10601采煤工作面低负压瓦斯抽放设计及安全技术措施

金沙县沙土镇盛安煤矿10602采煤工作面低负压瓦斯抽放设计及安全技术措施编制单位：技术科编制人：刘广审批表编制人：生产矿长：安全矿长：机电矿长：工程师：矿长：集团公司：安全技术措施贯彻记录措施名称低负压瓦斯抽放设计及安全措施贯彻时间2015年3月12日贯彻地点矿会议室贯彻人刘广参加人员序号姓名签名序号姓名签名10602采煤工作面低负压瓦斯抽放系统设计及安全技术措施10602采煤工作面为我矿东翼首采工作面，布置在一采区西翼C6煤层中，该工作面走向长600m，倾斜长150m，煤层厚度1.35m，煤层倾角8-10度，走向长壁后退式回采，炮采工艺，U型通风方式，π型梁配合单体液压支柱支护。计划自2015年4月开始回采，为确保10602采面回风巷及上隅角瓦斯不超限并安全有效使用瓦斯抽放系统，确保安全生产，特作采面低负压专项抽放设计及安全措施。一、工作面瓦斯治理概述10602工作面在掘进运输巷及回风巷的同时已按照设计在采煤工作面打好抽放钻孔，抽放半径为1.5m，钻孔间距3m，上向和下向钻孔交叉大于15米，提前预抽，经安达瓦斯治理公司检测，残余瓦斯含量为5立方/吨，残余瓦斯压力0.2Mpa，评价已经抽采达标，工作面配风在700立方左右，C6煤层上部C4煤层，煤层厚度0.4米，层间距约8米，下部为C9煤层，煤层厚度1.7米，层间距6米，C6煤层采空后，顶板垮落，C4煤层瓦斯及C9煤层的瓦斯将成为采空区瓦斯主要来源，用风排难以解决，会造成采面上隅角及回风巷瓦斯超限，给矿井带来重大安全隐患，故必须采区低负压瓦斯抽放方能解决。另外根据矿井长期规划，充分利用瓦斯能源，变废为宝，计划在2015年下半年建立瓦斯瓦电站一座，所以埋管抽放也是将来瓦斯利用做好准备。二、瓦斯抽采1）抽采瓦斯的必要性瓦斯抽放旨在保障矿井安全生产，同时也是解决瓦斯问题的基本手段。众所周知，加强通风是处理瓦斯的最有效方法，而当瓦斯涌出量大于通风所能解决的瓦斯涌出量时或采用通风方法不合理时，就应当采取抽放瓦斯措施，对于局部区域的瓦斯超限（如采面上隅角等处），采用通风方法可能无法解决瓦斯问题或采用通风方法不合理时，也必须采取瓦斯抽放措施。根据国家安全监管总局、国家煤矿安监局（安监总煤装〔2007〕188号文）《关于加强煤矿瓦斯先抽后采工作的指导意见》，明确指出，煤矿瓦斯先抽后采是治理瓦斯的根本性措施。先抽后采的指导原则：煤矿瓦斯抽采必须落实“先抽后采、监测监控、以风定产”十二字方针，把实现瓦斯先抽后采与实现矿井瓦斯全方位监测监控、坚持采掘工作面“以风定产”有机结合起来，实现对瓦斯的综合防治。同时，煤矿瓦斯先抽后采还必须坚持“多措并举、应抽尽抽、抽采平衡”的原则，把煤矿瓦斯先抽后采真正落到实处。多措并举就是要紧密结合本企业的实际，充分利用地面和井下的空间，提前预留抽采时间，采取多种可能采用的有效抽采技术和工程措施，并加大科技创新、政策支撑、严格法规标准和现场管理，全面加强先抽后采，实现抽采达标。应抽尽抽就是对应当进行瓦斯抽采的煤层，都必须先抽采瓦斯，达到《基本指标》要求后再安排采掘；在此基础上，要对煤层瓦斯尽最大能力进行抽采，努力实现煤炭开采前瓦斯抽采的最大化。从资源利用和环保的角度看，瓦斯是一种优质洁净的能源，将抽出的瓦斯加以利用，可以变害为宝，改善能源结构，保护大气环境，取得显著的经济效益和社会效益。从资源利用和环保的角度看，也有必要进行瓦斯抽采，变被动为主动开发。根据矿井预计的瓦斯涌出情况，参考类似条件矿井瓦斯抽放经验，确定该矿井设置低压两套瓦斯抽放系统。2）抽采瓦斯的可行性根据安全专篇中计算结果，低负压抽放量为5m3/min。采面风排瓦斯量为3.9m3/min三、抽采系统和方法1、瓦斯抽采系统的选择及合理性分析1）瓦斯抽采依据根据贵州省能源文件（黔能源发[2010]699号）《关于毕节地区工业和能源委员会《关于请求审批2010年度矿井瓦斯等级鉴定结果的报告》的批复》，盛安煤矿鉴定结果为高瓦斯矿井。根据“黔安监管办字[2007]345号《关于加强煤矿建设项目煤与瓦斯突出防治工作的意见》”，该矿地处突出危险矿区。根据矿井提供的该矿煤与瓦斯突出鉴定资料，该矿6号煤层在开采+702m标高以上时不具有突出危险性，9号煤层未做鉴定，因此该矿井按煤与瓦斯突出矿井设计，经鉴定不突出的煤层区域按不突出煤层设计和管理。建议业主在开采其它未鉴定区域的煤层时，及时作煤与瓦斯突出鉴定，并根据鉴定结果管理矿井。根据AQ1027-2006标准及贵州省煤炭管理局文件（黔煤行管字[2006]158号）《关于贵州省高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井瓦斯治理方案的通知》，盛安煤矿须建立地面永久瓦斯抽放系统对矿井瓦斯进行抽放。2）煤层可抽放性据实际抽放情况有一定效果，特别是治理上隅角瓦斯超限问题上，效果良好。因此该矿抽放瓦斯是可行的、必要的。本矿开采的煤层中厚缓倾斜煤层，地面地形条件较好、工业场地总体规划紧凑，矿井瓦斯涌出特点相对均匀，采用炮采工艺，开拓布置及生产系统集中。根据以上因素综合分析确定选择地面集中抽放系统。地面集中抽放系统与其他抽放系统相比具有系统运行安全可靠性高，维护维修量小维护费用低，管路易布置。2、地面集中抽采的预抽量分析埋管预抽瓦斯浓度计划在5-20%以上。3）矿井瓦斯抽放率矿总瓦斯抽放率约为50%以上。3、抽放方法1）选择抽放方法的原则矿井瓦斯抽放的类型和方法，可按下列因素考虑确定：工作面后方采空区瓦斯涌出大，危害工作面安全生产或老采空区瓦斯积聚存量大，向邻近的回采工作面涌出瓦斯量多以及增大采区和矿井总排瓦斯量，应采取采空区瓦斯抽放。2）该矿采用的抽放方法根据矿井实际生产情况，采煤工作面瓦斯涌出形式，设计主要采用以下抽采方法：采空区抽放：采用采空区埋管抽放，见图。3）采空区抽放当采面通过穿层预抽、本层卸压抽后，风排能力无法排除采面老空区瓦斯涌出量时，须利用低负压抽放采煤面涌出瓦斯。初期在工作面的回风顺槽埋管抽放工作面上隅角及采空区的瓦斯，后期对采空区实行密闭抽放。其布置方式如图，井下低负压埋管瓦斯抽放管路采用直径400mm无缝钢管，每3m安装一处支阀，每节管路6米，即每隔18m安装一处立管。图采空区埋管抽放示意图根据《矿井瓦斯抽采管理规范》及其它矿区采空区瓦斯抽采经验，采空区瓦斯抽采负压初步按5～8KPa设计，今后在生产中要有计划地测定抽采瓦斯参数随吸气口距回采工作面距离变化，确定通风量、抽采负压与抽采瓦斯浓度、抽采量等参数关系，并及时调整抽采参数。4、抽采的控制范围及应达的到的指标低负压瓦斯抽放控制范围为整个采空区，确保上隅角瓦斯低于0.8%，采空区瓦斯抽放率达到50%以上，抽放浓度10%以上。四、抽采管路及其设备一、设计依据根据安全专篇计算，低负压抽放量为5m3/min，抽出瓦斯浓度按15%计算。。二、抽放管路系统及抽放设备选型（一）管路的选择1、根据主管、支管中不同瓦斯流量，采用下面公式计算瓦斯管路内径：VKQd1457.0=式中D——瓦斯管内径，m；V——管道中混合瓦斯的经济流速，一般取V=5～15m/s；Q混——管内混合瓦斯流量，按其服务范围和服务年限最大值计算；k----根据（GB50471-2008）中的要求在计算高、低负压主管径时代入K值计算流量（其取值范围为1.2－1.8），取k=1.4。设计按照最长的抽放线路进行计算，抽放瓦斯管径计算结果见表3-4-3。抽放管径计算表管路名称纯瓦斯流量（m3/min）瓦斯浓度（%）工况下混合瓦斯流量（m3/min）气体流速（m/s）管道内径（m）流量系数低负压主管51533.3100.2921.4支管31520100.2921.4（2）抽放管材的选择和管径的确定低负压系统：抽放管主管DN=0.292m，选择主管、支管型号均为φ308×4mm；管材选用专用PVC阻燃抗静电瓦斯抽放管。3、井下管路阻力计算瓦斯抽放管路阻力由管路摩擦阻力和局部阻力两部分组成。（1）管路摩擦阻力直管阻力损失按下式计算：H=502LQ9.81DK式中：H——阻力损失，Pa；L——直管长度，m；Q——瓦斯流量，m3/h；D——管道内径，cm；K0——系数，查表；△——混合瓦斯对空气的相对密度，查表。抽放管路阻力损失计算应选择抽放系统服务年限内一条最长的抽放管路进行计算。（2）管路局部阻力管路局部阻力损失按直管阻力损失的15%计算。经计算，矿井总阻力结果见表。抽放管路阻力计算表管路名称△Q（m3/h）K0D（cm）L（m）H（Pa）管路局部阻力（Pa）管路总阻力（Pa）低负压主管0.9119980.7120.0275434775213998支管0.9112000.7116.080710011501151合计51494、瓦斯抽放泵能力计算及选型（1）瓦斯泵流量计算瓦斯泵流量应能满足抽放瓦斯系统服务年限内最大抽放量的需要。瓦斯泵流量按下式计算：Q泵=KCQ式中：Q泵——瓦斯抽放泵的额定流量，m3/min；Q——最大抽放瓦斯纯量，m3/min；C——瓦斯泵入口处的瓦斯浓度，高负压取35%，低负压取15％；η——瓦斯泵的机械效率，取80%；K——瓦斯抽放综合系数，取K=1.3。该矿抽放系统设计抽放瓦斯纯量低负压为5m3/min，则瓦斯泵流量：低负压系统Q泵=54m3/min。（2）瓦斯泵压力计算瓦斯泵压力，必须能克服抽放管网系统总阻力损失和保证钻孔有足够的压力，以及能满足泵出口正压之需求。瓦斯泵压力按下式计算：H泵=（H总＋H孔＋H正）·K式中：H泵——瓦斯泵的压力，Pa；H总——抽放管路总阻力损失，Pa；H孔——抽放口所需负压，高负压取H孔=14000Pa，低负压取8000Pa；H正——瓦斯泵出口正压，取H正=4000Pa；K——抽放备用系数，取K=1.2。根据前面的管路阻力损失计算得知，抽放管路系统的最大阻力损失低负压系统为5149Pa。则：低负压系统：H泵=（5149＋8000＋4000）×1.2=20579Pa。（3）瓦斯泵需要的真空度ηzm=（H泵／P）×100％H泵－瓦斯泵全负压，Pa；P－标准大气压力，101325pa；低负压系统：ηzm=（20579/101325）×100％＝20%。（4）瓦斯泵需要的绝对压力H泵绝=P′-H泵式中：H泵绝——瓦斯泵的压力，Pa；H泵——抽放管路总阻力损失，高负压系统为28951Pa，低负压系统为20579Pa；P′——当地压力。压力瓦斯泵房安设地点标高+806.7m，查得压力为91483Pa；低负压：H泵绝=91483-20579=70904(Pa)（5）瓦斯泵需要的流量较正根据上述计算结果，查有关厂家的真空泵曲线，即可确定抽采泵的型号。因目前我国的真空泵曲线都是按工况状态下的流量绘制的，所以还需按下式把标准状态下的抽采泵流量换算成工况状态下的流量。00THTP泵绝泵泵工QQ式中Q泵工——工况状态下的瓦斯泵流量，m3/min；Q泵——标准状态下的瓦斯流量，m3/min；P0——大气压力（P0=101325），Pa；H泵绝——瓦斯泵入口绝对压力，Pa。T——瓦斯泵入口瓦斯的绝对温度（T=273+t），K；T0——按瓦斯抽采行业标准规定的标准状态绝对温度（T0=273+20），K；t——瓦斯泵入口瓦斯的温度，℃。取瓦斯泵入口温度t=22℃，将有关数据代入上式计算得：低负压瓦斯泵流量为88m3/min。（6）瓦斯泵选型结果根据计算的瓦斯泵的Hp和Qp，利用矿上已有的抽放泵，低负压系统抽放泵利用矿井现有两台2BEC62型水环式真空泵（一台工作，一台备用），最大抽气量290m³/min，转速590r/min，配套防爆电机功率为315kW。根椐性能曲线得知，2BEC62(转速260r/min)型抽放泵在真空压70904压力下，其抽气量为250m3/min，最大轴功率为300kW，满足低负压系统抽放要求。（7）抽放泵电机功率选型计算电机功率为Ne＝N轴ke／ηeηtr式中：ke——电动机容量备用系数(ke=1.1～1.2)，取1.1；ηe——电动机效率，取0.98；低负压抽放泵电机功率：Ne＝1.1×200/0.98＝224