矿井瓦斯抽放设计手册

设计手册第一节矿井抽放瓦斯设计依据及内容一．设计依据⑴煤层赋存条件（煤层和岩层的性质、厚度、倾角、层间距等）⑵矿井瓦斯等级；⑶矿井瓦斯地质图（或瓦斯等值线图）；⑷有关煤层瓦斯基础参数，如煤层瓦斯压力及梯度、煤层瓦斯含量、煤层透气性系数、钻孔瓦斯流量衰减系数等；⑸矿井瓦斯储量及其分布、矿井及工作面瓦斯来源构成情况；⑹矿井开拓部署、采区布置、采煤方法、通风系统及方式等。二．设计内容⑴矿井概况：煤层赋存条件、矿井煤炭储量、生产能力、巷道布置、采煤方法及瓦斯、通风状况；⑵瓦斯鉴定参数：瓦斯压力、瓦斯含量及分布、煤层透气性系数及钻孔流量衰减系数；⑶瓦斯基础参数计算或预测：如瓦斯含量、瓦斯涌出量、瓦斯储量、瓦斯可抽量及抽放年限；⑷抽放方法：钻场钻孔布置及工艺参数；⑸抽放设备：抽放泵、管路系统、监测及安全装置；⑹抽放泵站：泵房、供水、供电、采暖、避雷及其它；⑺瓦斯利用：可利用量、利用方案、资金概算（属瓦斯利用专篇内容）；⑻技术经济：投资概算、完成工期、技术经济分析；⑼设计文件：包括设计说明书、设备清册、资金概算、图纸；⑽主要图纸：①综合地质柱状图；②煤层瓦斯地质图（或瓦斯等值线图）；③抽放瓦斯方法平、剖面图；④抽放管路系统图；⑤抽放瓦斯泵房设备平面布置图；⑥抽放站场地平面布置图；⑦供电系统图。第二节建立瓦斯抽放系统的条件和指标从煤矿安全生产角度而言，建立矿井瓦斯抽放系统主要取决于抽放瓦斯的必要性指标，如瓦斯含量、瓦斯涌出量等，即在保持回采面适宜风速（或允许风速）前提下合理的通风能力所能稀排的瓦斯量；同时取决于抽放瓦斯的可能性指标，如煤层透气性、瓦斯压力、钻孔瓦斯流量衰减系数等。《矿井瓦斯抽放管理规范及反风规定》指出：凡申请建立瓦斯抽放系统的矿井，应同时具备下列4个条件：⑴1个采煤工作面的瓦斯涌出量5m3/min最小或1个掘进面的瓦斯涌出量3m3/min最小；⑵矿井瓦斯涌出量15m3/min最小；⑶每1个瓦斯抽放系统的抽放量预定可保持在不小于2m3/min最小；⑷瓦斯抽放系统服务在10年以上。上述⑴，⑵项条件指标值是基于在保持回采面适宜风速（υ=2.0m/s）前提下合理的通风能力所能稀排的瓦斯量，并假定回采面过风断面S=5.0m2,瓦斯涌出不均衡系数取千瓦=1.3。符合这一条件的矿井可遵循上述指标值。然而，在任意条件下，上述指标值不宜套用。在任意取定回采面风速（在规程规定范围内）、回采面断面不确定的情况下，建立瓦斯抽放系统可参照下列指标：一．回采工作面瓦斯涌出量参考指标1.绝对瓦斯涌出量指标（ｑ0）回采面绝对瓦斯涌出量指标根据回采面过风断面的大小及回采面风速的取值来确定，即：min46.060minVi0SViKwCSqq绝（1-1）式中q绝——回采面绝对瓦斯涌出量指标，m3/min；q0——通风所能稀释的瓦斯涌出量，m3/min；C——回风流最大瓦斯浓度，取1%；KW——瓦斯涌出不均衡系数，取1.3；Smin——回采面最小过风断面，m2；Vi——回采面风速，m/s。若取工作面适宜风速V=2.0m/s，式（1-1）则为：min092.0Sqq绝（1-2）若取工作面最大风速V=4.0m/s，式（1-2）则为：min084.1Sqq绝（1-3）为便于设计及管理人员参考和套用指标，可根据回采面的最小过风断面Smin值，直接在图1-1中查出回采面考虑抽放的绝对瓦斯涌出量指标值。在回采面过风断面S=5.0m2，取回采面风速V=2.0m/s的情况下，绝对瓦斯涌出量指标值约为5.0m3/min。2.相对瓦斯涌出量指标（ｑ0相）回采面相对瓦斯涌出量指标表达式为：ASVqmin655KwASminVC601440q0相相（1-4）式中q相——回采面相对瓦斯涌出量指标，m3/t；q0相——通风所能稀释的瓦斯涌出量，m3/min；A——工作面产量，t/d；V——工作面风速，m/s；其余符号同式（1-1）。当取适宜风速V=2.0m/s，式（1-4）变为：ASqqmin01330相相（1-5）若取工作面最大风速V=4.0m/s，式（1-4）则为：q相q0相≈2660Smin/A（1-6）q0相随V的取值而成正比关系。按式（1-4）作曲线如图1-2。120014001600200018001820图1-2工作面相对瓦斯涌出量指标图(V=2.0m/s时）q2=2160/Aq3=3390/Aq4=5320/Aq5=6650/Aq6=7920/Aq7=9310/Aq8=10640/A图1-1工作面绝对瓦斯涌出量指标图V6=4.0m/sV5=3.5m/sV4=3.0m/sV3=2.5m/sV2=2.0m/sV1=1.5m/s321457831245768111091213141516q绝q0=0.46Vi·Smin62461081214166002004008001000[例]某矿一个回采面的产量为1000t/d，采场最小过风断面为Smin=5.0m2。当根据回采面适宜风速V=2.0m/s配风时，在图1-2中查得q绝=6.65m3/t，即当q绝6.65m3/t时就应考虑抽放；若按风速V′=3.5m/s配风，则：tmq/64.1165.625.3'30相说明加大风量后，相对瓦斯涌出量指标值可达到11.64m3/t。这样，加大工作面风速后，采面的相对量达11.64m3/t以上时可考虑抽放。在回采过风断面Smin=5.0m2、取风速V=2.0m/s，工作面产量为500t/d的情况下，相对瓦斯涌出量指标值为q0相=13.3m3/t（接近15m3/t）。二。邻近层瓦斯涌出量参考指标：1.邻近层绝对瓦斯涌出量参考指标（q0邻）：是否有必要实行邻近层瓦斯抽放，主要取决于邻近层与开采层的瓦斯涌出量之和是否超过了通风所能稀排的最大瓦斯量。即：本本邻邻qSminVi46.060minq0qKwCSViq（1-8）式中q邻——邻近层向开采层瓦斯涌出量指标，m3/min；q0邻——回采面通风所能稀释的瓦斯涌出量，m3/min；C——回风流最大瓦斯浓度，取1%；KW——瓦斯涌出不均衡系数，取1.3；Smin——开采层采面最小过风断面，m2；Vi——回采面风速，m/s。q本——开采层本层瓦斯涌出量（或经本煤层抽放后的瓦斯）；将式1-8绘成曲线如图1-3。根据Smin值、q本值即可在图中查出相应的指标值q0邻。[例]某开采层采面本层瓦斯涌出量为1.5m3/min，采场过风断面Smin=3.0m2，风速V=2.0m/s，从图1-3中可查得邻近层向开采层允许涌入的瓦斯量为1.26m3/min。因此，当邻近层向开采层瓦斯涌出量超过1.26m3/min，即可考虑对邻近层抽放瓦斯。若取任意风速V′，则在图1-3中查的q0邻值基础上再乘以V′/2，即得q0邻′。在回采面过风断面S=5.0m2，工作面产量为500t/d，取风速V=2.0m/s的情况下，在邻近层向开采层瓦斯涌出量1.5m3/min，即应考虑对邻近层抽放瓦斯。2.邻近层向开采层涌出量占工作面回风总瓦斯量的百分比指标（p）%100)min46.01(000SViqqqpp本邻（1-9）上式的图示见图1-4，符号意义见式（1-1）及（1-8）。图1-3邻近层向开采层瓦斯涌出量指标图q邻q0邻=0.92Smin－q本（取V=2.0m/s）7.023.0210Smin12.0543q本（m3/min）5.04.06.0q0相（m3/min）3456776（m2）8.0010203040506070809010012345678q本ppo=(1－-------)×100%0.92·Smin图1-4邻近层瓦斯涌出量百分比指标图(V=2m/s时）2.03.04.05.06.07.08.0q本（m3/min）p0（%）根据有关以知条件即可在图中查出相应的邻近层向开采层涌出量占工作面回风总瓦斯量的百分比指标po。在矿井条件符合上述“1”的情况下，该指标值为po=30%。是否实行邻近层抽放，还应考虑是否有一定的邻近层抽放量。若邻近层的瓦斯抽放量0.6m3/min，一般无抽放价值。三．矿井抽放瓦斯参考指标随着矿井工作面单产的日益提高，在矿井相对瓦斯涌出量一定的条件下，绝对瓦斯涌出量大大提高。因此，套用原有的相对涌出量指标已显得不能适应形势的发展，且意义不大。只要通风或其他措施不能解决瓦斯问题，或矿井有稳定的抽放量（一般应大于2m3/min）满足利用要求，就应建立抽放系统。四．本煤层瓦斯抽放参考指标（WOB）通风可以解决的瓦斯含量指标，由下式求得，当瓦斯含量大于WOB时，需进行瓦斯抽放。WOBBAKQCWW1001400+CW(1-10)式中WOB———通风可以解决的瓦斯含量指标，m3/t；WC———残存瓦斯量，m3/t；见表1-1；Q———工作面配风量，m3/min；A———工作面日产量，t/d；其余符号同式（1-1）。表1-1残存瓦斯含量表煤质残存量（m3/t）煤质残存量（m3/t）无烟煤6～10焦煤2～4贫煤4～8气煤2～3黏结煤6～8长焰煤1～2.5五．抽放瓦斯难易程度参考指标抽放瓦斯难易程度可参照表1-2所列指标。表1=2抽放瓦斯难易程度分类煤层抽放瓦斯难易程度钻孔流量衰减系数（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第三节煤层瓦斯基础参数测定瓦斯基础参数测定，是判断矿井是否进行瓦斯抽放的先决条件。矿井瓦斯抽放设计必须测算的基础参数有：瓦斯风化带、煤层瓦斯压力、煤层瓦斯含量、瓦斯储量、瓦斯涌出量、透气性系数、百米钻孔瓦斯流量衰减系数和瓦斯抽放率等。一．瓦斯风化带煤中的瓦斯成分随着煤层埋藏深度的不同而变化。由浅到深大致可分为四个带：二氧化碳－氮气带，氮气带，氮气－沼气带，沼气带，见表1-3。表1-3瓦斯带划分表序号带名瓦斯成分情况说明带的大致垂深1二氧化碳－氮气带主要是二氧化碳，少量氮气、沼气二氧化碳显著增加，有的可达5m3/t·d以上缓倾斜煤层60米左右；急倾斜煤层200～300米2氮气带主要是氮气，少量二氧化碳、沼气此带以上二氧化碳增高；此带以下二氧化碳减少。缓倾斜煤层60～150米左右；急倾斜煤层300～400米3氮气－沼气带主要是氮气、沼气沼气涌出量显著增加，可达5m3/t·d以上此带较短缓倾斜煤层20～50米左右；急倾斜煤层100米左右4沼气带主要成分是沼气沼气涌出量可达日产吨煤数十立方米。氮气－沼气带以下皆是沼气带以上的三个带通称为瓦斯风化带，它的下部边界可按下列指标确定：沼气浓度：CH4%=80%沼气压力：P=0.1～0.15MPa沼气含量：Wh=1.0～1.5m3/t(长焰煤)Wh=1.5～2.0m3/t(气煤)Wh=2.0～2.5m3/t（肥、焦煤）Wh=2.5～3.0m3/t(瘦煤)Wh=3～4m3/t(贫煤)Wh=5～7m3/t(无烟煤)各带瓦斯成分见表1-4表1-4各带瓦斯成分变化表带别CO2N2CH4Ar+kr+XeN2+H2(%)Ar/Xe%m3/t煤%m3/t煤%m3/t煤%m3/t煤二氧化碳－氮气带20～800.19～2.2420～800.15～1.420～100～0.160.21～1.440.0021～0.01780.0010.012氮气带0～200～0.2780～1000.22～1.860～200～0.220.61～1.880.0037～0.05610.0010.014氮气－沼气带0～200～0.3920～800.25～1.7820～800.06～5.270.36～0.810.0051～0.0120.0010.014沼气带0～100～0.370～200～1.9380～1000.61～10.50～0.240.004～0.00520.001～0.060.014N2、Ar、kr、Xe、H2:分别为氮、氩、氪、氙、氢气体前苏联在顿巴斯煤田进行的研究表明，在其他条件相同时，瓦斯风化带深度和瓦斯涌出量梯度与煤的变质程度有关（