11041工作面预抽煤层瓦斯抽放设计

11041工作面预抽煤层瓦斯抽放设计
一、工作面概况
1、工作面位置
11041工作面位于11采区北翼，南起轨道上山煤柱，北至切眼 。上部为11021工作面，未回采。下部为11061工作面，已回采。其地表位于南龙山村南，地面无建筑物。
2、煤岩层结构情况
本工作面开采为二迭系山西二1煤层煤层厚度较为稳定，一般在4.5米左右。在煤层下部有两层夹矸，厚0.2—0.4米。此处二1煤无伪顶，直接顶板为泥岩，厚约0.8—3.2米。老顶为中粒砂岩，厚度约29米左右。直接底为泥岩，厚度约4.5米左右。老底为细粒砂岩，厚度约8米左右。
本工作面产状300度—350度∠6—10度。
3、地质构造
本工作面产状变化较大，断裂构造发育。11041上、下顺槽掘进过程中共揭露断层条，在工作面里部揭露一断层，落差在7米左右，把整个煤层断开，在11041工作面掘进过程中将会有较多的断层出现。
4、水文地质
本工作面充水条件简单。无老空水及顶板裂隙水出现。
5、瓦斯
本工作面属于煤与瓦斯突出区，在整个掘进过程中，瓦斯含量都会比较高。因此，通风防突部必须制定11041回采工作面防突措施，防止煤与瓦斯突出事故发生。
6、地质储量
本工作面平均走向长290米，平均斜长为135米，平均厚度为4.5米，容重1.46吨/m3，其地质储量为25.72万吨。
二、工作面预抽煤层瓦斯技术
1、工作面预抽煤层瓦斯的目的
采用预抽煤层瓦斯防突技术以消除加回采工作面的突出危险性。
预抽煤层瓦斯是一种区域性的防治煤与瓦斯突出的措施，即在突出危险煤层采掘工作之前，进行大面积的预先抽放瓦斯，以降低或消除突出危险。瓦斯压力是造成突出的因素之一，当煤层瓦斯压力降到0.74Mpa以下时，就有减小和消除发生突出的可能。钻孔预抽煤层瓦斯就是预先抽放煤层中的瓦斯，卸除瓦斯压力防治突出的一项基本措施。它主要用于单一煤层或无保护层可采的突出危险煤层。
2、预抽煤层瓦斯的作用原理
预抽煤层瓦斯，实质上就是在回采前预先抽放工作面煤层的瓦斯，主要是通过预先抽放瓦斯以减小或消除煤层的突出危险性，其次也可以减少采掘过程中的瓦斯涌出量。预抽煤层瓦斯作用，即是利用均匀布置在突出危险煤层中的大量钻孔，经过一定时间的预先抽放瓦斯，以降低突出危险煤层中的瓦斯含量和瓦斯压力，从而使煤层变形收缩，煤体应力下降，并相应地使煤体的强度增高，使被抽放煤层减小或消除突出危险性。
3、工作面预抽煤层瓦斯有效性指标
抽放瓦斯的效果如何，能否达到防突目的，要通过一定的指标和对矿井的实际考察结果来衡量。可先用下列指标之一来确定：
（1）、预抽煤层瓦斯后，突出煤层残余瓦斯含量W残应小于该煤层在此突出区域始突深度的煤层原始瓦斯含量W始。
（2）、煤层瓦斯预抽率应大于30%。煤层瓦斯预抽率应按照钻孔控制范围内煤层瓦斯储量、抽出瓦斯量（包括打钻钻孔喷出的瓦斯量、自然排放量和抽放量）来计算，见下式：
η= ×100≥30%
式中：Q喷—打钻过程中各个钻孔喷出的瓦斯总量，m3
Q涌—各个钻孔在与抽放系统连接前自然涌出的瓦斯总量，m3
Q抽—各个钻孔在与抽放系统连接后抽放瓦斯的累计总量，m3
Q储—钻孔控制范围内煤层瓦斯储量，m3
Q喷、Q涌可根据巷道风流瓦斯增加量来计算确定。
根据抽放效果检验结果，提出工作面突出危险性鉴定报告，当效果检验有效时（η≥30%），可以采取安全防护措施进行回采工作，当效果检验η＜30%时，则应采取的相应的其它安全技术措施，在回采过程中，对预抽效果应经常进复检。
三、工作面瓦斯储量及抽放瓦斯量计算
1、工作面瓦斯储量
相邻11051工作面经煤炭科学研究总院抚顺分院测定煤层瓦斯含量为9.8m3/t 。根据11051工作面瓦斯含量、11041工作面测定数据和11041工作面掘进期间瓦斯涌出量推断该工作面平均瓦斯含量为10m3/t。工作面平均走向长290米，倾斜宽135米，煤层平均厚度4.5米，容重1.46吨／m3。因此该工作面瓦斯储量为：
Q储=L×H×M×γ×X
=290×135×4.5×1.46×10
=257.2万m3
式中：L—工作面走向长度；m
H—工作面倾斜宽度；m
M—煤层平均厚度；m
γ—煤的容重；吨／m3
X—煤层瓦斯含量；m3／吨
2、工作面巷道掘进及打钻过程中瓦斯自然排放量
11041工作面自巷道掘进以来，通过采取边掘边抽、超前排放钻孔及风排等措施，使工作面煤层中赋存的瓦斯得到一定的释放，这不但保证了巷道掘进施工工作的顺利进行，而且在一定程度上降低了工作面煤层中的瓦斯含量，对以后工作面回采工作非常有利。因此对工作面巷道掘进及打钻过程中自然排放的瓦斯量进行统计。巷道掘进及打钻过程中瓦斯自然排放量统计见下表：
上表所统计的瓦斯量，既包括工作面储量内的煤层瓦斯涌出量和工作面储量外的煤层瓦斯涌出量，要将它们严格分开非常困难，因此取涌出总量的1/3既54.233万m3作为工作面储量内的瓦斯涌出量。
3、边掘边抽钻孔抽放量
11041上、下顺槽掘进过程中共施工边掘边抽钻场18个，左右两侧各9个，每个钻场内布孔10个。抽放量见下表：
掘进期间所开钻场为两帮挂耳抽放钻场，因此上表所统计的瓦斯抽放量只有1/2既26.5万m3为工作面储量内的瓦斯抽放量。
4、工作面需要抽放的瓦斯量
《煤矿安全规程》第190条规定煤层瓦斯预抽率应大于30%，根据该条规定和上述统计计算结果，11041工作面预抽应抽出的瓦斯量（QY）为：
QY≥0.3(Q储-Q抽-Q排)
式中：QY—工作面需要抽放的瓦斯量，万m3；
Q储—工作面瓦斯储量，257.22万m3；
Q抽—工作面边掘边抽钻孔抽放量，26.5万m3；
Q排—掘进期间风排瓦斯量，54.233万m3。
代入上式得11041工作面预抽率为30%时需要抽放的瓦斯量为52.95万m3
四、工作面瓦斯抽放钻孔参数设计
1、抽放方案
目前我公司11采区有两台YD-V型移动泵站，额定抽放能力为30m3/min。
地面永久抽放系统装备瓦斯抽放泵3台，2台2BEC-42型抽放泵，额定抽放能力为120m3/min。1台2BEA-303-0型抽放泵，额定抽放能力为50m3/min。
拟采用2BEA-303-0型抽放泵进行抽放。
2、抽放钻孔的布置
（1）、抽放钻孔布置方式
平行布置、扇形布置，水平钻孔平行布置和混合钻孔布置等几种方式。
钻孔布置方式要根据矿井的具体生产条件选择，对于以防突为目的的煤层瓦斯抽放，无论采用哪种布置方式，都要求在预抽煤层的范围内均匀布孔，使整个开采区域尽可能都在钻孔控制范围之内。
根据龙山煤业公司工作面长度和打钻能力，拟采用混合钻孔单排平行布置方式，从上、下顺槽同时打钻，贯穿整个工作面。钻孔布置方式如图所示。
（2）、钻孔布置原则
①、要做到抽放钻孔“抽而有源”。即必须保证钻孔有充足的瓦斯源，以利于提高煤层瓦斯抽放率。
②、布置的钻孔要达到“吸而不漏”。即钻孔孔口必须位置适当，加强封孔质量，保证严密不漏气。故要求抽放钻孔的封孔段至少为5～7m。
（3）、钻孔布置注意事项
①、孔口位置应避开地质构造破坏带或采动裂隙区，以免漏气。
②、钻孔必须均匀布置，并且必须到位。
③、钻孔应做到抽出的瓦斯量大，服务期限长。
④、开采层回采工作面初次卸压时，往往发生瓦斯大量涌出，因此，开切眼附近的钻孔应适当布置密集一些。
3、工作面预抽时间及单孔抽放量的确定
表征钻孔自然瓦斯涌出特征的参数有两个，它们是钻孔自然初始瓦斯涌出强度（qo）和钻孔自然瓦斯流量衰减系数（a），其中钻孔瓦斯流量衰减系数a是评价煤层瓦斯预抽难易程度的一个重要指标。（qo）和（a）值是通过测定不同时间的钻孔自然瓦斯涌出量并按式（3-4）回归分析求得：
qt=qoe-at ………（3-4）
式中：qt—自排时间t时的钻孔自然瓦斯流量，m3/min；
qo—自排时间t=0时的钻孔自然瓦斯流量，m3/min；
a—钻孔自然瓦斯流量衰减系数，d-1；
t—钻孔自排瓦斯时间，d。
对（3-4）式积分，可以得到任意时间t内钻孔自然瓦斯涌出总量Qt；
Qt=∫otqtdt=∫otqo.e-atdt=qo(1-e-at)/a
即：Qt=QJ(1-e-at)………(3-5)
式中：Qt—时间t内钻孔自然瓦斯涌出总量, m3;
QJ—钻孔极限瓦斯涌出量， m3
其余符号意义同前.
具体测定步骤为：
（1）、在11041上顺槽距三叉口195米处右侧钻场内沿煤层打两个直径75mm试验钻孔，其参数见下表。



根据最小二乘法原理，用一元线性回归分析法将上表数据得出11041工作面煤层钻孔百米自然涌出规律为：
qt=0.1281e-0.0191t
以上测定结果表明：11041工作面百米钻孔初始瓦斯涌出量为0.1281m3/min﹒100m，钻孔瓦斯流量衰减系数为0.0191d-1。从而，百米钻孔在不同时间（t）内可抽放总量（Qt）和钻孔抽放有效系数（K）按下式计算。
Qt= (1-e-at)
K=(1-e-at)×100
式中：Qt—百米钻孔在有效抽放时间（t）内累计抽出的瓦斯量，m3；
qo—钻孔的初始瓦斯涌出量，m3/min；
a—钻孔自然瓦斯流量衰减系数，d-1；
t—钻孔自排瓦斯时间，d；
k—钻孔抽放有效性系数。
计算结果列于下表：
排放时间(d) 60 90 120 150 180 270 360 ∞
排放总量
Qt(m3) 6587.59 7927.12 8681.40 9107.31 9347.78 9601.78 9561.22 9657.8
钻孔抽放有
效系数(kc%) 68.21 82.08 89.89 94.30 96.79 99.42 99.90 100
由表中可以看出，当排放时间为90天时，排放总量已经达到极限排放量的82.08%；当排放120天时，排放总量以达到极限排放量的89.89%。虽然再又延长排放时间全抽放量增加，但实际意义并不大。因此根据11041工作面接替时间，本着尽量减少钻孔工程量又保证抽放效果的原则，设计钻孔预抽时间为60天，百米钻孔抽放量为6587.5m3。
4、钻孔数量与钻孔间距
钻孔间距是重要的抽放参数，它不仅决定着钻孔总量和打钻时间，而且在预抽时间已定时，还决定着预抽率。即钻孔瓦斯流量衰减系数（a）和钻孔有效抽放时间（t），以及所需要抽放的瓦斯量（QY），然后，就可按下式计算钻孔数量和钻孔间距。
n＝
R＝
式中：n—钻孔数量，个；
K—备用系数，取1.2；
QY—工作面需要抽放的瓦斯量，m3；
Qt—百米钻孔在有效抽放时间（t）内累计抽出的瓦斯量，m3；
R—钻孔间距，m；
L—工作面走向长度，m。
经计算抽放时间2个月达到预抽率30%，需要百米钻孔97个，钻孔总长9700米，钻孔间距3m。
5、钻孔直径
钻孔直径大，暴露煤壁面积也大，瓦斯涌出量就大。钻孔直径应根据打钻技术、抽放瓦斯量和抽放半径等因素综合考虑，按我公司现有打钻设备选用直径75mm的钻头，有条件时可打大直径钻孔抽放瓦斯。
6、钻孔长度
钻孔的抽放瓦斯量随着钻孔长度的增大而增加，沿层钻孔的长度，一般为工作面长度的70%～90%。考虑到11041工作面长在135米左右，沿层打长钻孔有困难，可分别从工作面的上、下顺槽布置钻孔，以加大工作面的瓦斯抽放量，钻孔长度上向孔为65～70m，下向孔为50～55m。
7、抽放负压
抽放负压对未卸压煤层抽放瓦斯效果的影响，当前尚无统一的认识。但预抽负压不宜过高，否则容易漏气，对封孔器的选择、封孔质量等要求较高，给管理带来一定困难。一般选用13.33～26.66kpa的负压抽放。
8、钻孔封孔长度
封孔应保证不漏气，以提高抽放量。在煤壁开孔，一般封孔深度为5～7m。封孔材料可用聚氨脂。
综上所述，11041回采工作面预抽钻孔参数初步确定如下：
布孔方式：上、下向钻孔平行单排布置方式；
钻孔平均间距：2.0m；
钻孔直径：75mm；
钻孔深度：120m
钻孔总长：14600m
抽放负压：13.33～26.66kpa；
封孔长度：5m；
封孔材料：聚氨脂。
考虑到工作面的接替安排和瓦斯抽放钻孔服务时间的长短不同，靠近切眼处钻孔的抽放时间相对较短，因此实际打钻时钻孔间距可适当调整。具体布置如下：距切眼100m范围内钻孔间距定为1.5m；100～200m范围内钻孔间距定为2m；200m以外范围内钻孔间距定为2.5m。
五、瓦斯抽放管网及泵站选择
1、瓦斯抽放管路选择
瓦斯抽放管路及泵站选型主要与设计流量有关，根据11041工作面煤层瓦斯储量和2个月达到30%抽放率所需抽出瓦斯量的计算结果，应抽出纯瓦斯量9.88m3/min。按抽放瓦斯浓度50%计算，则应抽放混合气量19.76m3/min。
管径选择采用下式计算：
D=0.145（Qc/v）0.5
式中：D—管道内径，m;
Qc—混合瓦斯量, m3/min;
v—管内瓦斯流速, m/s 取15m/s
将数值代入上式
则：D=0.145×（19.75/15）0.5=0.166m
因此，11041上下顺槽选用外径159mm×4.5mm的6寸钢管。
2、管道阻力计算：
抽放管道沿程阻力计算公式如下：
H=9.81×L×r×Q2/(K×D5)
式中：H—沿程阻力，Pa，
L—管道长度 m ，
r─混合瓦斯浓度对空气的密度比，
K—系数，
Q—混合瓦斯流量，m3/h
D—管道内径，
将数据代入上式得：
（1）、主管道：
H主=9.81×L×r×Q2/(K×D5)
H主=9.81×800×0.777×（29.7×60）2/（0.71×425）=208.7pa
式中：H—主管道沿程阻力 Pa
L—主管道长度 m ， L=800米
r─混合瓦斯浓度对空气的密度比 r=0.777
K—系数 K=0.71
Q—主管道混合瓦斯流量 m3/h
其它抽放地区混合流量按11041工作面流量的1/2计算，则主管道的混合流量为29.7 m3/min.
D—主管道内径 42cm
局部阻力按沿程阻力的20%计算，则总阻力为
H主总=208.7×1.2=250.44pa
（2）、支管道：
H支=9.81×L×r×Q2/(K×D5)
H支=9.81×450×0.777×（19.76×60）2/（0.71×155）=894.3pa
式中：H—支管道沿程阻力 Pa
L—主管道长度 m ， L=450米
r─混合瓦斯浓度对空气的密度比 r=0.777
K—系数 K=0.71
Q—主管道混合瓦斯流量 m3/h
D—主管道内径 15cm
局部阻力按沿程阻力的20%计算，则总阻力为
H支总=894.3×1.2=1073.16pa
则：管道总阻力为1323.6 pa。
3、瓦斯抽放泵选型计算：
（1）、泵的流量：Q=(Q混/η)×K
式中： Q混—混合气体流量，m3/min；
η—泵的机械效率，η=0.8；
K—备用系数， 取K=1.2。
将数据代入上式得：
Q=(19.76/0.8)×1.2=29.64m3/min
（2）、泵的压力：H=（H总+H）×K
式中：H—孔口负压，pa，取H=13.3kpa；
K—备用系数，K=1.2。
所以：H =（1323.6+13300）×1.2=17548.32pa
根据所需泵的流量及负压,应选用抽放能力在30m³/min以上的移动泵站,我公司井下11采区现有2台YD-V型泵站,其抽放能力为30 m³/min,满足抽放需要。为利用瓦斯资源，变废为宝。采用地面2BEA-303-0型抽放泵进行抽放，其额定抽放能力为50m3/min。
4、抽放管路铺设
11041工作面瓦斯抽放管路选用6寸无缝钢管。抽放管路沿工作面上下平巷铺设，固定到一帮，可沿底板铺设，也可离开底板0.5米铺设，用法兰盘连接，连接时应尽量密封好，以防漏气，影响抽放效果，管路铺设至每个钻场时，应留设三通，各个钻孔用2寸管封孔后通过三通与主管路连接。
5、瓦斯泵的操作及安全措施
瓦斯抽放工作业务由抽放探水队负责，包括设备操作、看管、维护工作，三班24小时不间断抽放。泵站维护和日常管理一切按《煤矿井瓦斯抽放管理规范》进行。
泵站使用前检查各种设备的完好性，确保整台瓦斯泵站处于完好状态，在工作范围内进行运转试验，一切正常后方可投入正常运行。
在运转中，看管泵站人员应随时检查泵站工作情况并作好记录：
①、轴承是否发热，使用温度不超过环境温度30ºC，轴承不超过75ºC；
②、填料松紧程度是否合适，压盖是否发热；
③、真空度或排气压力是否正常；
④、补充水量是否合适，排水温度不超过40ºC；
⑤、泵运转声音是否正常，泵是否振动。
泵站维护人员每天应对瓦斯泵进行全面检查，发现问题及时处理；每三个月进行一次大修。
6、管理制度
（1）、瓦斯抽放设计报公司总工程师批准后实施。
（2）、各工种要制定严格的考核制度和奖惩制度。
（3）、实行三班作业，现场交接班制度。
（4）、各种记录报表定期报送公司领导和主管部门。