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某煤矿瓦斯抽放设计说明书
目 录
概 述 3
1 矿井概况 4
1.1交通位置 4
1.2 井田地形与气候 4
1.3 井田地质构造情况 4
1.4煤层赋存情况 4
1.5矿井开拓方式 6
1.6矿井通风方式及邻近矿井瓦斯涌出 6
2 矿井瓦斯抽放的必要性与可行性 7
2.1 矿井瓦斯涌出量预测结果 8
2.2 回采工作面瓦斯涌出来源与构成 9
2.3 瓦斯抽放的必要性 10
2.3.1 相关法规的要求 10
2.3.2 采掘工作面瓦斯治理的需要 10
2.4 瓦斯抽放的可行性 11
2.5 矿井瓦斯储量与可抽量 12
3 矿井瓦斯抽放方案初步设计 13
3.1 抽放方法选择的原则 13
3.2 抽放瓦斯方法选择 13
3.2.1 回采工作面本煤层瓦斯抽放 14
3.2.2 掘进工作面瓦斯抽放 14
3.2.3 回采工作面高位抽放 16
3.2 抽放量预计及抽放服务年限 16
3.2.1 回采工作面本煤层预抽量预计 16
3.2.2 掘进工作面边掘边抽瓦斯量预计 16
3.2.3 矿井瓦斯抽放量预计 17
3.2.4 抽放服务年限 17
3.2.5 抽放参数的确定 17
3.3 瓦斯抽放钻孔施工及设备 18
3.3.1 钻机的选择 18
3.3.2 钻孔施工技术安全措施 18
3.3.3 钻孔封孔 18
3.3.4 瓦斯抽放参数监测 19
4 瓦斯管网系统选择与管网阻力计算及设备选型 19
4.1 矿井瓦斯抽放设计参数 19
4.2 瓦斯管网系统选择与管网阻力计算 19
4.2.1 瓦斯抽放管网系统 19
4.2.2 瓦斯抽放管管径计算及管材选择 20
4.2.3 管网阻力计算 21
4.2.4 瓦斯抽放管路与瓦斯抽放钻孔的连接 22
4.2.5 瓦斯抽放管路敷设 22
4.2.6 瓦斯抽放管道的附属装置 23
4.3 瓦斯抽放泵选型计算 26
4.3.1 瓦斯抽放泵流量计算方法 26
4.3.2 瓦斯泵压力计算方法 26
4.3.3 瓦斯抽放泵选型计算 27
4.3.4 瓦斯抽放泵选型 27
5 瓦斯抽放泵站布置 28
5.1 瓦斯抽放泵 28
5.2瓦斯抽放泵站供电 29
5.3 瓦斯抽放泵给排水 32
5.4 防雷设施 32
5.5 瓦斯抽放泵站照明 32
5.6 瓦斯抽放泵站通讯 32
5.7 抽放系统实时监测 33
5.8 泵房采暖, 通风 33
6. 瓦斯抽放系统的安装 33
6.1瓦斯抽放系统安装的基本要求 33
6.2 瓦斯抽放泵的安装 33
6.3 瓦斯抽放, 排放管路及附属设施安装 33
7 环境保护 34
7.1 抽放瓦斯工程对环境的影响 34
7.2 污染防治措施 34
7.3 抽放站绿化 34
8 瓦斯抽放组织管理及主要安全技术措施 34
8.1 组织管理 35
8.2 瓦斯抽放组织机构管理 35
8.3 瓦斯抽放钻场管理 35
8.4 采空区抽放管道的拆装 37
8.5 瓦斯抽放管路管理 37
8.6 主要安全技术措施 38
8.7 钻机操作规程 38
8.8 瓦斯抽放泵司机作业操作规程 39
8.9 瓦斯抽放报表管理 41
9 瓦斯抽放工程技术经济指标 43
9.1 劳动定员 43
9.2 投资概算 43
9.3 矿井瓦斯利用 43
概 述
某煤矿为某集团公司所属的大型煤矿之一. 1958年投产, 设计生产能力为600kt/年. 1976年进行了生产环节改造, 1980年核定生产能力为1200 kt/年.
根据该矿提供的矿井设计和矿井瓦斯涌出资料(2004年鉴定报告), 矿井绝对瓦斯涌出量为21.84m3/t, 相对瓦斯涌出量为7.49 m3/min, 属于低瓦斯矿井. 由于二区瓦斯较大, 按高瓦斯矿井管理. 随矿井产量的增加和开采范围的扩大及开采水平的延伸, 该矿今后主采煤层采掘进工作面和采空区的瓦斯涌出量都将进一步增大.
为贯彻执行党和国家的”安全第一, 预防为主”的安全生产方针和国家安全生产监督管理局制定的”先抽后采, 以风定产, 监测监控”的煤矿安全生产管理方针, 该矿已在井下安装了为21181回采工作面服务的移动式瓦斯抽放泵站和与其相配套的瓦斯抽放系统. 抽出的瓦斯直接排放到矿井的回风系统中. 随着矿井瓦斯涌出量的增大, 总回风的瓦斯浓度较高, 并时常出现超限. 另外, 井下泵站的管理也比较复杂, 经常需要对瓦斯抽放泵的水垢进行清理. 随着新风井的建成使用, 建立地面抽放泵站是非常必要的和可行的. 特此编写某煤矿瓦斯抽放系统方案设计说明书.
编制本设计方案的依据
1. 《矿井抽放瓦斯工程设计规范》(MT95018-96),中华人民共和国煤炭工业部,1997年.
2. 《矿井抽放瓦斯管理规范》,中华人民共和国煤炭工业部,1997年.
3. 《煤矿安全规程》,国家煤矿安全监察局,2004年.
4. 《防治煤与瓦斯突出细则》,中华人民共和国煤炭工业部,1995年.
5. 某煤矿提供的通风,生产,瓦斯地质等相关资料.
设计的主要技术经济指标
1. 矿井绝对瓦斯涌出量: 38.60m3/min(将来最大绝对瓦斯涌出量);
2. 矿井相对瓦斯涌出量: 7.49m3/t;
3. 矿井瓦斯抽放量: 11.58m3/min.
存在的主要问题及建议
某煤矿缺乏必要的煤层瓦斯基本参数(煤层瓦斯压力, 瓦斯含量, 煤层透气性系数, 钻孔瓦斯流量衰减系数等). 建议今后进行这方面的测定, 以便为瓦斯抽放管理提供必要的科学依据.
1 矿井概况
某煤矿为某集团公司所属的大型煤矿之一. 1955年建井, 1958年投产, 设计生产能力为600kt/年. 1976年进行了生产环节改造, 1980年核定生产能力为1200 kt/年. 预计2004年的实际产量超过1000kt/年.
1.1交通位置
某煤矿位于河南省义马市之南2km. 矿区的地理坐标为111º45′11″- 111º51′05″, 北纬34º41′36″- 34º43′16″.
1.2 井田地形与气候
1). 地形地貌特征
本井田以上侏罗统砾岩为骨架, 上部广泛第四系亚粘土, 地形较复杂, 属低山丘陵区. 标高为+437.20 - +670.73m, 最大相对高差233.53m. 整个井田呈南高北低的形态, 在井田南部构成近东西向分水坡, 标高+547.80 - +670.73 m. 井田内南北及东西向冲沟发育. 井田北部较平坦, 季节性河流南涧河自井田北部由西向东流过.
2). 气候
矿区为大陆性气候, 四季分明, 雨量较为充沛和集中. 根据渑池气象站资料, 最高气温41.6ºC, 最低气温-18.70ºC, 年平均气温12.3ºC.
3). 降水量
年最大降水量为1013.6mm, 最小为371.2mm, 7, 8, 9月降水量占全年的55%.
4). 冻结期
冻结期为11月至第二年3月, 冻结天数为31-93天, 最大冻结深度为0.34m.
1.3 井田地质构造情况
新井田北起二-3煤露头线, 南至F16断层, 东起F3-3断层, 西至耿村井田人为边界, 面积19.10km2. 构造形态为一简单的单斜构造, 地层由老到新有三叠系, 侏罗系, 白垩系, 第三系和第四系.
1.4煤层赋存情况
侏罗系中统义马组(J12)为本井田含煤地层, 煤系保留厚度20.10-99.86m, 平均厚度67.0m. 其上与马凹组(J22)呈平行不整合接触. 其下与三叠系谭庄组呈角度不整合接触.
1). 岩性组合特征
义马组(J12)含煤岩系自下而上划分4段:
(1). 底砾岩段
厚0.30-32.81m, 平均厚度7.70m.
由浅灰色砾岩, 砂岩及棕灰色含砾粘土岩组成, 为一套河床相及河漫相沉积物, 在煤层分叉区为二-3煤底板, 合并区为二煤底板.
(2). 下含煤段
厚5.31-39.34m, 平均32.30m.
该段为义马组主要含煤段, 含二煤组(二-1煤, 二-3煤), 其上称二-1煤, 其下称二-3煤, 两层合并后称二煤. 以煤层分差合并线为界, 本段岩煤层组合差异显著. 二煤分叉为二-1煤, 二-3煤,本分叉后煤层总厚度变小, 两煤层间为一套三角洲相砂质沉积物. 该层特征明显, 层位稳定, 为义马煤田重要标志层之一, 其编号为J12S1. 其厚度变化自北向南, 自东向西变薄尖灭. 在井田西北边角处极小范围内有二-2煤存在.
合并区: 以厚及特后二煤层为主体, 属于泥炭沼泽相沉积, 煤层最大厚度为37.48m, 纯煤厚度为m.
(3). 泥岩段
厚4.40-42.20m, 平均24m. 在井田内该层自北向南, 自东向西逐渐增厚, 在煤层分叉区为二-1煤顶板, 在合并区为二煤顶板.
(4). 上含煤段
厚度为0 - 9.09m, 平均3.00m. 仅不同程度留于井田的中, 深部.
2). 煤层
本井田含煤地层为义马组, 含煤两组, 3-4层, 上部为一煤层, 含一-1煤, 一-2煤. 其中一-1煤被剥蚀殆尽, 一-2煤局部可采. 下部为二组煤, 含二-1煤, 二-2煤, 二-3煤. 二-1煤和二-3煤合并后称二煤.
二-1煤, 二-3煤和二煤均为本井田主要可采煤层. 井田各可采煤层发育如表1-1所示.
表1-1. 某井田可采煤层发育情况
煤层 全层厚度, m 纯煤厚度, m 可采厚度, m 可采程度
二-2 0-4.69(平均0.98) 0-2.54(平均0.6) 0.8-2.38(平均2.16) 局部可采
二-1 0.14-9.45(平均4.24) 0.14-7.40(平均3.60) 1.00-7.40(平均3.60) 全井田可采
二-3 0.20-18.99(平均4.72) 0.20-17.76(平均4.21) 0.80-17.76(平均4.25) 全井田大部可采
二 5.59-37.48(平均16.29) 3.89-33.26(平均13.81) 3.89-33.26(平均13.81) 全井田可采
目前开采的煤层为二煤. 二煤位于煤系下部, 属于特厚煤层, 顶板为J2K1泥岩, 底板为J21S2含砾粘土岩及粘土岩, 上距一-1煤平均为24m.
1.5矿井开拓方式
某煤矿原来为一对立井多水平盘区上下山开拓, 主采层为二-1和二-3煤层.新材料井和新风井于2004年投入使用. 目前开采的21181工作面为综采放顶煤开采工作面. 该工作面位于21区下山西翼, 北邻未回采的21161工作面, 南邻未回采的21201工作面, 东邻21区下山保护煤柱, 西邻F3-9断层保护煤柱. 工作面采用走向长壁开采, 一次采全高, 全部陷落法管理顶板. 工作面上下巷沿底掘进.
2004年, 矿井的生产能力达到1000Mt. 日生产能力为3000t/d. 矿井服务年限为90年.
1.6矿井通风方式及邻近矿井瓦斯涌出
某煤矿目前开采二-1和二-3煤. 采用中央边界式抽出式通风，材料立井和材料斜井进风，3#风井, 1#风井和新风井回风. 新风井安装两台DDK-6-No20型风机, 风量为3800m3/min. 3#风井安装两台70-D2-21-24型风机, 1#风井安装两台BK54-6-13型风机, 3#和1#风井合并风量为1000余m3/min. 3#和1#风井对将来进行瓦斯抽放的区域影响甚微.
虽然煤矿周边煤矿瓦斯涌出不大，为低瓦斯矿井（表1－2）, 但随开采深度的增加, 瓦斯涌出量有增大的趋势. 2004年8月某矿瓦斯鉴定结果表明全矿井绝对瓦斯涌出量为21.84.0m3/min, 相对瓦斯涌出量为7.49m3/t. 由于目前21181工作面开采的煤层厚度达到20m以上, 工作面回采期间的绝对瓦斯涌出量就已经超过10.0m3/min.
邻近煤矿都在考虑建立地面永久瓦斯抽放系统或井下移动瓦斯抽放系统.
表1－2 邻近矿井瓦斯等级鉴定结果(2004年8月)
年度
矿名 瓦斯(全矿井) 二氧化碳(全矿井) 鉴定等级 审批等级
绝对量
(m3/min) 相对量
(m3/t) 绝对量
(m3/min) 相对量
(m3/t)
某 21.84 7.49 低瓦斯 低瓦斯
跃进 低瓦斯 低瓦斯
耿村 低瓦斯 低瓦斯
2 矿井瓦斯抽放的必要性与可行性
根据国家煤矿安全监察局2001年颁布的《煤矿安全规程》第145条规定, 如果矿井绝对瓦斯涌出量超过40.0m3/min, 无论井型大小, 也不管煤层有无煤与瓦斯突出危险性, 必须建立地面永久抽放瓦斯系统或井下临时抽放瓦斯系统. 虽然某煤矿的绝对瓦斯涌出量还没有达到40.0m3/min, 但现有的通风系统无法排放回采工作面所产生的瓦斯.
《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.
除此而外, 某矿煤层极易自燃, 过大的风量会导致煤层的自燃发火. 为贯彻国家安全生产监督管理局”先抽后采, 以风定产, 监测监控”的安全生产方针, 某煤矿已经在井下建立了一个临时抽放瓦斯泵站(两台40 m3/min抽放泵, 一台20 m3/min抽放泵, 一台60 m3/min抽放泵)为21181工作面抽放瓦斯服务.
井下抽放泵站的安装和清洗维护费用较高, 又便于管理. 2004年投入使用的材料井距离井下临时抽放泵站的排气点的水平距离很近. 只要延伸500m左右的抽放管路(不包括已经安装的材料立井内的580m管道)就可以将抽放瓦斯泵站布置在地面为今后开采的各个采区服务.
2.1 矿井瓦斯涌出量预测结果
表2－1至表2-4是二-1和二-3煤层开采时，对应于不同生产时期的回采工作面、掘进工作面、采区及矿井瓦斯涌出量鉴定结果，由此可知，无论是当前生产时期、中期还是后期，某煤矿都属于低瓦斯矿井.
表2－1给出了回采工作面瓦斯涌出量预测(或鉴定)结果. 瓦斯含量是根据21181工作面的瓦斯涌出统计, 21181工作面煤样的吸附实验等确定的. 由于现场的煤层瓦斯含量及瓦斯压力的实测数据十分有限, 表2-1中的数据只作为设计参考. 建议某矿将来进行这方面的实测工作.
表2－1 回采工作面瓦斯涌出量预测(或鉴定)结果
生产时期 采区
煤厚(m)
瓦斯含量(m3/t)
日产量(t/d) 开采层瓦斯涌出量
(m3/t) (m3/min)
当前时期 二-1煤层 10 5.0 1500 7.49 15.60
二-3煤层 10 5.0 1500
中期 二-1煤层 10 5.0 2500 7.49 26.01
二-3煤层 10 5.0 2500
后期 二-1煤层 10 5.0 2500 7.49 26.01
二-3煤层 10 5.0 2500
表2－2 掘进工作面瓦斯涌出量预测结果
生产
时期 煤层 煤厚
(m) 瓦斯含量(m3/t) 巷长
(m) 掘进速度(m/月) 瓦斯涌出量(m3/min)
煤壁 落煤 合计
前期 二煤 10 5.0 1000 150 1.80 0.60 2.40
中期 二煤 10 5.0 1000 150 1.80 0.60 2.40
后期 二煤 10 5.0 1000 150 1.80 0.60 2.40
备注：⑴每个炮掘工作面掘进一条大巷，其瓦斯涌出量为这条大巷的煤壁瓦斯涌出量加上单头掘进落煤瓦斯涌出量；⑵每个炮掘工作面掘进煤量均为70t/d，瓦斯涌出量为：初期2.40m3/min，中期2.40m3/min，后期2.40 m3/min.
统计表明, 21181工作面掘进期间瓦斯绝对涌出量为1.8-2.4m3/min. 因此, 当前阶段和以后生产时期的每个掘进工作面的绝对瓦斯涌出量定为2.4m3/min(表2-2).
目前某矿布置一个工作面(21181工作面), 今后考虑布置两个回采工作面, 即一个综采综放工作面和一个综采工作面. 今后考虑布置4个掘进工作面. 表2-3给出了各个生产时期的瓦斯涌出量预测.
表2－3 采区瓦斯涌出量预测结果
生产
时期 工作面 平均产量(t/d) 采区瓦斯涌出量
回采
(m3/min) 掘进(m3/min) 采空区(m3/min) 合 计
(m3/min) (m3/t)
目前 综采 3000 15.6 4.8 2.0 22.4 7.49
中期 综采综放 3000 15.6 4.8 2.0 22.4 7.49
综采 2000 10.4 4.8 1.0 16.2 7.49
后期 综采综放 3000 15.6 4.8 2.0 22.4 7.49
综采 2000 10.4 4.8 1.0 16.2 7.49
表2-4给出了当前和今后生产时期的矿井瓦斯涌出量预测. 由于地面瓦斯抽放系统为一工程量较大的项目, 服务年限长, 一旦管路安装完毕不易更换. 因此, 对将来矿井瓦斯涌出量的预测留有一定余地.
表2－4 矿井瓦斯涌出量预测结果
生产
时期 开采区域 平均产量（t/d） 瓦斯涌出量
生产采区（m3/min） 已采采区
（m3/min） 合计
（m3/min） （m3/t）
目前 采掘工作面等 3000 22.4 22.4 7.49
中期 采掘工作面等 4000 38.6 38.6 7.49
后期 采掘工作面等 4000 38.6 38.6 7.49
2.2 回采工作面瓦斯涌出来源与构成
在二-1和二-3煤层工作面采空区, 生产工作面(按两个回采工作面考虑)和掘进工作面(按4个掘进工作面考虑), 预计将来的最大瓦斯涌出量可达到38.6m3/min.
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2.3 瓦斯抽放的必要性
2.3.1 相关法规的要求
按照《煤矿安全规程》规程的有关规定及”先抽后采, 以风定产, 监测监控”的十二字方针，无论高瓦斯矿井的井型大小，也不管煤层有无煤与瓦斯突出危险性，必须建立地面永久抽放瓦斯系统或井下临时抽放瓦斯系统.
某煤矿设计生产能力为600Mt/年, 目前生产能力达到1000Mt/年. 从瓦斯涌出量预测结果（表2－4）来看，矿井在生产过程中的瓦斯涌出量将达38.6 m3/min, 单纯靠通风系统来稀释瓦斯是不可能的. 因此，必须建立瓦斯抽放系统.
2.3.2 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. 虽然, 该矿回采工作面的绝对瓦斯涌出量已经超过5m3/min. 产量和瓦斯涌出量都有进一步增加的趋势.
采掘工作面需要采取瓦斯抽放的必要性判断标准是: 在给定的巷道通风断面条件下，采掘工作面设计通风能力小于稀释瓦斯所需的风量,即式(2－1)成立时, 抽放瓦斯才是必要的.
…………………………………(2－1)
式中:
Q0 - 采掘工作面设计风量, m3/s；
Q - 采掘工作面瓦斯涌出量, m3/min；
K - 瓦斯涌出不均衡系数,取K=1.5；
C -《煤矿安全规程》允许的采掘工作面瓦斯浓度，%，取C=1.
根据采掘工作面瓦斯涌出量预测结果，由式(2－1)计算得到的回采工作面(按综采和炮采两个工作面考虑)、掘进工作面(按3个掘进工作面考虑)瓦斯抽放必要性判断结果如表2－5所示.
由表2－5可以看出，对回采工作面和采空区而言，单纯靠通风方法不能解决工作面瓦斯超限问题. 对掘进工作面而言, 部分掘进工作面可能存在供风难的问题, 也可能需要采取瓦斯抽放措施.
表2－5 矿井瓦斯涌出量预测结果
生产
时期 工作面 瓦斯涌出量 设计风量
(m3/s) 需要风量
(m3/s) 是否需要
抽放瓦斯
(m3/t) (m3/min)
生产 采空区 3.0 不需要
回采 7.49 26.0 1300 >2600 需要
掘进 9.6 800 >960 需要
2.4 瓦斯抽放的可行性
本煤层瓦斯抽放的可行性是指在自然透气条件下进行预抽的可能性.衡量本煤层瓦斯预抽可行性指标有三个：煤层透气性系数(λ)，钻孔瓦斯流量衰减系数（α）和百米钻孔瓦斯极限抽放量衰减系数(Qj).
按λ、α和Qj判定本煤层瓦斯抽放可行性标准如表2－6示.
表2－6 本煤层预抽瓦斯难易程度分类表
抽放难易程度 钻孔瓦斯流量衰减系数
α（d-1） 百米钻孔瓦斯极限抽量
Qj (m3) 煤层透气系数
λ（m2/MPa2·d）
容易抽放 <0.003 >14400 >10
可以抽放 0.003～0.05 14400～2880 10～0.1
较难抽放 >0.05 <2880 <0.1
目前，某煤矿基本没有测定煤层透气性系数、钻孔瓦斯流量衰减系数和百米钻孔瓦斯极限抽放量.
考虑到某煤矿毗邻的其他矿井的情况和地质勘探资料及有关文献,可以断定，某煤矿二煤属于较难抽放煤层(表2-6)，如不采取其他技术措施, 基本不具备预抽本煤层瓦斯的可行性. 因此, 回采工作面将继续采用高位瓦斯抽放来治理工作面的瓦斯超限.
2.5 矿井瓦斯储量与可抽量
矿井瓦斯储量是指在煤田开发过程中能够向矿井排放瓦斯的煤层及围岩所储存的瓦斯量. 开采二煤时，应该纳入矿井瓦斯储量计算有二-1和二-3煤层和围岩（含煤线）的瓦斯储量，计算公式如下：
…………………………（2－2）
式中:
Wk — 确矿井瓦斯储量，万m3；
C — 围岩瓦斯储量系数 ，取C = 1.05；
A — 二煤工业储量，万吨；
X — 二煤平均瓦斯含量，m3/t.
可抽量是指矿井瓦斯储量中能被抽出的瓦斯量，由下式计算：
……………………………………（2－3）
式中:
Wkc ---- 矿井瓦斯可抽量，万m3；
ηk ---- 矿井瓦斯抽放率，按照义马矿区生产矿井的现状预计，
ηk =25～35%，取平均值ηk = 30%；
Wk ---- 矿井瓦斯储量，万m3.
表2－7 矿井瓦斯储量及可抽取量计算结果
储量类别 煤层 煤炭工业储量
（万吨） 平均瓦斯含量（m3/t） 瓦斯储量
（万m3） 可抽量
（万m3）
开采层 二煤 16452 5 82260 24678
围岩 4113 1233.9
合计 86373 25911.9
矿井瓦斯储量和可抽量计算结果如表2－7所示. 由表可知， 矿井瓦斯储量和可抽取量分别为86373万m3和25911.9万m3. 矿井的煤炭工业储量是根据1990年的《河南省义马矿务局某煤矿矿井地质报告》给出的可采储量减去1991-2004的采出量进行估算的.
煤炭工业储量 = 17752 – 100 x 13 = 16452 万吨
3 矿井瓦斯抽放方案初步设计
3.1 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巷道的布置和维护.
(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.
3.2 抽放瓦斯方法选择
某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煤层抽放(包括开采工作面和掘进工作面抽放)和采空区抽放等方式.
在二-1和二-3煤层开采时，必须对所有的回采工作面进行高位抽放或本煤层预抽、对大多数的掘进工作面进行瓦斯预抽放. 选择的瓦斯抽放方法如下：
⑴.采用边采边抽相结合方式抽放回采工作面采空瓦斯；
⑵.掘进工作面采用边掘边抽方法抽放本煤层瓦斯;
⑶.采用高位钻孔抽放回采工作面及采空区瓦斯.
由于某矿煤层具有自燃倾向性, 不宜采用采用采空区抽放.
3.2.1 回采工作面本煤层瓦斯抽放
由于煤层的透气性低, 采用预抽和边采边抽相结合的抽放方法，即：利用工作面胶带顺槽或轨道顺槽向煤层打迎向平行钻孔预抽本煤层瓦斯，并利用回采工作面前方超前卸压效应边采边抽本煤层瓦斯，以提高煤层瓦斯抽放效率.
推荐的钻孔布置方式如图3－1示.
图3－1 回采工作面本煤层瓦斯抽放钻孔布置示意图
推荐的本煤层预抽钻孔布置参数如下：
钻孔长度 80-100m；
钻孔直径 ∮75mm；
钻孔与工作面夹角 4°～6°；
钻孔间距 10m；
封孔深度 5m；
封孔方式 聚胺脂封孔.
3.2.2 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.考虑到某煤矿掘进工作面瓦斯涌出较小,采用边掘边抽比较合适. 采用边掘边抽时, 抽放钻孔布置方式如图3－2示.
推荐的钻孔布置参数如下：
钻孔长度 60-100 m；
钻孔直径 ∮75 mm；
相邻孔间夹角 3°～5°；
钻场间距 50 m；
钻场内钻孔数 3个；
封孔深度 5m；
封孔方式 聚胺脂封孔.
图3－2 掘进工作面边掘边抽瓦斯钻孔布置示意图
在煤巷掘进工作面后5m处的巷道两邦各施工一个钻场. 钻场的规格应根据巷邦瓦斯抽放钻孔布置的要求, 选用钻机的外形尺寸及钻杆长度而定. 根据该矿的具体情况, 每组钻场在煤巷两侧错开布置, 其规格为: 4 x 4 x 2m, 采用木棚支护. 相邻两组钻场之间的间距为40-50m.
在每一钻场内, 沿走向布置3个边掘边抽钻孔, 即左, 右钻场各三个, 孔深60m左右.
掘进工作面先抽后掘就是在煤巷掘进工作面向前方煤层施工扇形钻孔, 每个循环6-9个钻孔, 钻孔深度50-60m, 每个循环间距40-50m, 预计抽放时间为20左右. 钻孔终孔点分别距离巷道中心线0m, 2.5m和4m.
钻孔布置的原则就是保证将钻孔布置在煤层内, 钻孔倾角与巷道底板平行或根据煤层的厚度向上或下倾斜. 当掘进工作面抽放钻孔数量较多时, 为扩大钻孔覆盖范围, 抽放钻孔应以巷道中线为基准, 向周围煤体呈放散状排列, 以提高抽放效果.
3.2.3 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. 图3-3为回采工作面高位钻孔布置示意图.
需要注意的是设计中的瓦斯抽放钻孔设计仅供该矿工程技术人员参考. 在生产实际中, 应根据现场实际监测参数对抽放钻孔的布置进行调整, 以达到最好的抽放效果.
3.2 抽放量预计及抽放服务年限
3.2.1 回采工作面本煤层预抽量预计
由于二-1和二-3煤层的透气性低及回采工作面巷道面积较小等原因, 尽量不采用边采边抽的方式, 而着重考虑采用高位钻孔抽放的方式.
3.2.2 掘进工作面边掘边抽瓦斯量预计
某煤矿回采工作面顺槽实行单巷掘进，每一条单巷掘进工作面的最大边掘边抽瓦斯量由下式计算：
(3-1)
式中:
Q1 - 单巷掘进工作面边掘边抽瓦斯量，m3 /min；
N - 每个钻场内边掘边抽钻孔数，N＝3；
L2 - 掘进工作面平均走向长度，m，L2=2000m；
L3 - 钻场间距，m，L3=100m；
L1 - 单孔有效抽放长度，m，L1=95m；
Qj - 百米钻孔瓦斯极限抽放量，m3，Qj =67825 m3；
α - 钻孔瓦斯流量衰减系数，d-1，α=0.0014d-1；
t - 巷道掘进期间边掘边抽钻孔平均抽放瓦斯时间，d，在巷道长度为240m（包括联络横贯长度）、掘进速度30m/mon条件下，t＝120d.
代入各参数值，计算得 Q1=0.691m3/min.
按全矿4个单巷掘进工作面考虑，边掘边抽瓦斯总量为2.764m3/min.
3.2.3 矿井瓦斯抽放量预计
当矿井实施高位钻孔抽放、边采边抽和边掘边抽等措施时，预计矿井最大瓦斯抽放总量可以达到11.58m3/min.按年抽放365天、日抽放24小时计算，矿井年最大年瓦斯抽放量可以达到6086448m3.
3.2.4 抽放服务年限
由于矿井瓦斯抽放方式为高位钻孔抽放、边采边抽和边掘边抽，瓦斯抽放服务年限与矿井生产服务年限相同.
3.2.5 抽放参数的确定
根据目前矿井的具体情况和所选用的抽放瓦斯方法, 设计矿井的瓦斯抽放浓度为30%.设计掘进工作面的预抽(尽量不采用预抽)时间为20天, 回采面的预抽时间大于3个月, 回采面预抽钻孔可作为边采边抽钻孔, 当采煤工作面推进至该孔孔口附近时, 拆除钻孔. 瓦斯抽放实践证明, 由于预抽煤体瓦斯, 使煤体发生收缩变形, 当煤体原来占据的空间体积相等时, 煤体的收缩既使原有的裂隙加大, 又可以产生新的裂隙. 从而使煤层的透气性增加, 提高瓦斯抽放效果.
3.3 瓦斯抽放钻孔施工及设备
3.3.1 钻机的选择
选择钻机需要考虑的因素包括: 1).钻进深度; 2).转速范围; 3).给进, 起拔能力; 4).液压系统; 5).价格.
某矿现在使用的钻机采用整体箱式结构, 具有体积小, 重量轻, 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求. 该钻机主要用于井下钻探深度为50m-200m的各种角度的瓦斯抽放钻孔, 勘探钻孔等多用途的工程钻孔施工.
3.3.2 钻孔施工技术安全措施
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一组(6个)压风自救器和一台电话;
(2). 调整通风系统, 使采煤工作面回风不直接流经施钻地点, 开始以前完成该区域通风系统调整;
(3). 采煤工作面放炮时, 撤出施钻人员至安全地点, 放炮期间, 所有人员均不得进入回风系统;
(4). 放炮后, 待施钻现场瓦斯不超限, 整个区域无安全异常, 则可保持正常施钻;
(5). 若施钻现场发生安全异常, 则立即按安全路线撤离.
3.3.3 钻孔封孔
抽放钻孔封孔方式主要有水泥注浆泵封孔, 人工水泥沙浆封孔和聚胺脂封孔等. 在岩层中封孔长度不小于3m. 在煤层中封孔长度不小于5m.
考虑到某煤矿的钻孔数量不大, 没有必要购买价格昂贵的封孔泵或采用人工水泥沙浆封孔. 因为使用水泥沙浆封孔, 凝固时间长, 对于倾斜钻孔不易充满. 因此, 应该使用人工聚胺脂封孔.
聚胺脂封孔就是由异氰酸脂和聚醚并添加几种助剂反应而生成硬质泡沫体密封钻孔. 聚胺脂封孔采用卷缠药液与压注药液两种工艺方法. 现主要应用卷缠药液法封孔, 封孔深度一般为3-6m即可符合要求.
虽然聚胺脂封孔(见图3-4)的成本略高于水泥浆封孔, 但聚胺脂封孔操作简单, 省时省力, 气密性好, 抽放效果好, 非常适用于某煤矿.
1— 集气孔段; 2—聚氨酯封孔段; 3—水泥砂浆封孔段; 4—套管
图3-4 聚胺脂封孔示意图
3.3.4 瓦斯抽放参数监测
采用孔板或便携式数字钻孔瓦斯参数监测仪对钻孔或采空区抽放管进行监测很有必要. 除此之外, 在抽放巷道口设瓦斯抽放监测传感器, 对抽放管道的负压, 瓦斯浓度, 瓦斯流量, 温度进行监测. 井下抽放支管和地面主管都应装备管道监测系统, 并将其尽可能地将管道监测系统挂靠入矿井环境监测系统.
4 瓦斯管网系统选择与管网阻力计算及设备选型
4.1 矿井瓦斯抽放设计参数
根据煤矿提供的地质资料和矿井设计资料, 某煤矿的设计瓦斯抽放量按一台抽放泵同时服务两个回采工作面(目前只布置一个回采工作面)和三个掘进工作面, 纯瓦斯抽放量取11.58m3/min(将来最大瓦斯抽放量). 瓦斯抽放浓度按30%计算.
4.2 瓦斯管网系统选择与管网阻力计算
4.2.1 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.
抽放泵的位置可以布置在地面也可以布置在井下. 井下布置是将瓦斯抽放泵布置在井下靠近抽放地点的进风流中, 这样可以减少抽放管路的长度, 并随时根据抽放地点的需要改变抽放泵的位置, 可以节省管路投资, 节省防爆装置和避雷装置, 其必要条件是抽放管路的瓦斯排放到采区回风巷或总回风巷后, 在较小范围内经过稀释达到风流瓦斯浓度不超限.
当矿井总回风巷瓦斯浓度高, 抽出的瓦斯不能排放到总回风巷, 或井下供水,供电及安装成本较高, 或地面距离抽放地点较近时, 把瓦斯抽放泵安装到地面具有明显的经济和管理方面的优势.
某煤矿开采服务年限长，工作面到新材料井井口的距离较短, 且工作面需要抽放的瓦斯量较大，因此，建立地面永久瓦斯抽放系统较为合理.
根据矿井采掘工作面的具体位置及开拓布置, 确定将地面永久瓦斯抽放站布置在距离新材料井附近且地势平坦, 无地质灾害和洪水影响的地点. 要求瓦斯抽放泵站房50m范围内无主要建筑及民房, 在泵房周围20m设立围墙或栅栏, 并严禁明火.
根据某煤矿的井下开拓巷道和地表设施的具体情况,考虑了两种井下管道布置最长路线.
方案1:
21171工作面顺槽 二一区专用回风下山 东轨大巷 材料立井 抽放泵房 放空管;
方案2:
21171工作面顺槽 二一区轨道下山 东轨大巷 材料立井 抽放泵房 放空管;
如果把主管道延伸到21171工作面回风顺槽与二一区专用回风下山汇合处, 两个方案的井下主管道长度基本相同, 即1280m.
4.2.2 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：
………………………………（3－5）
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.
约定：
采区、回风井及地面瓦斯抽放管为干管；
综采综放工作面瓦斯抽放管为支管1；
(将来)综采工作面瓦斯抽放管为支管2.
根据各瓦斯抽放管内预计的瓦斯流量，按式（3－5）计算选择的瓦斯抽放管管径如表3－2示. 瓦斯抽放管选用无缝钢管.
表3－2 瓦斯抽放管管径计算选择结果
抽放管
类别 纯瓦斯抽放量
（m3/min） 瓦斯浓度
（%） 混合瓦斯抽放量
（m3/min） 计算管内径
（m） 选择管径
（mm）
干管 11.58 30 38.60 0.342 Φ402×10
支管1 6.50 30 21.67 0.256 Φ 275×7
支管2 5.08 30 16.93 0.227 Φ 275×7
备注：边掘边抽瓦斯管留做工作面高位瓦斯抽放管. 考虑将来有可能布置两个工作面, 故选支管1与支管2同径.
抽放管材均选择无缝钢管, 经过计算得出主管直径D = 0.342m, 支管1直径 D = 0.242m, 支管2直径 D = 0.242m. 故主管选择直径为Φ402mm的无缝钢管, 壁厚可选择9mm或10mm. 掘进及回采工作面支管可选择直径为Φ275mm的无缝钢管, 壁厚可选择7mm.
4.2.3 管网阻力计算
⑴. 摩擦阻力（Hm）计算
………………… (3－6)
式中:
Hm — 管路摩擦阻力，Pa；
L — 负压段管路长度，m；
Q — 抽放管内混合瓦斯流量，m3/h；
γ — 混合瓦斯对空气的密度比；
K — 与管径有关的系数；
D — 抽放管内径，cm.
为了保证选用的瓦斯抽放泵能满足抽放系统最困难时期所需抽放负压，应根据矿井各生产时期瓦斯抽放系统中管路最长、流量最大、阻力最高的抽放管线来计算矿井抽放系统总阻力.
由于矿井的服务年限较长，且中后期开采的采区煤层瓦斯含量高，考虑到瓦斯抽放泵的有效使用年限仅为15年左右，故计算矿井生产时期的瓦斯抽放系统最大阻力. 根据矿井前期采掘接替安排，确定的瓦斯抽放系统最困难管线如下：
地面抽放泵站干管(长度为70m)材料立井抽放干管(长度为580m)采区抽放干管(长度为1280m)工作面抽放支管(长度为1200m).
前期最困难抽放管线阻力计算结果如表3－3示.
表3－3 生产前期瓦斯抽放系统最困难管网阻力计算结果
抽放管
类 别 Q
（m3/min） γ L
（m） K D
（cm） Hm
（Pa）
干管 38.60 0.866 1930 0.71 38.2 1522.81
支管 21.67 0.866 1200 0.71 26.1 2004.14
合计 3526.95
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 3526.95 = 529.04 Pa.
(3). 总阻力（H）计算
H = Hm + Hj
= 3526.95 + 529.04 = 4055.99 Pa
4.2.4 瓦斯抽放管路与瓦斯抽放钻孔的连接
用弹簧软管或矿用PVC管将钻孔套管与钻场汇流管(也称混合器)相连, 汇流管与钻场瓦斯管连接, 然后钻场瓦斯管与布置在巷道中的瓦斯抽放支管相连接. 瓦斯抽放主管均采用法兰盘螺栓紧固连接, 中间夹橡胶密封圈.
4.2.5 瓦斯抽放管路敷设
1). 瓦斯抽放管路敷设的一般要求
由于煤矿井下的环境条件比较恶劣, 巷道变形较大高低不平, 坡度大小不一, 空气潮湿管路易生锈, 为此对煤矿井下瓦斯抽放管路的敷设有如下要求:
(1). 瓦斯抽放管路应采取防腐, 防锈蚀措施;
(2). 在倾斜巷道中, 应用卡子把瓦斯抽放管道固定在巷道支架上, 以免下滑;
(3). 瓦斯抽放管路敷设要求平直, 尽量避免急弯;
(4). 瓦斯抽放管路敷设时要考虑流水坡度, 要求坡度尽量一致, 避免由于高低起伏引起的局部积水. 在低洼处需要安装放水器;
(5). 新敷设的管路要进行气密性试验.
地面敷设的管道除了满足井下管路的有关要求外, 还需要符合以下要求:
(1). 在冬季寒冷地区应采取防冻措施;
(2). 瓦斯抽放管路不宜沿车辆来往繁忙的主要交通干线敷设;
(3). 瓦斯抽放管路不允许与自来水管, 暖气管, 下水道管, 动力电缆, 照明电缆和电话线缆等敷设于一个地沟内;
(4). 在空旷的地带敷设瓦斯抽放管路时, 应考虑未来的发展规划和建筑物的布置情况;
(5). 瓦斯抽放主管路距建筑物的距离大于5m, 距动力电缆大于1m, 距水管和排水沟大于5m, 距铁路大于4m, 距木电线杆大于2m;
(6). 瓦斯抽放管路与其他建筑物相交时, 其垂直距离大于0.15m, 与动力电缆, 照明电缆和电话线大于0.5m, 且距相交建筑物2m范围内, 管路不准有接头.
2). 管路安装
井下瓦斯抽放管路采用吊挂或打支撑墩沿巷道底板敷设.掘进工作面瓦斯抽放管路可采用巷道侧邦吊挂安全方式. 地面瓦斯管路安装采用沿地表架空敷设方式, 架空高度0.5m. 每隔5-6m设置一个支撑架(支撑墩), 必要时在支撑墩上设半圆形管卡固定管路, 以防滑落.
3). 管道防腐防锈
所有金属管道外表均要进行防锈处理,即在管道外表先涂刷两层樟丹, 在刷一层调和漆.
4.2.6 瓦斯抽放管道的附属装置
为了掌握各抽放地点的瓦斯涌出量, 瓦斯浓度的变化情况, 便于调节管路系统内的负压和流量, 在管路上应安装阀门, 流量计和放水器等附件. 除此之外, 在瓦斯泵房和地面管路上还须安设有防爆, 防回火装置及放空管等.
1). 阀门
瓦斯抽放管路和钻场连接管上均应安装阀门, 主要用来调节和控制各抽放点的抽放量, 抽放浓度和抽放负压等.
2). 放水器
在抽放管路系统最低点安装人工或自动放水器, 及时放空抽放管路中的积水, 提高系统的抽放效率. 在排气端低凹处安装正压放水器.
为减少瓦斯抽放成本, 建议采用人工放水器(如图4-1, 图4-2). 也可以使用负压自动放水器.
1 – 钢管; 2 – 闸阀DN25.
图4-1 人工负压放水器(也可以作正压放水器用)
图4-2 高负压人工放水器安装示意图
卧式, (b) 立式.
1 – 瓦斯管路; 2 – 放水器阀门; 3 – 空器入口阀门;
4 – 放水阀门; 5 – 放水器; 6- 法兰盘.
抽出的瓦斯排放至地面, 还必须安装防爆, 防回火装置, 放空管, 避雷线等.
3). 计量装置及抽放参数测定
在井下与主管道汇合的各抽放支管处各安装一套WYS型管道气体参数监测仪(南京科强科技实业有限公司产品), 计量各支管的瓦斯流量. 在抽放系统的主管道和各支管上安装一套WYS型管道气体参数监测仪(南京科强科技实业有限公司产品),计量整个抽放系统的瓦斯抽放量. 应用便携式孔板流量计测定单孔瓦斯流量.
也可以使用板流量计来测定管道中气体的流量. 在使用孔板流量计时要注意孔板与瓦斯管道的同心度, 不能装偏. 在钻场内使用孔板流量计时, 应保证孔板前后各1m段平直, 不要有阀门和变径管. 在抽放瓦斯管末端安装孔板流量计时, 应保证孔板前后各5m段平直, 不要有阀门和变径管.
测定孔板两端的压差可采用倾斜水柱计, 测定抽放管路中的抽放负压可采用水银计, 抽放管路中的瓦斯浓度可采用负压吸气筒和高浓度瓦斯检定器.
孔板流量计两侧的测压孔使用胶管分别与U形压差计(煤矿自备,长800mm)连接. 根据水银压差计测定的负压, 压差和高浓度瓦斯检测仪监测的抽放管路内的瓦斯浓度就可以通过公式来计算瓦斯抽放量.
除孔板流量计外, 也可以使用煤气表或瓦斯抽放管道监测系统作为流量测量装置. 煤气表的量程应根据预计的单孔瓦斯流量确定. 一般地本煤层预抽钻孔使用J2.5型煤气表, 其最大允许的瓦斯流量为66L/min, 最小流量在1L/min以下.
测定单孔流量也可以使用WYS便携式瓦斯流量计. WYS型便携式瓦斯抽放多参数测定仪是用于管径D≤100mm瓦斯抽放管道参数测定的智能化测量仪表, 特别适用于钻场单个钻孔封孔前, 封口后的参数测定. 是一种便携式矿用本质安全型仪器, 防爆标志为ibl(±150ºC), 可测定的参数包括气体流量,瓦斯浓度和管道负压. 同时可测定抽放管道的瓦斯混合流量和纯甲烷流量. 测定的所有数据都可以储存, 显示和打印. 仪器具有掉电自动保护功能以及电源欠压提示功能. 仪器数据储存量大, 可存储综合测定数据100组. 单参数据300组.
仪器的主要特点是: 1).仪器本身自带涡街量传感器, 自成一体, 无需另外配备孔板, 均速管道或皮托管, 流量系数直接固化在软件中, 用户无法改变, 这可避免因输错系数而造成测定数据不准确的问题. 2).使用方便. 用户只需要软管与仪器连接好既可进行测量工作. 3).阻力损失小, 对气体流场影响小. 4).稳定可靠, 测量精度高.
4.3 瓦斯抽放泵选型计算
瓦斯抽放泵的选型原则有二个：
①泵的流量应满足抽放系统服务期限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，并满足抽放泵出口正压需求.
4.3.1 瓦斯抽放泵流量计算方法
……………………………(3－6)
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，m3/min；
X — 矿井抽放瓦斯浓度，%；
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11.58 m3/min. 则瓦斯抽放泵所需额定流量计算如下:
Q = 100 x 11.58 x 1.2/(30 x 0.80) = 57.9 m3/min
4.3.2 瓦斯泵压力计算方法
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负压, 以及能满足泵出口正压之需求. 瓦斯泵压力按下式计算:
………………………（3－7）
式中:
H — 瓦斯抽放泵所需压力，Pa；
K — 压力备用系数，K=1.20；
Hzk — 抽放钻孔所需负压，Pa，取=14000Pa；
Hrm — 井下管网的最大摩擦阻力，Pa；
Hrj — 井下管网的最大局部阻力，Pa；
Hc — 瓦斯泵出口正压，Pa，考虑今后瓦斯抽放利用的需要，取=15000Pa.
4.3.3 瓦斯抽放泵选型计算
表3－4 瓦斯泵流量、压力计算结果
Qz
（m3/min） X
(%) Hzk
(Pa) Hrm
(Pa) Hrj
(Pa) Hc
(Pa) Q
（m3/min） H
（Pa）
11.58 30 14000 3526.95 529.04 15000 38.60 39667.19
根据前面的管路阻力损失计算得知, 矿井抽放管路系统的最大阻力损失为8615.3Pa, 则:
H = (14000 + 3526.95 + 529.04 + 15000) x 1.2
= 39667.19 Pa
根据当地气象资料, 地面抽放站的压力为100000Pa, 泵的入口绝对压力为:
100000 – 39667.19 = 60332.81Pa, 实际取泵的入口压力为60KPa.
4.3.4 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 (3-8)
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;
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 = 57.9 x
= 97.78 m3/min
根据上述计算结果, 通过淄博, 武汉, 新乡, 佛山等国内真空泵生产厂家产品的市场调查, 建议选用2台广东省佛山水泵厂有限公司生产的水环真空泵质量最好, 而且节能. 通过查泵的性能曲线(见附图), 可以选择CBF410-2型或CBF360-2型水环真空泵. 由于CBF360-2型(510r/min)是该系列的最高档, 其能耗高于CBF410-2型(330r/min). 建议选择CBF410-2型(330r/min). 一旦将来随着技术进步, 抽放效率提高, 可以通过更换电机把抽气量提高至170m3/min. 在60KPa压力状态下CBF410-2型(330r/min)的工况流量为121.0m3/min, 泵的转速为330r/min, 电机功耗为96KW, 电压380/660v, 耗水量(吸入压力>400mbar)5.3-12.0 m3/h.
CBF410-2型水环真空泵主要功能及技术参数:
CBF410-2型水环真空泵环境适应性强, 并可靠, 安全, 高效地长期运行. 其核心部分---水环式真空泵, 是根据煤矿对瓦斯泵的特殊要求而设计的. 其使用性能, 排气量, 真空度, 安全性, 可靠性, 外形, 安装尺寸等具体指标, 均优于普通真空泵. 整个泵站系统可配套南京富邺科技实业有限公司KJ-91瓦斯抽放泵站监控系统. 该系统提供瓦斯超限断电声光报警, 停水断电, 恒水位控制, 抗结垢水质磁化, 流量, 检测, 其中供电系统具有过载, 过电压及短路保护, 电机电缆漏电闭锁等功能.
5 瓦斯抽放泵站布置
5.1 瓦斯抽放泵
某煤矿总回风巷瓦斯浓度较高, 矿井总风量较小, 如果将瓦斯抽放泵安装在井下把抽出的瓦斯排到总回风巷, 极有可能造成总回风瓦斯超限. 因此, 根据矿井采掘的具体位置及开拓布置, 确定将抽放泵站设在矿井材料井较近处且无地质,洪水等灾害影响, 地势平坦的地点. 地面瓦斯泵房位置选择如附图1所示.
抽放泵站由瓦斯泵房, 配电值班室组成. 瓦斯泵房长8.0m, 宽6.0m, 高3.5m. 值班室3 x 3 x 3.5m, 3 x 3 x 3.5m. 瓦斯抽放泵房布置图如附图2所示.
瓦斯抽放泵房围墙或栅栏的圈定范围应当保障泵房周围50m范围内无居民, 20m内无明火, 不得有易燃, 易爆物品, 并配备至少4只干粉灭火器和大于0.5m3的黄砂. 在泵站周围设有防火栓. 抽放泵站是具有爆炸危险的甲类厂房, 设计门窗作为泄压面积, 泄压与厂房体积比应在0.05-1.22之间, 瓦斯抽放泵房采用不燃性材料构成. 其土建工程设计和施工由某煤矿自行完成.
地面抽放泵站主要建筑为泵房，抽放泵房内设有配电装置, 瓦斯泵、分水器、管路、阀门等设备.在泵房附近进出口处设有放水器、防爆防火装置(图5-1)、放空管、压力测定、流量测定装置、采样孔、阀门等附属装置.
图5-1 水封式防爆, 防回火装置
1 - 入口瓦斯管; 2 - 出口瓦斯管; 3 - 水封罐; 4 - 橡胶盖(胶皮板);
5 - 注水管口; 6 – 水位计; 7 – 支承柱; 8 – 放水管.
瓦斯抽放泵房内的所有设备和仪表均选用防爆型. 图5-2地面瓦斯抽放泵站布置示意图.
5.2瓦斯抽放泵站供电
瓦斯抽放泵站供电参照主要通风机的供电管理, 要求”三专”, 即专用变压器, 专用线路和专业开关. 根据矿井的实际情况, 采用380V或660V供电安排. 瓦斯抽放泵站的设备总容量为120KW, 工作容量为120KW.
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.
图5－2 瓦斯抽放泵站管统及附属设施布置示意图
5.3 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). 在不建水循环系统时, 为节省水耗, 要求供水压力大于600mbar, 供水量大于12m3/h. 如果建水循环系统, 最好安装一套南京富邺科技实业有限公司制造的高频电子除垢装置, 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.
5.4 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.
由于某矿处于山区, 有时雷害比较严重, 应该注意以下几点:
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.
5.5 瓦斯抽放泵站照明
在瓦斯抽放泵站内和值班室内的照明灯具选用隔爆型.
5.6 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.
5.7 抽放系统实时监测
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.
5.8 泵房采暖, 通风
某矿区冬天最低气温可以达到-10ºC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.
6. 瓦斯抽放系统的安装
6.1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.
6.2 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.
6.3 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.
7 环境保护
7.1 抽放瓦斯工程对环境的影响
矿井瓦斯的主要成份为CH4和N2, 不含硫化物和其他有毒物质, 是一种洁净的优质能源. 当其与水体接触时, 不会产生新的污染.
瓦斯是气体燃料, 不含灰份, 也没有硫化物, 燃烧后不产生粉尘. 与燃煤相比, 可减少SO2排放量, 飞灰, 炉灰运输量, 提高矿区大气的洁净度. 因此, 抽放瓦斯并加以利用, 对保护环境是十分有利的.
如果把抽出的瓦斯直接排入大气, 则对大气环境产生温室效应. 所以有条件时尽量对抽出的瓦斯加以利用.
抽放工程对环境的影响主要是水环式真空泵和电机产生的噪声. 真空泵采用循环供水, 可减少对环境的影响.
7.2 污染防治措施
噪声治理主要考虑声源控制, 具体措施如下:
值班室与瓦斯泵房隔开, 内墙表面采用吸声设计, 以保证值班室内噪声低于规定要求值, 减少噪音对值班人员的危害.
循环泵采用可曲挠橡胶接头防噪.
7.3 抽放站绿化
绿化在防治污染, 保护和改善环境方面起着特殊重要的作用. 它具有较好的调温, 调湿, 吸灰, 吸尘, 改善小气候, 净化空气, 减弱噪声等功能. 在泵站周围种植速生, 高大, 树冠丰满的树种, 设置绿化带, 降低噪音和净化空气.
8 瓦斯抽放组织管理及主要安全技术措施
瓦斯抽放制度定为三班制抽放, 一班打钻, 即只在白班进行打钻. 为了安全地进行瓦斯抽放工作和提高瓦斯抽放效果, 按照《煤矿安全规程》和《矿井瓦斯抽放管理规范》的有关规定, 在安全和组织管理方面准备以下措施.
8.1 组织管理
(1). 建立抽放瓦斯的专门机构, 配备专业施工队伍, 负责瓦斯抽放工程的施工和日常管理工作. 所有人员必须经过培训合格后方能上岗;
(2). 应对瓦斯抽放泵房内的设备和管路系统进行日常检查, 建立定期检查维修制度;
(3). 在瓦斯抽放区主管和分支管路上安装瓦斯流量,浓度,负压等检测装置,同时还配备专人定期巡回检测, 进行放水和管路维护, 处理管路积水和漏气, 以保证管路畅通无阻;
(4). 对瓦斯抽放设计参数应在实践中进一步考察和验证, 以便确定合理的综合抽放方法. 达到合理布置钻孔 |
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