康华2012年煤矿瓦斯抽放系统方案设计
康华煤矿
2012年元月
目 录
一、 康华煤矿瓦斯抽放的必要性与可行性----------------------5
二、 瓦斯抽放方案的初步设计----------------------------------------6
三、 瓦斯抽放钻孔施工及设备----------------------------------------9
四、 瓦斯抽放管网系统-------------------------------------------------11
五、 瓦斯抽放泵的选型-------------------------------------------------15
六、 瓦斯抽放系统的安装---------------------------------------------18
矿井基本情况
郑新康华(新密)煤业有限公司原名郑州康华实业贸易有限公司， 2010年9月与郑煤集团郑新煤业有限责任公司兼并重组而成，位于新密市牛店镇谭村湾村境内，矿井属六证齐全合法生产矿井。井田面积0.7174平方公里，开采二1煤层，地质储量148.6万吨，可采储量62万吨，设计生产能力15万吨/年，设计服务年限3.54年。矿井水文地质类型属中等，矿井设计正常涌水量30m3/h，最大涌水量60m3/h。煤层倾角2°—10°之间，平均厚度3m，属III类不易自燃煤层，煤尘具有爆炸性，爆炸性指数14.12﹪。井田范围内除主副井筒及工业广场保护煤柱、风井保护煤柱外，其它区域开采属复采区域，煤层瓦斯已得到有效释放，煤层瓦斯含量较小，属低瓦斯区域。
矿井采用三立井单水平上下山开拓，通风方式为中央分列式，通风方法为机械抽出式，主通风机安装在风井井口地面附近，副立井升降人员、物料兼做进风井，主立井提煤兼做进风井，风井专用回风，主井、风井均安装有行人梯子间作为安全出口。主提升采用1.5t非标箕斗，井下运输采用胶带运输机配刮板运输机运输，副提升采用0.75t非标罐笼提升。
矿井供电实现双回路供电，地面主副井各建一个变电所，实现分区域供电，主要通风机、提升绞车等重点设备实现双回路供电。
目前，矿井有两个采区两个采煤工作面、三个掘进工作面，分别为：11采区和21采区， 两个采区交替生产，现有11001和21001两个回采工作面，有11012皮带巷、11012回风巷、21001上副巷改造巷三个掘进工作面。采煤方法为走向长壁手镐配风镐落煤煤采煤法，回采工作面采用单体液压支柱配合π型钢梁支护。
编制本设计方案的依据：
1. 《矿井抽放瓦斯工程设计规范》。
2. 《矿井抽放瓦斯管理规范》。
4. 《防治煤与瓦斯突出规定》。
5.《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》。
6.《“一通三防”管理手册》第四章(郑煤集团公司)。
7. 康华煤矿生产、通风、瓦斯、地质等相关资料。
8.关于郑煤集团公司2011年度矿井瓦斯等级和二氧化碳涌出量鉴定结果的报告 。
9. 《煤矿瓦斯抽采监控系统通用技术条件》。
10. 《建筑物防雷设计规范》(2000)。
一 康华矿瓦斯抽放的必要性与可行性
根据《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》的第14条规定 “煤与瓦斯突出矿井及高瓦斯矿井必须建立地面固定瓦斯抽采系统”。
《煤矿安全规程》、《矿井瓦斯抽放管理规范》以及《煤炭工业设计规范》有关条款规定: 当一个回采工作面的绝对瓦斯涌出量大于5m3/min或一个掘进工作面的瓦斯涌出量大于3m3/min, 采用通风方法解决瓦斯问题不可能或不合理时应采用瓦斯抽放措施。
1 瓦斯抽放的必要性
(1)相关法规的要求
按照《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》的第14条规定 “煤与瓦斯突出矿井及高瓦斯矿井必须建立地面固定瓦斯抽采系统”。
(2)采掘工作面瓦斯治理的需要
《煤矿安全规程》、《矿井瓦斯抽放管理规范》以及《煤炭工业设计规范》有关条款规定：当一个回采工作面的绝对瓦斯涌出量大于5m3/min或一个掘进工作面的瓦斯涌出量大于3m3/min，采用通风方法解决瓦斯不可能或不合理时应采用瓦斯抽放措施。康华矿11001回采工作面、21001回采工作面，在回采期间为预防瓦斯超限，将瓦斯浓度控制0.5%以下，减轻矿井通风压力，必须建立瓦斯抽放系统。
2 瓦斯抽放的可行性
康华煤矿二1煤层透气性差，钻孔瓦斯流量衰减系数大，属较难抽放煤层。但可以通过采取措施提高煤体透气性来进行煤体预抽瓦斯，也可以利用采动影响进行动压区抽放和采空区隅角抽放，还可以在回采工作面进行顶板岩石钻孔瓦斯抽放。
二 矿井瓦斯抽放方案初步设计
1 抽放系统简图
附后
2 抽放方法选择的原则
选择矿井瓦斯抽放方法应根据矿井煤层赋存条件、瓦斯基本参数、 瓦斯来源、巷道布置、 抽放瓦斯的目的及瓦斯利用等因素来确定, 并应遵守以下原则：
(1).抽放方法应适合煤层赋存状况、巷道布置、地质条件和开采技术条件。
(2). 应根据矿井瓦斯涌出来源及涌出量构成分析, 有针对性地选择抽放瓦斯方法, 以提高瓦斯抽放效果。
(3). 在满足瓦斯抽放的前提下, 应尽可能地利用生产巷道, 以减少抽放工程量。
(4). 选择的抽放方法应有利于抽放管道的布置和维护。
(5). 选择的抽放方法应有利于提高瓦斯抽放效果, 降低瓦斯抽放成本。
(6). 瓦斯抽放应有利于钻场、钻孔的施工和抽放系统管网的设计, 有利于增加钻孔的抽放时间。
3 抽放瓦斯方法选择
康华煤矿抽放瓦斯的目的是消除或缓解瓦斯突出的危险性及使工作面的瓦斯涌出量降低到通风能解决的水平或减轻矿井通风负担。 因此, 确定矿井抽放瓦斯的方法为开采层抽放(包括开采工作面和掘进工作面抽放)和采空区抽放等方式。
所有的回采工作面必须进行采前预抽、边采边抽和高位抽放，对掘进工作面进行掘前瓦斯预抽和边掘边抽。 选择的瓦斯抽放方法如下：
⑴.回采工作面：采前预抽、动压区抽放、顶板岩石高位钻孔抽放和隅角埋管抽放相结合;
⑵.掘进工作面：掘前预抽和边掘边抽相结合;
⑶.开展采空区瓦斯抽放。
4 掘进工作面瓦斯抽放
掘进工作面抽放瓦斯的方法有边掘边抽和先抽后掘瓦斯抽放两种方式。采用边掘边抽时, 抽放钻孔布置方式如图所示。
钻孔布置参数如下：
钻孔长度 60m;
钻孔直径 ∮89 mm;
钻孔方位 控制巷道两帮各15米;
钻场间距 40 m;
钻场内钻孔数 9个;
封孔深度 18m;
封孔方式 聚胺脂封孔.
掘进工作面边掘边抽瓦斯钻孔布置示意图
钻孔布置及参数：每个钻场内布置9个钻孔,孔径不小于89mm,孔深60m，呈两列三排布置,上排孔开孔位置距巷底1.5m,中排开孔位置距巷底1.0m,下排开孔位置距巷底0.5m;并做到全层位控顶控底，即：上排钻孔终孔于煤层顶板岩石0.5m深度处，中排钻孔终孔位于煤层中部，下排钻孔终孔打至煤层底板岩石0.5m深度处。
5 回采工作面高位抽放
采用高位抽放就把回采工作面上部煤层中和部分采空区中的瓦斯通过钻孔和瓦斯抽放管道排放到地表或井下回风巷中。 下图为回采工作面高位钻孔布置示意图。
采煤工作面高位钻孔布置示意图
需要注意的是，本设计中的瓦斯抽放钻孔参数应根据现场实际情况及时进行必要的调整，以达到最佳的抽放效果。
三 瓦斯抽放钻孔施工及设备
1 钻机的选择
选择钻机需要考虑的因素包括: 1).钻进深度; 2).钻进速度; 3).钻孔直径; 4).给进、起拔能力; 5).钻机体积; 6).液压系统; 7).性价比。
康华煤矿现有钻机一部,是重庆煤科分院生产的ZYG系列全液压钻机，这种钻机均为分体式结构, 具有体积小、重量轻、便于拆装、移动安装方便、机械效率高等优点，完全能够满足井下瓦斯抽放钻孔钻进的要。
除了采取钻孔施工技术的一般安全措施(略)外, 还必须采取以下特殊措施:
(1). 在施钻地点附近安设1部电话;
(2). 调整通风系统, 使采煤工作面回风不直接流经打钻地点, 开始打钻以前要完成打钻区域通风系统调整;
(3). 采掘工作面放炮时, 撤出打钻人员至安全地点, 放炮期间, 所有人员均不得进入回风系统;
(4). 放炮后, 待打钻现场瓦斯不超限, 整个区域无安全异常, 才能恢复正常打钻;
(5). 若打钻现场发生安全异常, 必须立即按安全路线撤离。
3 钻孔封孔
(一)底板岩巷穿层钻孔采用合格矿用树脂材料和水泥联合封孔技术，要求封孔至煤岩交界处，封孔管进入煤层不小于1m或进入煤层的中部，进入煤层段封孔管为花管。
(二)普通顺层钻孔采用“两堵一注”封孔方式，钻孔封孔深度不小于15m，封孔段长度不小于12m;或采用其他经试验有效的封孔材料及方法。封孔段长度以不漏气为准。
为防止钻孔塌孔，影响抽采效果，顺层抽采钻孔应下封孔管伸入煤层不小于钻孔深度的二分之一，封孔段以里的封孔管全部为花管，封孔管与花管连接紧密可靠。
1— 集气孔段 2—聚氨酯封孔段 3—水泥砂浆封孔段
4—双抗封孔管
图3-4 聚胺脂封孔示意图
四 瓦斯抽放管网系统
在选择瓦斯抽放管路系统时, 主要根据抽放泵站位置, 开拓巷道布置, 管路安装条件等进行确定。抽放管路应尽量选择敷设在巷道曲线段少和距离短的线路中, 尽可能避开运输繁忙巷道, 同时还要考虑供电, 供水, 运输方便。
4.1瓦斯抽放管管径计算及管材选择
瓦斯抽放管管径按下式计算：
式中 D-----瓦斯抽放管内径，m;
Q-----抽放管内混合瓦斯流量，m3/min;
V-----抽放管内瓦斯平均流速，经济流速V=5-15m/s, 取V=7 m/s.
根据郑煤集团公司2011年度矿井瓦斯等级和二氧化碳涌出量鉴定结果的报告提供康华矿全矿井相对量涌出量：5.29 m3/min，绝对量：1.53 m3/t。按抽放率30%，最低抽采浓度为2%计算。
采动煤量的抽出量应为：1.53 m3/t×30%=0.459 m3/t
矿井班生产能力按300吨计算，每班需采出纯瓦斯量为：
0.459 m3/t×300=137.7 m3
每分抽出纯量为：137.7 m3/(8×60)=0.28 m3/min
最低抽出浓度按2%计算，混合量为：14 m3/min
约定：
为全矿井服务的井筒及地面瓦斯抽放管为主管;
为一个采煤工作面服务的瓦斯抽放管为支管1;
为一个掘进工作面服务的瓦斯抽放管为支管2。
根据各瓦斯抽放管内预计的瓦斯流量，按式(4-1)计算选择的瓦斯抽放管管径如表4-1示。
表4-1 瓦斯抽放管管径计算选择结果
式中 D-----瓦斯抽放管内径，m;
Q-----抽放管内混合瓦斯流量，m3/min;
V-----抽放管内瓦斯平均流速，经济流速V=5-15m/s, 取V=7 m/s.
根据郑煤集团公司2011年度矿井瓦斯等级和二氧化碳涌出量鉴定结果的报告提供康华矿全矿井相对量涌出量：5.29 m3/min，绝对量：1.53 m3/t。按抽放率30%，最低抽采浓度为2%计算。
采动煤量的抽出量应为：1.53 m3/t×30%=0.459 m3/t
矿井班生产能力按300吨计算，每班需采出纯瓦斯量为：
0.459 m3/t×300=137.7 m3
每分抽出纯量为：137.7 m3/(8×60)=0.28 m3/min
最低抽出浓度按2%计算，混合量为：14 m3/min
约定：
为全矿井服务的井筒及地面瓦斯抽放管为主管;
为一个采煤工作面服务的瓦斯抽放管为支管1;
为一个掘进工作面服务的瓦斯抽放管为支管2。
根据各瓦斯抽放管内预计的瓦斯流量，按式(4-1)计算选择的瓦斯抽放管管径如表4-1示。
表4-1 瓦斯抽放管管径计算选择结果
⑵.局部阻力(Hj)计算
管路局部阻力损失按直管阻力损失的15%计算，则抽放管路系统的局部阻力损失为:
Hj =0.15 Hm = 0.15 x 4524.3 = 678.6 Pa.
(3). 总阻力(H)计算
H = Hm + Hj
= 4524.3 + 678.6 = 52029 Pa
4.2.1、瓦斯抽放管路与瓦斯抽放钻孔的连接
用埋线管将钻孔封孔管与布置在巷道中的瓦斯抽放支管相连接，连接处要用抱箍固定，或用铁丝捆扎。 瓦斯抽放主干管和支管均采用法兰盘螺栓紧固连接, 中间夹橡胶密封圈。
4.2.2、抽放泵附件
钻场支管安设单孔测量装置,钻场总管安设总测量装置,抽放泵站安设总测量装置。叉口设置闸门，低洼处设置放水器。
五、瓦斯抽放泵选型
瓦斯抽放泵的选型原则有两个：
①泵的流量应满足抽放系统服务期间可能达到的最大瓦斯抽放量;
②泵的压力能克服最困难路线的管网阻力，使抽放钻孔达到足够的负压，并满足
瓦斯抽放泵流量计算方法
……………………………(5-1)
式中:
Q — 瓦斯抽放泵所需额定流量，m3/min;
Q z — 矿井抽放系统最大瓦斯抽放纯量，为0.28m3/min;
X — 矿井抽放瓦斯浓度，为2%;
K — 备用系数，K=1.20;
η— 抽放泵机械效率，η=0.80.
本抽放系统设计抽放量为14m3/min，则瓦斯抽放泵所需额定流量计算如下:
Q = 14/0.80 =17.5m3/min
瓦斯抽放泵选型
根据上述计算结果, 查国内有关厂家的真空泵曲线, 即可确定瓦斯抽放泵的型号. 由于目前我国的真空泵曲线都是按工况状态下的流量绘制的, 所以还需要按下列公式把标准状态下的瓦斯流量换算成工况状态下的流量.
Q泵工 = Q泵
(5-2)
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 – 标准大气压力(P0=101325Pa), Pa;
P – 瓦斯泵入口绝对压力, Pa; 取60000 Pa
T - 瓦斯泵入口瓦斯的绝对温度(T=273+t), K;
T0 – 按瓦斯抽放行业标准规定的标准状态下绝对温度(T0=273+20), K;
t - 瓦斯泵入口瓦斯的温度, ºC.
取瓦斯泵入口温度t = 20ºC, 则:
Q泵工 = 17.5×
= 29.9 m3/min
根据上述计算结果, 使用额定流量大30 m3/min，结合集团公司有关规定和矿井后期生产按排，确保矿井安全生产，建议使用额定流量为90 m3/min抽放泵两台。
1 瓦斯抽放泵站供电
抽放泵供电系统实现双回路供电，照明等设备供电符合《煤矿瓦斯抽采工程设计规范》的要求。根据煤炭工业矿井设计规范GB-5012-94, 瓦斯抽放站的电力负荷为一级负荷, 必须保证有两个电源供电.
2 瓦斯抽放泵给排水
(1). 给水
瓦斯抽放泵的供水采用地面清洁水(PH值6-8). 建造循环系统使用软化水装置,供水量大于12m3/h.要求供水压力大于200mbar即可。
(2). 排水
水环式真空泵排出的水收集后排入矿井蓄水池或循环使用.
(3)断水保护，当抽放泵供水系统断水时能切断抽放泵的电源，保证抽放安全运行。
3 瓦斯抽放泵站照明
在瓦斯抽放泵站内的照明灯具选用隔爆型.
4 抽放泵监控系统
为保证瓦斯抽放系统的安全运行和矿井的安全生产, 瓦斯抽放系统设计时必须具备完善的安全监测系统, 对泵站的环境瓦斯浓度, 真空泵供水, 抽放瓦斯浓度, 抽放量, 负压, 温度, 排放口的正压, 瓦斯浓度等参数进行监测. 建议南京科强科技实业有限公司生产的WYS型管道气体参数监测仪和KJ-91泵站监测系统.
泵站控制系统及管道参数监测系统符合《煤矿瓦斯抽采监控系统通用技术条件》的要求及集团公司有关规定。
5瓦斯抽放泵站通讯
在瓦斯抽放泵站应设置有到矿调度室的防爆型电话分机.
6 防雷设施
在瓦斯抽放泵站房顶上设置避雷针, 并接地.
根据《建筑物防雷设计规范》(2000), 设避雷线保护瓦斯排放管, 在瓦斯抽放站房顶设置避雷带防感应雷. 在变电所设工作接地, 接地电阻<4Ω; 在瓦斯抽放站分别设防雷接地. 接地电阻均<10 Ω.
设计放空管的高度为7m, 在距放空管5m之内设一高度为14m的避雷针.
1). 放空管应高于房脊4m以上, 放空管与避雷针距离小于5m;
2). 泵房房顶应安放雷网;
3). 避雷针接地电阻不得大于4Ω, 达不到要求的要增加接地极;
4). 瓦斯抽放泵房内所有设备的金属外壳都应接地, 金属走线架, 水管等金属物必须接地;
5). 为防止井下瓦斯抽放管路带电, 瓦斯抽放管也需接地;
6). 瓦斯抽放泵供电采用四芯电缆, 其中一芯接地;
应由具有防雷专业资质的相关部门或设计单位进行设计, 安装.
7 泵房采暖, 通风
当地冬天最低气温可以达到-8ºC以下, 应该在泵房和值班室安装采暖和通风系统.门窗及排气口合计的泄压面积要符合要求.
六 瓦斯抽放系统的安装
1 瓦斯抽放系统安装的基本要求
瓦斯抽放系统的安装, 调试和运行等必须遵守《煤矿安全规程》和《矿井瓦斯抽放管理规范》的有关规定.
瓦斯抽放系统安装所使用的材料必须为煤矿井下所允许使用的产品, 并具备煤矿安全产品标志准用证.
2 瓦斯抽放泵的安装
瓦斯抽放泵应安装在专门的瓦斯抽放泵房内, 泵房内必须有足够的照明, 消防等设施, 严禁堆放易燃物品, 严禁无关人员进入瓦斯抽放泵房内.
3 瓦斯抽放, 排放管路及附属设施安装
瓦斯抽放, 排放主管路采用无缝钢管, 法兰连接, 安装时采用锚杆吊挂在巷道顶部, 也可以采用其他支撑方式安装在巷道壁上, 但不能影响车辆和行人. 管路应尽量避免与电缆安装在同一巷邦上, 管路全程严禁与带电物体接触, 并在管路上安设可靠的接地措施.
抽放主管路每隔200-400m安装一调节闸阀, 在管路的低洼处安装人工或自动负压放水器, 定期放水. 抽放支管安装阀门, 流量计和放水器等.
瓦斯抽放用所有金属部件均须防腐处理, 管路安装完毕要进行密闭性试验, 并进行吹扫处理, 以免管路漏气和内存杂物. 封闭性能实验使用水试压, 压力为0.2MPa, 一小时内压降不超过10%.试压后, 管路涂红色漆.
4、电气部分安装由矿上设计并安装
4 瓦斯抽放管路管理
(1). 新安瓦斯管路, 必须进行管路设计. 设计内容包括: 设计条件和管路设计;
(2). 瓦斯抽放管材必须采用煤矿安全准用材料;
(3). 管道安装平直, 稳定可靠, 变径地点采用过渡节. 主干管离地高度0.5m. 受巷道高度限制的支管离地垫高大于0.3 m.
(4). 管道与巷壁距离大于0.3 m.
(5). 严禁带电物体接触;
(6). 管道安装完毕, 要进行吹洗和漏气试验. 实验压力为0.2MPa, 10min内无压力变化.
(7). 管道安装完毕, 要进行防腐处理.
七 主要安全技术措施
(1). 在瓦斯抽放系统运行前, 必须对瓦斯抽放泵及管路系统进行全面细致的检查, 包括水电闭锁, 风电闭锁, 供水和排水系统等;
(2). 瓦斯抽放泵运行前, 应在负压册低洼点安装负压放水器;
(3). 管路在使用前用压风冲刷, 安装过滤网;
(4) 瓦斯抽放泵在运行过程中, 抽放泵司机应认真观察运行情况, 做好记录, 发现异常即使处理, 并向调度室汇报;
(5). 应确保有取得合格证的专门瓦斯抽放泵司机值班;
(6). 加强抽放地点的管理;
(7). 抽放地点设立专门的记录牌, 记录瓦斯抽放数据;
(8). 瓦斯抽放泵20m范围内, 不得有明火, 不得有易燃, 易爆物品, 并配置4支干粉式灭火器和不少于0.5m3的黄砂;
(9). 加强瓦斯抽放泵管路检查的维修;
(10). 加强瓦斯抽放泵室的检查和管理, 必须配备: 《抽放泵司机岗位责任》，《抽放泵司机操作规程》，《瓦斯抽放管理制度》，《抽放系统图》，设备运行记录等;
(11). 非工作人员不得进入瓦斯抽放泵室;
(12). 瓦斯抽放泵的操作程序为:
开启: 检查 à 供水 à 启动泵站 à 检查运行方向 à 检查水位 à 启动电机 à 打开阀门。
停泵: 关闭闸门 à 停电机 à 停水。
八瓦斯抽放泵司机作业操作规程
附抽放泵说明书
附抽放系简图
