聚德矿井下移动抽采系统研究

　摘

　要 矿井下存在的瓦斯在生产过程中，如果处理不当，就会有人员中毒或是发生瓦斯爆炸、火灾等事故。如果在处理得当的情况下，控制好浓度，利用其燃烧特性，瓦斯是一种可以利用的能源资源。

　所以为保证煤矿生产的安全进行，设计一套安全可实施的井下移动抽采系统，确保既能够满足井下实际需求，又尽可能降低经济成本的开销。

　借鉴过去瓦斯抽采方案并与聚德矿井的井下实际情况相结合。通过对井下的瓦斯涌出情况进行计算预测，根据计算数据和井下通风情况，选择适合的抽采泵型和管道。再根据井下的实际岩土情况和巷道走向，遵循尽可能减少对工作面改动的原则来设计敷设路线。

　本次设计对象井下根据日常和异常两种情况分别采用顶板走向长钻孔抽采方式和高位钻孔抽采方式，可达到满足抽放量和降低成本的目的。

　 关键词：煤矿；瓦斯涌出量；瓦斯抽采

　目 目

　录 录

　第 1 章 矿井概况 ...................................................................................................................... 1 1.1 位置与交通 ......................................................................................................................... 1 1.2 自然地理 ............................................................................................................................. 1 1.2.1 地形、地貌及河流 .......................................................................................................... 2 1.2.2 气象、地震 ...................................................................................................................... 2 1.3 矿井地质 ............................................................................................................................. 3 1.4 煤层赋存及煤质 ................................................................................................................. 4 1.4.1 含煤性 .............................................................................................................................. 4 1.4.2 可采煤层 .......................................................................................................................... 4 1.4.3 煤质 .................................................................................................................................. 5 1.5 瓦斯、煤尘和煤的自燃 ..................................................................................................... 6 1.5.1 矿井瓦斯情况 .................................................................................................................. 6 1.5.2 煤尘的爆炸性 .................................................................................................................. 6 1.5.3 煤层的自燃倾向 .............................................................................................................. 6 1.6 矿井的开拓与开采 ............................................................................................................. 6 1.6.1 开拓及开采方式 .............................................................................................................. 6 1.6.2 采煤方式 .......................................................................................................................... 6 1.7 矿井通风 ............................................................................................................................. 6 第 2 章 瓦斯涌出量预测 .......................................................................................................... 7 2.1 煤层瓦斯基础参数 ............................................................................................................. 7 2.2 瓦斯涌出量预测 ................................................................................................................. 7 2.3 工作面瓦斯来源分析 ....................................................................................................... 12 第 3 章 瓦斯抽采方法的选择 ................................................................................................ 14 3.1 瓦斯抽采方法的选择依据 ............................................................................................... 14 3.2 瓦斯抽采方法的确定 ....................................................................................................... 14 3.3 采空区瓦斯抽采 ............................................................................................................... 16 3.3.1 日常抽采方法 ................................................................................................................ 16 3.3.2 瓦斯涌出异常时抽采方法 ............................................................................................ 16

　3.3.3 现采空区抽采防灭火措施 ............................................................................................ 17 3.4 抽采瓦斯效果预计 ........................................................................................................... 17 3.5 建立抽采系统的类型 ....................................................................................................... 19 3.6 抽采检测仪表 ................................................................................................................... 19 第 4 章 抽采管路阻力计算 .................................................................................................... 20 4.1 抽采管路布置及选型 ....................................................................................................... 20 4.1.1 瓦斯抽采管路系统的敷设标准 .................................................................................... 20 4.1.2 瓦斯管路敷设路线 ........................................................................................................ 21 4.1.3 瓦斯抽采管径选择 ........................................................................................................ 21 4.1.4 瓦斯管路的连接方式 .................................................................................................... 22 4.1.5 管路敷设及附属装置 .................................................................................................... 22 4.2 抽采设备选型及布置 ....................................................................................................... 23 4.2.1 选型原则 ........................................................................................................................ 23 4.2.2 抽采泵流量计算 ............................................................................................................ 23 4.2.3 瓦斯抽采泵压力计算 .................................................................................................... 24 4.2.4 瓦斯泵的真空度计算 .................................................................................................... 25 第 5 章 瓦斯抽采泵的选型 .................................................................................................... 27 5.1 抽采泵选型 ....................................................................................................................... 27 5.2 瓦斯抽采泵站主要附属设施 ........................................................................................... 29 5.3 抽采管路、设备的安装要求 ........................................................................................... 29 5.4 瓦斯抽采泵站 ................................................................................................................... 30 第 6 章 结论 ............................................................................................................................ 31

　第 第 1 章 矿井概况 1.1 位置与交通 本次井下移动抽采系统的研究涉及的矿井为山西柳林宏盛聚德煤矿有限公司的聚德矿井。按照国家能源局《关于建立煤矿生产能力登记和公告制度的通知》（国能煤炭[2013]476 号）和《国家发改委、国家能源局、国家煤矿安监局关于遏制煤矿超能力生产规范企业生产行为的通知》（发改电[2014]226 号）要求，省局按照规定进行了对于山西柳林宏盛聚德煤业有限公司的生产能力等生产要素信息的更新登记和建档，更新后改煤矿管理档案号为 411125005-003，相关信息如下：该煤矿的名称为山西柳林宏盛聚德煤业有限公司，隶属企业为山西宏盛能源开发投资集团有限公司。

　下面介绍聚德矿井的具体的地理位置与附近的交通情况。山西柳林宏盛聚德煤业有限公司井田位于山西省柳林县聚财塔村，属柳林县成家庄镇管辖。在地理上，井田地理坐标为东经 110°49′49″－ 110°53′41″,北纬 37°30′12″－37°33′01″。该矿位于国家规划的离柳矿区的中小型煤矿资源整合区。孟（门）-柳（林）公路从井田中间穿过，工业广场与该公路相连。矿山工业场地坐落于柳林县程家庄镇聚才塔村西侧。厂区周围分布着多条公路，南侧道路为相距柳林县东南 7.5km 的孟柳路。北山煤炭运输专线也穿越本矿区，距小柳铁路青龙站 7 公里，在向南距离 7km 的位置即为 307 国道。交通运输条件多样且方便，无需担心汽车行驶的交通问题，或者煤矿的运输问题。

　图 1-1 交通位置图

　1.2 自然地理 1.2.1 地形、地貌及河流 根据该煤矿在国家能源局登记的信息显示，该井田位置的水文地质类型属复杂类型。

　聚德矿井的井田地理位置上处于吕梁山系，吕梁山系位于我国山西省西部，向北向南延伸约四百千米。整体的地势地形走向为东南方向高于西北方向，其中地形的最高点处于矿井的最东部边缘区域，标高为 1081.50m，地形的最低点处于矿井的西南的武家山村北沟，标高为 745.63m。相对高度差最大值为 335.87m。聚德矿井地形上划分为低山区地形。

　该地在经历多年的内外地质运动的改变后，目前属吕梁背斜褶皱断块山区。又因为该地位于我国华北地区的东南方向，在地层基本特征与地质发展历史与华北其它地区相似，为明显的黄土高原地貌。黄土高原地貌最典型的特点就是土层深厚，地貌复杂，气候干旱，降水比较集中且植被的覆盖稀疏，所以水土流失也较为严重。又由于黄土稀松，黄土的颗粒直径特别小，较其他地质更易形成沟壑。再加之井田所处的土壤以水蚀方式为常见侵蚀方式，根据资料统计侵蚀程度上以中度和重度情况较多，且柳林县境内森林面积占总土地面积比值小，树木生长少，所以井田地处的地表切割情况强烈。正是因为这种地貌，所以拥有极为丰富的煤炭资源。

　聚德矿井所属的水系为黄河流域三川河水系——北川河支流。并且井田受影响以及影响区域内没有常年行河流，只分布了少条成呈近东西向的沟谷，大沟谷以干为主，形成羽状形态。在降水较多的季节时，小沟谷的水流会汇聚于大沟谷，随后向西流出井田外。受该地的地貌及气候的影响，即使在降水较多的季节里，水流流经路线短，并且降水持续时间较短。在开采情况下，一般各煤层不会受奥灰水的影响，且聚德矿井的开采对于泉域的补给和水量属较轻微程度影响 [1] 。

　1.2.2 气象、地震

　聚德矿井地理位置上处于山西省黄土高原，属于大陆性季风气候。一天中温度变化幅度明显——早晚温度差距大，各个季节可明显区分。降水量少，整体呈干旱状态，且年降水量分布不均——春冬少雨，夏季与秋季降水较为集中，甚至有时会发生暴雨洪涝灾害。根据柳林县气象站过去几年的数据统计，柳林县年平均气温维持在 22.6℃~7.6℃。7~9 月份为降水集中月份，年平均最大降水量可达 1299mm。平均每年可蒸发 1200mm

　水分。结冰期为 10 月上旬至翌年 3 月中旬。

　[3] 冻土深度 111cm，根据资料记载最早冻土期从十一月月末开始，直至翌年三月末结束。以西北风向为常见风向，常年风速为 2.5m/s。在 3~5 月时，历史最大风速达到过 18m/s。

　根据我国 GB50011-2001《建筑抗震设计规范》要求，聚德矿井的抗震设防烈度为 6度，设计基本地震加速度值为 0.05g。

　据历年来的柳林县地震资料统计，从前曾多次发生过地震，地震记载中以 1101 年和 1555 年的地震最为强烈，强烈稍有减弱的地震为 1918 年与 1965 年。

　1.3 矿井地质 本井田所属公司——山西柳林宏盛聚德煤业有限公司是整合重组后的名称，公司的前身共有 9 家。

　在公司信息更新后，对于井田更新拐点坐标，进行重新定位。井田由东至西 5.720km，从南向北 5.210km，井田总面积为 16.4362km 2 ，批采 4~9 号煤层。矿井设计规模为1.5Mt/a。

　批准开采的煤层仅在井田的东南方位存在小面积的剥蚀，整体煤层结构简单，煤层情况比较稳定，可大部分开采的区域在赋煤区。煤层的岩石结构分层为顶板为灰白色灰岩，底板多为灰色含鲕粒铝质泥岩、砂质泥岩，局部为泥质砂岩、炭质泥岩或细砂岩。

　表 1-1 井田地层情况 地层 煤层号 岩性情况 二叠系下统山西组（P 1 s）

　1 主要为深灰色泥岩、粘土岩、灰色砂质泥岩、砂岩及 8 层煤层（或煤线）。

　泥岩、粘土岩中含有大量植物化石。

　砂质泥岩具层理及裂隙，含云母碎片、黄铁矿及植物比石。

　底部为 K3 砂岩，中粒结构，部分地方相变为细粒，以石英长石为主，分选、磨圆较差，钙质胶结，具层理及裂隙，含云母碎片。

　2 3 4 上

　5 石炭系上统太原组（C 3 t）

　6 主要为深灰色泥岩、深灰色砂质泥岩、浅灰色-灰色中细砂岩及粉砂岩、灰白色铝质泥岩、3-4 层灰色石灰岩和 7 层煤层（或煤线）组成。

　泥岩为块状，断口呈参差状，含植物化石：砂质泥岩具层理及裂隙， 7

　 续表 1-1 井田地层情况 石 炭 系上 统 太原 组（C 3 t）

　8 含云母碎片及植物化石，局部夹粉砂岩；砂岩以石英长石为主，分选、磨圆较差，鱼质胶结，具层理及裂隙，含云母碎片及煤屑。

　地层下部含铝质泥岩，块状，断口平坦，具裂隙，含植物化石；中部含 3-4 层石灰岩，具裂隙，裂隙充填为方解石，含黄铁矿及煤屑；L1 为 8 号煤层直接顶板。

　上部的 L5 灰岩为 6 号煤层顶板，发育稳定。

　L3 至 L4 之间发育有 7 号煤层。

　底部为中粒砂岩（K1),以石英为主，长石次之，具裂隙，含母云矿片。

　9 10 11 1.3.1 井田基本构造形态 井田所在区域整体形态为单斜构造，倾向方向为东西向。受吕梁山系影响，属于吕梁复背斜西翼。

　受该地形地质影响，岩层的倾斜方向呈现一致，整体向北和北西之间的方向延伸，趋势是从西到西南。地层的倾斜角度较为平缓，角度控制在 2°~5°[2] 。

　据井下施工资料显示，仅在整体靠近井田南部边缘的区域发现一断距为 15m，长度约为 600m，走向呈东西向，倾向呈南北向的小型断层。在井田内其他的地方未发现断层等构造，未发现火成岩倾入和陷落柱等地质情况。整体井田基本构造形态简单 [5] 。

　1.4 煤层赋存及煤质 1.4.1 含煤性 井下煤层共二叠系下统山西组和石炭系上统太原组两组，具体煤层细分为 11 层。

　详细情况为山西组（P 1 s）的 1、2、3、4 上 、5 号煤层与太原组（C 3 t）的 6、7、8、9、10、11 号煤层。

　聚德矿井的开采煤层为 4 上 ~9 号煤层，这其中的 4 号煤层为全部允许开采煤层，5号和 9 号煤层只有部分能够开采，8 号层面大部分支持开采。

　1.4.2 可采煤层 整体上山西组允许开采煤层的厚度平均为 71.81m，太原组的允许开采的煤层厚度平均达到 86.79m。

　在可开采煤层的中，其中 4 号、5 号、8 号煤层在井田的东部位置呈出露状态。下面介绍各煤层的具体情况。

　（1）4 上 号煤层 4 号煤层矿体顶面到地面的最大距离为 322m。

　（2）5 号煤层 5 号煤层矿体顶面到地面的最大距离为 266m。

　（3）8 号煤层 8 号煤层矿体顶面到地面的最大距离为 443m。所属划分采区为 801 号采区、802 号采区和 803 号采区。每年可以生产 113 万吨。采区从投产到开采完毕的使用时间为 13.3年。

　（4）9 号煤层 9 号煤层位置的最大埋深为 371m。所属划分采区为 803 号采区。每年可产煤 37 万吨。投产到开才结束使用时间为 4.2 年。

　（5）804 号采区 804 号采区总体每年产煤 113 万吨。设计使用年限为 4.2a。

　1.4.3 煤质 山西柳林宏盛聚德煤矿的煤主要以焦煤为主，特别是柳林聚德煤矿 4 号煤层所产出的焦煤，在世界都享有名誉。

　（1）煤的物理性质 该井田各层的煤矿物理性质没有明显差别。总体外观上为黑色。可在无釉白瓷板上留下划痕且呈黑褐色。破裂面为参差、阶梯状。表面反射的亮光无金属感、如同玻璃表面反射，少部分煤呈现弱玻璃光泽。性脆，耐磨损能力为 2~3，即松软—半坚硬。

　（2）煤的化学性质 该矿生产的焦煤含碳量为 80%~85%，含氢量为 4%~5%，含氧量为 5%~10%。该煤发热量为 8000~8500Kcal/kg。该煤所含挥发物大概为 14%~30%。

　胶质层的厚度约为 8~25mm。

　（3）煤的用途 该矿所产的焦煤粘结性强且易形成焦炭，非常适用于炼制冶金，发热量也排名靠前。在工业上主要用于高炉炼铁，还有在有色金属的鼓风炉冶炼过程中作为电子供体、热感

　剂和主要料基础支架使用。

　1.5 瓦斯、煤尘和煤的自燃 1.5.1 矿井瓦斯情况 根据山西省能源局 2020 年 1 月发布的公告显示，山西柳林宏盛聚德煤矿的 4 上 、5、8、9 号煤层的瓦斯等级均为低瓦斯等级。

　根据历年资料统计，山西柳林宏盛聚德煤矿在单位时间内涌出 0.31m 3 的甲烷。

　1.5.2 煤尘的爆炸性 根据对于山西柳林宏盛聚德煤矿开采煤层的煤尘爆炸检测数据显示，该矿所开采的所有煤层具有在短时间内释放大量物理或化学能量的危险能力，需要特别注意，严防事故发生。

　1.5.3 煤层的自燃倾向 根据山西省煤炭工业局综合测试中心对于山西柳林宏盛聚德煤矿开采煤层的煤层自燃倾向检测数据显示，该矿所开采的所有煤层无需火源可在一般温度下燃烧，经划分为Ⅱ级。

　1.6 矿井的开拓与开采 1.6.1 开拓及开采方式 根据山西省能源局公示的可检索数据信息显示，山西省柳林宏盛聚德矿井规划每年的产煤量在 150 万吨左右。根据井田天然条件，设置的开采主水平标高为+724.5m，开采辅助水平标高为+787.8m。主要采用的开拓方式为斜个主斜井、1 个副斜井、1 个进行行人斜井；还有两个回风立井。

　1.6.2 采煤方式 根据资料显示，山西柳林宏盛聚德煤矿采用综合机械化放顶煤的开采方式。这种开采工艺可以有效提高采煤的工作效率 [6] 。

　1.7 矿井通风 根据相关资料显示，山西柳林宏盛聚德煤矿采用对角式通风方式，通风方法为机械抽出式，并设有 FBD-NO5.6 型对旋局部通风机。

　第 第 2 章 瓦斯涌出量预测 2.1 煤层瓦斯基础参数 煤层瓦斯基础参数测定的内容包括压力和含量值等，是很重要的一步。基础参数数据的准确与否决定了煤矿瓦斯工作能否顺利完成，煤矿能否安全生产。

　按照《煤矿安全规程》第 133 条的规定，聚德煤矿所开采的 4 号、5 号、8 号和 9号煤层平均每天每开采 1 吨煤所释放出的瓦斯含量不超过 10m 3 ，为低沼气矿井。具体聚德煤矿可开采煤层的瓦斯含量结果见表 2-1。

　表 2-1 聚德煤矿可开采煤层的瓦斯含量结果表 煤层编号 测定地点 埋深（m）

　瓦斯含量（m 3 /t）

　4 号 原大东庄矿北 01 顺槽距开口 15m 268 0.09 原大东庄矿北 02 顺槽距掘进头 15m 280 0.30 原大东庄矿西二大巷掘进头 322 0.09 原大东庄矿西三大巷距掘进头 10m 302 0.12 5 号 原富安吉家塔矿北掘进进风巷 15m 256 0.37 原富安吉家塔矿北掘进回风巷 10m 263 0.45 8 号 补 2 号钻孔 323 3.30 补 3 号钻孔 315 3.70 补 4 号钻孔 289 3.20 9 号 补 1 号钻孔 371 4.00 2.2 瓦斯涌出量预测 在煤的形成过程中瓦斯作为一种伴随产物一同产生并吸着在煤的周围，在开采过程中，这些瓦斯会因为所处空间状态的改变不断涌出，单位时间内每立方米涌出的瓦斯量即是瓦斯涌出量 [4] 。

　在开采前，用数据模拟井下开采时可能发生的情况，对于涌出量进行计算。本次聚德煤矿瓦斯涌出量的预测所使用的数据资料均取自表 2-1 聚德煤矿可开采煤层的瓦斯含量结果表。

　2.2.1 煤矿瓦斯涌出量的主要影响因素

　矿井自身的自然条件和矿井的开采方式对于井下释放出的瓦斯总量起决定作用，接下来将从这两份具体分析：

　（1）自然因素 ①煤层自身瓦斯含量：其自身的瓦斯含量一般情况下是无法改变的。正常下，瓦斯涌出量与煤矿自身的瓦斯含量成正比。还有围岩和邻近煤层的瓦斯含量也很大因素的影响了开采层的瓦斯涌出量。因为在在开采过程中，由于开采层结构的变动，可能会导致邻近煤层内的瓦斯涌入所开采的煤层，导致瓦斯涌出量发生改变。

　②大气压力：瓦斯的释放量与大气压强成反比。大气的压强越高，瓦斯释放量越少。

　③地质结构：不同型的地质结构对于瓦斯的涌出量也有很大影响。开放型的构造有益于瓦斯的排出，封闭型的构造会使瓦斯聚集。

　（2）开采技术因素 ①开采规模：一般来说矿井开采的深度越深、范围越广或是产量约高，瓦斯的涌出量也就越高。但是这三者还会互相影响，例如，并不是深度越深和范围越广的同时，瓦斯的涌出量会更高。这需要具体情况，具体分析。

　②开采顺序与回采方法：一般来说，首层煤层的开采时，瓦斯的涌出量往往是最高的。一般高于其余煤层的瓦斯涌出量。还有回采率越低，瓦斯的涌出量越高。

　③采空区密闭性：采空区越密闭，瓦斯的涌出量就越小。反之，增大。

　2.2.2 瓦斯涌出量预测方法 目前国内常用的两种预测方法分别为矿山统计法和分源预测法。

　两种方法的工作原理分别是：一直以来经常使用的预测方法是矿山统计法，需要对于相邻的煤层或已开采的地质情况相似的煤层在生产期间的瓦斯涌出量进行数据统计与情况分析，根据已知条件相似的煤层分析出的数据结果来预测现煤层的瓦斯涌出量。而分源预测法则是通过开采煤层的工作面的实际数据和具体条件，通过公式计算来预测工作面相对瓦斯涌出量 [11] 。

　综合来说，矿山统计法的应用在实际生产中受到限制，且其预测结果可靠性低。而分源预测法运用可靠公式，对于矿井的具体情况具体分析，所得结果可靠性更高。

　图 2-1 矿井瓦斯涌出源汇关系示意图

　2.2.3 预测条件 柳林宏盛聚德矿井在生产前期，单位时间内最多涌出 24.70m 3 甲烷，月平均每天生产 1t 煤最多涌出 7.82m 3 瓦斯；生产中期，单位时间内最多涌出 22.73m 3 甲烷，月平均每天生产 1t 煤最多涌出 7.20m 3 瓦斯；生产后期，单位时间内最多涌出 13.79m 3 甲烷，月平均每天生产 1t 煤最多涌出 4.37m 3 瓦斯。

　（1）5 号煤层厚度为 3.11m~3.40m，平均厚度为 3.23m，年产量为 0.37Mt/a，每年实际生产天数为 347 天。

　（2）煤层选择一次性全部开采完毕；顶板的管理上随工作面的不断推进，逐步撤离距离采空区近的支架，让顶板垮落；回采方向沿走向退回至初始掘进位置布置。工作面长度为 160m。工作面采出煤量与其储量百分比为 95%。

　（3）煤层顶板为粘性较差的粉砂质泥岩，局部为泥岩。煤层底板多由泥岩组成，局部为直径为 0.25~0.125mm 的细砂岩。岩石组成结构并不复杂。

　（4）5 号煤层的绝对 CO 2 涌出量 2.45m 3 /min。

　（5）与 4 号煤层的距离为 2.57m~5.86m，与 8 号煤层相距 43.18m~52.94m。

　（6）煤层开采前，煤层缝隙间平均承受 6.01MPa 的压力。

　（7）单井的平均日产气量为 568.13m 3 ，单井最大日产气量为 1407.43m 3 。

　汇：矿井瓦斯涌出 生产采区瓦斯涌出 源：已采采区采空区瓦斯涌出 采工作面瓦斯涌出 源：生产采区采空区瓦斯涌出 掘进工作面瓦斯涌出 源：开采层瓦斯涌出 源：邻近层瓦斯涌出 源：煤壁瓦斯涌出 源：落煤瓦斯涌出

　（8）5 号煤层工作面含 0.41m 3 /t 瓦斯，残余量取 0.15m 3 /t。

　2.2.4 回采工作面瓦斯涌出量预测 下面从开采层（含围岩）和邻近层两个方面利用公式，对于涌出量进行预测。

　（1）开采煤层（包含围岩）瓦斯涌出量  x xmmk k kq1 0103 2 11     

　2-1

　式中：

　q 1 —开采煤层（含围岩）相对瓦斯涌出量，m 3 /t； k 1 —围岩瓦斯涌出系数，5 号煤层为陷落法顶板管理的工作面，取 k 1 =1.3； k 2 —工作面丢煤瓦斯涌出系数，取 k 2 =1.053； k 3 —采用长壁后退式回采时，系数 k 3 按下式确定：

　Lh Lk23

　2-2

　式中：

　L —回采工作面长度，m；取 L =160m； h —巷道瓦斯预排等值宽度，m；取 h =15m； m 0 —煤层厚度，m；5 号煤层厚度取 3.23m； m 1 —煤层采（放）高度，m；5 号煤层采（放）高度取 3.23m； x 0 —煤层瓦斯含量； x 1 —煤的残存瓦斯含量。

　计算结果，见表 2-2。

　表 2-2 开采煤层（包含围岩）瓦斯涌出量表 开采煤层 k 1

　k 2

　k 3

　瓦斯含量（m 3 /t）

　瓦斯残余量（m 3 /t）

　相对涌出量（m 3 /t）

　5 号 1.3 1.053 0.81 0.41 0.15 0.29 （2）邻近层瓦斯涌出量

　  x x kmmqi inii1 0112  

　2-3

　式中：

　q 2 —邻近层瓦斯涌出量，m 3 /t； m i —第 i 个邻近层厚度，m； m 1 —开采层的开采厚度，m； x i 0—第 i 邻近层原始瓦斯含量，m 3 /t； x 1 —煤层残存瓦斯含量，m3 /t； k i —取决于层间距离的第 i 邻近层瓦斯排放率，由图 2-2 查取。

　1-上邻近层排放曲线；2-和缓倾斜煤层下邻近层排放曲线；3-急倾斜煤层下邻近层排放曲线 图 2-2 邻近层的瓦斯排放率与层间距的关系曲线

　邻近煤层的排放率，见表 2-3。

　表 2-3 邻近煤层的排放率

　邻近层位置 煤层号 平均厚度（m）

　距 5 号煤层距离（m）

　瓦斯含量（m 3 /t）

　瓦斯残余量（m 3 /t）

　排放率（%）

　相对涌出量（m 3 /t）

　上邻近层 4 上号煤层 1.41 4.22 0.41 0.15 95 0.11

　续表 2-3 邻近煤层的排放率 下邻近层 8 号煤层 2.56 48.06 0.41 0.15 30 0.06 （3）回采工作面瓦斯涌出量 q q q2 1 3 

　2-4

　式中：

　q 3 —回采工作面相对瓦斯涌出量，m 3 /t； q 1 —开采煤层（含围岩）相对瓦斯涌出量，m 3 /t； q 2 —邻近层瓦斯涌出量，m 3 /t。

　回采工作面瓦斯涌出量，见表 2-4。

　表 2-4 回采工作面瓦斯涌出量 开采煤层 瓦斯含量（ m 3 /t ）

　日产量（t/d）

　瓦斯涌出量 开采层（ m 3 /t ）

　邻近层（ m 3 /t ）

　合计 相对瓦斯涌出量（ m 3 /t ）

　绝对瓦斯涌出量（ m 3 /min ）

　5 号 0.41 1066 0.29 0.17 0.46 0.34 2.3 工作面瓦斯来源分析 （1）开采层瓦斯涌出组成预测 开采层瓦斯涌出分别包含：

　落煤瓦斯涌出

　 x x k1 0 3 

　2-5

　与采空区丢煤、围岩瓦斯涌出

　 x x kq1 0 31  

　 2-6

　具体预测结果如下，见表 2-5。

　表 2-5 开采层瓦斯涌出组成预测 开采煤层 瓦斯涌出区域 开采层 开采层 落煤 丢煤、围岩 5 号 瓦斯涌出量（ m 3 /min ）

　0.21 0.15 0.06 所占比例（%）

　100 71 29

　（2）工作面瓦斯涌出组成预测 根据 2.2 部分的预测结果，工作面瓦斯涌出组成预测结果如下，见表 2-6。

　表 2-6 工作面瓦斯涌出组成预测 开采煤层 瓦斯涌出区域 工作面涌出量 开采层 邻近层 5 号 瓦斯涌出量（ m 3 /min ）

　0.34 0.21 0.13 所占比例（%）

　100 62 38 根据表 2-6 的内容，获得信息总结如下：

　在进行 5 号煤层的开采工作时，回采工作面的瓦斯涌出以开采层为主要涌出，占总涌出量的 62%；以邻近层为辅涌出，占总涌出量的 38%。

　第 第 3 章 瓦斯抽采方法的选择 3.1 瓦斯抽采方法的选择依据 矿井开采过程中瓦斯抽采作为其中一重要工作环节，其目的是防止因瓦斯而引起的火灾爆炸和人员中毒等，还可以将瓦斯资源开发利用、不浪费自然资源。

　瓦斯抽采的工作原理就是对所开采煤层和瓦斯集中的区域打钻，连接专用管道，使用抽采设备将瓦斯从地下抽出。所采用的抽采方案、抽采设备必须符合煤矿瓦斯抽采基本指标(AQ1026-2006)/中华人民共和国安全生产行业标准。

　瓦斯抽采方法的选择受以下影响：矿井内情况、瓦斯的来源情况是否清晰、井下是否存在瓦斯喷出的情况、矿井内煤与瓦斯存不存在突出还有瓦斯是否只局部集中等。

　具体决定瓦斯抽采的主要依据为瓦斯涌出的来源和瓦斯涌出量的大小。开采层、邻近层、采空区和围岩作为瓦斯涌出的四个主要来源。

　[7] 瓦斯涌出量的大小可以参考情况相似的煤矿数据或利用数据与公式计算，在上一章我们已经完成了瓦斯涌出量预测的计算工作。

　3.2 瓦斯抽采方法的确定 依据以下标准选择适宜的抽采方式：

　（1）所选的瓦斯抽放方法应适合于煤层的发生状况、采煤巷道布置、地质和采掘条件； （2）根据已知的气源和组成，为提高抽气效率，尝试采用综合抽气方法； （3）尽可能减轻巷道的施工内容； （4）所选的瓦斯排出方式应在更容易管道施工的根本上，在提高排放效果的同时，使施工成本下降； （5）设置的抽采系统，应具有满足计划使用年限的能力。

　瓦斯抽放基本方法见下表 3-1：

　表 3-1 瓦斯抽放基本方法 煤矿抽放瓦斯 开采层抽放瓦斯 未卸压抽放 掘进局部抽放 采区大面积抽放 卸压抽放 边掘边抽 边采边抽

　续表 3-1 瓦斯抽放基本方法 煤矿抽放瓦斯 邻近层抽放瓦斯 开采卸压抽放 上邻近层抽放 下邻近层抽放 围岩抽放瓦斯 根据柳林宏盛聚德煤矿的通风方式为对角式和5号煤层瓦斯涌出部位为掘进回风巷的情况，以及聚德煤矿5号煤层工作面的瓦斯涌出量预测及瓦斯来源数据统计结果表示，开采层的瓦斯涌出量占工作面的瓦斯涌出量过半，邻近层的涌出只占小部分。结合实际情况，柳林宏盛聚德煤矿 5 号煤层可考虑的瓦斯抽采方法有如下几种：高抽巷抽采、顶板走向长钻孔抽采与回风巷高钻位钻孔抽采。下表 3-2 这几种方法的施工情况对比：

　表 3-2 瓦斯抽采方法施工情况对比 抽采方法 高抽巷抽采 顶板走向长钻孔抽采 回风巷高钻位钻孔抽采 优点 1.抽采稳定且量大； 2.便于管理； 3.管路设计距离短。

　1.采流量大、浓度高； 2.工艺简单、工程量小； 3.施工成本低。

　1.工作面回风槽处直接打孔； 2.根据抽采情况，可随时调整钻孔； 3.便于管理。

　缺点 1.需要施工巷道； 2.施工成本高； 3.周期长。

　受矿井环境因素限制。

　（本矿可采用）

　1.打孔成本高； 2.周期长。

　建议 不采用 采用 预备方案考虑 下表 3-3 为根据柳林宏盛聚德矿 5 号煤层的具体情况，对于选用不同抽采方法所需的经济预算表：

　表 3-3 瓦斯抽采方法经济对比 方案 名称 资金概算 （万元）

　合计 （万元）

　建议 高抽巷抽采 埋管 - 530 不采用 巷道施工 530 钻孔施工 - 煤柱损失 - 顶板走向长钻孔抽采 埋管 - 130 采用

　续表 3-3 瓦斯抽采方法经济对比 顶板走向长钻孔抽采 巷道施工 10 130 采用 钻孔施工 120 煤柱损失 - 高位钻孔抽采 插管 - 152 预备方案考虑 巷道施工 21 钻孔施工 130 煤柱损失 - 3.3 采空区瓦斯抽采 3.3.1 日常抽采方法 结合矿井实际情况与综合考虑各种瓦斯抽采方案，在柳林聚德煤矿的抽采上，我们选用的日常抽采方法为顶板走向长钻孔抽采。

　回采工作面地质简单，且工作面构造较少，与高抽巷法对比，选用顶板走向长钻孔法可以在节约成本的同时提高工作效率 [10] 。

　顶板走向长钻孔抽采法在钻孔位置的选择上，直接采用由于开采工作而产生的缝隙位置，有效减少工作成本和工作量，同时这种方法还可以一定程度上避免邻层瓦斯的渗透。

　图 3-1 顶板走向长钻孔抽采示意图 3.3.2 瓦斯涌出异常时抽采方法 根据 5 号煤层的实际情况考虑，由已知数据测得 5 号煤层主要瓦斯涌出地点为掘进回风巷附近，所以考虑当瓦斯涌出发生异常时，顶板走向长钻孔抽采不能满足瓦斯抽采量时，采用预备方案——高位钻孔抽采。在工作面回风槽处可直接打孔，随时根据井下情况可调整钻孔角度，保证煤矿开采工作正常安全进行，瓦斯涌出量控制在合理范围内。高位钻孔抽采示意图见下图 3-2。

　 图 3-2 高位钻孔抽采示意图 3.3.3 现采空区抽采防灭火措施 在煤矿产区要时时刻刻注意防火问题，煤矿出产过程中无论是产物和衍生产物都属易燃易爆物质。所以无论是开采煤矿还是进行瓦斯抽采工作，都要注意采空区的防火灭火措施。具体防火灭火措施如下：

　（1）建立火灾束管检测系统：对于易发生火灾的地点，安装气体检测报警器，报警器自动对于井下各种气体构成情况进行分析，并作出是否易燃的判断。对于危险的情况及时报警，做到在火灾发生之前及时预防火灾发生的可能。

　（2）防灭火措施：防灭火的方法有很多种，较常用如预防性注浆、均压防火、阻化剂防火，还有使用不可燃的凝胶进行防灭火、利用化学性质不活泼的氮气进行防灭火和普瑞特防灭火技术等等。根据井下情况选择有效的防灭火措施。

　3.4 抽采瓦斯效果预计 （1）抽采量预测 根据第二章几个对于瓦斯涌出量起决定作用的计算工作的结束，现在可以求得瓦斯涌出总量为 0.06+0.13=0.19m 3 /min。柳林宏盛煤矿 5 号煤层采用用采空区一样的抽采方式即顶板走向长钻孔法，实现对于回采工作面现采空区的瓦斯抽放，依据过去情况相似的抽采历史，得出顶板走向长钻孔抽采率为 80%左右，每分钟可抽采 0.15 m 3 瓦斯。

　（2）瓦斯抽采量 矿井设计年抽采瓦斯量：

　NQ Qd a 

　 3-1

　式中：

　Q a —矿井设计年抽采瓦斯量，Mm 3 /a； Q d —矿井设计日抽采瓦斯量(应根据矿井的实际情况进行确定)，Mm 3 /d；

　N —矿井设计年工作日数，d。

　矿井实际年抽采量瓦斯量为：0.15×1440×365/1000000=0.08Mm 3 /a。

　（3）工作面瓦斯抽采率 q qqf cc100η

　3-2

　式中：

　η—工作面瓦斯抽采率，%； q c —工作面瓦斯抽采量，m 3 /min； qf—工作面风排瓦斯量，m 3 /min。

　柳林宏盛聚德煤矿 5 号煤层的回采工作面预测单位时间内最多可涌出约 0.34 m 3 瓦斯，回采面瓦斯抽采情况达每分钟抽采 0.15 m 3 的瓦斯，回采面瓦斯抽采率约为 44%左右。

　聚德煤矿在瓦斯含量等级为低瓦斯矿井，未达到我国对于矿井建立瓦斯抽采系统的设计条件。对角式通风为本矿井采用的通风方式，但由于柳林宏盛聚德煤矿为多个煤矿整合后的兼并煤矿，且煤矿开发后有一定时间。单一依靠工作面的通风系统很难达到瓦斯防治的要求，且对于后续开采工作存在一定风险。

　[9] 所以为解决煤矿瓦斯问题，达到瓦斯防治标准，保证开采工作的安全进行，柳林宏盛聚德煤矿决定结合过去原有的瓦斯治理工作经验与煤矿瓦斯现存状态，建立瓦斯抽采系统。

　（4）回采工作面配风量 5 号煤层回采工作面预测单位时间内最多可涌出 0.34 m 3 瓦斯，每分钟抽采 0.15 m 3瓦斯，则回采工作面的风排瓦斯量为 0.19m 3 /min。

　回采工作面最大需风量：

　CK QQ 1000

　 3-3

　式中：

　Q 0 —回采工作面风排瓦斯所需风量，m 3 /min； Q —回采工作面风排瓦斯量，m 3 /min； K —瓦斯涌出不均衡系数，回采工作面取 1.3；

　C —按照当地山西省采掘工作面瓦斯浓度管理规定，允许的瓦斯浓度，%，C≤0.8。

　保证工作安全进行的最大需风量约为 308.8m 3 /min。根据计算结果，实际配风量在回采工作面风排瓦斯达标值范围内。

　（5）回风巷瓦斯排放口配风量 柳林宏盛聚德煤矿 5 号煤层的井下移动瓦斯抽采系统有 0.15 m 3 /min 的瓦斯抽出，需要在采区回风巷瓦斯排放口进行排放，同时采区回风巷的风排瓦斯量为 0.19m 3 /min。根据煤矿安全规程的要求，为安全起见，瓦斯排放口至少需配风量为 750m 3 /min。

　3.5 建立抽采系统的类型 型 柳林宏盛聚德煤矿5号煤层建立井下移动抽采系统解决5号煤层回采工作面的瓦斯涌出问题，作用范围为 5 号煤层回采工作面。结合煤层的具体情况，尽可能减少巷道的施工，减少工作量和施工时间，降低成本，同时保证瓦斯能够得到安全有效的抽放。抽采系统与工作面多数为共用巷道，回风巷位置根据需要，另需钻孔。

　3.6 抽采检测仪表 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为井下抽采瓦斯使用频率较高的检测用具。

　第 第 4 章 抽采管路阻力计算 4.1 抽采管路布置及选型 4.1.1 瓦斯抽采管路系统的敷设标准 瓦斯抽采管路系统的敷设应遵循一下几点原则：首先，管路的敷设系统必须要保证的就是使用期间的安全性，确保有足够的使用寿命。管路的敷设是方便后期的安全检查工作和维护工作的进行。其次，根据具体煤矿的具体井下情况，进行合理合适的个性化管路设计。使管路的敷设考虑更全面，最大程度的避免和减少敷设完毕后对于管路的改路和重新设计，尽可能减少连接部位的存在。然后，管路的设计应该具备一定的前瞻性和持久性，对于日后井下可能发生的情况和可能的井下情况的改变，管路尽可能在不做改动的情况下，仍然可以正常使用且不会对日后的开采工作造成困扰和不便影响。

　[8]

　对于抽采管路系统的具体敷设标准，我国有如下规定，见表 4-1：

　表 4-1 瓦斯抽采管路的敷设规定 瓦斯抽采管路敷设技术标准 1 抽放管路应具有良好的气密性、足够的机械强度，必须满足防冻、防腐蚀、抗阻燃、抗静电的要求。

　2 瓦斯管路敷设必须能满足排除积水的要求。巷道低凹处、钻场应安装等径 T 型管联接放水器；采区上山、下山的下部均要安装自动放水器。要加强抽采管路的巡查，消除管路积水现象，提高抽采效果。

　3 为便维修和支管修改工作的进行，全通隔离阀需设置在管路分支处，流量、负压瓦斯浓度监测装置需设置在钻场和分支处。根据现场情况确定支管与钻场间的衔接，做保证管道无阻且具有良好密闭性的设计。研石分离器根据实际情况选择是否采用。

　4 瓦斯抽放系统的进气管路应避免使用抗冲击性能较差的玻璃钢管路和 PVC 塑料管路；机械化采煤工作面顺层钻孔封孔管应避免使用金属管。

　5 利用上属角埋管抽放的瓦斯管在进入上属角前应加绝缘段。联接抽放系统的高压软管，其断面不应小于联管断面的 0.8 倍。

　6 抽放系统投入运行前，应进行一次全面气密性试验。一般采用压风正压试验法，试漏气压要达到 0.3~0.5Mpa。瓦斯抽放管路要涂红色标志，以区别于其他管路。

　7 管路敷设要做到“平、直、牢”，离地离度不小于 0.3m。

　续表 4-1 瓦斯抽采管路的敷设规定 8 在运输中敷设管路时，应悬挂架空于巷道帮上，其高度不少于 1.8m。所有抽放管路不得与电缆等带电物体同侧敷设 4.1.2 瓦斯管路敷设路线 在可达到抽采标准的情况下，设计并采用一套瓦斯抽采系统。宏盛聚德煤矿的抽采瓦斯管路的敷设工程计划路线为：安装设备和工程使用材料的准备→所需临时设施的布置→施工现场的准备→管路所需托架的加工与安装→管路的安装→管路的锚固支护工程→管路质检验收→管路试运行。

　聚德宏盛煤矿井下瓦斯管路的敷设路线为：工作面抽采区→工作面进风巷→瓦斯抽采泵站→工作面回风巷。

　4.1.3 瓦斯抽采管径选择 瓦抽采管径的选择是设计瓦斯抽采系统工作中一个重要的环节，其结果可以直接影响瓦斯的抽放效果和抽放投资。本着提高抽放效果和降低抽放投资的基本原则，现设计选择过程如下：

　瓦斯抽采管径选择的计算公式，如下：

　VQD 7 . 145 

　 4-1

　式中：

　D—瓦斯管内径，mm； Q—管内瓦斯流量，即纯瓦斯抽采量与平均浓度的比值，m 3 /min； V—瓦斯在管路中的平均流速，一般取 V=10m/s~15m/s，本次取值为 10m/s，m/s。

　根据前文对于宏盛聚德煤矿 5 号煤层工作面的瓦斯抽采量预计的计算结果，按上述公式的计算，再加以一定范围的富余估量值。宏盛聚德煤矿 5 号煤层工作面的瓦斯抽采管路管径选择结果，如下表 4-2。

　表 4-2 盛聚德煤矿 5 号煤层工作面的瓦斯抽采管路管径选择结果 类

　别 抽采纯量 （m 3 /min）

　瓦斯 浓度 （%）

　备用 系数 混合流量 （m 3 /min）

　平均 流速 （m/s）

　计算 管径 （mm）

　选择 管径 （mm）

　壁厚 （mm）

　材质

　续表 4-2 盛聚德煤矿 5 号煤层工作面的瓦斯抽采管路管径选择结果 进风巷 支管路 0.15 0.8 1.3 20 10 206 225 5 焊缝钢管 （1.0MPa）

　泵 站 主管路 0.15 0.8 1.3 20 10 206 225 5 焊缝钢管 （1.0MPa）

　回风巷 主管路 0.15 0.8 1.3 20 10 206 225 5 焊缝钢管 （1.0MPa）

　4.1.4 瓦斯管路的连接方式 本次的瓦斯抽采管路的连接方式选择上，主管路与支管路选用焊缝钢管，采用连接面上铸有法兰，且槽内配有密封圈的法兰连接。

　4.1.5 管路敷设及附属装置 由于井下情况复杂，且施工具有危险性，我国对于井下的管路敷设工作的实施具有如下规定，见下表 4-3：

　表 4-3 井下管路敷设工作实施具体规定 序号 内容 1 瓦斯管路附件应采取防腐、防锈蚀措施； 2 倾斜巷道的瓦斯管路，应用卡子将管道固定在巷道支护上，以免下滑； 3 管路敷设要求平直，尽量避免急弯； 4 要运输巷道中的瓦斯管路架设高度不小于 1.8m； 5 管路敷设时，要考虑流水坡度，要求坡度尽量一致，避免高低起伏，低洼处需安装放水器； 6 新敷设的管路要进行气密性检验。

　柳林宏盛聚德煤矿的井下瓦斯抽采系统的附属装置及设施按国家规定设置，如下表：

　表 4-4 井下瓦斯抽采系统附属装置及设施规定 序号 内容 1 主管、干管、钻场及其它必要地点应装设瓦斯量测定装置； 2 钻场、管路拐弯、低注、温度突变处应设置放水器，管路宜每隔 200~300m 置一个放水器，最大不应超过 500m； 3 在管路的适当部位应设置除渣装置和测压装置；

　续表 4-4 井下瓦斯抽采系统附属装置及设施规定 4 管路分岔处应设置控制阀门，阀门规格应与安装地点的管径相匹配； 5 地面主管上的阀门应设置在观察井内，观察井应位于地表以下，并应采用不燃性材料砌成，且不应透水； 6 干式瓦斯抽采泵吸气侧管路中，应装设具有防回火、防回气和防爆炸作用的安全装置； 7 地面钻孔的各钻孔口应安装压力表、流量计、瓦斯浓度测孔、闸阀（低压）、放空管、干式灭火器、避雷针、防爆器等装置，在孔口还应增加一段波纹金属软管。

　法兰连接示意图，如下图 4-1：

　图 4-1 法兰连接 4.2 抽采设备选型及布置 4.2.1 选型原则 对于抽采设备的选型原则，我国制定了具体的设计规范，具体要求应遵循下表 4-5内容：

　表 4-5 抽采设备选型原则 序号 内...

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