瓦斯抽采设计

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1、吴沟矿井瓦斯抽采方法的选择和参数设计瓦斯抽采方法的选择，主要是根据矿井（或采区、工作面）瓦斯 来源、煤层赋存状况、采掘布置、开采程序以及开采地质条件等因素 进行综合考虑。目前瓦斯抽采方法主要有：开采层瓦斯抽采、邻近层 瓦斯抽采、采空区瓦斯抽采，选择具体瓦斯抽采方法时应遵循如下原 则：（1）选择的瓦斯抽采方法应适合煤层赋存状况、开采巷道布置、 地质条件和开采技术条件；（2）应根据瓦斯来源及涌出构成进行，尽量采取综合瓦斯抽采 方法，以提高瓦斯抽采效果；（3）有利于减少井巷工程量，实现抽采巷道与开采巷道相结合；（4）选择的瓦斯抽采方法应有利于抽采巷道布置与维修、提高 瓦斯抽采效果和降低抽采成本；（5

2、）所选择的抽采方法应有利于抽采工程施工、抽采管路敷设 以及抽采时间增加。1.瓦斯抽采方法的概述1.1回采工作面瓦斯来源及构成根据工作面瓦斯涌出量构成预测结果（详见表1-1），工作面瓦斯表1-1表1-1 工作面瓦斯涌出量构成预测结果工作面总涌出量（m3/min）瓦斯涌出量预测值开采层3/min）邻近层3/min）所占比例（）开采层邻近层前期中央采区86.7761.4025.387129南部采区57.4940.6816.827129后期东部采区153.18131.5921.598614一部分来源于开采层的煤壁和落煤解吸的瓦斯，另一部分来源于采空 区丢煤解吸的瓦斯和围岩、邻近层涌出的瓦斯。主要来源于

3、开采层涌 出的瓦斯和采空区（含采空区丢煤、围岩及邻近层）涌出的瓦斯。1.2开采层瓦斯抽采开采层瓦斯抽采方法包括预抽、边采边抽和强化抽采等方式，预 抽主要采用钻孔预抽，是在工作面开采前预先抽采煤体中的瓦斯，属 于未卸压煤层的瓦斯抽采，对于透气性及其它预抽条件较好的煤层， 预抽会取得较好效果。边采边抽利用工作面开采时的卸压效应抽采本 煤层瓦斯，当工作面推进时，工作面前方煤体由于卸压，透气性大大 增加，抽采效率大幅度提高，吴沟矿井本煤层瓦斯是工作面瓦斯的主要来源，故本煤层工作面 采可取预抽措施，掘进工作面设计采取边掘边抽措施。1.3邻近层瓦斯抽采在煤层群条件下，受开采层的采动影响，其上部或下部的邻近

4、层 煤层得到卸压，而产生膨胀变形，煤层透气性大幅度提高。此时煤层 与岩层之间形成空隙和裂缝，不仅可以储存卸压瓦斯，也是瓦斯流动 的良好通道。为防止邻近层瓦斯向开采层工作面涌出，应当用抽采的 办法来处理这部分瓦斯。实践证明，邻近层瓦斯抽采如果抽采参数选 取得当，可以达到很好的效果，抽采率可达到3070%，甚至更高。根据工作面瓦斯涌出量预测结果，吴沟矿井3#煤层前期工作面邻 近层瓦斯涌出量占回采工作面瓦斯涌出量的29%，邻近层是工作面瓦 斯涌出的重要来源。根据吴沟矿井煤层赋存条件与开采布置，选择采 用由开采层煤层向邻近层施工钻孔抽采邻近层卸压瓦斯。1.4采空区瓦斯抽采井下老采空区内存在大量瓦斯，老

5、采空区瓦斯涌出会增加采区及 矿井的通风压力。采空区瓦斯抽采属于卸压抽采，抽采具有抽采量大、 来源稳定等特点；现采采空区内也存在大量瓦斯，现采空区瓦斯涌出 会造成工作面通风困难，甚至上隅角瓦斯超限。吴沟矿井采空区瓦斯 涌出量占矿井总涌出量比例大；老采空区应选用全封闭式抽采方法。 在抽采过程中必须检测抽采管路中CO浓度和气体温度等相关参数的 变化。表1-2常见的瓦斯抽采方法及工艺类别抽采方法适用情况抽采工艺备注本煤层 预抽平行钻孔工作面瓦斯大 多来源于本煤层垂直工作面有预抽条件时 采用邻近层 抽采随采煤进行抽采 邻近层瓦斯工作面瓦斯大 多来源于邻近煤层向采空区裂隙带打钻孔抽采抽采浓度高现采空 区抽

6、采现采空区 半封闭抽采采空区、上隅角 瓦斯涌出量大密闭巷道穿过密闭抽采空区瓦斯密闭联络巷抽采老采空区抽采密闭巷道抽采已采完封闭的老采空区瓦斯涌出量大密闭内插管抽采老采空区瓦斯 涌出量大时采用2瓦斯抽采方法及参数设计根据抽采方法的选择原则，结合吴沟矿井各煤层的赋存、瓦斯来 源等特点，同时考虑工作面所需的抽采量，综合研究提出以下较合理 的抽采方法：2.1本煤层预抽工艺选择依据：吴沟矿井3号煤层工作面长均为250m，单侧预抽钻 孔施工困难，且容易塌孔。选择双侧平行钻孔。1）钻孔预抽方法：在工作面运输顺槽和回风顺槽垂直巷道壁向 煤体施工钻孔，工作面回采前进行煤层瓦斯预抽。2）抽采钻孔布置：钻孔技术参数

7、见表2-1，抽采钻孔布置见图 2-1 o表2-1平行钻孔技术参数表钻孔形式钻孔与道道 夹角（）钻孔与水平 面夹角（）孔深 （m）钻孔直径 （mm）开孔高度（m）钻孔间距前期后期前期后期平行钻孔90与煤层 倾角相同130941.01.54m2m注：以上技术参数只供试验参考，须根据效果考察来确定最适合 的参数。采区运输*工作面轨道顺槽采区回风巷工作面尾巷采区轨道巷图2-1双侧预抽钻孔布置示意图3）封孔工艺：钻孔采用聚氨酯封孔，封孔深度8m,封孔管为直径0 50mm的PVC 管（阻燃、抗静电），用铠装胶管连接到支管上，再连接到干管上， 最后到达地面泵房。聚氨酯是聚氨荃甲酸酯的简称。它的种类繁多，根据

8、原料配方不 同，可以制成多种不同产品。对于井下封孔而言，主要要求聚氨酯在 发泡后，其内所形成的孔为封闭孔，即孔口不漏气，另外对发泡时间、 发泡倍数、固化后的强度，可塑性等均有一定的要求。聚氨酯封孔采 用卷缠药液法及钻孔内封孔管结构，见图2-2；1 L * 3b? E一 铁档板木塞橡胶垫圈 毛巾布 铁线 抽放管 钻孔 聚氨脂密封段 水泥沙浆io花孔图2-2图4-2聚氨酯缠药方法及封孔曾结构示意图钻孔与管路的连接：聚氨酯封孔1h后，便可与抽采管路连接， 而水泥砂浆封孔需经25h后才可与抽采管路连接。钻孔与管路连接处 应设置流量计和放水装置；4）抽采管路管理工作面开采后，随着工作面的推进，靠近切眼的

9、抽采钻孔不断报 废。当钻孔距工作面切眼20m时，预计抽采钻孔进入卸压区。随着抽 采管路不断变短，靠近切眼的管路要逐段卸下来，端头用法兰片密封。 由于工作面在回采时回风巷需进行超前支护大约20m，为了不影响生 产需提前拆除管路。2.2邻近层瓦斯抽采工艺钻孔参数设计：设计原则：钻孔终孔位置位于“三带”中的裂隙带内，抽采裂隙带富集瓦斯。3号煤层前期邻近层瓦斯抽采设计：吴沟矿井3号煤层布置瓦斯尾巷，设计在尾巷施工抽采钻孔。高位钻孔布置在工作面外回风巷中，主要抽采开采层裂隙带中瓦斯。如图2-3所示。终孔位置图2-3高位钻孔抽采邻近层号瓦斯示意图煤层图2-4抽采钻孔终孔位置计算图钻孔参数的确定：终孔位置根

10、据三带理论，邻近层抽采钻孔的布置应符合图5-4计算结果，3号煤层开采过程中，钻孔终孔为采空区上方裂隙带。钻孔伸入工作 面回风巷外帮距离应大于保障钻孔不被破坏距回风巷外帮水平投影 长度。计算公式：hh1+h2S=L1+L2L+b=(h X (b+(h1+h2) /tan 6 )/(h1+h2)L2=h/tgTgb=h/(s+b)h一钻孔终孔位置距3号煤层顶板垂高，m；h1一顶板冒落高度，取6-8倍采高，16m；h2一防止钻孔破坏的安全高度，应不小于两倍的采高，5m；L一防止顶板跨落后破坏钻孔的距回风巷的水平投影距离；d一钻孔终孔位置处于不卸压区域的长度，取2m；b一煤柱宽度，20m；一顶板岩石卸

11、压角，71；6一顶板岩石冒落角，63；一钻孔倾角；从图可以看出，S应小于L而大于12,经计算可以得出钻孔参数 如下表。钻孔参数:表2-2钻孔参数表巷道夹角（）倾角（）钻孔间距（m）孔深（m）钻孔直径（mm）开孔位置9028667113巷道顶板注：以上技术参数为理论数据，须根据效果考察来确定最适合的参数。封孔工艺：在高位钻孔内插入直径50的PVC管（阻燃、抗静 电）封孔，并作为抽采瓦斯管，封孔可采用聚胺酯封孔。聚氨酯封孔 工艺：与预抽钻孔封孔工艺相同。2.3掘进工作面瓦斯抽采工艺设计方法：边掘边抽设计原则：抽采瓦斯钻孔控制掘进巷道两帮15m范围。钻场规格尺寸为：宽3.5m，长4m，高2.5m，钻

12、场掘成后，在开 口处架设一架抬棚进行支护，钻场间距为50m。抽采方法，见图2-5， 参数见表2-3。掘进巷道钻场示意图35003500图2-5掘进面边掘边抽示意图表2-3边掘边抽钻孔技术参数表钻孔类别钻孔与巷道中心线夹角（）钻孔仰角（）孔深（m）钻孔直径（mm）边掘边抽B13B25B37B49同煤层倾角10094注：以上技术参数只供试验参考，须根据效果考察来确定最适合的参数。（1）钻场钻孔布置原则1）钻场的布置应免受采动影响，避开地质构造带，便于维护， 利于封孔，保证抽采效果。2）尽量利用现有的开拓、准备和回采巷道布置钻场。（2）钻孔与抽采管路连接钻孔与抽采管路连接方式，见图2-6。图2-6边

13、掘边抽钻孔与管路连接示意图（3）封孔工艺封孔工艺与预抽钻孔相同2.4全封闭抽采采空区瓦斯吴沟矿井老采空区瓦斯涌出量较大，是矿井主要的瓦斯来源。为 了防止采空区瓦斯向矿井和采掘空间涌出，进行老采空区瓦斯抽采。 在密封采空区时，打密闭墙向采空区内插管，抽采方法详见图2-7。设计3号煤层采空区采取全封闭巷道法抽采采空区瓦斯。图2-7全封闭采空区瓦斯抽采示意图1）密闭墙插管抽采方法布置参数采空区密闭墙插管抽采瓦斯，是解决采空区瓦斯向外涌出的一项 行之有效的措施。它要求密闭墙密闭性好，以保证抽采瓦斯的浓度。 密闭墙两端用料石或普通建筑用砖砌成，里外围墙，厚度不小于0.3m。 密闭墙总厚度为2.5m，为保

14、证密闭性，将巷道四周墙壁挖出深约0.4m 的槽沟，将料石镶嵌进去，中间留有不小于1m的空间用土夯实，将 瓦斯管放在密闭墙的上部。瓦斯管外口安设阀门，未抽采前将阀门关 闭，以免向外泄漏瓦斯。2）插管与主管的连接与管理由于采空区密封性较差，瓦斯浓度不会太高，并且波动很大。为 了确保整个抽采系统的瓦斯不低于安全浓度以下，插管与主管连接处 必须设阀门、节流孔板和浓度检测口，以便于及时检测抽出的瓦斯浓 度和流量。2.5半封闭抽采采空区瓦斯半封闭采空区是指回采工作面后方、工作面回采过程中始终存在、 并且随着采面的推进范围逐渐增加的采空区。由于这种采空区是和工 作面通风网络相连通的，在通风压差的作用下来源于

15、各方面的瓦斯涌 入采空区后又流进工作面并经由回风流排出，当采空区积存和涌出瓦 斯较大时有可能使工作面上隅角或回风流瓦斯处于超限状态，特别是 当顶板冒落时引起采空区瓦斯突然大量涌出对安全生产构成很大的 威胁。目前对半封闭采空区抽采瓦斯在国内外所采用的主要方式有： 插（埋）管抽采、向冒落拱上方打钻抽采、在老顶岩石中打水平钻孔抽 采、直接向采空区打钻抽采、顶板尾巷抽采、工作面尾巷抽采和地面 钻孔抽采等。根据矿井目前实际情况对半封闭采空区采用插管抽采法即把管 路在顶板冒落之前直接预埋或砌筑于采空区内对采空区瓦斯进行抽 采，为了取得较好的抽采效果，在预埋管的前端管壁上施工筛孔且在 预埋时使该管尽量处于煤

16、层顶部浓度较高的区域内。半封闭插管抽采 法如图2-8所示。图2-8半封闭插管抽采法3瓦斯抽采方法确定经过方案比较，选定的瓦斯抽采方法，见表3-1。表3-1抽采方案确定类别抽采方式理由备注本煤层 抽采回采面预抽及边采边抽煤层瓦斯含量大，透气性满 足预抽条件，同时可采前预 抽，预抽时可增加煤层的透 气性在运输顺槽、回风顺槽 施工平行钻孔邻近层 抽采高位钻孔抽 采(钻孔布置 在瓦斯尾巷 内)邻近层瓦斯涌出量大由瓦斯尾巷向裂隙带 施工钻孔采空区 抽采老采空区 全封闭抽采已采老采空区瓦斯涌出量大密闭内插管抽采现空区 抽采现空区 半封闭抽采现采空区瓦斯涌出量大密闭联络巷插管抽采掘进工作 面抽采边掘边抽掘进

17、工作面瓦斯涌出量大巷帮施工钻场打孔预 抽4瓦斯抽采效果评价根据国家安全生产监督管理总局2006-11-02颁布的中华人民共 和国安全生产行业标准(AQ1026 2006)煤矿瓦斯抽采基本指标 的规定，瓦斯涌出主要来源于邻近煤岩层的工作面、工作面及矿井瓦斯抽采率应满足表4-14-3规定。表4-1回采工作面抽采率指标表作面绝对瓦斯沛出量Qm3 / mini工作面抽采率%A。3040Q70表4-2可解析瓦斯量指标表工作而口产最 tM解喉瓦斯量W,1 000s15002 501 4 w000哀4表4-3矿井瓦斯抽采率指标表矿井趋对瓦斯湘IB坦口/ m i n矿井抽果率 %CKZOE5QQ l(JN3

18、二40Q50300QOno500S04.1矿井及工作面瓦斯抽采率矿井（工作面）瓦斯抽采率是指矿井（工作面）瓦斯抽采量占矿 井（工作面）瓦斯总涌出量的百分比，计算公式:门=1Lc x 100%qk（5-4）式中n 一矿井（工作面）瓦斯抽采率；q一矿井（工作面）瓦斯抽米量，ma/min；qk矿井（工作面）总瓦斯涌出量，ma/min。吴沟矿井前、后期瓦斯总涌出量分别为321.89ma/min、 321.44ma/min ,矿井最大瓦斯抽采量分别为180.94ma/min、 181.5ma/min，矿井前后瓦斯抽采率分别为56%、57%；符合煤矿 瓦斯抽采基本指标（AQ1026-2006）标准55%的

19、要求。前、后期回采工作面瓦斯涌出量分别为86.77ma/min、57.49ma/min、153.18ma/min,瓦斯抽米量分别为 67.1ma/min、42.2ma/min、 110.2ma/min，回采工作面瓦斯抽采率分别为77%、73%、72%；瓦 斯抽采率符合煤矿瓦斯抽采基本指标（AQ1026-2006）标准60%的 要求。4.2预抽煤层瓦斯的钻孔量采用顺层钻孔抽米时吨煤钻孔量表，详见表4-4。表4-4吨煤钻孔量表单位：m/t煤层类别薄煤层中厚煤层厚煤层容易抽采0.050.030.01可以抽采0.050.10.030.050.010.03较难抽采0.10.050.03吴沟矿井3号煤层回

20、采工作面前、后期抽采钻孔总长度分别约为78000m、156000m，回采工作面煤炭储量分别约为974400t、5571248t, 回采工作面吨煤钻孔量分别约为0.080m/t、0.028m/t。回采工作面 吨煤钻孔量符合煤矿瓦斯抽采规范（AQ1027-2006 ） 8.6节要求。4.3矿井通风能力核定1）回采工作面通风能力核定回采工作面抽采后风排瓦斯量等于工作面预测的瓦斯涌出量减去 抽采瓦斯量。Q排二 Q涌-Q抽（4-1）式中：Q排一抽米后风排瓦斯量，ma/min；Q涌一工作面预测的瓦斯涌出量，ma/min；Q抽一抽米瓦斯量，ma/min。3号煤层回采工作面最大瓦斯涌出量为79.93ma/mi

21、n，工作面预计 瓦斯抽采量为62.8ma/min；由式4-1可知，回采工作面抽采后风排瓦 斯量为 17.13ma/min。吴沟矿井3号煤层回采工作面通风能解决的瓦斯量分别为42 ma/min。可见，回采工作面抽采后风排瓦斯量小于回采工作面通风能 解决的瓦斯量。2）矿井通风能力核定吴沟矿井最大瓦斯涌出量为197.05ma/min，最大瓦斯抽采量为 138.1ma/min，风排瓦斯量为58.95ma/min，矿井总回风量为1a258 ma/min，总回风按照0.75%计算，可排瓦斯99.43 ma/min。在通风能 力解决范围内。因此，吴沟矿井经过抽采后，配风量可以满足风排瓦斯的需要。5建立抽采系

22、统的类型吴沟矿井最大瓦斯抽采量为181.5m3/min，瓦斯抽采量远远大于 2 m3/min；抽采系统服务年限与矿井服务年限相同应为31a，大大超 过5年。吴沟矿井的抽采条件符合煤矿瓦斯抽采规范 （GB50471-2008） 3.2规定，吴沟矿井需建立地面瓦斯抽采系统。6抽采施工设备、检测仪表及施工量从吴沟矿井所采用的瓦斯抽采方法来看，高位钻孔抽采（钻场布 置在煤层内）需要开掘煤层钻场及施工抽采钻孔。本煤层抽采需要在 回风巷内施工抽采钻孔。掘进巷道预抽瓦斯需要在巷道壁开钻场，施 工钻孔。实施本煤层预抽、高位钻孔抽采及边掘边抽主要工程是布置抽采 钻孔，打钻工程量大，所需的主要设备为钻机。6.1钻

23、机煤矿瓦斯抽采钻机应符合下列要求：（1）电动机及附属电器设备必须是防爆的；（2）钻机要体积小，轻便或解体方便，以利于搬迁；（3）钻机应能打水平、上向、下向任意角度的钻孔。在综合分析我国煤矿常用钻机性能和现场实际使用情况的基础 上，考虑吴沟矿井煤、岩硬度以及设计抽采钻孔的长度，设计选择 ZDY1900S型全液压钻机。根据钻孔数量和钻孔长度，配备5台ZDY1900S型钻机，其中3 台工作，2台备用及检修。打钻配套设备：1）配套钻杆选用073mm，每节长度1.5m的钻探钻杆；2）钻头选用三翼合金钻头及金刚石钻头，094mm, 0113mm；3）打钻施工供水采用由地面向采区直接敷设管路，利用静压水 直接供水，供水管路采用高压胶管供水；4）钻杆打捞工具一套。6.2主要检测仪器、仪表配置井下瓦斯抽采主要检测仪器、仪表包括：孔板流量计、U型水柱 计（汞柱计）、瓦斯浓度检定器和高负压取样器等。型号应根据所选 管路配套选择。6.3施工量工程施工顺层钻孔1200个，总长度156000m。高位钻孔总长度 约13600m。钻场、钻孔和瓦斯抽采管路在工作面投产前需施工完成， 进入预抽采状态。为了保证吴沟矿井的瓦斯抽采效果，每年投入的抽 采工程必须达到要求。并且本煤层预抽时间为6个月。