貴州肥礦能源有限公司關於
XX煤礦瓦斯抽采係統技術改造可研報告
一、礦井概況
1.地理位置及交通
XX煤礦位於織金縣城西約8公裏處,方位262度,直距5.5公裏,行政屬織金縣城關鎮管轄,織金至白岩村公路經過礦區南部邊緣,交通較方便。
2.礦界
礦界呈不規則的多邊形,走向長2.3km,傾向寬1.4km,麵積為2.9758km2。
3.可采煤層
工業儲量1392.5萬噸,設計可采儲量845.88萬噸,可采煤層五層,分別為6號、16號、23號、27號、30號煤層,可采煤層特征見表1。
表1 可采煤層特征表
煤層編號 煤層厚度(m) 煤層傾角(º) 煤層間距(m) 煤層結構 煤層穩定性 頂底板岩性 備注
頂板 底板
6 0-7.76 9 110 簡單 穩定 砂質泥岩或泥岩 泥岩 可采
2.00
16 0.99-2.00 9 簡單 穩定 粉砂岩
泥岩 可采
1.6 30
23 0.8-0.9
9 簡單 穩定 粉砂岩
泥岩 局部
0.85 25
27 0.32-2.23 9 簡單 穩定 泥岩 倪泥岩 可采
1.33 25
30 0.92-1.80 9 較
簡單 穩定 砂質泥岩或泥岩 泥岩 可采
1.41
4.煤質
主要可采煤層多為黑色或鋼灰色,層狀構造,常為條帶狀結構,以亮煤為主夾暗、鏡煤及少量絲炭,參差狀斷口,半亮至半暗型。微觀煤岩特征,有機組分分為鏡質組、絲質組兩類;無機組分包括粘土礦物、石英、方解石等。可采煤層煤質特征見表2。
表2 可采煤層煤質煤質特征表
煤號 Mad Ad Vad St,d Qb,daf 評價
%
最小值—最大值
平均值
6 3.05 29.72-36.42
33.07 9.08 3.18-4.23
3.71 34.29 屬中高灰高硫分無煙煤
16 2.53-5.31
3.74 10.96-22.05
15.26 5.44-8.96
6.75 1.46-3.34
2.29 35.21-35.47
35.34 屬低中灰中高硫高熱值無煙煤
23 350-4.20
3.85 16.32-37.80
25.55 6.50-7.77
7.14 2.89-5.78
4.65 34.66 屬中灰分高硫分無煙煤
27 3.15-4.80
3.94 13.35-38.90
23.10 4.85-6.67
5.79 0.94-2.51
1.64 34.54-35.41
35.08 屬中灰中硫分高熱值無煙煤
30 2.66-3.94
3.17 12.29-19.04
15.67 4.81-6.68
5.63 0.97-2.69
2.09 35.33-35.54
35.42 屬低中灰中高硫高熱值無煙煤
5.地質構造
礦區屬阿弓向斜中段,阿弓向斜為一不對稱向斜,軸向北東—南西,煤礦位於南東翼北段,為一簡單單斜。地層走向北東—南西,傾向北西,傾角一般5-20度,地層產狀正常,煤礦區內斷層有AF7、F85、F14、F86、F15A及F83~88等,以落差小於10米的小斷層為較發育,對煤礦開采有較大影響的大、中斷層不發育。
6.儲量
截止2007年5月,保有資源量(331)+(332)+(333) 1694萬噸,其中:探明的內蘊經濟資源量(331)395萬噸,控製的內蘊經濟資源量(332)294萬噸;推斷的資源量(333)1005萬噸,儲量結果計算見表3。
表3XX煤礦煤炭資料儲量
地質儲量(萬噸) 工業儲量(萬噸) 設計儲量(萬噸) 設計可采儲量(萬噸)
1694 1392.5 1060.8 845.88
7.開拓方式及采煤方法
采用斜井開拓,27號煤層露頭線下方距27號煤法線距離12m位置建主斜井、副斜井和回風斜井,多煤層聯合開采,采煤方法為走向長壁後退式采煤法,分區式通風。
8.生產能力及服務年限
設計產能30萬噸/年,高檔普采采煤,全部跨落法管理頂板;2012年計劃產量45萬噸,綜合機械化采煤,按45萬噸/年計算,服務年限13.4年。
9.瓦斯情況:為高瓦斯礦井,可采煤層平均瓦斯含量14.56m3/t,實測M27煤層瓦斯含量15.3m3/t,無實測瓦斯壓力。
二、礦井瓦斯抽采係統現狀
(一)抽采工作麵概況
XX煤礦正在回采2703工作麵,2703采煤工作麵傾斜長度平均115m,走向長度平均830m(目前剩餘約350m);煤層厚度平均1.45m,煤層傾角平均10°,工作麵構造複雜,有多條斷層。由於該麵采用沿空留巷,Y型通風,一進兩回,上隅角瓦斯控製在規程允許範圍之內,不需要低負壓抽采。
預抽煤層瓦斯地點有:2705回風巷、2706回風巷、2705運輸巷、2706運輸巷、2705采麵、2706采麵。
(二)煤層瓦斯參數
《安全專篇》根據AQ1018-2006標準計算得27號煤層瓦斯含量為27.4m3/t;根據公司瓦斯實驗室取樣測得27號煤層可解吸瓦斯含量最大值為7.29m3/t,依據AQ1018-2006關於煤的殘存瓦斯含量的取值規定,參照表4、表5選取27號煤層殘存瓦斯含量為9m3/t。
表4 煤的殘存瓦斯含量
揮發分 6-8 8-12 12-18 18-26 26-35 35-42 42-56
WC(m3/t.r) 9-6 6-4 4-3 3-2 2 2 2
注:煤的殘存瓦斯含量亦可按煤在0.1Mpa壓力條件下的瓦斯吸附量取得。
表5 煤質主要特征表(原煤)
煤號 Mad Ad Vad St,d Qb,daf 評價
%
最小值—最大值
平均值
27 3.15-4.80
3.94 13.35-38.9
23.10 4.85-6.67
5.79 0.94-2.51
1.64 34.54-35.41
35.08 屬中灰中硫分高熱值無煙煤
計算可得27號煤層原始瓦斯含量為16.29m3/t,取值16.3m3/t。
各采掘工作麵瓦斯儲量、可解吸瓦斯量、消突瓦斯量及采煤工作麵采空區瓦斯量見表6。
表6 各采掘工作麵瓦斯量
工作麵名稱 瓦斯儲量
(m3) 可解吸瓦斯量
(m3) 消突瓦斯量
(m3) 采空區瓦斯量
(m3)
2703采麵 4669838.8 2091400.2 2521139.9 2148698.8
2705回風巷 1012523.4 453461.4 546638.4 0
2706回風巷 343534.7 153853.0 185466.6 0
2705運輸巷 84377.0 37788.5 45553.2 0
2706采麵 1212475.5 543010.5 654588.0 0
2705采麵 3871413.0 1733823.0 2090088.0 0
注:可解吸瓦斯量是工作麵煤體區域總量與煤層可解吸瓦斯含量的乘積;
消突瓦斯量是以煤層消突臨界值含量值7.5m3/t作為煤層殘餘瓦斯含量進行計算。
(三)抽采係統參數
1.裝機參數
XX煤礦現有地麵瓦斯抽采泵站,安裝高、低負壓瓦斯抽放係統,各係統裝機參數見表7、表8
表7 高負壓水環式真空泵性能參數
真空泵型號 2BEA-303 極限絕壓 33hPa
泵轉速 590r/min 最大流量 52m3/min
電機型號 YBZ-280s-4 電壓 380/660V
cosψ 0.87 轉速 1480r/min
頻率 50HZ 入泵管徑 250mm
功率 75KW 實測泵流量 23.86-33.80m3/min
表8 低負壓水環式真空泵性能參數
真空泵型號 2BEA-400 極限絕壓 160hPa
泵轉速 393r/min 最大流量 92m3/min
電機型號 YBZ-315s-4 電壓 380/660V
cosψ 0.89 轉速 1484r/min
頻率 50HZ 入泵管徑 300mm
功率 110KW 實測泵流量 26.2-50.03m3/min
2.運行工況
礦井現瓦斯抽采泵站安裝2BEA-303-0型高負壓真空泵兩台(銘牌流量52m3/min,山東博山真空泵廠有限公司),安裝2BEC-400-1型低負壓真空泵兩台(銘牌流量92m3/min,山東博山真空泵廠有限公司),為原礦主2009年采購,2010年7月投入運行。2011年9月實測高負壓泵抽采流量18m3/min,遂采取兩台高負壓泵並聯運行,實測流量30m3/min,仍不能滿足煤層瓦斯預抽需要,將兩台低負壓泵並聯運行,同時用於預抽煤層瓦斯,實測流量52m3/min。
各采掘工作麵瓦斯抽采參數利用管道瓦斯參數測定儀-WGC測定,高低負壓濃度及流量變化如下:
高負壓濃度波動範圍20.15%-20.69%,濃度值較穩,變化範圍不大,流量波動範圍23.86m3/min-33.80m3/min,變化範圍較大。
低負壓濃度波動範圍8.03%-8.26%,濃度值較穩,變化範圍不大,流量波動範圍26.2m3/min-50.03m3/min,變化範圍較大。
3.消突需抽時間
根據目前瓦斯抽采係統運行工況,工作麵預抽瓦斯達標時間,詳見表9。
表9 消突瓦斯量設計抽放時間
工作麵名稱 消突瓦斯量(m3) 采空區瓦斯量(m3) 高負壓係統計劃抽放時間(d) 高負壓係統累積抽放天數(d) 高、低負壓係統計劃抽放時間(d) 高、低負壓係統累積抽放天數(d)
2703采麵 2521139.9 2148698.8 上隅角瓦斯不超限
2705回風巷 546638.4 0 79-53 509-350 37.6-21.9 243-140
2706回風巷 185466.6 0 26.8-18.4 12.8-7.4
2705運輸巷 45553.2 0 6.6-4.5 3.1-1.8
2706采麵 654588.0 0 94.5-65 45.1-26.2
2705采麵 2090088.0 0 301.9-207.6 143.9-83.7
注:1、上表累積抽放天數僅僅統計了抽放時間累加量,未考慮小區域循環區域驗證或工作麵預測及放炮推進所需要的時間;2、僅高負壓係統計劃抽放時間計算是以實測高負壓泵站流量、濃度範圍預抽區域煤層計劃時間;3、高、低負壓係統計劃抽放時間計算是以兩台高負壓同時運轉泵站流量、濃度範圍累加單台低負壓泵站流量、濃度範圍計算區域預抽煤層計劃時間。
(四)抽采係統現狀
1.XX煤礦高負壓瓦斯係統抽采泵兩台,型號為2BEA-303,極限絕壓33hPa,最大流量52m3/min,一用一備不能滿足現場高負壓抽采瓦斯設計要求。采取兩台泵並聯運行,無備用泵。
2.XX煤礦低負壓瓦斯抽采係統抽采泵兩台,型號為2BEA-400,極限絕壓33hPa,最大流量92m3/min,不能滿足綜合機械化采麵上隅角開放式抽采要求。
3.2703工作麵采用Y型通風,不再進行上隅角抽采後,為滿足煤層瓦斯預抽需要,做到瓦斯抽采達標,采取兩台高負壓泵並聯、兩台低負壓泵並聯運行方式,同時用於預抽煤層瓦斯。
4.工況核查,高負壓瓦斯抽采濃度實測波動值20.15%-20.69%,瓦斯抽采泵站流量23.86m3/min-33.80m3/min,並聯運行的抽采泵並非單台泵能力的累加。
5.高負壓係統安裝DN250PVC管路,低負壓係統安裝DN300PVC管路。
6.生產過程中不能停止高低負壓抽采泵運轉,否則現場瓦斯超限,泵站無法檢修,長時間運行,缺乏維護,真空泵功效降低。
三、礦井增加抽采係統能力的理由
(一)抽采能力不足
根據國務院安全委員會辦公室安委辦(2008)第17號《關於進一步加強煤礦瓦斯治理工作的指導意見》要求,高瓦斯、突出礦井要建立高、低負壓瓦斯抽采係統。《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》第十五條規定“泵站的裝機能力和管網能力應當滿足瓦斯抽采達標的要求。備用泵能力不得小於運行泵中最大一台單泵的能力;運行泵的裝機能力不得小於瓦斯抽采達標時應抽采瓦斯量對應工況流量的2倍”。
根據礦井抽采係統設計能力計算,XX煤礦需要高負壓泵入口的絕對壓力為45.3KPa,流量為208.2m3/min;低負壓泵入口的絕對壓力為48.3KPa,流量為211.5m3/min。
XX煤礦現有瓦斯抽采係統,2011年9月、2012年3月、2012年5月三次實測高負壓真空泵抽采流量18-21m3/min,采取兩台高負壓真空泵並聯運行後,2012年5月實測流量30m3/min,仍不能滿足煤層瓦斯預抽需要,遂將兩台低負壓真空泵並聯運行,同時用於預抽煤層瓦斯,實測流量52m3/min。瓦斯抽采已嚴重製約礦井安全生產,主、備泵並聯運行存在嚴重安全隱患,不滿足《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》第十五條規定。
目前,XX煤礦開采上部煤層,隨著開采深度的增加,煤層瓦斯含量將會增加,抽采能力不足現象更加突出,影響礦井安全生產將會更加嚴重。
因此必須對XX煤礦現有瓦斯抽采係統進行技術改造。
(二)擴能要求
XX煤礦設計產能30萬噸/年,高檔普采采煤,全部跨落法管理頂板;2012年計劃產量45萬噸,綜合機械化采煤,按45萬噸/年計算,服務年限13.4年。現XX煤礦正在進行45萬噸/年擴能手續變更,隨著產量的增加,“抽、掘、采”關係更加緊張,因此提高瓦斯抽采能力是極為必要的。
四、礦井現有抽采係統利用分析
為了保證礦井安全生產,目前XX煤礦高低負壓四台水環式真空泵同時工作,分別用於預抽2705回風巷、2705運輸巷、2706回風巷、2706瓦斯治理巷、2706采麵、2705采麵共計6個地點;2703采煤工作麵采用Y通風方式,暫時停止對工作麵上隅角抽采。四台水環式真空泵同時運行瓦斯濃度波動範圍10.1%-20.7%,流量波動範圍48.7m3/min-76.0m3/min。
XX煤礦需抽采地點較多,分散了抽采能力,降低了瓦斯抽采效率,如果集中預抽某一地點,又造成其它暫停抽采地點的瓦斯超限。
四台水環式真空泵的運行時間較長,缺乏維護,真空泵功效降低,目前四台真空泵綜合效率僅為工況效率20%-30%。
綜合分析,XX煤礦采掘接續緊張,根本原因是瓦斯抽采係統能力偏低。
五、礦井抽采係統設計能力計算
1.礦井瓦斯壓力和含量
可采煤層平均瓦斯含量14.56m3/t,實測M27煤層瓦斯含量15.3m3/t,無實測瓦斯壓力。瓦斯壓力按《采礦工程設計手冊》公式計算。瓦斯壓力P和深度H的關係可以表示為下列直線關係:
P=(2.03-10.13)H
式中P―距地表垂深H處煤層瓦斯壓力,MPa;
H―垂深。+1625m-+1432m,垂深取193m。
瓦斯壓力為:0.39Mpa-1.95Mpa。取最大值1.95Mpa。
2.礦井瓦斯儲量計算
礦井瓦斯儲量(按AQ1027-2006公式):
WK=W1+W2+W3
W1—可采煤層瓦斯儲量的總和,萬m3;
W2—可采煤層采動影響範圍內不可采鄰近煤層的瓦斯儲量的總和,不可采煤層瓦斯儲量按可采煤層的20%計算,萬m3;
W3—圍岩瓦斯儲量(按煤層瓦斯儲量的10%-15%估算),圍岩瓦斯儲量W3=(W1+W2)×15%,萬m3;
表10 礦井瓦斯儲量計算表
地 點 儲量類別 工業儲量
(萬噸) 平均瓦斯含量(m3/t) 瓦斯儲量
(萬m3) 可抽采量
(萬m3)
全 礦 開采層 1392.5 14.56 20274.8 9831.1
鄰近層 4055.0 1966.2
圍岩 3041.2 1474.7
合計 27371.0 13271.9
3.瓦斯抽放規模
采用1套高負壓係統、1套低負壓係統共同抽放瓦斯,每套係統2台泵站,一用一備。根據計算,低負壓抽放係統工況流量為211.5m3/min,高負壓係統工況流量為208.2m3/min。
4.礦井瓦斯抽放量及抽放年限
可抽瓦斯量為9831萬m3,礦井抽放年限應與服務年限一致。
5.瓦斯年抽采量及綜合利用
礦井設計瓦斯年抽采量按下式計算:
Qn=1440×365×Q/106
=1440×365×13.96/106
=7.32Mm3
式中 Qn—礦井設計瓦斯年抽采量,Mm3;
Q—礦井設計瓦斯抽采規模,m3/min。
瓦斯是一種使用方便、潔淨、中熱值的優質燃料,也可作為重要的化工原料,同時也是一種強烈的溫室氣體。瓦斯的利用主要采用發電、民用和作為化工原料。目前XX煤礦準備用於瓦斯發電。
6.抽放管路管徑計算
采用地麵永久瓦斯抽放係統,分別設置高低負壓抽放管路係統各1套。
高、低負壓抽放管路經回風斜井引出地麵,在風井場地設置高、低負壓抽放站。地麵及回風井內布置瓦斯主管,采麵回風巷、采麵運輸巷、掘進工作麵布置支管。
表11礦井瓦斯抽出量資料
項 目 低負壓 高負壓
純瓦斯(m3/min) 10.08 13.96
瓦斯濃度(%) 20 30
混合量(m3/min) 50.4 46.5
孔口負壓(kPa) <10 ≥13
瓦斯抽放管徑計算公式:
D=0.1457(Q/V)1/2
式中:D—抽放瓦斯管內徑,m;
Q—管道內瓦斯流量,m3/min;
V—瓦斯管中混合瓦斯的平均流速,一般V=5~15m/s。
根據公式,高、低負壓管徑計算結果見表12。
表12 管徑計算結果表
負壓 抽采管類別 混量
(m3/min) 氣體流速(m/s) 計算管內徑
(mm) 選擇管徑
(mm)
高負壓 主 管 69.8 10 384.9 DN400
幹 管 41.9 11 284.3 DN300
支管 20.9 11 201.0 DN250
低負壓 主管 75.6 10 400.6 DN450
幹管 45.4 11 295.9 DN300
7.抽放管路阻力計算
7.1管路摩擦阻力計算
瓦斯管路磨擦阻力的計算,采用如下公式:
△=1-0.446C
式中:△—瓦斯管路中的瓦斯比重;
C—瓦斯管路內瓦斯濃度。
式中:L—瓦斯管路長度,按服務期內最長管線考慮;
Q—瓦斯管內混合瓦斯流量;
K—係數;
D—瓦斯管道內徑,cm。
7.2局部阻力
管路局部阻力按摩擦阻力的10%~20%考慮即可。
7.3管路總阻力
7.1中公式計算管路阻力,管道阻力按開采到第一水平時的管道長度估算,抽放管路阻力計算結果見表13。
表13 抽放管路阻力計算結果表
負壓 類別 Q(m3/h) γ L(m) K D(cm) Hm
(Pa) Hj
(Pa)
高負壓 主管 4188.0 0.866 874 0.71 40 1791.2 268.7
幹管 2512.8 0.866 172 0.71 30 534.8 80.2
支管 1256.4 0.866 1906 0.71 25 3686.4 737.3
合計 6012.4 1086.2
低負壓 主管 4536.0 0.866 874 0.71 45 1166.1 174.9
幹管 2721.6 0.866 2078 0.71 30 7579.1 1136.9
合計 8745.1 1311.8
8.瓦斯泵流量計算
8.1瓦斯泵壓力
瓦斯泵壓力按下式計算:
H泵=1.2(H摩+H吸+H排)
式中:H泵—瓦斯泵總負壓,Pa;
H吸—要求孔口抽放負壓,高負壓抽方式取15000Pa,低負壓抽方式取10000Pa;
H排—瓦斯泵瓦斯排放管出口的正壓,即取5000Pa。
回風井標高+1400m,則地麵空氣壓力為86000Pa, 高負壓H泵=40.7KPa,低負壓H泵=37.7KPa。
高負壓泵入口的絕對壓力:86-40.7=45.3KPa;
低負壓泵入口的絕對壓力:86-37.7=48.3KPa。
8.2瓦斯泵標準流量
瓦斯泵流量按下式計算:
Q泵=
式中:Q泵——瓦斯泵的額定流量,m³/min;
Qz—礦井瓦斯最大抽放純量,m³/min;
K—綜合備用係數,一般取K=2;
η—泵的機械效率,一般取η=0.8;
X—瓦斯泵入口處瓦斯濃度,%。
根據8.1、8.2公式計算瓦斯泵壓力及流量,見表14。
表14 瓦斯泵壓力及流量計算表
類別 標準流量
(m3/min) 管網阻力
(kPa) 負壓(kPa) 大氣絕壓
(kPa) 運行絕壓
(kPa)
高負壓 116.3 7.1 40.7 86 45.3
低負壓 126.0 10.1 37.7 86 48.3
六、瓦斯抽采係統設備選型、地址選擇
1.抽放泵的選擇
根據《抽采達標暫行規定》,需要把標準狀態下的標準瓦斯流量換算成工況狀態下的流量。
Q泵工 =
式中: Q泵工—工況狀態下的瓦斯泵流量,m3/min;
Q泵—標準狀態下的瓦斯流量,m3/min;
P0—標準大氣壓力(P0=101325Pa),Pa;
P—瓦斯泵入口絕對壓力,Pa;
T—瓦斯泵入口瓦斯的絕對溫度(T=273+t),K;
T0—按瓦斯抽放行業標準規定的標準狀態下絕對溫度(T0=273+20),K;
T—瓦斯泵入口瓦斯的溫度, ºC。
經計算高負壓係統抽采達標純量=13.98m3/min, 泵入口壓力P=45.3Kpa,管道內溫度一般為20℃左右,則:
高負係統抽放泵Q泵工=2×=208.2m3/min;
低負壓係統抽采達標純量=10.08m3/min,泵入口壓力P=48.3KPa,管道內溫度一般為20℃左右,則:
低負壓係統抽放泵Q泵工=2×=211.5m3/min;
通過查真空泵的性能曲線,選型見下表15:
表15 真空泵選型表
型號 最低吸入絕壓hpa 最大吸氣量
m3/min 轉速
r/min 吸入口徑mm 電機功率kw 數量(台)
高負壓 2BE4 600-2BY4 160 235 290 500 285 2
低負壓 2BE4 600-2BY4 160 263 290 500 285 2
2.抽放管路管徑、材質、規格
礦井高、低負壓分別鋪設一趟瓦斯抽放管路,選用無縫鋼管或其它具有煤安標誌的複合材料管,瓦斯抽放管道參數見表16。
3.抽采泵房地址選擇
原有抽采泵房麵積較小,不能滿足新建瓦斯抽采泵的要求,必須重新進行抽采泵房建設,新瓦斯抽采泵房選擇在原有泵房附近,地勢平緩地段,通過計算新泵房長度27.5m,寬12m,高11.2m。
表16 瓦斯抽放管道參數表
高負壓管路 類型 長度(m) 內徑(mm)
主管 874 Φ500
幹管 172 Φ400
低負壓管路 主管 874 Φ500
幹管 2078 Φ400
七、瓦斯抽采係統資金預算
XX煤礦需新建瓦斯抽采泵站,建設期間保持原有係統正常運轉,新瓦斯抽采係統運行後,原有係統可做輔助抽采能力備用。
新建瓦斯抽采泵站采用佶締納士機械有限公司生產2BE4 600-2BY4型水環式真空泵四套,土建、設備、安裝等預計資金520萬元,見表17。
表17 XX煤礦瓦斯抽采係統技術改造投資計劃表
單位:萬元
序號 單位工程或設備名稱 計量單位 工程內容或設備規格型號 2012年計劃 備 注
工程量 單價 投 資
1 2 3 4 5 6 7 8
XX煤礦瓦斯瓦斯抽采係統技術改造工程 520
一 土建工程 97
1 護坡 項 1 17
2 征地 項 1 30
3 泵房改造 項 1 50
二 安裝工程 170
1 瓦斯抽采管路 米 1700 120
2 設備及管路安裝 項 1 50
三 設備購置 253
1 抽采設備泵 台 2BE4 600-2BY4 4 63.25 253
二〇一二年八月二十八日
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