11041工作面預(yù)抽煤層瓦斯抽放設(shè)計

11041工作面預(yù)抽煤層瓦斯抽放設(shè)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(jié)構(gòu)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(xì)粒砂巖，厚度約8米左右。
本工作面產(chǎn)狀300度—350度∠6—10度。
3、地質(zhì)構(gòu)造
本工作面產(chǎn)狀變化較大，斷裂構(gòu)造發(fā)育。11041上、下順槽掘進(jìn)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(jìn)過程中將會有較多的斷層出現(xiàn)。
4、水文地質(zhì)
本工作面充水條件簡單。無老空水及頂板裂隙水出現(xiàn)。
5、瓦斯
本工作面屬于煤與瓦斯突出區(qū)，在整個掘進(jìn)過程中，瓦斯含量都會比較高。因此，通風(fēng)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(zhì)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(zhì)儲量為25.72萬噸。
二、工作面預(yù)抽煤層瓦斯技術(shù)
1、工作面預(yù)抽煤層瓦斯的目的
采用預(yù)抽煤層瓦斯防突技術(shù)以消除加回采工作面的突出危險性。
預(yù)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(jìn)行大面積的預(yù)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(dāng)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(yù)抽煤層瓦斯就是預(yù)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(hù)層可采的突出危險煤層。
2、預(yù)抽煤層瓦斯的作用原理
預(yù)抽煤層瓦斯，實質(zhì)上就是在回采前預(yù)先抽放工作面煤層的瓦斯，主要是通過預(yù)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(yù)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(jīng)過一定時間的預(yù)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(yīng)力下降，并相應(yīng)地使煤體的強(qiáng)度增高，使被抽放煤層減小或消除突出危險性。
3、工作面預(yù)抽煤層瓦斯有效性指標(biāo)
抽放瓦斯的效果如何，能否達(dá)到防突目的，要通過一定的指標(biāo)和對礦井的實際考察結(jié)果來衡量?？上扔孟铝兄笜?biāo)之一來確定：
（1）、預(yù)抽煤層瓦斯后，突出煤層殘余瓦斯含量W殘應(yīng)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(yù)抽率應(yīng)大于30%。煤層瓦斯預(yù)抽率應(yīng)按照鉆孔控制范圍內(nèi)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(nèi)煤層瓦斯儲量，m3
Q噴、Q涌可根據(jù)巷道風(fēng)流瓦斯增加量來計算確定。
根據(jù)抽放效果檢驗結(jié)果，提出工作面突出危險性鑒定報告，當(dāng)效果檢驗有效時（η≥30%），可以采取安全防護(hù)措施進(jìn)行回采工作，當(dāng)效果檢驗η＜30%時，則應(yīng)采取的相應(yīng)的其它安全技術(shù)措施，在回采過程中，對預(yù)抽效果應(yīng)經(jīng)常進(jìn)復(fù)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(jīng)煤炭科學(xué)研究總院撫順分院測定煤層瓦斯含量為9.8m3/t 。根據(jù)11051工作面瓦斯含量、11041工作面測定數(shù)據(jù)和11041工作面掘進(jìn)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(jìn)及打鉆過程中瓦斯自然排放量
11041工作面自巷道掘進(jìn)以來，通過采取邊掘邊抽、超前排放鉆孔及風(fēng)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(jìn)施工工作的順利進(jìn)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(jìn)及打鉆過程中自然排放的瓦斯量進(jìn)行統(tǒng)計。巷道掘進(jìn)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(nèi)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(yán)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(nèi)的瓦斯涌出量。
3、邊掘邊抽鉆孔抽放量
11041上、下順槽掘進(jìn)過程中共施工邊掘邊抽鉆場18個，左右兩側(cè)各9個，每個鉆場內(nèi)布孔10個。抽放量見下表：
掘進(jìn)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(nèi)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(yù)抽率應(yīng)大于30%，根據(jù)該條規(guī)定和上述統(tǒng)計計算結(jié)果，11041工作面預(yù)抽應(yīng)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(jìn)期間風(fēng)排瓦斯量，54.233萬m3。
代入上式得11041工作面預(yù)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(shù)設(shè)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(jìn)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(jù)礦井的具體生產(chǎn)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(yù)抽煤層的范圍內(nèi)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(nèi)。
根據(jù)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(dá)到“吸而不漏”。即鉆孔孔口必須位置適當(dāng)，加強(qiáng)封孔質(zhì)量，保證嚴(yán)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(yīng)避開地質(zhì)構(gòu)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(yīng)做到抽出的瓦斯量大，服務(wù)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(yīng)適當(dāng)布置密集一些。
3、工作面預(yù)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(shù)有兩個，它們是鉆孔自然初始瓦斯涌出強(qiáng)度（qo）和鉆孔自然瓦斯流量衰減系數(shù)（a），其中鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)a是評價煤層瓦斯預(yù)抽難易程度的一個重要指標(biāo)。（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(shù)，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(nèi)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(nèi)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(cè)鉆場內(nèi)沿煤層打兩個直徑75mm試驗鉆孔，其參數(shù)見下表。



根據(jù)最小二乘法原理，用一元線性回歸分析法將上表數(shù)據(jù)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(jié)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(shù)為0.0191d-1。從而，百米鉆孔在不同時間（t）內(nèi)可抽放總量（Qt）和鉆孔抽放有效系數(shù)（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(nèi)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(shù)，d-1；
t—鉆孔自排瓦斯時間，d；
k—鉆孔抽放有效性系數(shù)。
計算結(jié)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(shù)(kc%) 68.21 82.08 89.89 94.30 96.79 99.42 99.90 100
由表中可以看出，當(dāng)排放時間為90天時，排放總量已經(jīng)達(dá)到極限排放量的82.08%；當(dāng)排放120天時，排放總量以達(dá)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(jù)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(shè)計鉆孔預(yù)抽時間為60天，百米鉆孔抽放量為6587.5m3。
4、鉆孔數(shù)量與鉆孔間距
鉆孔間距是重要的抽放參數(shù)，它不僅決定著鉆孔總量和打鉆時間，而且在預(yù)抽時間已定時，還決定著預(yù)抽率。即鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)（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(shù)量和鉆孔間距。
n＝
R＝
式中：n—鉆孔數(shù)量，個；
K—備用系數(shù)，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(nèi)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(jīng)計算抽放時間2個月達(dá)到預(yù)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(yīng)根據(jù)打鉆技術(shù)、抽放瓦斯量和抽放半徑等因素綜合考慮，按我公司現(xiàn)有打鉆設(shè)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(fù)壓
抽放負(fù)壓對未卸壓煤層抽放瓦斯效果的影響，當(dāng)前尚無統(tǒng)一的認(rèn)識。但預(yù)抽負(fù)壓不宜過高，否則容易漏氣，對封孔器的選擇、封孔質(zhì)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(fù)壓抽放。
8、鉆孔封孔長度
封孔應(yīng)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(yù)抽鉆孔參數(shù)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(fù)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(wù)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(dāng)調(diào)整。具體布置如下：距切眼100m范圍內(nèi)鉆孔間距定為1.5m；100～200m范圍內(nèi)鉆孔間距定為2m；200m以外范圍內(nèi)鉆孔間距定為2.5m。
五、瓦斯抽放管網(wǎng)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(shè)計流量有關(guān)，根據(jù)11041工作面煤層瓦斯儲量和2個月達(dá)到30%抽放率所需抽出瓦斯量的計算結(jié)果，應(yīng)抽出純瓦斯量9.88m3/min。按抽放瓦斯?jié)舛?0%計算，則應(yīng)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(nèi)徑，m;
Qc—混合瓦斯量, m3/min;
v—管內(nèi)瓦斯流速, m/s 取15m/s
將數(shù)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(shù)，
Q—混合瓦斯流量，m3/h
D—管道內(nèi)徑，
將數(shù)據(jù)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(shù) 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(nèi)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(shù) K=0.71
Q—主管道混合瓦斯流量 m3/h
D—主管道內(nèi)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(jī)械效率，η=0.8；
K—備用系數(shù)， 取K=1.2。
將數(shù)據(jù)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(fù)壓，pa，取H=13.3kpa；
K—備用系數(shù)，K=1.2。
所以：H =（1323.6+13300）×1.2=17548.32pa
根據(jù)所需泵的流量及負(fù)壓,應(yīng)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(xiàn)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(jìn)行抽放，其額定抽放能力為50m3/min。
4、抽放管路鋪設(shè)
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(shè)，固定到一幫，可沿底板鋪設(shè)，也可離開底板0.5米鋪設(shè)，用法蘭盤連接，連接時應(yīng)盡量密封好，以防漏氣，影響抽放效果，管路鋪設(shè)至每個鉆場時，應(yīng)留設(shè)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(wù)由抽放探水隊負(fù)責(zé)，包括設(shè)備操作、看管、維護(hù)工作，三班24小時不間斷抽放。泵站維護(hù)和日常管理一切按《煤礦井瓦斯抽放管理規(guī)范》進(jìn)行。
泵站使用前檢查各種設(shè)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(nèi)進(jìn)行運轉(zhuǎn)試驗，一切正常后方可投入正常運行。
在運轉(zhuǎn)中，看管泵站人員應(yīng)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(bǔ)充水量是否合適，排水溫度不超過40ºC；
⑤、泵運轉(zhuǎn)聲音是否正常，泵是否振動。
泵站維護(hù)人員每天應(yīng)對瓦斯泵進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時處理；每三個月進(jìn)行一次大修。
6、管理制度
（1）、瓦斯抽放設(shè)計報公司總工程師批準(zhǔn)后實施。
（2）、各工種要制定嚴(yán)格的考核制度和獎懲制度。
（3）、實行三班作業(yè)，現(xiàn)場交接班制度。
（4）、各種記錄報表定期報送公司領(lǐng)導(dǎo)和主管部門。