11041工作面預抽煤層瓦斯抽放設計

11041工作面預抽煤層瓦斯抽放設計
一、工作面概況
1、工作面位置
11041工作面位于11采區(qū)北翼，南起軌道上山煤柱，北至切眼 。上部為11021工作面，未回采。下部為11061工作面，已回采。其地表位于南龍山村南，地面無建筑物。
2、煤巖層結構情況
本工作面開采為二迭系山西二1煤層煤層厚度較為穩(wěn)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，直接頂板為泥巖，厚約0.8—3.2米。老頂為中粒砂巖，厚度約29米左右。直接底為泥巖，厚度約4.5米左右。老底為細粒砂巖，厚度約8米左右。
本工作面產狀300度—350度∠6—10度。
3、地質構造
本工作面產狀變化較大，斷裂構造發(fā)育。11041上、下順槽掘進過程中共揭露斷層條，在工作面里部揭露一斷層，落差在7米左右，把整個煤層斷開，在11041工作面掘進過程中將會有較多的斷層出現。
4、水文地質
本工作面充水條件簡單。無老空水及頂板裂隙水出現。
5、瓦斯
本工作面屬于煤與瓦斯突出區(qū)，在整個掘進過程中，瓦斯含量都會比較高。因此，通風防突部必須制定11041回采工作面防突措施，防止煤與瓦斯突出事故發(fā)生。
6、地質儲量
本工作面平均走向長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、工作面預抽煤層瓦斯技術
1、工作面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面的突出危險性。
預抽煤層瓦斯是一種區(qū)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，進行大面積的預先抽放瓦斯，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(fā)生突出的可能。鉆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。它主要用于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面煤層的瓦斯，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涌出量。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鉆孔，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，并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、工作面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?？上扔孟铝兄笜酥粊泶_定：
（1）、預抽煤層瓦斯后，突出煤層殘余瓦斯含量W殘應小于該煤層在此突出區(qū)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于30%。煤層瓦斯預抽率應按照鉆孔控制范圍內煤層瓦斯儲量、抽出瓦斯量（包括打鉆鉆孔噴出的瓦斯量、自然排放量和抽放量）來計算，見下式：
η= ×100≥30%
式中：Q噴—打鉆過程中各個鉆孔噴出的瓦斯總量，m3
Q涌—各個鉆孔在與抽放系統(tǒng)連接前自然涌出的瓦斯總量，m3
Q抽—各個鉆孔在與抽放系統(tǒng)連接后抽放瓦斯的累計總量，m3
Q儲—鉆孔控制范圍內煤層瓦斯儲量，m3
Q噴、Q涌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，提出工作面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復檢。
三、工作面瓦斯儲量及抽放瓦斯量計算
1、工作面瓦斯儲量
相鄰11051工作面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工作面瓦斯含量、11041工作面測定數據和11041工作面掘進期間瓦斯涌出量推斷該工作面平均瓦斯含量為10m3/t。工作面平均走向長290米，傾斜寬135米，煤層平均厚度4.5米，容重1.46噸／m3。因此該工作面瓦斯儲量為：
Q儲=L×H×M×γ×X
=290×135×4.5×1.46×10
=257.2萬m3
式中：L—工作面走向長度；m
H—工作面傾斜寬度；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、工作面巷道掘進及打鉆過程中瓦斯自然排放量
11041工作面自巷道掘進以來，通過采取邊掘邊抽、超前排放鉆孔及風排等措施，使工作面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面煤層中的瓦斯含量，對以后工作面回采工作非常有利。因此對工作面巷道掘進及打鉆過程中自然排放的瓦斯量進行統(tǒng)計。巷道掘進及打鉆過程中瓦斯自然排放量統(tǒng)計見下表：
上表所統(tǒng)計的瓦斯量，既包括工作面儲量內的煤層瓦斯涌出量和工作面儲量外的煤層瓦斯涌出量，要將它們嚴格分開非常困難，因此取涌出總量的1/3既54.233萬m3作為工作面儲量內的瓦斯涌出量。
3、邊掘邊抽鉆孔抽放量
11041上、下順槽掘進過程中共施工邊掘邊抽鉆場18個，左右兩側各9個，每個鉆場內布孔10個。抽放量見下表：
掘進期間所開鉆場為兩幫掛耳抽放鉆場，因此上表所統(tǒng)計的瓦斯抽放量只有1/2既26.5萬m3為工作面儲量內的瓦斯抽放量。
4、工作面需要抽放的瓦斯量
《煤礦安全規(guī)程》第190條規(guī)定煤層瓦斯預抽率應大于30%，根據該條規(guī)定和上述統(tǒng)計計算結果，11041工作面預抽應抽出的瓦斯量（QY）為：
QY≥0.3(Q儲-Q抽-Q排)
式中：QY—工作面需要抽放的瓦斯量，萬m3；
Q儲—工作面瓦斯儲量，257.22萬m3；
Q抽—工作面邊掘邊抽鉆孔抽放量，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工作面預抽率為30%時需要抽放的瓦斯量為52.95萬m3
四、工作面瓦斯抽放鉆孔參數設計
1、抽放方案
目前我公司11采區(qū)有兩臺YD-V型移動泵站，額定抽放能力為30m3/min。
地面永久抽放系統(tǒng)裝備瓦斯抽放泵3臺，2臺2BEC-42型抽放泵，額定抽放能力為120m3/min。1臺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、抽放鉆孔的布置
（1）、抽放鉆孔布置方式
平行布置、扇形布置，水平鉆孔平行布置和混合鉆孔布置等幾種方式。
鉆孔布置方式要根據礦井的具體生產條件選擇，對于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范圍內均勻布孔，使整個開采區(qū)域盡可能都在鉆孔控制范圍之內。
根據龍山煤業(yè)公司工作面長度和打鉆能力，擬采用混合鉆孔單排平行布置方式，從上、下順槽同時打鉆，貫穿整個工作面。鉆孔布置方式如圖所示。
（2）、鉆孔布置原則
①、要做到抽放鉆孔“抽而有源”。即必須保證鉆孔有充足的瓦斯源，以利于提高煤層瓦斯抽放率。
②、布置的鉆孔要達到“吸而不漏”。即鉆孔孔口必須位置適當，加強封孔質量，保證嚴密不漏氣。故要求抽放鉆孔的封孔段至少為5～7m。
（3）、鉆孔布置注意事項
①、孔口位置應避開地質構造破壞帶或采動裂隙區(qū)，以免漏氣。
②、鉆孔必須均勻布置，并且必須到位。
③、鉆孔應做到抽出的瓦斯量大，服務期限長。
④、開采層回采工作面初次卸壓時，往往發(fā)生瓦斯大量涌出，因此，開切眼附近的鉆孔應適當布置密集一些。
3、工作面預抽時間及單孔抽放量的確定
表征鉆孔自然瓦斯涌出特征的參數有兩個，它們是鉆孔自然初始瓦斯涌出強度（qo）和鉆孔自然瓦斯流量衰減系數（a），其中鉆孔瓦斯流量衰減系數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鉆孔自然瓦斯涌出量并按式（3-4）回歸分析求得：
qt=qoe-at ………（3-4）
式中：qt—自排時間t時的鉆孔自然瓦斯流量，m3/min；
qo—自排時間t=0時的鉆孔自然瓦斯流量，m3/min；
a—鉆孔自然瓦斯流量衰減系數，d-1；
t—鉆孔自排瓦斯時間，d。
對（3-4）式積分，可以得到任意時間t內鉆孔自然瓦斯涌出總量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內鉆孔自然瓦斯涌出總量, m3;
QJ—鉆孔極限瓦斯涌出量， m3
其余符號意義同前.
具體測定步驟為：
（1）、在11041上順槽距三叉口195米處右側鉆場內沿煤層打兩個直徑75mm試驗鉆孔，其參數見下表。



根據最小二乘法原理，用一元線性回歸分析法將上表數據得出11041工作面煤層鉆孔百米自然涌出規(guī)律為：
qt=0.1281e-0.0191t
以上測定結果表明：11041工作面百米鉆孔初始瓦斯涌出量為0.1281m3/min﹒100m，鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.0191d-1。從而，百米鉆孔在不同時間（t）內可抽放總量（Qt）和鉆孔抽放有效系數（K）按下式計算。
Qt= (1-e-at)
K=(1-e-at)×100
式中：Qt—百米鉆孔在有效抽放時間（t）內累計抽出的瓦斯量，m3；
qo—鉆孔的初始瓦斯涌出量，m3/min；
a—鉆孔自然瓦斯流量衰減系數，d-1；
t—鉆孔自排瓦斯時間，d；
k—鉆孔抽放有效性系數。
計算結果列于下表：
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
鉆孔抽放有
效系數(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，但實際意義并不大。因此根據11041工作面接替時間，本著盡量減少鉆孔工程量又保證抽放效果的原則，設計鉆孔預抽時間為60天，百米鉆孔抽放量為6587.5m3。
4、鉆孔數量與鉆孔間距
鉆孔間距是重要的抽放參數，它不僅決定著鉆孔總量和打鉆時間，而且在預抽時間已定時，還決定著預抽率。即鉆孔瓦斯流量衰減系數（a）和鉆孔有效抽放時間（t），以及所需要抽放的瓦斯量（QY），然后，就可按下式計算鉆孔數量和鉆孔間距。
n＝
R＝
式中：n—鉆孔數量，個；
K—備用系數，取1.2；
QY—工作面需要抽放的瓦斯量，m3；
Qt—百米鉆孔在有效抽放時間（t）內累計抽出的瓦斯量，m3；
R—鉆孔間距，m；
L—工作面走向長度，m。
經計算抽放時間2個月達到預抽率30%，需要百米鉆孔97個，鉆孔總長9700米，鉆孔間距3m。
5、鉆孔直徑
鉆孔直徑大，暴露煤壁面積也大，瓦斯涌出量就大。鉆孔直徑應根據打鉆技術、抽放瓦斯量和抽放半徑等因素綜合考慮，按我公司現有打鉆設備選用直徑75mm的鉆頭，有條件時可打大直徑鉆孔抽放瓦斯。
6、鉆孔長度
鉆孔的抽放瓦斯量隨著鉆孔長度的增大而增加，沿層鉆孔的長度，一般為工作面長度的70%～90%?？紤]到11041工作面長在135米左右，沿層打長鉆孔有困難，可分別從工作面的上、下順槽布置鉆孔，以加大工作面的瓦斯抽放量，鉆孔長度上向孔為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(tǒng)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、鉆孔封孔長度
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回采工作面預抽鉆孔參數初步確定如下：
布孔方式：上、下向鉆孔平行單排布置方式；
鉆孔平均間距：2.0m；
鉆孔直徑：75mm；
鉆孔深度：120m
鉆孔總長：14600m
抽放負壓：13.33～26.66kpa；
封孔長度：5m；
封孔材料：聚氨脂。
考慮到工作面的接替安排和瓦斯抽放鉆孔服務時間的長短不同，靠近切眼處鉆孔的抽放時間相對較短，因此實際打鉆時鉆孔間距可適當調整。具體布置如下：距切眼100m范圍內鉆孔間距定為1.5m；100～200m范圍內鉆孔間距定為2m；200m以外范圍內鉆孔間距定為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工作面煤層瓦斯儲量和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?jié)舛?0%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?jié)舛葘諝獾拿芏缺龋?BR>K—系數，
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?jié)舛葘諝獾拿芏缺?r=0.777
K—系數 K=0.71
Q—主管道混合瓦斯流量 m3/h
其它抽放地區(qū)混合流量按11041工作面流量的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?jié)舛葘諝獾拿芏缺?r=0.777
K—系數 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—備用系數， 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—備用系數，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(qū)現有2臺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。采用地面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工作面瓦斯抽放管路選用6寸無縫鋼管。抽放管路沿工作面上下平巷鋪設，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，管路鋪設至每個鉆場時，應留設三通，各個鉆孔用2寸管封孔后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(yè)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(guī)范》進行。
泵站使用前檢查各種設備的完好性，確保整臺瓦斯泵站處于完好狀態(tài)，在工作范圍內進行運轉試驗，一切正常后方可投入正常運行。
在運轉中，看管泵站人員應隨時檢查泵站工作情況并作好記錄：
①、軸承是否發(fā)熱，使用溫度不超過環(huán)境溫度30ºC，軸承不超過75ºC；
②、填料松緊程度是否合適，壓蓋是否發(fā)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面檢查，發(fā)現問題及時處理；每三個月進行一次大修。
6、管理制度
（1）、瓦斯抽放設計報公司總工程師批準后實施。
（2）、各工種要制定嚴格的考核制度和獎懲制度。
（3）、實行三班作業(yè)，現場交接班制度。
（4）、各種記錄報表定期報送公司領導和主管部門。