毕业设计（论文）-矿井瓦斯抽采系统设计.doc

继续教育学院毕业论文（设计）继续教育学院毕业论文（设计） 题目： 矿井瓦斯抽采系统设计 学院： 大同大学继续教育学院 班级： 姓名： 指导教师： 职称： 完成日期： 2011 年 8 月 日 2 矿井瓦斯抽采设计 内容摘要内容摘要 在矿井采掘生产中经常会发生因排放瓦斯方法不当而发生的重大瓦斯事故。 对矿井瓦斯的防治，要坚持“安全第一，预防为主，综合管理，总体推进”的方针； 同时，必须贯彻“管理、装备与培训三并重”的原则，加强矿井瓦斯管理，有效地控 制瓦斯事故，促进煤矿安全生产的持续稳定好转。通过对煤矿的在矿井瓦斯抽采 工作上的不懈探索、研究，设计瓦斯抽采系统。 关键词关键词 瓦斯;抽采;系统设计 3 目 录 1、 序 言（4 4） 2、 概 述 （5 5） 3、 矿井瓦斯储量及可抽量预测 （5 5） 3.1 矿井瓦斯储量.（5） 3.2 矿井瓦斯可抽量预计.（6） 4、瓦斯涌出量预测计算 （6 6） 4.1 煤层瓦斯基础参数数值.（6） 4.2 矿井瓦斯涌出量预测.（6） 5、矿井抽放瓦斯的必要性和可行性分析 （8 8） 5.1 矿井瓦斯来源分析 （8） 5.2 瓦斯抽放的可行性.（9） 6、 矿井抽放瓦斯方法的选择 （1 10） 6.1 矿井抽放瓦斯方法的选择的原则（10） 6.2 瓦斯抽放方法选择（11） 7、瓦斯抽放管路和设备布置及选型 （1 11） 7.1 抽放管路布置及选型计算（11） 7.2 抽放设备选型（13） 7.3 管路敷设（15） 4 1、序 言 1.1、概 况 煤矿系统建于 1997 年，2002 年该矿对瓦斯抽放系统进行了改造。目前该矿瓦 斯抽放系统能够满足该矿采掘布置及瓦斯涌出情况对矿井抽放系统进行了系统的验算 和优化，形成了该矿矿井瓦斯抽放系统改选设计。 1.2、设计设计瓦斯抽采系统的意义和目的 煤矿矿井中瓦斯涌出量很大，靠通风难以稀释排除时，可用抽放的方法,排除瓦斯,减 少通风负担。40 年代末,中国在抚顺煤田进行抽放瓦斯试验,50 年代应用于生产，抽出 数量逐年增加。其后阳泉、天府、中梁山、包头、南桐、北票等矿区也陆续开展抽放 瓦斯工作。1981 年全国一百多个矿井安设了抽放瓦斯设备，每年抽放瓦斯达 3 亿米 3，供给工业、民用燃料和作化工原料，变害为利。最几年国家煤炭资源部又提出了地 面打钻提前抽放的想法，并很快经过论证组织实施，真正起到开采前将瓦斯抽至安全 浓度以下。 1.31.3、设计的主要依据 煤矿安全规程 ； 煤矿瓦斯抽采工程设计规范 （GB 50471-2008） ； 煤矿瓦抽采基本指标 （AQ1027-2006） ； 煤矿瓦斯抽放规范 ； 矿井瓦斯涌出量预测 （AQ1018-2006） ； 煤矿初步设计方案； 煤矿矿井地质报告； 煤矿提供的其它地质资料和实测资料； 1.4、设计的主要内容 矿井瓦斯抽放工程设计说明书； 5 2、概 述 2.1 矿井概况 煤矿井田位于省市县镇境内村附近.批准开采 3、9、15 号煤层，3 号煤层井田面积 3.8587km2，井田东西宽约 2.1 km，南北长约 2.8km。 2.2 煤层及煤质 2.2.1 煤层 位于组的下部，上距下石盒子组底 K8砂岩 33.48m 左右，煤层厚度 6.236.66m，平均 6.43m，厚度大且稳定。含泥岩或炭质泥岩夹矸 14 层，一般 12 层，夹矸单层厚度 0.050.3m，结构简单复杂。 2.2.2 煤质 煤岩类型以半亮型煤为主，光亮型煤较少，多具线理状结构，少量带状结构，层 状至块状构造。镜煤条带在 2mm 左右，呈强金属光泽。条痕为灰黑色，丝炭呈薄层状 或透镜状，矿物夹层甚少，常见贝壳状与眼球状断口。比重中等、致密坚硬，裂隙少。 3、 矿井瓦斯储量及可抽量预测 3.13.1、矿井瓦斯储量 矿井瓦斯储量应为矿井可采煤层的瓦斯储量、受采动影响后能够向开采空间排放 的不可采煤层及围岩瓦斯储量之和。瓦斯储量的大小标志着瓦斯资源多少，同时亦是 衡量有无开发利用价值的重要指标，可按下式计算： Wk=Wl十 W2十 W3 3.2、矿井瓦斯可抽量预计 矿井可开发瓦斯量（或称可抽放量）是指在既定的开采技术条件下，按照目前的 抽放技术水平所能抽出的最大瓦斯量。它反映着矿井瓦斯资源的开发程度，与其抽放 工艺技术和抽放能力密切相关。一般采用下式计算： Wkc=kWk 矿井瓦斯储量计算表矿井瓦斯储量计算表 煤层煤层性质煤炭储量瓦斯含量瓦斯储量可开发量 6 (Mt)(m3/t)(Mm3)(Mm3) 3 号可采煤层 16.2521.24345.15103.55 围岩按可采煤层瓦斯储量的 10%计算 34.5210.36 合计 379.67113.91 15 号可采煤层 11.4121.24242.3572.71 围岩按可采煤层瓦斯储量的 10%计算 24.247.27 合计 266.5979.98 可知煤矿 3 号煤层瓦斯总储量为 379.67Mm3，可开发瓦斯量 113.91Mm3，15 号 煤层瓦斯总储量为 266.59Mm3，可开发瓦斯量 79.98Mm3，这为矿井瓦斯开发利用提供了 充足的资源条件；但是在工作面正常开采时，开采层的瓦斯将大量涌向工作面或采空 区，所以只有做好瓦斯抽放工作，才能确保正常生产。 4、 瓦斯涌出量预测计算 4.1 煤层瓦斯基础参数数值 瓦斯基本参数实测及参考值瓦斯基本参数实测及参考值 参数名称对象煤层单位参数值 煤层瓦斯压力3号 MPa0.854 煤层瓦斯含量3号 m3/t21.24 残存瓦斯含量3号 m3/t 5.0（查表计算） 瓦斯含量梯度3号 m3/t/m0.077 煤容重3号 t/m31.45 煤层透气性系数3号 m2/MPa2d1.2642 钻孔瓦斯流量衰减系数3号 d-10.0018 百米钻孔初始瓦斯流量3号 m3/min 100m0.095 百米钻孔极限瓦斯流量3号 Mm30.076 4.2 矿井瓦斯涌出量预测 矿井斯涌出量是矿井通风设计、瓦斯抽放和瓦斯管理必不可少的基础参数，本次 采用分源预测法对矿井瓦斯涌出量预测，该方法是根据煤层瓦斯含量，按矿井瓦斯主 要涌出源回采（包括开采层、围岩和邻近层）、掘进及采空区瓦斯涌出量进行计算， 从而达到预测各采区、全矿井瓦斯涌出量之目的。 7 4.2.1、 回采工作面瓦斯涌出量预测 煤矿开采的 3 号煤层与其邻近的煤层相距较远，所以开采 3 号煤层期间矿井 的瓦斯涌出量主要来自于本煤层。即回采工作面的瓦斯涌出量只包括开采层瓦斯涌出 量（包括围岩） ，具体按下式计算： 则上分层开采时工作面瓦斯涌出量为： =1.21.250.781.504(14.3-5.00)=10.86 m3/t 上1 q 下分层开采时工作面瓦斯涌出量为： =1.21.250.780.496(14.3-5.00)=5.38 m3/t 下1 q 3 号煤层上分层回采工作面瓦斯涌出量预测结果为：相对瓦斯涌出量为 10.86m3/t，当回采工作面开采强度取 1636t/d 时，绝对瓦斯涌出量为 12.34m3/min。 3 号煤层下分层回采工作面瓦斯涌出量预测结果为：相对瓦斯涌出量为 5.38m3/t， 当回采工作面开采强度取 1636t/d 时，绝对瓦斯涌出量为 6.11m3/min。 4.2.2、 掘进工作面瓦斯涌出量预测 回采上分层时掘进工作面瓦斯涌出量包括掘进时煤壁瓦斯涌出和落煤瓦斯涌出： qj=qB+qL 在巷道掘进过程中，巷道周围煤层中的瓦斯压力平衡状态遭到破坏，煤体内部到 煤壁间存在着压力梯度，瓦斯就会沿煤体裂隙及孔隙向巷道泄出。单位时间内单位面 积暴露煤壁泄出的瓦斯量（煤壁瓦斯涌出速度）随着煤壁暴露时间的延长而降低。通 常暴露 6 个月后煤壁瓦斯涌出基本稳定。其计算公式为： 1) v L (2qvDq 0B 根据上式计算得: qB=7.30.003470.0982(900/0.00347)1/2-1=1.75m3/min 掘进工作面落煤瓦斯涌出量 )X(XvSq 10L 根据上式计算得：qL=5.60.00461.45(14.3-5.00)=0.34m3/min。 )X(Xkkkkq cfi3211 8 再根据（3-4）式计算得：qj=qB+qL=1.750.34=2.09m3/min。 矿井瓦斯涌出量预测 矿井瓦斯涌出量计算公式如下： = (3-10) 8 q n i i n i ii A Aqk 1 0 1 07 式中 矿井相对瓦斯涌出量，m3/t； 8 q 已采区域采空区瓦斯涌出量系数，取=1.25； k k 第 i 生产采区瓦斯涌出量，m3/t； i q7 第 i 生产采区日平均产量，t。 iA0 经计算生矿井回采上分层时，相对瓦斯涌出量为 21.61m3/t，绝对瓦斯涌出量为 27.29 m3/min；回采下分层时，相对瓦斯涌出量为 10.57m3/t，绝对瓦斯涌出量为 16.85m3/min。 5 、 矿井抽放瓦斯的必要性和可行性分析 5.1 矿井瓦斯来源分析 煤矿生产开采期间的瓦斯来源由以下三部分组成：回采工作面(包括围岩)的 瓦斯涌出、掘进工作面的瓦斯涌出和采空区(包括围岩)的瓦斯涌出量，矿井瓦斯涌出、 工作面瓦斯涌出关系见表 4-1。 表 4-1 矿井瓦斯涌出量构成预测结果 矿井平均总涌出 量(m3/min) 掘进面瓦斯 涌出量 (m3/min) 采空区瓦斯 涌出量 (m3/min) 回采面瓦斯 涌出量 (m3/min) 掘进面 所占比例 （%） 采空区 所占比例 （%） 回采面 所占比 例 （%） 上分层 27.94.188.1612.34153545 下分层 16.8 5 1.584.536.1192636 9 5.2 瓦斯抽放的可行性 5.2.1 开采层瓦斯抽放的可行性 开采层抽放瓦斯的可行性，是指煤层在天然透气性条件下进行预抽的可行性。衡 量其可抽性的指标，一个为煤层的透气性系数()、一个为钻孔瓦斯流量衰减系数()、 另一个为百米钻孔瓦斯极限抽放量(Qj)，据此指标将煤层预抽瓦斯的难易程度进行分 类，如表5-1所示。 表表5-15-1 开采层预抽瓦斯难易程度分类表开采层预抽瓦斯难易程度分类表 抽放难易 程度指标 钻孔瓦斯流量衰 减系数(d-1) 煤层透气性系 数(m2/MPa2d) 容易抽放0.00310 可以抽放0.0030.05100.1 较难抽放0.050.1 根据参数测定（详见表4-1）结果可知，本矿井实测的瓦斯抽放指标参数为： 钻孔瓦斯流量衰减系数 =0.0018 d-1 煤层透气性系数 =1.2642m2/Mpa2d 将此煤层抽放指标对照表5-1可知，煤矿3号煤层从钻孔瓦斯流量衰减系数和 煤层透气性系数来判定，可以认为煤矿3号煤层为介于容易抽放和可以抽放之间的 煤层，且煤矿在以前的本煤层瓦斯预抽过程中取得了很好的效果，因此对3号煤层 进行本煤层瓦斯预抽是完全可行的。 5.2.2 采空区瓦斯抽放的可行性 煤矿3号煤层采用分层开采，全部垮落法管理顶板，采空区瓦斯涌出必然较大， 采空区存在的大量瓦斯在风压的作用下涌向回采工作面，将造成工作面回风隅角和回 风巷道的瓦斯超限主要原因。煤矿进行采空区瓦斯抽放技术上是可行的，其它矿 井抽放实践证明采空区瓦斯抽放可以取得良好的抽放效果，同时瓦斯抽放能保证产量， 所以经济上也是合理的，因此，抽放空区瓦斯是可行的。 综上所述，煤矿进行瓦斯抽放是可行的。 10 6、 矿井抽放瓦斯方法的选择 6.1 瓦斯抽放方法选择 按照煤矿回采工作面的设计产量、瓦斯涌出量、通风能力以及目前的瓦斯抽 放水平，经全面分析计算，煤矿无论是目前的采区还是根据矿井规划后期需要增 加的采区的各回采工作面都必须采取本煤层和采空区同时抽放的综合瓦斯抽放方法。 6.1.1、回采工作面的瓦斯来源及涌出构成 煤矿回采工作面瓦斯主要来源来自于开采层。主采 3 号煤层属中厚煤层，受 工作面采动影响，大量卸压瓦斯会涌向工作面，同时由于开采层的采落遗煤以及邻近 煤层少部分瓦斯通过采空区顶板裂隙涌入采空区中聚集，这部分瓦斯也会涌向回采工 作面。 本煤层瓦斯抽放 本煤层瓦斯抽放可分为开采层未卸压抽放和卸压抽放两种方法。根据矿井主采煤 层可抽性论述，3号煤层为介于容易抽放和可以抽放之间的煤层，设计在3号煤层回采 工作面采用未卸压抽放(预抽)和边采边抽方法，利用工作面运输顺槽向煤层打平行于 工作面的钻孔，在工作面回采前可以作为预抽钻孔对本煤层瓦斯进行预抽，同时该预 抽钻孔还可随着回采工作面的推进前方煤体产生的卸压作用，作为边采边抽钻孔对煤 层进行卸压瓦斯抽放，从而提高瓦斯抽放量，减少开采层的瓦斯涌出。钻孔布置如图 6-1所示，钻孔技术参数见表6-1。 表表6-16-1 本煤层预抽钻孔技术参数表本煤层预抽钻孔技术参数表 钻 孔 类 别 孔 深 （m） 钻 孔 倾 角 方位 角 （） 钻孔直 径 （mm） 钻孔间 距（m） 封孔深 度 (m) 预 抽 钻 孔 90 与煤层 倾角一致 909468 封孔方式、材料及封孔工艺封孔方式、材料及封孔工艺 封孔方式采用卷缠聚氨酯封孔。封孔材料为聚氨酯、抽放管及封孔麻布或毛巾布。 6.1.2、掘进工作面瓦斯抽放 11 依据矿井掘进工作面的实际瓦斯涌出的情况，在煤矿进行巷道回采工作面准 备时，如遇到掘进工作面瓦斯异常涌出，通风解决不合理情况下，应采用边掘边抽的 方法， 钻 孔 编 号 方位角 （） 倾角 （） 孔径 （mm） 孔深 （m） 封孔深度 (m) 19 同煤层倾角 9451.08 218 同煤层倾角 9453.08 6.1.3、采空区瓦斯抽放 对于煤矿来说，目前已有不少的全封闭采空区，可以设计采用密闭巷道法抽 放采空区瓦斯。该法是在回风顺槽内打密闭，将管子插入采空区直接抽放采空区瓦斯。 6.2 矿井瓦斯抽放量预计 按上述对回采工作面、掘进工作面、采空区的瓦斯抽放量的预计结果，矿井的瓦 斯抽放量为15.99m3/min。各抽放量预计结果详见矿井抽放量预计结果汇总表。 抽放量 抽放系统 工作面预 抽 （m3/min） 采空区（m3/min） 总量 （m3/min） 高压系统 6.996.99 低压系统 66 按年抽放365天，日抽放24小时计算，矿井年抽放量为6.7Mm3。 7、 瓦斯抽放管路和设备布置及选型 7.1 抽放管路布置及选型计算 7.1.1、瓦斯抽放管路系统的选择 煤矿是正在生产的矿井，由于目前矿井已有抽放设施，故本设计抽放管路在 满足设计原则的基础上尽量采用原有抽放管路，同时根据需要在工作面和采空区铺设 抽放管路对煤层进行综合瓦斯抽放。 12 7.1.2、抽放瓦斯管道管径、材质、规格 瓦斯管路直径选择的恰当与否，对抽放瓦斯系统的建设投资及抽放效果均有很大 影响，直径太大，投资太多造成浪费，直径过细不能满足抽放要求且阻力过大影响抽 放效果。故一般采用下式计算，并参考抽放泵的实际能力使之留有备用量，同时尚需 考虑运输和安装的方便。 D=0.1457(Q/V)0.5 本抽放设计按煤矿生产能力为45万t/a设计，同时考虑到本矿井有可能扩大生 产规模（60万t/a）的特点，为减少今后重复投资的可能性，本设计在设备选型时考虑 一定的富余系数。采用主管路瓦斯抽放平均浓度为40%左右、管内瓦斯流速为12m/s参 与计算。 抽放管路均选用螺纹钢管和聚乙烯管，管路管材均为国家定型产品，详见G8163- 87。 为方便说明，我们设定地面管路、井筒管路以及回风大巷及盘区内的管路为主干 管；回采工作面预抽管路（同时作为边采边抽管路）为支管1，掘进工作面边掘边抽管 路为支管2。经上式计算得选型结果见表7-1。 表表7-17-1 矿井预抽系统瓦斯管路选择计算表矿井预抽系统瓦斯管路选择计算表 选择管路 名称 序号 纯量 (m3/min ) 浓度 （%） 混合量 (m3/min) 计算 内径 (mm) 壁厚 （mm） 外径 （mm） 类型 主干 管 6.994017.48 175.82 6219 无缝钢 管 1 6.994017.48 175.82 6219 无缝钢 管 采空区抽放系统为方便说明，我们设定地面管路、井筒管路、回风大巷及盘区内 的管路为主干管；回采工作面埋管抽放管路为支管1，老采空区抽放管路为支管2，选 型结果见表7-2。 表表7-27-2 矿井采空区抽放系统瓦斯管路选择计算表矿井采空区抽放系统瓦斯管路选择计算表 选择管路 名称 序号 纯量 (m3/min ) 浓度 （% ） 混合量 (m3/min ) 计算内 径 (mm) 壁厚 （mm） 外径 （mm ） 类型 主干 管 41526.67 217.20 8325 无缝钢 管 13 1 21513.33 153.58 6219 无缝钢 管 2 21513.33 153.58 6219 无缝钢 管 7.1.3、抽放管路阻力计算 抽放瓦斯管路的阻力分摩擦阻力和局部阻力。 摩擦阻力按下式计算： Hm=9.81Q2L/(KD5) 对于高负压系统对于高负压系统 （1）摩擦阻力为： Hm主管= 9.81Q2L/(KD5)=9.81(6.99x60)20.7331700/(0.7120.75) =5967Pa Hm支管1= 9.81Q2L/(KD5)=9.81(23.2060) 20.733900/(0.7120.75)=3159Pa （2）局部阻力为： H局=0.15x9127=1369Pa （3）管路阻力为： H局=9127+1369=10496Pa 对于低负压系统对于低负压系统 （1）摩擦阻力为： Hm主干管= 9.81Q2L/(KD5)=9.81(27x60)20.8661700/(0.7130.95) =1874Pa Hm支1= 9.81Q2L/(KD5)=9.81(13.5x60)20.866900/(0.7120.75) =1839Pa Hm支管2=9.81Q2L/(KD5)=9.8113.5x60)20.866900/(0.7120.75) =1839Pa （2）局部阻力为： H局=0.15m主干管=0.15x5553=833 Pa 14 （3）管路阻力为： H总= 5553+833=6386Pa 7.2抽放设备选型 7.2.17.2.1、抽放瓦斯泵的流量计算 抽放瓦斯泵流量按下式计算： Q=100QzK/(X) 则高负压系统抽放瓦斯泵的流量计算结果为： Q预=100 x6.99x1.2/(600.8) =26m3/min； 采空区抽放系统抽放瓦斯泵的流量计算结果为 Q采=100 x6x1.2/(300.8) =40m3/min。 7.2.2、抽放瓦斯泵压力计算 瓦斯抽放泵的压力就是克服瓦斯从井下钻孔口起，经瓦斯抽放管路到抽放泵，再 送到用户(如果利用)所产生的全部阻力损失，按下式计算： H=K(Hzk+Hm+Hj+Hc) 则预抽系统抽放瓦斯泵的压力计算结果为： H = 1.2（14000+10496+14000+5000）=35395Pa； 采空区抽放系统抽放瓦斯泵的压力计算结果为： H = 1.2（5000+6386+5000）=19663Pa。 根据计算原有高、低抽采系统均能满足矿井生产能力提升后的安全生产需要；其 中 SK-42 用于高负压抽采系统，SK-85 用于低负压抽采系统；余下的 SK-85 作为两套系 统的备用泵。 7.2.37.2.3、抽放设备选型 根据抽放设备的选型原则和前面计算的瓦斯抽放泵所需抽放流量(Q)、 泵压力(H) 和真空度(i)，考虑到抽放设备的工作特性以及抽放期间设备的安全运转，为适应以后 的瓦斯抽放工作且尽量降低重复投资可能性的角度出发选型。由于矿井已有抽放设备 （见表7-6）可以满足目前抽放工作的需要，因此，本次设计本着节约的原则,尽量利 用原有泵站及设备。各水环真空泵机组参数见表7-6。 表表7-67-6 现有抽放瓦斯泵参数表现有抽放瓦斯泵参数表 15 名称型号功率电压工作转速数量 SK-4275kW660V730 r/min1 抽放泵 SK-85132kW660V372r/min 2 真空泵与同步电机直接连接 7.3 管路敷设 根据上述要求，结合煤矿的实际情况，选择管路敷设方式如下： 地面管路采用地沟敷设方式，考虑到该地区的降水量以及工业广场的地质情况等， 设计地沟深度为1.5m，宽度为2.0m，敷设时预留1的流水坡度。 井下管路敷设采用沿巷道侧帮敷设，总回风大巷管路用混凝土支撑墩垫起，并用 半圆卡固定，防止管路下滑；在运输巷为了安全及不影响正常生产，管路敷设应采用 支撑吊挂方式。在变坡处要安装放水器，巷道分叉处将管路架空，用锚杆、卡子固定 在巷道邦上，不要影响行车和行人。 16 参考文献参考文献 1龚精斌,蔡宝家.丰城矿务局矿井瓦斯抽采与利用.江西煤炭科技.2008.06 2高宗晔,李洪发.丰城矿务局瓦斯抽放和利用.江西煤炭科技.2008.09 3佘洛斐.矿井瓦斯抽放与利用.六盘水科技.2009.03 4Scha HG,周国才.矿井瓦斯抽放与利用.矿业译丛.2009.12 5彭奏平,蔡宝家.浅谈丰城矿务局利用瓦斯发电的设想.江西煤炭科技.2010.01 6彭成.我国煤矿瓦斯抽采与利用的现状及问题.中国煤炭.2007.08 7康德忠.龙凤矿井瓦斯抽放与利用.东北煤炭技术.2007.13 8孙欣.中国报废矿井瓦斯抽放与利用.中国煤炭.2008.03 9郭庆勇,张瑞新.废弃矿井瓦斯抽放与利用坝状及发展趋势.矿业安全与环保. 2010.01 10李耀华.丰城矿务局开展资源综合利用的经验.煤炭加工与综合利用.2010.07 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