11041工作麵預抽煤層瓦斯抽放設計

11041工作麵預抽煤層瓦斯抽放設計
一、工作麵概況
1、工作麵位置
11041工作麵位於11采區北翼，南起軌道上山煤柱，北至切眼 。上部為11021工作麵，未回采。下部為11061工作麵，已回采。其地表位於南龍山村南，地麵無建築物。
2、煤岩層結構情況
本工作麵開采為二迭係山西二1煤層煤層厚度較為穩定，一般在4.5米左右。在煤層下部有兩層夾矸，厚0.2—0.4米。此處二1煤無偽頂，直接頂板為泥岩，厚約0.8—3.2米。老頂為中粒砂岩，厚度約29米左右。直接底為泥岩，厚度約4.5米左右。老底為細粒砂岩，厚度約8米左右。
本工作麵產狀300度—350度∠6—10度。
3、地質構造
本工作麵產狀變化較大，斷裂構造發育。11041上、下順槽掘進過程中共揭露斷層條，在工作麵裏部揭露一斷層，落差在7米左右，把整個煤層斷開，在11041工作麵掘進過程中將會有較多的斷層出現。
4、水文地質
本工作麵充水條件簡單。無老空水及頂板裂隙水出現。
5、瓦斯
本工作麵屬於煤與瓦斯突出區，在整個掘進過程中，瓦斯含量都會比較高。因此，通風防突部必須製定11041回采工作麵防突措施，防止煤與瓦斯突出02manbetx.com 發生。
6、地質儲量
本工作麵平均走向長290米，平均斜長為135米，平均厚度為4.5米，容重1.46噸/m3，其地質儲量為25.72萬噸。
二、工作麵預抽煤層瓦斯技術
1、工作麵預抽煤層瓦斯的目的
采用預抽煤層瓦斯防突技術以消除加回采工作麵的突出危險性。
預抽煤層瓦斯是一種區域性的防治煤與瓦斯突出的措施，即在突出危險煤層采掘工作之前，進行大麵積的預先抽放瓦斯，以降低或消除突出危險。瓦斯壓力是造成突出的因素之一，當煤層瓦斯壓力降到0.74Mpa以下時，就有減小和消除發生突出的可能。鑽孔預抽煤層瓦斯就是預先抽放煤層中的瓦斯，卸除瓦斯壓力防治突出的一項基本措施。它主要用於單一煤層或無保護層可采的突出危險煤層。
2、預抽煤層瓦斯的作用原理
預抽煤層瓦斯，實質上就是在回采前預先抽放工作麵煤層的瓦斯，主要是通過預先抽放瓦斯以減小或消除煤層的突出危險性，其次也可以減少采掘過程中的瓦斯湧出量。預抽煤層瓦斯作用，即是利用均勻布置在突出危險煤層中的大量鑽孔，經過一定時間的預先抽放瓦斯，以降低突出危險煤層中的瓦斯含量和瓦斯壓力，從而使煤層變形收縮，煤體應力下降，並相應地使煤體的強度增高，使被抽放煤層減小或消除突出危險性。
3、工作麵預抽煤層瓦斯有效性指標
抽放瓦斯的效果如何，能否達到防突目的，要通過一定的指標和對礦井的實際考察結果來衡量。可先用下列指標之一來確定：
（1）、預抽煤層瓦斯後，突出煤層殘餘瓦斯含量W殘應小於該煤層在此突出區域始突深度的煤層原始瓦斯含量W始。
（2）、煤層瓦斯預抽率應大於30%。煤層瓦斯預抽率應按照鑽孔控製範圍內煤層瓦斯儲量、抽出瓦斯量（包括打鑽鑽孔噴出的瓦斯量、自然排放量和抽放量）來計算，見下式：
η= ×100≥30%
式中：Q噴—打鑽過程中各個鑽孔噴出的瓦斯總量，m3
Q湧—各個鑽孔在與抽放係統連接前自然湧出的瓦斯總量，m3
Q抽—各個鑽孔在與抽放係統連接後抽放瓦斯的累計總量，m3
Q儲—鑽孔控製範圍內煤層瓦斯儲量，m3
Q噴、Q湧可根據巷道風流瓦斯增加量來計算確定。
根據抽放效果檢驗結果，提出工作麵突出危險性鑒定報告，當效果檢驗有效時（η≥30%），可以采取安全防護措施進行回采工作，當效果檢驗η＜30%時，則應采取的相應的其它安全技術措施，在回采過程中，對預抽效果應經常進複檢。
三、工作麵瓦斯儲量及抽放瓦斯量計算
1、工作麵瓦斯儲量
相鄰11051工作麵經煤炭科學研究總院撫順分院測定煤層瓦斯含量為9.8m3/t 。根據11051工作麵瓦斯含量、11041工作麵測定數據和11041工作麵掘進期間瓦斯湧出量推斷該工作麵平均瓦斯含量為10m3/t。工作麵平均走向長290米，傾斜寬135米，煤層平均厚度4.5米，容重1.46噸／m3。因此該工作麵瓦斯儲量為：
Q儲=L×H×M×γ×X
=290×135×4.5×1.46×10
=257.2萬m3
式中：L—工作麵走向長度；m
H—工作麵傾斜寬度；m
M—煤層平均厚度；m
γ—煤的容重；噸／m3
X—煤層瓦斯含量；m3／噸
2、工作麵巷道掘進及打鑽過程中瓦斯自然排放量
11041工作麵自巷道掘進以來，通過采取邊掘邊抽、超前排放鑽孔及風排等措施，使工作麵煤層中賦存的瓦斯得到一定的釋放，這不但保證了巷道掘進施工工作的順利進行，而且在一定程度上降低了工作麵煤層中的瓦斯含量，對以後工作麵回采工作非常有利。因此對工作麵巷道掘進及打鑽過程中自然排放的瓦斯量進行統計。巷道掘進及打鑽過程中瓦斯自然排放量統計見下表：
上表所統計的瓦斯量，既包括工作麵儲量內的煤層瓦斯湧出量和工作麵儲量外的煤層瓦斯湧出量，要將它們嚴格分開非常困難，因此取湧出總量的1/3既54.233萬m3作為工作麵儲量內的瓦斯湧出量。
3、邊掘邊抽鑽孔抽放量
11041上、下順槽掘進過程中共施工邊掘邊抽鑽場18個，左右兩側各9個，每個鑽場內布孔10個。抽放量見下表：
掘進期間所開鑽場為兩幫掛耳抽放鑽場，因此上表所統計的瓦斯抽放量隻有1/2既26.5萬m3為工作麵儲量內的瓦斯抽放量。
4、工作麵需要抽放的瓦斯量
《煤礦安全01manbetx 》第190條規定煤層瓦斯預抽率應大於30%，根據該條規定和上述統計計算結果，11041工作麵預抽應抽出的瓦斯量（QY）為：
QY≥0.3(Q儲-Q抽-Q排)
式中：QY—工作麵需要抽放的瓦斯量，萬m3；
Q儲—工作麵瓦斯儲量，257.22萬m3；
Q抽—工作麵邊掘邊抽鑽孔抽放量，26.5萬m3；
Q排—掘進期間風排瓦斯量，54.233萬m3。
代入上式得11041工作麵預抽率為30%時需要抽放的瓦斯量為52.95萬m3
四、工作麵瓦斯抽放鑽孔參數設計
1、抽放方案
目前我公司11采區有兩台YD-V型移動泵站，額定抽放能力為30m3/min。
地麵永久抽放係統裝備瓦斯抽放泵3台，2台2BEC-42型抽放泵，額定抽放能力為120m3/min。1台2BEA-303-0型抽放泵，額定抽放能力為50m3/min。
擬采用2BEA-303-0型抽放泵進行抽放。
2、抽放鑽孔的布置
（1）、抽放鑽孔布置方式
平行布置、扇形布置，水平鑽孔平行布置和混合鑽孔布置等幾種方式。
鑽孔布置方式要根據礦井的具體生產條件選擇，對於以防突為目的的煤層瓦斯抽放，無論采用哪種布置方式，都要求在預抽煤層的範圍內均勻布孔，使整個開采區域盡可能都在鑽孔控製範圍之內。
根據龍山煤業公司工作麵長度和打鑽能力，擬采用混合鑽孔單排平行布置方式，從上、下順槽同時打鑽，貫穿整個工作麵。鑽孔布置方式如圖所示。
（2）、鑽孔布置原則
①、要做到抽放鑽孔“抽而有源”。即必須保證鑽孔有充足的瓦斯源，以利於提高煤層瓦斯抽放率。
②、布置的鑽孔要達到“吸而不漏”。即鑽孔孔口必須位置適當，加強封孔質量，保證嚴密不漏氣。故要求抽放鑽孔的封孔段至少為5～7m。
（3）、鑽孔布置注意事項
①、孔口位置應避開地質構造破壞帶或采動裂隙區，以免漏氣。
②、鑽孔必須均勻布置，並且必須到位。
③、鑽孔應做到抽出的瓦斯量大，服務期限長。
④、開采層回采工作麵初次卸壓時，往往發生瓦斯大量湧出，因此，開切眼附近的鑽孔應適當布置密集一些。
3、工作麵預抽時間及單孔抽放量的確定
表征鑽孔自然瓦斯湧出特征的參數有兩個，它們是鑽孔自然初始瓦斯湧出強度（qo）和鑽孔自然瓦斯流量衰減係數（a），其中鑽孔瓦斯流量衰減係數a是評價煤層瓦斯預抽難易程度的一個重要指標。（qo）和（a）值是通過測定不同時間的鑽孔自然瓦斯湧出量並按式（3-4）回歸03manbetx 求得：
qt=qoe-at ………（3-4）
式中：qt—自排時間t時的鑽孔自然瓦斯流量，m3/min；
qo—自排時間t=0時的鑽孔自然瓦斯流量，m3/min；
a—鑽孔自然瓦斯流量衰減係數，d-1；
t—鑽孔自排瓦斯時間，d。
對（3-4）式積分，可以得到任意時間t內鑽孔自然瓦斯湧出總量Qt；
Qt=∫otqtdt=∫otqo.e-atdt=qo(1-e-at)/a
即：Qt=QJ(1-e-at)………(3-5)
式中：Qt—時間t內鑽孔自然瓦斯湧出總量, m3;
QJ—鑽孔極限瓦斯湧出量， m3
其餘符號意義同前.
具體測定步驟為：
（1）、在11041上順槽距三叉口195米處右側鑽場內沿煤層打兩個直徑75mm試驗鑽孔，其參數見下表。



根據最小二乘法原理，用一元線性回歸03manbetx 法將上表數據得出11041工作麵煤層鑽孔百米自然湧出規律為：
qt=0.1281e-0.0191t
以上測定結果表明：11041工作麵百米鑽孔初始瓦斯湧出量為0.1281m3/min﹒100m，鑽孔瓦斯流量衰減係數為0.0191d-1。從而，百米鑽孔在不同時間（t）內可抽放總量（Qt）和鑽孔抽放有效係數（K）按下式計算。
Qt= (1-e-at)
K=(1-e-at)×100
式中：Qt—百米鑽孔在有效抽放時間（t）內累計抽出的瓦斯量，m3；
qo—鑽孔的初始瓦斯湧出量，m3/min；
a—鑽孔自然瓦斯流量衰減係數，d-1；
t—鑽孔自排瓦斯時間，d；
k—鑽孔抽放有效性係數。
計算結果列於下表：
排放時間(d) 60 90 120 150 180 270 360 ∞
排放總量
Qt(m3) 6587.59 7927.12 8681.40 9107.31 9347.78 9601.78 9561.22 9657.8
鑽孔抽放有
效係數(kc%) 68.21 82.08 89.89 94.30 96.79 99.42 99.90 100
由表中可以看出，當排放時間為90天時，排放總量已經達到極限排放量的82.08%；當排放120天時，排放總量以達到極限排放量的89.89%。雖然再又延長排放時間全抽放量增加，但實際意義並不大。因此根據11041工作麵接替時間，本著盡量減少鑽孔工程量又保證抽放效果的原則，設計鑽孔預抽時間為60天，百米鑽孔抽放量為6587.5m3。
4、鑽孔數量與鑽孔間距
鑽孔間距是重要的抽放參數，它不僅決定著鑽孔總量和打鑽時間，而且在預抽時間已定時，還決定著預抽率。即鑽孔瓦斯流量衰減係數（a）和鑽孔有效抽放時間（t），以及所需要抽放的瓦斯量（QY），然後，就可按下式計算鑽孔數量和鑽孔間距。
n＝
R＝
式中：n—鑽孔數量，個；
K—備用係數，取1.2；
QY—工作麵需要抽放的瓦斯量，m3；
Qt—百米鑽孔在有效抽放時間（t）內累計抽出的瓦斯量，m3；
R—鑽孔間距，m；
L—工作麵走向長度，m。
經計算抽放時間2個月達到預抽率30%，需要百米鑽孔97個，鑽孔總長9700米，鑽孔間距3m。
5、鑽孔直徑
鑽孔直徑大，暴露煤壁麵積也大，瓦斯湧出量就大。鑽孔直徑應根據打鑽技術、抽放瓦斯量和抽放半徑等因素綜合考慮，按我公司現有打鑽設備選用直徑75mm的鑽頭，有條件時可打大直徑鑽孔抽放瓦斯。
6、鑽孔長度
鑽孔的抽放瓦斯量隨著鑽孔長度的增大而增加，沿層鑽孔的長度，一般為工作麵長度的70%～90%。考慮到11041工作麵長在135米左右，沿層打長鑽孔有困難，可分別從工作麵的上、下順槽布置鑽孔，以加大工作麵的瓦斯抽放量，鑽孔長度上向孔為65～70m，下向孔為50～55m。
7、抽放負壓
抽放負壓對未卸壓煤層抽放瓦斯效果的影響，當前尚無統一的認識。但預抽負壓不宜過高，否則容易漏氣，對封孔器的選擇、封孔質量等要求較高，給管理帶來一定困難。一般選用13.33～26.66kpa的負壓抽放。
8、鑽孔封孔長度
封孔應保證不漏氣，以提高抽放量。在煤壁開孔，一般封孔深度為5～7m。封孔材料可用聚氨脂。
綜上所述，11041回采工作麵預抽鑽孔參數初步確定如下：
布孔方式：上、下向鑽孔平行單排布置方式；
鑽孔平均間距：2.0m；
鑽孔直徑：75mm；
鑽孔深度：120m
鑽孔總長：14600m
抽放負壓：13.33～26.66kpa；
封孔長度：5m；
封孔材料：聚氨脂。
考慮到工作麵的接替安排和瓦斯抽放鑽孔服務時間的長短不同，靠近切眼處鑽孔的抽放時間相對較短，因此實際打鑽時鑽孔間距可適當調整。具體布置如下：距切眼100m範圍內鑽孔間距定為1.5m；100～200m範圍內鑽孔間距定為2m；200m以外範圍內鑽孔間距定為2.5m。
五、瓦斯抽放管網及泵站選擇
1、瓦斯抽放管路選擇
瓦斯抽放管路及泵站選型主要與設計流量有關，根據11041工作麵煤層瓦斯儲量和2個月達到30%抽放率所需抽出瓦斯量的計算結果，應抽出純瓦斯量9.88m3/min。按抽放瓦斯濃度50%計算，則應抽放混合氣量19.76m3/min。
管徑選擇采用下式計算：
D=0.145（Qc/v）0.5
式中：D—管道內徑，m;
Qc—混合瓦斯量, m3/min;
v—管內瓦斯流速, m/s 取15m/s
將數值代入上式
則：D=0.145×（19.75/15）0.5=0.166m
因此，11041上下順槽選用外徑159mm×4.5mm的6寸鋼管。
2、管道阻力計算：
抽放管道沿程阻力計算公式如下：
H=9.81×L×r×Q2/(K×D5)
式中：H—沿程阻力，Pa，
L—管道長度 m ，
r─混合瓦斯濃度對空氣的密度比，
K—係數，
Q—混合瓦斯流量，m3/h
D—管道內徑，
將數據代入上式得：
（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—主管道長度 m ， L=800米
r─混合瓦斯濃度對空氣的密度比 r=0.777
K—係數 K=0.71
Q—主管道混合瓦斯流量 m3/h
其它抽放地區混合流量按11041工作麵流量的1/2計算，則主管道的混合流量為29.7 m3/min.
D—主管道內徑 42cm
局部阻力按沿程阻力的20%計算，則總阻力為
H主總=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—主管道長度 m ， L=450米
r─混合瓦斯濃度對空氣的密度比 r=0.777
K—係數 K=0.71
Q—主管道混合瓦斯流量 m3/h
D—主管道內徑 15cm
局部阻力按沿程阻力的20%計算，則總阻力為
H支總=894.3×1.2=1073.16pa
則：管道總阻力為1323.6 pa。
3、瓦斯抽放泵選型計算：
（1）、泵的流量：Q=(Q混/η)×K
式中： Q混—混合氣體流量，m3/min；
η—泵的機械效率，η=0.8；
K—備用係數， 取K=1.2。
將數據代入上式得：
Q=(19.76/0.8)×1.2=29.64m3/min
（2）、泵的壓力：H=（H總+H）×K
式中：H—孔口負壓，pa，取H=13.3kpa；
K—備用係數，K=1.2。
所以：H =（1323.6+13300）×1.2=17548.32pa
根據所需泵的流量及負壓,應選用抽放能力在30m³/min以上的移動泵站,我公司井下11采區現有2台YD-V型泵站,其抽放能力為30 m³/min,滿足抽放需要。為利用瓦斯資源，變廢為寶。采用地麵2BEA-303-0型抽放泵進行抽放，其額定抽放能力為50m3/min。
4、抽放管路鋪設
11041工作麵瓦斯抽放管路選用6寸無縫鋼管。抽放管路沿工作麵上下平巷鋪設，固定到一幫，可沿底板鋪設，也可離開底板0.5米鋪設，用法蘭盤連接，連接時應盡量密封好，以防漏氣，影響抽放效果，管路鋪設至每個鑽場時，應留設三通，各個鑽孔用2寸管封孔後通過三通與主管路連接。
5、瓦斯泵的操作及安全措施
瓦斯抽放工作業務由抽放探水隊負責，包括設備操作、看管、維護工作，三班24小時不間斷抽放。泵站維護和日常管理一切按《煤礦井瓦斯抽放管理規範》進行。
泵站使用前檢查各種設備的完好性，確保整台瓦斯泵站處於完好狀態，在工作範圍內進行運轉試驗，一切正常後方可投入正常運行。
在運轉中，看管泵站人員應隨時檢查泵站工作情況並作好記錄：
①、軸承是否發熱，使用溫度不超過環境溫度30ºC，軸承不超過75ºC；
②、填料鬆緊程度是否合適，壓蓋是否發熱；
③、真空度或排氣壓力是否正常；
④、補充水量是否合適，排水溫度不超過40ºC；
⑤、泵運轉聲音是否正常，泵是否振動。
泵站維護人員每天應對瓦斯泵進行全麵檢查，發現問題及時處理；每三個月進行一次大修。
6、管理製度
（1）、瓦斯抽放設計報公司總工程師批準後實施。
（2）、各工種要製定嚴格的考核製度和獎懲製度。
（3）、實行三班作業，現場交接班製度。
（4）、各種記錄報表定期報送公司領導和主管部門。