影响系数;(3-3)L——回采工作面长度;h——巷道煤体瓦斯排放带宽度,取10m;m——开采层厚度;M——工作面采高;LhLK234W0——煤层原始瓦斯含量;Wc——运出矿井后煤的残存瓦斯含量;因为单一煤层,Q2=0表3-1-1本煤层瓦斯涌出预测表名称回采率煤层厚度(m)采高(m)工作面长度(m)原始瓦斯含量(m3/t)残存瓦斯含量(m3/t)相对瓦斯涌出量(m3/t)404采区93%6.06.020011.523.747.78通过表3-1-1,考虑1.3不均衡涌出系数,采区回采工作面相对瓦斯涌出量为11.75m3/t。二、掘进工作面瓦斯涌出量计算掘进工作面的瓦斯涌出量由落煤瓦斯涌出量和煤壁瓦斯涌出量两部分组成,其绝对瓦斯涌出量按下式确定:Q掘=Q3+Q4(3-5)式中Q掘——掘进工作面绝对瓦斯涌出量,m3/min;Q3——掘进巷道煤壁瓦斯涌出量,m3/min;Q4——掘进巷道落煤瓦斯涌出量,m3/min;)12(03vLQvDQ(3-6)式中:D——巷道断面内暴露煤面的周边长度,m。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;Qo——煤壁瓦斯涌出强度,m3/(m2·min),按下式计算:Q0=0.026[0.0004(Vr)2+0.16]W0(3-7)式中Vr——煤的挥发份,%。Q4=Svγ(W0-WC)(3-8)式中S——煤巷掘进断面积,m2;v——掘进速度,m/min;γ——煤的密度,t/m3;W0——煤层原始瓦斯含量,m3/t;5WC——煤层残存瓦斯含量,m3/t。考虑1.3瓦斯涌出不均衡系数掘进工作面瓦斯涌出量见表3-1-4。表3-1-3掘进工作面参数表名称D(m)v(m/月)L(m)Q0m3/(m2·min)S(m2)γ(t/m3)W0(m3/t)WC(m3/t)404采区11.45015000.069615.81.3711.523.74表3-1-4掘进工作面瓦斯涌出预测表名称Q3(m3/min)Q4(m3/min)不均衡系数Q掘(m3/min)404采区1.60.211.32.34三、采区瓦斯涌出量采区内瓦斯涌出量除了回采和掘进涌出外,还包括采区内已采区段老空区瓦斯涌出。其计算公式为:011)1440(AQAQkQniiniii掘回采采区(3-9)式中:Q采区——采区瓦斯涌出量,m3/t;Ao——采区平均日产量,t;Q回i——第i回采工作面瓦斯涌出量,m3/t;Ai——第i回采工作面平均日产量,t/d;k采——采区内采空区瓦斯涌出系数;Q掘i——第i掘进面工作面瓦斯涌出量,m3/min。表3-1-5采区瓦斯涌出量表名称Q回i(m3/t)Ai(t/d)Q掘I(m3/min)k采A0(t/d)Q采区(m3/t)11采区11.5250003.811.1500015.09采区瓦斯涌出不均衡系数取1.1,则采区相对瓦斯涌出量为15.09m3/t,绝对瓦斯涌出量为52.4m3/min;7.2.6瓦斯抽采规模404采区各工作面瓦斯涌出量见表3-2-1。表3-2-1采区瓦斯涌出量表6回采面相对瓦斯涌出量(m3/t)回采面产量(t/d)回采面绝对瓦斯涌出量(m3/min)掘进面瓦斯涌出量(m3/min采区产量(t/d)采区相对瓦斯涌出量(m3/t)采区绝对瓦斯涌出量(m3/min)11.75500040.802.34500015.0952.40一、按瓦斯储量计算瓦斯抽采量1、掘进面瓦斯抽采量预计404采区配置2个煤巷掘进工作面,因矿井考虑了底板抽放巷,顺槽工作面掘进前采用底板抽放巷进行条带预抽,设计掘进工作面每个条带预抽面瓦斯抽采量为3.5m3/min。2、回采工作面抽采量预计回采工作面的瓦斯抽采量,抽采率按45%,经计算32采区回采工作面的瓦斯抽采量为18.4m3/min。3、边采边抽工作面抽采量预计由于边采边抽工作面已经预抽较长时间,且随着回采的不断推进,钻孔数量在不断减少,抽采量下降较快,因此边采边抽工作面抽采量按预抽工作面抽采量为三分之一计算,则采区边采边抽工作面瓦斯抽采量取6m3/min。4、采空区瓦斯抽采量预计根据瓦斯涌出预测,采空区瓦斯抽采规模设计为15m3/min。5、采区瓦斯抽采量预计按矿井生产安排,设计1个预抽工作面,1个连采连抽工作面,2个掘进面条带抽放,1个采空区抽放。则32采区总抽采量为:Q=18.4+6+2.34×2+15=46.4m3/min二、按《煤矿瓦斯抽采指标》计算瓦斯抽采量根据《煤矿瓦斯抽采指标》(AQ1026-2006),矿井瓦斯绝对涌出量40m3/min≤Q<80m3/min,矿井瓦斯抽采率应≥40%,每个采区瓦斯抽采率应≥40%。则404采区瓦斯抽采量应大于等于20.08m3/min。三、抽采规模确定为了既保证矿井安全生产,又能使抽采量保持长期稳定,落实“应抽尽抽”的瓦斯治理方针,32采区设计瓦斯抽采规模为50m3/min,其中预抽35m3/min,采空区抽放15m3/min。7.3矿井抽采瓦斯必要性和可行性分析77.3.1矿井抽采瓦斯的必要性根据原煤炭工业部1997年颁布的《矿井瓦斯抽采管理规范》第9条规定,凡符合下列情况之一者必须建立瓦斯抽采系统,开展瓦斯抽采工作:(1)符合《煤矿安全规程》第150条的(即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,采用通风方法解决不合理的)。(2)矿井绝对瓦斯涌出量大于15m3/min,年产量等于或小于40万t;矿井绝对瓦斯涌出量大于20m3/min,年产量等于或小于60万t:矿井绝对瓦斯涌出量大于25m3/min,年产量等于或小于100万t;矿井绝对瓦斯涌出量大于30m3/min,年产量等于或小于150万t;矿井绝对瓦期涌出量大于40m3/min。(3)开采具有煤与瓦斯突出危险煤层。根据王坪煤矿的实际情况,煤矿瓦斯必要性进行分析。王坪煤矿现年产量约为180万t,矿井瓦斯相对涌出量为11.52m3/t,但现在开采浅部煤层,下一步随着煤炭产量的增加和采掘的延深,绝对瓦斯涌出量就会增加。因此从瓦斯涌出的现状和下一步增产进行分析,矿井建立瓦斯抽采系统采取瓦斯抽采措施是必要的。7.3.2瓦斯抽采的可行性瓦斯抽采的可行性应以是否能抽出瓦斯或能否获得较好地抽采效果来评价。开采层瓦斯抽采(未卸压)的可行性是指在原始透气性条件进行预抽的可能性。最常用的用来衡量煤层瓦斯抽采难易程度的指标有两个:煤层透气性系数()、钻孔瓦斯流量衰减系数(),分为三类,即容易抽采、可以抽采、较难抽采,《矿井瓦斯抽采管理规范》规定的煤层瓦斯抽采难易程度分类见表3-2-1。瓦斯抽采的可行性应以是否能抽出瓦斯或能否获得较好地抽采效果来评价,而抽采方式则应根据煤层的开采程序和巷道布置来选择。表3-2-1煤层瓦斯抽采难易程度表抽采难易程度钻孔瓦斯流量衰减系数(d-1)煤层透气性系数(m2/MPa2.d)容易抽采0.