毕业论文瓦斯抽放系统矿井瓦斯防治课程设计.doc

华北科技学院瓦斯防治课程设计
瓦斯抽放系统

1 矿井概况
某煤矿为某集团公司所属的大型煤矿之一. 1958年投产, 设计生产能力为600kt/年. 1976年进行了生产环节改造, 1980年核定生产能力为1200 kt/年.
根据该矿提供的矿井设计和矿井瓦斯涌出资料(2004年鉴定报告), 矿井绝对瓦斯涌出量为21.84m3/t, 相对瓦斯涌出量为7.49 m3/min, 属于低瓦斯矿井. 由于二区瓦斯较大, 按高瓦斯矿井管理. 随矿井产量的增加和开采范围的扩大及开采水平的延伸, 该矿今后主采煤层采掘进工作面和采空区的瓦斯涌出量都将进一步增大.
该矿已在井下安装了为21181回采工作面服务的移动式瓦斯抽放泵站和与其相配套的瓦斯抽放系统. 抽出的瓦斯直接排放到矿井的回风系统中. 随着矿井瓦斯涌出量的增大, 总回风的瓦斯浓度较高, 并时常出现超限. 另外, 井下泵站的管理也比较复杂, 经常需要对瓦斯抽放泵的水垢进行清理. 随着新风井的建成使用, 建立地面抽放泵站是非常必要的和可行的. 特
1.1煤层赋存情况
主要可采煤层从上至下分别为5、8、15、17、18、20、31、33号煤层共八层。其中：全区可采7层(5、8、17、18、20、31、33号煤层)、大部可采1层(15号煤层)。可采煤层三层,煤层总厚度为10.07m。

表1-1. 某井田可采煤层发育情况
地 层
煤 层 总 计
可 采 煤 层
代号
平均厚度
(m)
层数
平均厚度
(m)
含煤系数
(%)
层
数
平均厚度
(m)
含煤系数
(%)
P3l
299.23
10-35
25.75
8.61
8
9.11
3.04
P3l 3
123.83
5-14
8.49
6.86
5
6.30
5.09
P3l 2
106.75
3-15
2.36
2.21
1
0.96
0.90
P3l 1
68.92
2-3
1.85
2.68
2
1.78
2.58
目前开采的煤层为
上段(P3l3)：B2底界至18号煤层底界。厚度115.81-128.29m，平均123.83m。含煤5－14层，一般6层左右，煤层全层总厚7.21-9.77 m，平均8.49 m，含煤系数为6.86%；含可采煤层5层（5、8、15、17、18号），可采煤层厚度5.41-8.11m，平均6.30m，可采煤层含煤系数5.09%。
中段(P3l 2)：18号煤底界至31号煤顶界。厚度95.58-115.30m，平均106.75m。含煤3-15层，一般10层左右，煤层总厚1.98-3.91 m，平均2.36 m，含煤系数为2.21%；含可采煤层1层（20号），可采煤层厚度0.63-1.56m，平均0.96m，可采煤层含煤系数0.90%。
下段(P3l 1)：31号煤顶界至B5底界铝土质泥岩。厚度57.30-78.21m，平均68.92m。含煤2-3层，一般2层，煤层总厚1.37-3.11m，平均1.85m，含煤系数为2.68%；含可采煤层2层（31、33号），可采煤层厚度1.37-3.11m，平均1.78m，可采煤层含煤系数2.58%。
1.2矿井通风方式及邻近矿井瓦斯涌出

表1－2 邻近矿井瓦斯等级鉴定结果(2004年8月)
年度

矿名
瓦斯(全矿井)
二氧化碳(全矿井)
鉴定等级
审批等级
绝对量
(m3/min)
相对量
(m3/t)
绝对量
(m3/min)
相对量
(m3/t)
某

2 矿井瓦斯抽放的必要性与可行性
根据国家煤矿安全监察局2001年颁布的《煤矿安全规程》第145条规定, 如果矿井绝对瓦斯涌出量超过40.0m3/min, 无论井型大小, 也不管煤层有无煤与瓦斯突出危险性, 必须建立地面永久抽放瓦斯系统或井下临时抽放瓦斯系统.
《煤矿安全规程》, 《矿井瓦斯抽放管理规范》以及《煤炭工业设计规范》有关条款规定: 当一个回采工作面的绝对瓦斯涌出量大于5m3/min或一个掘进工作面的瓦斯涌出量大于3m3/min, 采用通风方法解决瓦斯问题不可能或不合理时应采用瓦斯抽放措施.
除此而外,为贯彻国家安全生产监督管理局”先抽后采, 以风定产, 监测监控”的安全生产方针, 需建立了一个地面抽放瓦斯泵站为抽放瓦斯服务.
2.1 矿井瓦斯涌出量预测结果

表2－1至表2-4是二-1和二-3煤层开采时，对应于不同生产时期的回采工作面、掘进工作面、采区及矿井瓦斯涌出量鉴定结果，由此可知，无论是当前生产时期、中期还是后期，某煤矿都属于低瓦斯矿井.
表2－1给出了回采工作面瓦斯涌出量预测(或鉴定)结果. 瓦斯含量是根据*****工作面的瓦斯涌出统计, *****工作面煤样的吸附实验等确定的，建议岩脚田矿将来进行这方面的实测工作.
表2－1 回采工作面瓦斯涌出量预测(或鉴定)结果
生产时期
采区

煤厚(m)

瓦斯含量(m3/t)

日产量(t/d)
开采层瓦斯涌出量
(m3/t)
(m3/min)
当前时期
煤层

煤层

中期
煤层

煤层

后期
煤层

煤层

表2－2 掘进工作面瓦斯涌出量预测结果
生产
时期
煤层
煤厚
(m)
瓦斯含量(m3/t)
巷长
(m)
掘进速度(m/月)
瓦斯涌出量(m3/min)
煤壁
落煤
合计
前期

中期

后期

备注：⑴每个炮掘工作面掘进一条大巷，其瓦斯涌出量为这条大巷的煤壁瓦斯涌出量加上单头掘进落煤瓦斯涌出量；⑵每个炮掘工作面掘进煤量均为70t/d，瓦斯涌出量为：初期2.40m3/min，中期2.40m3/min，后期2.40 m3/min.

2.3 瓦斯抽放的必要性
2.3.1 相关法规的要求
按照《煤矿安全规程》规程的有关规定及”先抽后采, 以风定产, 监测监控”的十二字方针，无论高瓦斯矿井的井型大小，也不管煤层有无煤与瓦斯突出危险性，必须建立地面永久抽放瓦斯系统或井下临时抽放瓦斯系统.
某煤矿设计生产能力为600Mt/年, 目前生产能力达到1000Mt/年. 从瓦斯涌出量预测结果 来看，矿井在生产过程中的瓦斯涌出量将达38.6 m3/min, 单纯靠通风系统来稀释瓦斯是不可能的. 因此，必须建立瓦斯抽放系统.
2.3.2 采掘工作面瓦斯治理的需要

《煤矿安全规程》、《矿井瓦斯抽放管理规范》以及《煤炭工业设计规范》有关条款规定:当一个回采工作面的绝对瓦斯涌出量大于5m3/min或一个掘进工作面的瓦斯涌出量大于3m3/min，采用通风方法解决瓦斯不可能或不合理时应采用瓦斯抽放措施. 虽然, 该矿回采工作面的绝对瓦斯涌出量已经超过5m3/min. 产量和瓦斯涌出量都有进一步增加的趋势.
采掘工作面需要采取瓦斯抽放的必要性判断标准是: 在给定的巷道通风断面条件下，采掘工作面设计通风能力小于稀释瓦斯所需的风量,即式(2－1)成立时, 抽放瓦斯才是必要的.
(2－1)
…………………………………
式中:
Q0 - 采掘工作面设计风量, m3/s；
Q - 采掘工作面瓦斯涌出量, m3/min；
K - 瓦斯涌出不均衡系数,取K=1.5；
C -《煤矿安全规程》允许的采掘工作面瓦斯浓度，%，取C=1.

3 矿井瓦斯抽放方案初步设计

3.2 抽放瓦斯方法选择
某煤矿抽放瓦斯的目的是消除或缓解瓦斯突出的危险性及使工作面的瓦斯涌出量降低到通风能解决的水平或减轻矿井通风负担. 因此, 确定矿井抽放瓦斯的方法为开采煤层抽放(包括开采工作面和掘进工作面抽放)和采空区抽放等方式.
在二-1和二-3煤层开采时，必须对所有的回采工作面进行高位抽放或本煤层预抽、对大多数的掘进工作面进行瓦斯预抽放. 选择的瓦斯抽放方法如下：
⑴.采用边采边抽相结合方式抽放回采工作面采空瓦斯；
⑵.掘进工作面采用边掘边抽方法抽放本煤层瓦斯;
⑶.采用高位钻孔抽放回采工作面及采空区瓦斯.
由于某矿煤层具有自燃倾向性, 不宜采用采用采空区抽放.
3.2.2 掘进工作面瓦斯抽放
掘进工作面抽放瓦斯的方法有边掘边抽和先抽后掘瓦斯抽放两种方式.考虑到某煤矿掘进工作面瓦斯涌出较小,采用边掘边抽比较合适. 采用边掘边抽时, 抽放钻孔布置方式如图3－2示.
推荐的钻孔布置参数如下：
钻孔长度 60-100 m；
钻孔直径 ∮75 mm；
相邻孔间夹角 3°～5°；
钻场间距 50 m；
钻场内钻孔数 3个；
封孔深度 5m；
封孔方式 聚胺脂封孔.
掘进工作面后5m处的巷道两邦各施工一个钻场. 钻场的规格应根据巷邦瓦斯抽放钻孔布置的要求, 选用钻机的外形尺寸及钻杆长度而定. 根据该矿的具体情况, 每组钻场在煤巷两侧错开布置, 其规格为: 4 x 4 x 2m, 采用木棚支护. 相邻两组钻场之间的间距为40-50m.
在每一钻场内, 沿走向布置3个边掘边抽钻孔, 即左, 右钻场各三个, 孔深60m左右.
掘进工作面先抽后掘就是在煤巷掘进工作面向前方煤层施工扇形钻孔, 每个循环6-9个钻孔, 钻孔深度50-60m, 每个循环间距40-50m, 预计抽放时间为20左右. 钻孔终孔点分别距离巷道中心线0m, 2.5m和4m.
钻孔布置的原则就是保证将钻孔布置在煤层内, 钻孔倾角与巷道底板平行或根据煤层的厚度向上或下倾斜. 当掘进工作面抽放钻孔数量较多时, 为扩大钻孔覆盖范围, 抽放钻孔应以巷道中线为基准, 向周围煤体呈放散状排列, 以提高抽放效果.
实际中, 应根据现场实际监测参数对抽放钻孔的布置进行调整, 以达到最好的抽放效果.
3.2 抽放量预计及抽放服务年限
3.2.1 回采工作面本煤层预抽量预计
由于二-1和二-3煤层的透气性低及回采工作面巷道面积较小等原因, 尽量不采用边采边抽的方式, 而着重考虑采用高位钻孔抽放的方式.
3.2.2 掘进工作面边掘边抽瓦斯量预计
某煤矿回采工作面顺槽实行单巷掘进，每一条单巷掘进工作面的最大边掘边抽瓦斯量由下式计算：

(3-1)
式中:
Q1 - 单巷掘进工作面边掘边抽瓦斯量，m3 /min；
N - 每个钻场内边掘边抽钻孔数，N＝3；
L2 - 掘进工作面平均走向长度，m，L2=2000m；
L3 - 钻场间距，m，L3=100m；
L1 - 单孔有效抽放长度，m，L1=95m；
Qj - 百米钻孔瓦斯极限抽放量，m3，Qj =67825 m3；
α - 钻孔瓦斯流量衰减系数，d-1，α=0.0014d-1；
t - 巷道掘进期间边掘边抽钻孔平均抽放瓦斯时间，d，在巷道长度为240m（包括联络横贯长度）、掘进速度30m/mon条件下，t＝120d.
代入各参数值，计算得 Q1=0.691m3/min.
按全矿4个单巷掘进工作面考虑，边掘边抽瓦斯总量为2.764m3/min.
3.2.3 矿井瓦斯抽放量预计
当矿井实施高位钻孔抽放、边采边抽和边掘边抽等措施时，预计矿井最大瓦斯抽放总量可以达到11.58m3/min.按年抽放365天、日抽放24小时计算，矿井年最大年瓦斯抽放量可以达到6086448m3.
3.2.4 抽放服务年限
由于矿井瓦斯抽放方式为高位钻孔抽放、边采边抽和边掘边抽，瓦斯抽放服务年限与矿井生产服务年限相同.
3.2.5 抽放参数的确定
根据目前矿井的具体情况和所选用的抽放瓦斯方法, 设计矿井的瓦斯抽放浓度为30%.设计掘进工作面的预抽(尽量不采用预抽)时间为20天, 回采面的预抽时间大于3个月, 回采面预抽钻孔可作为边采边抽钻孔, 当采煤工作面推进至该孔孔口附近时, 拆除钻孔. 瓦斯抽放实践证明, 由于预抽煤体瓦斯, 使煤体发生收缩变形, 当煤体原来占据的空间体积相等时, 煤体的收缩既使原有的裂隙加大, 又可以产生新的裂隙. 从而使煤层的透气性增加, 提高瓦斯抽放效果.

3.3 瓦斯抽放钻孔施工及设备
3.3.1 钻机的选择
选择钻机需要考虑的因素包括: 1).钻进深度; 2).转速范围; 3).给进, 起拔能力; 4).液压系统; 5).

3.3.3 钻孔封孔
抽放钻孔封孔方式主要有水泥注浆泵封孔, 人工水泥沙浆封孔和聚胺脂封孔等. 在岩层中封孔长度不小于3m. 在煤层中封孔长度不小于5m.
考虑到某煤矿的钻孔数量不大, 没有必要购买价格昂贵的封孔泵或采用人工水泥沙浆封孔. 因为使用水泥沙浆封孔, 凝固时间长, 对于倾斜钻孔不易充满. 因此, 应该使用人工聚胺脂封孔.
聚胺脂封孔就是由异氰酸脂和聚醚并添加几种助剂反应而生成硬质泡沫体密封钻孔. 聚胺脂封孔采用卷缠药液与压注药液两种工艺方法. 现主要应用卷缠药液法封孔, 封孔深度一般为3-6m即可符合要求.
虽然聚胺脂封孔(见图3-4)的成本略高于水泥浆封孔, 但聚胺脂封孔操作简单, 省时省力, 气密性好, 抽放效果好, 非常适用于某煤矿.

1— 集气孔段; 2—聚氨酯封孔段; 3—水泥砂浆封孔段; 4—套管
图3-4 聚胺脂封孔示意图
3.3.4 瓦斯抽放参数监测
采用孔板或便携式数字钻孔瓦斯参数监测仪对钻孔或采空区抽放管进行监测很有必要. 除此之外, 在抽放巷道口设瓦斯抽放监测传感器, 对抽放管道的负压, 瓦斯浓度, 瓦斯流量, 温度进行监测. 井下抽放支管和地面主管都应装备管道监测系统, 并将其尽可能地将管道监测系统挂靠入矿井环境监测系统.
4 瓦斯管网系统选择与管网阻力计算及设备选型

4.1 矿井瓦斯抽放设计参数
根据煤矿提供的地质资料和矿井设计资料, 某煤矿的设计瓦斯抽放量按一台抽放泵同时服务两个回采工作面(目前只布置一个回采工作面)和三个掘进工作面, 纯瓦斯抽放量取11.58m3/min(将来最大瓦斯抽放量). 瓦斯抽放浓度按30%计算.

4.2 瓦斯管网系统选择与管网阻力计算
4.2.1 瓦斯抽放管网系统
在选择瓦斯抽放管路系统时, 主要根据抽放泵站位置, 开拓巷道布置, 管路安装条件等进行确定. 抽放管路应尽量选择敷设在巷道曲线段少和距离短的线路中, 尽可能避开运输繁忙巷道, 同时还要考虑供电, 供水, 运输方便.
抽放泵的位置可以布置在地面也可以布置在井下. 井下布置是将瓦斯抽放泵布置在井下靠近抽放地点的进风流中, 这样可以减少抽放管路的长度, 并随时根据抽放地点的需要改变抽放泵的位置, 可以节省管路投资, 节省防爆装置和避雷装置, 其必要条件是抽放管路的瓦斯排放到采区回风巷或总回风巷后, 在较小范围内经过稀释达到风流瓦斯浓度不超限.
当矿井总回风巷瓦斯浓度高, 抽出的瓦斯不能排放到总回风巷, 或井下供水,供电及安装成本较高, 或地面距离抽放地点较近时, 把瓦斯抽放泵安装到地面具有明显的经济和管理方面的优势.
某煤矿开采服务年限长，工作面到新材料井井口的距离较短, 且工作面需要抽放的瓦斯量较大，因此，建立地面永久瓦斯抽放系统较为合理.
根据矿井采掘工作面的具体位置及开拓布置, 确定将地面永久瓦斯抽放站布置在距离新材料井附近且地势平坦, 无地质灾害和洪水影响的地点. 要求瓦斯抽放泵站房50m范围内无主要建筑及民房, 在泵房周围20m设立围墙或栅栏, 并严禁明火.
根据某煤矿的井下开拓巷道和地表设施的具体情况,考虑了两种井下管道布置最长路线.
方案1:
21171工作面顺槽 à 二一区专用回风下山 à 东轨大巷 à 材料立井 à 抽放泵房 à 放空管;
方案2:
21171工作面顺槽 à 二一区轨道下山 à 东轨大巷 à 材料立井 à 抽放泵房 à 放空管;
如果把主管道延伸到21171工作面回风顺槽与二一区专用回风下山汇合处, 两个方案的井下主管道长度基本相同, 即1280m.
4.2.2 瓦斯抽放管管径计算及管材选择
瓦斯抽放管管径按下式计算：
………………………………（3－5）
式中 D-----瓦斯抽放管内径，m；
Q-----抽放管内混合瓦斯流量，m3/min；
V-----抽放管内瓦斯平均流速，经济流速V＝5-15m/s, 取V=7 m/s.
约定：
· 采区、回风井及地面瓦斯抽放管为干管；
· 综采综放工作面瓦斯抽放管为支管1；
· (将来)综采工作面瓦斯抽放管为支管2.
根据各瓦斯抽放管内预计的瓦斯流量，按式（3－5）计算选择的瓦斯抽放管管径如表3－2示. 瓦斯抽放管选用无缝钢管.
表3－2 瓦斯抽放管管径计算选择结果
抽放管
类别
纯瓦斯抽放量
（m3/min）
瓦斯浓度
（%）
混合瓦斯抽放量
（m3/min）
计算管内径
（m）
选择管径
（mm）
干管
11.58
30
38.60
0.342
Φ402×10
支管1
6.50
30
21.67
0.256
Φ 275×7
支管2
5.08
30
16.93
0.227
Φ 275×7
备注：边掘边抽瓦斯管留做工作面高位瓦斯抽放管. 考虑将来有可能布置两个工作面, 故选支管1与支管2同径.

抽放管材均选择无缝钢管, 经过计算得出主管直径D = 0.342m, 支管1直径 D = 0.242m, 支管2直径 D = 0.242m. 故主管选择直径为Φ402mm的无缝钢管, 壁厚可选择9mm或10mm. 掘进及回采工作面支管可选择直径为Φ275mm的无缝钢管, 壁厚可选择7mm.
4.2.3 管网阻力计算
⑴. 摩擦阻力（Hm）计算
………………… (3－6)
式中:
Hm — 管路摩擦阻力，Pa；
L — 负压段管路长度，m；
Q — 抽放管内混合瓦斯流量，m3/h；
γ — 混合瓦斯对空气的密度比；
K — 与管径有关的系数；
D — 抽放管内径，cm.
为了保证选用的瓦斯抽放泵能满足抽放系统最困难时期所需抽放负压，应根据矿井各生产时期瓦斯抽放系统中管路最长、流量最大、阻力最高的抽放管线来计算矿井抽放系统总阻力.
由于矿井的服务年限较长，且中后期开采的采区煤层瓦斯含量高，考虑到瓦斯抽放泵的有效使用年限仅为15年左右，故计算矿井生产时期的瓦斯抽放系统最大阻力. 根据矿井前期采掘接替安排，确定的瓦斯抽放系统最困难管线如下：
地面抽放泵站干管(长度为70m)à材料立井抽放干管(长度为580m)à采区抽放干管(长度为1280m)à工作面抽放支管(长度为1200m).
前期最困难抽放管线阻力计算结果如表3－3示.
表3－3 生产前期瓦斯抽放系统最困难管网阻力计算结果
抽放管
类 别
Q
（m3/min）
γ
L
（m）
K
D
（cm）
Hm
（Pa）
干管
38.60
0.866
1930
0.71
38.2
1522.81
支管
21.67
0.866
1200
0.71
26.1
2004.14
合计

3526.95

⑵.局部阻力（Hj）计算
管路局部阻力损失按直管阻力损失的15%计算，则抽放管路系统的局部阻力损失为:
Hj =0.15 Hm = 0.15 x 3526.95 = 529.04 Pa.
(3). 总阻力（H）计算
H = Hm + Hj
= 3526.95 + 529.04 = 4055.99 Pa
4.2.4 瓦斯抽放管路与瓦斯抽放钻孔的连接
用弹簧软管或矿用PVC管将钻孔套管与钻场汇流管(也称混合器)相连, 汇流管与钻场瓦斯管连接, 然后钻场瓦斯管与布置在巷道中的瓦斯抽放支管相连接. 瓦斯抽放主管均采用法兰盘螺栓紧固连接, 中间夹橡胶密封圈.
4.2.5 瓦斯抽放管路敷设
1). 瓦斯抽放管路敷设的一般要求
由于煤矿井下的环境条件比较恶劣, 巷道变形较大高低不平, 坡度大小不一, 空气潮湿管路易生锈, 为此对煤矿井下瓦斯抽放管路的敷设有如下要求:
(1). 瓦斯抽放管路应采取防腐, 防锈蚀措施;
(2). 在倾斜巷道中, 应用卡子把瓦斯抽放管道固定在巷道支架上, 以免下滑;
(3). 瓦斯抽放管路敷设要求平直, 尽量避免急弯;
(4). 瓦斯抽放管路敷设时要考虑流水坡度, 要求坡度尽量一致, 避免由于高低起伏引起的局部积水. 在低洼处需要安装放水器;
(5). 新敷设的管路要进行气密性试验.
地面敷设的管道除了满足井下管路的有关要求外, 还需要符合以下要求:
(1). 在冬季寒冷地区应采取防冻措施;
(2). 瓦斯抽放管路不宜沿车辆来往繁忙的主要交通干线敷设;
(3). 瓦斯抽放管路不允许与自来水管, 暖气管, 下水道管, 动力电缆, 照明电缆和电话线缆等敷设于一个地沟内;
(4). 在空旷的地带敷设瓦斯抽放管路时, 应考虑未来的发展规划和建筑物的布置情况;
(5). 瓦斯抽放主管路距建筑物的距离大于5m, 距动力电缆大于1m, 距水管和排水沟大于5m, 距铁路大于4m, 距木电线杆大于2m;
(6). 瓦斯抽放管路与其他建筑物相交时, 其垂直距离大于0.15m, 与动力电缆, 照明电缆和电话线大于0.5m, 且距相交建筑物2m范围内, 管路不准有接头.
2). 管路安装
井下瓦斯抽放管路采用吊挂或打支撑墩沿巷道底板敷设.掘进工作面瓦斯抽放管路可采用巷道侧邦吊挂安全方式. 地面瓦斯管路安装采用沿地表架空敷设方式, 架空高度0.5m. 每隔5-6m设置一个支撑架(支撑墩), 必要时在支撑墩上设半圆形管卡固定管路, 以防滑落.
3). 管道防腐防锈
所有金属管道外表均要进行防锈处理,即在管道外表先涂刷两层樟丹, 在刷一层调和漆.
4.2.6 瓦斯抽放管道的附属装置
为了掌握各抽放地点的瓦斯涌出量, 瓦斯浓度的变化情况, 便于调节管路系统内的负压和流量, 在管路上应安装阀门, 流量计和放水器等附件. 除此之外, 在瓦斯泵房和地面管路上还须安设有防爆, 防回火装置及放空管等.
1). 阀门
瓦斯抽放管路和钻场连接管上均应安装阀门, 主要用来调节和控制各抽放点的抽放量, 抽放浓度和抽放负压等.
2). 放水器
在抽放管路系统最低点安装人工或自动放水器, 及时放空抽放管路中的积水, 提高系统的抽放效率. 在排气端低凹处安装正压放水器.
为减少瓦斯抽放成本, 建议采用人工放水器(如图4-1, 图4-2). 也可以使用负压自动放水器.

1 – 钢管; 2 – 闸阀DN25.
图4-1 人工负压放水器(也可以作正压放水器用)

图4-2 高负压人工放水器安装示意图
(a) 卧式, (b) 立式.
1 – 瓦斯管路; 2 – 放水器阀门; 3 – 空器入口阀门;
4 – 放水阀门; 5 – 放水器; 6- 法兰盘.

抽出的瓦斯排放至地面, 还必须安装防爆, 防回火装置, 放空管, 避雷线等.
3). 计量装置及抽放参数测定
在井下与主管道汇合的各抽放支管处各安装一套WYS型管道气体参数监测仪( 公司产品), 计量各支管的瓦斯流量. 在抽放系统的主管道和各支管上安装一套WYS型管道气体参数监测仪(南京科强科技实业有限公司产品),计量整个抽放系统的瓦斯抽放量. 应用便携式孔板流量计测定单孔瓦斯流量.
也可以使用板流量计来测定管道中气体的流量. 在使用孔板流量计时要注意孔板与瓦斯管道的同心度, 不能装偏. 在钻场内使用孔板流量计时, 应保证孔板前后各1m段平直, 不要有阀门和变径管. 在抽放瓦斯管末端安装孔板流量计时, 应保证孔板前后各5m段平直, 不要有阀门和变径管.
测定孔板两端的压差可采用倾斜水柱计, 测定抽放管路中的抽放负压可采用水银计, 抽放管路中的瓦斯浓度可采用负压吸气筒和高浓度瓦斯检定器.
孔板流量计两侧的测压孔使用胶管分别与U形压差计(煤矿自备,长800mm)连接. 根据水银压差计测定的负压, 压差和高浓度瓦斯检测仪监测的抽放管路内的瓦斯浓度就可以通过公式来计算瓦斯抽放量.
除孔板流量计外, 也可以使用煤气表或瓦斯抽放管道监测系统作为流量测量装置. 煤气表的量程应根据预计的单孔瓦斯流量确定. 一般地本煤层预抽钻孔使用J2.5型煤气表, 其最大允许的瓦斯流量为66L/min, 最小流量在1L/min以下.
测定单孔流量也可以使用WYS便携式瓦斯流量计. WYS型便携式瓦斯抽放多参数测定仪是用于管径D≤100mm瓦斯抽放管道参数测定的智能化测量仪表, 特别适用于钻场单个钻孔封孔前, 封口后的参数测定. 是一种便携式矿用本质安全型仪器, 防爆标志为ibl(±150ºC), 可测定的参数包括气体流量,瓦斯浓度和管道负压. 同时可测定抽放管道的瓦斯混合流量和纯甲烷流量. 测定的所有数据都可以储存, 显示和打印. 仪器具有掉电自动保护功能以及电源欠压提示功能. 仪器数据储存量大, 可存储综合测定数据100组. 单参数据300组.
仪器的主要特点是: 1).仪器本身自带涡街量传感器, 自成一体, 无需另外配备孔板, 均速管道或皮托管, 流量系数直接固化在软件中, 用户无法改变, 这可避免因输错系数而造成测定数据不准确的问题. 2).使用方便. 用户只需要软管与仪器连接好既可进行测量工作. 3).阻力损失小, 对气体流场影响小. 4).稳定可靠, 测量精度高.

4.3 瓦斯抽放泵选型计算
瓦斯抽放泵的选型原则有二个：
①泵的流量应满足抽放系统服务期限可能达到的最大瓦斯抽放量；
②泵的压力能克服最困难路线的管网阻力，使抽放钻孔达到足够的负压，并满足抽放泵出口正压需求.
4.3.1 瓦斯抽放泵流量计算方法
……………………………(3－6)
式中:
Q — 瓦斯抽放泵所需额定流量，m3/min；
Q z — 矿井抽放系统最大瓦斯抽放纯量，m3/min；
X — 矿井抽放瓦斯浓度，%；
K — 备用系数，K=1.20；
η— 抽放泵机械效率，η=0.80.
本抽放系统设计抽放量为11.58 m3/min. 则瓦斯抽放泵所需额定流量计算如下:
Q = 100 x 11.58 x 1.2/(30 x 0.80) = 57.9 m3/min
4.3.2 瓦斯泵压力计算方法
瓦斯泵压力, 必须能克服抽放管网系统总阻力损失和保证钻孔有足够的负压, 以及能满足泵出口正压之需求. 瓦斯泵压力按下式计算:
………………………（3－7）
式中:
H — 瓦斯抽放泵所需压力，Pa；
K — 压力备用系数，K=1.20；
Hzk — 抽放钻孔所需负压，Pa，取=14000Pa；
Hrm — 井下管网的最大摩擦阻力，Pa；
Hrj — 井下管网的最大局部阻力，Pa；
Hc — 瓦斯泵出口正压，Pa，考虑今后瓦斯抽放利用的需要，取=15000Pa.
4.3.3 瓦斯抽放泵选型计算
表3－4 瓦斯泵流量、压力计算结果
Qz
（m3/min）
X
(%)
Hzk
(Pa)
Hrm
(Pa)
Hrj
(Pa)
Hc
(Pa)
Q
（m3/min）
H
（Pa）
11.58
30
14000
3526.95
529.04
15000
38.60
39667.19

根据前面的管路阻力损失计算得知, 矿井抽放管路系统的最大阻力损失为8615.3Pa, 则:
H = (14000 + 3526.95 + 529.04 + 15000) x 1.2
= 39667.19 Pa
根据当地气象资料, 地面抽放站的压力为100000Pa, 泵的入口绝对压力为:
100000 – 39667.19 = 60332.81Pa, 实际取泵的入口压力为60KPa.
4.3.4 瓦斯抽放泵选型
根据上述计算结果, 查国内有关厂家的真空泵曲线, 即可确定瓦斯抽放泵的型号. 由于目前我国的真空泵曲线都是按工况状态下的流量绘制的, 所以还需要按下列公式把标准状态下的瓦斯流量换算成工况状态下的流量.
Q泵工 = Q泵 (3-8)
式中:
Q泵工 – 工况状态下的瓦斯泵流量, m3/min;
Q泵 – 标准状态下的瓦斯流量, m3/min;
P0 – 标准大气压力(P0=101325Pa), Pa;
P – 瓦斯泵入口绝对压力, Pa;
T - 瓦斯泵入口瓦斯的绝对温度(T=273+t), K;
T0 – 按瓦斯抽放行业标准规定的标准状态下绝对温度(T0=273+20), K;
t - 瓦斯泵入口瓦斯的温度, ºC.
取瓦斯泵入口温度t = 20ºC, 则:
Q泵工 = 57.9 x
= 97.78 m3/min
建议选用2台广东省佛山水泵厂有限公司生产的水环真空泵质量最好, 而且节能. 通过查泵的性能曲线(见附图), 可以选择CBF410-2型或CBF360-2型水环真空泵. 由于CBF360-2型(510r/min)是该系列的最高档, 其能耗高于CBF410-2型(330r/min). 建议选择CBF410-2型(330r/min). 一旦将来随着技术进步, 抽放效率提高, 可以通过更换电机把抽气量提高至170m3/min. 在60KPa压力状态下CBF410-2型(330r/min)的工况流量为121.0m3/min, 泵的转速为330r/min, 电机功耗为96KW, 电压380/660v, 耗水量(吸入压力>400mbar)5.3-12.0 m3/h.
CBF410-2型水环真空泵主要功能及技术参数:
CBF410-2型水环真空泵环境适应性强, 并可靠, 安全, 高效地长期运行. 其核心部分---水环式真空泵, 是根据煤矿对瓦斯泵的特殊要求而设计的. 其使用性能, 排气量, 真空度, 安全性, 可靠性, 外形, 安装尺寸等具体指标, 均优于普通真空泵. 整个泵站系统可配套南京富邺科技实业有限公司KJ-91瓦斯抽放泵站监控系统. 该系统提供瓦斯超限断电声光报警, 停水断电, 恒水位控制, 抗结垢水质磁化, 流量, 检测, 其中供电系统具有过载, 过电压及短路保护, 电机电缆漏电闭锁等功能.
5 瓦斯抽放泵站布置
5.1 瓦斯抽放泵
某煤矿总回风巷瓦斯浓度较高, 矿井总风量较小, 如果将瓦斯抽放泵安装在井下把抽出的瓦斯排到总回风巷, 极有可能造成总回风瓦斯超限. 因此, 根据矿井采掘的具体位置及开拓布置, 确定将抽放泵站设在矿井材料井较近处且无地质,洪水等灾害影响, 地势平坦的地点. 地面瓦斯泵房位置选择如附图1所示.
抽放泵站由瓦斯泵房, 配电值班室组成. 瓦斯泵房长8.0m, 宽6.0m, 高3.5m. 值班室3 x 3 x 3.5m, 3 x 3 x 3.5m. 瓦斯抽放泵房布置图如附图2所示.
瓦斯抽放泵房围墙或栅栏的圈定范围应当保障泵房周围50m范围内无居民, 20m内无明火, 不得有易燃, 易爆物品, 并配备至少4只干粉灭火器和大于0.5m3的黄砂. 在泵站周围设有防火栓. 抽放泵站是具有爆炸危险的甲类厂房, 设计门窗作为泄压面积, 泄压与厂房体积比应在0.05-1.22之间, 瓦斯抽放泵房采用不燃性材料构成. 其土建工程设计和施工由某煤矿自行完成.
地面抽放泵站主要建筑为泵房，抽放泵房内设有配电装置, 瓦斯泵、分水器、管路、阀门等设备.在泵房附近进出口处设有放水器、防爆防火装置(图5-1)、放空管、压力测定、流量测定装置、采样孔、阀门等附属装置.

图5-1 水封式防爆, 防回火装置
1 - 入口瓦斯管; 2 - 出口瓦斯管; 3 - 水封罐; 4 - 橡胶盖(胶皮板);
5 - 注水管口; 6 – 水位计; 7 – 支承柱; 8 – 放水管.

瓦斯抽放泵房内的所有设备和仪表均选用防爆型. 图5-2地面瓦斯抽放泵站布置示意图.
5.2瓦斯抽放泵站供电
瓦斯抽放泵站供电参照主要通风机的供电管理, 要求”三专”, 即专用变压器, 专用线路和专业开关. 根据矿井的实际情况, 采用380V或660V供电安排. 瓦斯抽放泵站的设备总容量为120KW, 工作容量为120KW.
根据煤炭工业矿井设计规范GB-5012-94, 瓦斯抽放站的电力负荷为一级负荷, 必须保证有两个电源供电.

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图5－2 瓦斯抽放泵站管统及附属设施布置示意图

5.3 瓦斯抽放泵给排水
(1). 给水
瓦斯抽放泵的供水采用地面清洁水(PH值6-8). 在不建水循环系统时, 为节省水耗, 要求供水压力大于600mbar, 供水量大于12m3/h. 如果建水循环系统, 最好安装一套南京富邺科技实业有限公司制造的高频电子除垢装置, 要求供水压力大于200mbar即可.
(2). 排水
水环式真空泵排出的水收集后排入矿井蓄水池或循环使用.

5.4 防雷设施
在瓦斯抽放泵站房顶上设置避雷针, 并接地.
根据《建筑物防雷设计规范》(2000), 设避雷线保护瓦斯排放管, 在瓦斯抽放站房顶设置避雷带防感应雷. 在变电所设工作接地, 接地电阻<4Ω; 在瓦斯抽放站分别设防雷接地. 接地电阻均<10 Ω.
设计放空管的高度为7m, 在距放空管5m之内设一高度为14m的避雷针.
由于岩脚日矿处于山区, 有时雷害比较严重, 应该注意以下几点:
1). 放空管应高于房脊4m以上, 放空管与避雷针距离小于5m;
2). 泵房房顶应安放雷网;
3). 避雷针接地电阻不得大于4Ω, 达不到要求的要增加接地极;
4). 瓦斯抽放泵房内所有设备的金属外壳都应接地, 金属走线架, 水管等金属物必须接地;
5). 为防止井下瓦斯抽放管路带电, 瓦斯抽放管也需接地;
6). 瓦斯抽放泵供电采用四芯电缆, 其中一芯接地;
应由具有防雷专业资质的相关部门或设计单位进行设计, 安装.

5.5 瓦斯抽放泵站照明
在瓦斯抽放泵站内和值班室内的照明灯具选用隔爆型.

5.6 瓦斯抽放泵站通讯
在瓦斯抽放泵站应设置有到矿调度室的防爆型电话分机.

5.7 抽放系统实时监测
为保证瓦斯抽放系统的安全运行和矿井的安全生产, 瓦斯抽放系统设计时必须具备完善的安全监测系统, 对泵站的环境瓦斯浓度, 真空泵供水, 抽放瓦斯浓度, 抽放量, 负压, 温度, 排放口的正压, 瓦斯浓度等参数进行监测. 建议南京科强科技实业有限公司生产的WYS型管道气体参数监测仪和KJ-91泵站监测系统.
5.8 泵房采暖, 通风
某矿区冬天最低气温可以达到-10ºC以下, 应该在泵房和值班室安装采暖和