瓦斯抽放泵站设计.doc

概 述
建平鸿运煤矿一井，原名为朝阳市建平县二十家子煤矿二井，始建于1982年，1983年投产，设计能力12.0万吨/年，实际最高生产能力为5万吨/年，2003年由地方国营企业改为民营企业，改名为建平鸿运煤矿二井。生产能力为5万吨/年生产矿井，企业性质为私营独资企业，位于朝阳市建平县二十家子镇境内。煤矿矿区面积为1.085km2，开采深度：开采上限标高+578m，开采下限标高+420m。截止2011年末，剩余地质储量92.08万吨；可采储量92.09万吨；服务年限为18年。
根据矿井设计和矿井瓦斯涌出资料(2012年鉴定报告), 矿井绝对瓦斯涌出量为2.36m3/t, 相对瓦斯涌出量为19.12 m3/min, 属于高瓦斯矿井.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工作面和采空区的瓦斯涌出量都将进一步增大.
为贯彻执行党和国家的”安全第一, 预防为主”的安全生产方针和国家安全生产监督管理局制定的”先抽后采, 以风定产, 监测监控”的煤矿安全生产管理方针, 该矿已安装了瓦斯抽放系统. 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. 建立地面抽放泵站是非常必要的和可行的. 特此编写瓦斯抽放设计说明书
一. 编制本设计的依据
1. 《矿井抽放瓦斯工程设计规范》(MT95018-96),中华人民共和国煤炭工业部,1997年.
2. 《矿井抽放瓦斯管理规范》,中华人民共和国煤炭工业部,1997年.
3. 《煤矿安全规程》,国家煤矿安全监察局,2004年.
4. 《防治煤与瓦斯突出细则》,中华人民共和国煤炭工业部,1995年.
5.根据矿井通风,生产,瓦斯地质等相关资料.
二. 设计的主要技术经济指标
1. 矿井绝对瓦斯涌出量: 2.36m3/min;
2. 矿井相对瓦斯涌出量: 19.12m3/t;
1 矿井概况
建平鸿运煤矿一井，原名为朝阳市建平县二十家子煤矿一井， 2003年由地方国营企业改为民营企业，改名为建平鸿运煤矿一井。生产能力为5万吨/年生产矿井，企业性质为私营独资企业，位于朝阳市建平县二十家子镇境内。截止2011年末，剩余地质储量152.58万吨；可采储量92.09万吨；服务年限为18年。
2 矿区地质情况
矿区面积为2.5075km2。
1） 地层
（1）古生界地层①奥陶志留系：分布在煤矿西部。以高大山岭地貌出现，其岩性特点则是以暗绿色片麻岩、片岩、千枚岩、大理岩、白云岩组成，其中以片麻岩及千枚岩较发育。区域资料于大理岩中找到了贝类化石。故按区域对比，划属奥陶志留系。
②石炭二迭系：分布在矿区的东北角徐家水泉。它以灰色千枚岩、板岩夹薄层白云岩及结晶石灰岩组成。
（2）中生界
从老到新大致分述如下：①中侏罗统地层：主要出现于矿区的东部及东南部，以兰旗组为核心，组成煤盆地的东部山岭。其次是以土城子组为核心，出现于含煤盆地中部而地貌平缓大部被第四系掩盖。
②上侏罗统：分布于含煤盆地中部及南部平坦地貌掩盖之下及盆地的东南角与西南部的高山地段。
二十家子含煤段地层：本段地层为含煤盆地中大面积掩盖地段，在盆地中央的冲沟中，偶见个别孤立含煤段地层。
含煤地层：地表局部有砂岩、粉砂岩的零星出露，剖面为钻孔资料建立的。以砂岩粉砂岩为主，夹泥岩及煤层，大体上有七个煤组，其中以六煤和七煤两组较好，三煤和五煤局部可采，含煤段地层没有明显的标志层，靠煤矿东部局部含砂砾岩及粗砂岩薄层，有变粗的现象。煤层以西部发育，向东分叉变薄而尖灭。本段地层对下为整合关系，含费尔干蚌化石及植物化石，一般厚在150米左右。
（3）新生界地层：分布广阔，一般厚度在5～50米，大面积出现于含煤盆地之中，其岩性大致有底部砾石层、砖红色亚粘土层、灰黄色亚沙土、河床砂砾石层。
2﹚地质构造
区域构造处于天山～阴山纬向隆起带与新华系NNE向构造的复合部位。矿区西部的古生界地层从NW向SSE方向挤压而冲掩，造成煤矿区内部由对扭而产生两组断裂，NE向的为压扭性断层，NW向的为张性及张扭性断裂。
该区为轴向NE30°两翼较缓的向斜构造。F20号断层把向斜轴一部分向西推移，向斜北部和南部上升而剥蚀严重。F23号断层使向斜两翼上部成不对称向斜现状。
据钻探及井下资料显示，该区构造复杂，断裂特别发育，全区自北向南共确定和推断断层38条，断层规模不等，发育程度不同，如F1断层，其走向NE43°，倾向SE，倾角30°～60°，使局部煤层落差近300米，形成煤层自然边界线；F7号断层，位于第3勘探线以南，走向NE64°，倾向NW，倾角65°，落差90米；F8号断层，位于4、5勘探线之间，走向NE60°，倾向SE，倾角70°，落差88米左右。诸断层纵横交错，断距大小不一，但对煤层均起破坏作用，也对地下开采工作增加难度。
3） 煤层与煤质
（1）煤层
上侏罗系义县组二十家子含煤段，该区含煤建造总厚300m左右，含煤七组。其特点：由于盆地狭长，侵蚀切割剧烈，所以含煤建造多以粗碎屑岩为主。且常含多层粗砂岩、砾岩。其分选和园度都差。含煤建造的岩性岩相、旋回结构、煤层层数、煤层厚度皆不稳定，常有分叉尖灭。全区煤组变化规律，西部厚、结构复杂、浅部岩相以湖泊沼泽相为主，岩性细，而东部则变薄，结构简单，以半沼泽相与河流相交替出现，岩性变粗。三、六、七煤组为主要煤组，一、二、四、五煤组局部可采。煤层倾角一般8～12°，属缓倾斜煤层。
（2）煤质
煤种为气煤，肉眼煤岩类型为半光亮型煤，光泽较强，以亮煤、镜煤为主，暗煤次之。挥发份一般在条带状结构，块状构造，贝壳状，棱角状断口，性脆。容重一般为1.42～1.44t/m3。
原煤挥发份均大于37.0%。原煤灰分一般在10.08～28.81%，一般在17%左右。发热量一般在3048～5513卡/克，一般在4136卡/克。硫含量一般在0.81～2.07%之间，一般在1.57左右，磷含量一般在0.022～0.032%之间，一般在0.027%左右。
（3） 顶板
煤层伪顶多为泥岩和炭质泥岩。直接顶为粉砂岩或细砂岩。老顶为砂岩。
1.1交通位置
1、地理位置及井田境界；
地理位置：矿区位于朝阳市建平县二十家子回族乡境内，行政区隶属辽宁省朝阳市建平县管辖。矿区有叶敖公路从井田穿过，矿区距铁路赤叶线古山车站35km，据沙通线小河沿车站26km，距朝阳市区116km，交通方便。
矿区中心地理坐标：
东经：119°42’～119°45’
北纬：42°08’～42°08’
1.2 井田地形与气候
1). 地形地貌特征
本井田以上侏罗统砾岩为骨架, 上部广泛第四系亚粘土, 地形较复杂, 中间部分属低平缓的丘陵区. 标高为700-800公尺,最高者达1000余公尺， 中间盆地部分一般标高为500-650公尺。最低位480公尺. 高山盆地之间的山坡处多为厚层黄土所覆盖，因土质致密，节理发育。经雨水的长期冲刷形成立陡的深沟。在该区东北部房身一带表现尤为显著，最深者可达30公尺。是本区特有的特征。
崩河纵贯该区，河流西岸较为平坦的冲击平原，为主要耕种地带及居民密集之区。崩河由南向北流经八家、马场、二十家子、四德堂，于小河沿进入老哈河。全长70公里，河床宽500-1000公尺。但流量小，一般0.2公升/秒流速，0.56M/秒，夏秋两季流量较大，冬春则小，每逢干旱季节，河流则成小溪近于干沟。
2). 气候
该区位于辽西丘陵之北部，地势较高，受西伯利亚和内蒙古高压气流控制，属大陆性气候，雨量稀少，蒸发强烈，夏季干热，冬季寒冷。春秋两季风沙较大。雨季为七、八、九三个月，每年七、八月温度较高，可达30°（±），一月气温较低在-30°（±）。
3). 降水量
雨季为7～8月份，年均降雨量为600mm, 7, 8, 9月降水量占全年的55%.
4). 冻结期
结冰期为12月初至第二年3月末。历年冻结深度为1.2-1.5米。
1.3 井田地质构造情况
区域构造处于天山～阴山纬向隆起带与新华系NNE向构造的复合部位。矿区西部的古生界地层从NW向SSE方向挤压而冲掩，造成煤矿区内部由对扭而产生两组扭裂，NE向的为亚扭性断层，NW向的为张性及张扭性断裂。
该区为轴向NE30°两翼较缓的向斜构造。F20号断层把向斜轴一部分向西推移，向斜北部和南部上升而剥蚀严重。F23号断层使向斜两翼上部成不对称向斜现状。
1.4煤层赋存情况
在该矿含煤段总共含7个煤组，其中6、7煤组为主要可采煤组，3、5煤组次之，1、2、4煤组零星分布局部可采。
3煤组煤厚为0.5m～2.25m，为单一煤层，顶底板均为砂岩，距下部6煤组23m，局部可采。
6煤组煤厚为0.45m～3.66m，为复合煤层，中间含1～2层夹石。顶底板均为砂页岩，距下部7煤组10m～15m，大部可采。
7煤组煤厚为0.59m～2.5m，为复合煤层，中间含1～2层夹石。顶板均为砂页岩，底为粉砂岩，大部可采。
该矿煤层走向为120°，倾向为210°，倾角为9°～12°。
1.5矿井开拓方式
该矿为斜井片盘开拓方式，三个井口，即主井、副井和风井,目前开采的1703工作面，该工作面位于一采区, 北邻工业广场保护煤柱, 南邻F31号断层, 东邻719采空区, 西邻1702采空区. 工作面采用走向长壁开采, 一次采全高, 全部陷落法管理顶板.
1.6矿井通风方式及邻近矿井瓦斯涌出
采用中央并列抽出式通风，“二入一排”即主、副井入风，风井回风。风井安装两台FBCDZN012.5/2×22型风机, 风量为910～1968m3/min.
虽然煤矿周边煤矿瓦斯涌出不大， 但随开采深度的增加, 瓦斯涌出量有增大的趋势.因此建立地面永久瓦斯抽放系统。
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规定, 建立地面永久瓦斯抽放系统。为各个采区服务。
2.1 矿井瓦斯涌出量预测结果
根据矿井瓦斯涌出量鉴定结果，未达到抽采条件
在今后工作中随时检测瓦斯，进行这方面的实测工作，达到抽放条件及时抽放。.
矿井瓦斯涌出量预测结果
生产
时期
开采区域
平均产量（t/d）
瓦斯涌出量
生产采区（m3/min）
已采采区
（m3/min）
合计
（m3/min）
（m3/t）
目前
采掘工作面
300
4.4

4.4
21.15
中期
采掘工作面
400
4.4

4.4
15.84
后期
采掘工作面
400
4.4

4.4
15.84
2.2 回采工作面瓦斯涌出来源与构成
在一采区和二采区煤层工作面采空区, 生产工作面(按一个回采工作面考虑)和掘进工作面(按2个掘进工作面考虑), 预计将来的最大瓦斯涌出量可达到5.6m3/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.
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未超过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.
根据采掘工作面瓦斯涌出量预测结果，由式(2－1)计算得到的回采工作面(按炮采一个工作面考虑)、掘进工作面(按2个掘进工作面考虑)瓦斯抽放必要性判断结果如表所示.
由表可以看出，不需要采取瓦斯抽放措施.
矿井瓦斯涌出量预测结果
生产
时期
工作面
瓦斯涌出量
设计风量
(m3/s)
需要风量
(m3/s)
是否需要
抽放瓦斯
(m3/t)
(m3/min)
生产
采空区

2.0

不需要
回采
11.52
2.4
4.3
>3.3
不需要
掘进

1.6
3.3
>3
不需要
2.4 瓦斯抽放的可行性
本煤层瓦斯抽放的可行性是指在自然透气条件下进行预抽的可能性.衡量本煤层瓦斯预抽可行性指标有三个：煤层透气性系数(λ)，钻孔瓦斯流量衰减系数（α）和百米钻孔瓦斯极限抽放量衰减系数(Qj).
按λ、α和Qj判定本煤层瓦斯抽放可行性标准如表.

本煤层预抽瓦斯难易程度分类表
抽放难易程度
钻孔瓦斯流量衰减系数
α（d-1）
百米钻孔瓦斯极限抽量
Qj (m3)
煤层透气系数
λ（m2/MPa2·d）
容易抽放
<0.003
>14400
>10
可以抽放
0.003～0.05
14400～2880
10～0.1
较难抽放
>0.05
<2880
<0.1

目前，矿基本没有测定煤层透气性系数、钻孔瓦斯流量衰减系数和百米钻孔瓦斯极限抽放量.
考虑到矿毗邻的其他矿井的情况和地质勘探资料及有关文献,可以断定，基本不具备预抽本煤层瓦斯的可行性. 因此, 回采工作面将继续采用高瓦斯管理.
2.5 矿井瓦斯储量与可抽量
矿井瓦斯储量是指在煤田开发过程中能够向矿井排放瓦斯的煤层及围岩所储存的瓦斯量.老矿井因此没有可抽量。
3 矿井瓦斯抽放方案初步设计
3.1 抽放方法选择的原则
选择矿井瓦斯抽放方法应根据矿井煤层赋存条件, 瓦斯基本参数, 瓦斯来源, 巷道布置, 抽放瓦斯的目的及瓦斯利用等因素来确定, 并应遵守以下原则:
(1).抽放方法应适合煤层赋存状况, 巷道布置,地质条件和开采技术条件.
(2). 应根据矿井瓦斯涌出来源及涌出量构成分析, 有针对性地选择抽放瓦斯方法, 以提高瓦斯抽放效果.
(3). 在满足瓦斯抽放的前提下, 应尽可能地利用生产巷道, 以减少抽放工程量.
(4). 选择的抽放方法应有利于抽放巷道的布置和维护.
(5). 选择的抽放方法应有利于提高瓦斯抽放效果, 降低瓦斯抽放成本.
(6). 瓦斯抽放应有利于钻场, 钻孔的施工和抽放系统管网的设计, 有利于增加钻孔的抽放时间.
3.2 抽放瓦斯方法选择
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.
在煤层开采时，必须对所有的回采工作面进行检测，达到抽放条件的，及时进行抽放。对掘进工作面达到抽放条件的，进行瓦斯预抽放时， 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.
由于本矿煤层具有自燃倾向性, 不宜采用采用采空区抽放.
3.2.1 回采工作面本煤层瓦斯抽放
由于煤层的透气性低, 采用预抽和边采边抽相结合的抽放方法，即：利用工作面胶带顺槽或轨道顺槽向煤层打迎向平行钻孔预抽本煤层瓦斯，并利用回采工作面前方超前卸压效应边采边抽本煤层瓦斯，以提高煤层瓦斯抽放效率.
推荐的钻孔布置方式如图3－1示.

图3－1 回采工作面本煤层瓦斯抽放钻孔布置示意图

推荐的本煤层预抽钻孔布置参数如下：
钻孔长度 80-100m；
钻孔直径 ∮75mm；
钻孔与工作面夹角 4°～6°；
钻孔间距 10m；
封孔深度 5m；
封孔方式 聚胺脂封孔.
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.

图3－2 掘进工作面边掘边抽瓦斯钻孔布置示意图
在煤巷掘进工作面后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.
3.2.3 回采工作面高位抽放
采用高位抽放就把回采工作面上部煤层中和部分采空区中的瓦斯通过钻孔和瓦斯抽放管道排放到地表或井下回风巷中. 图3-3为回采工作面高位钻孔布置示意图.

3.2.4 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, 当达到抽放条件时，与实际现场确定。

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).价格.
矿现在使用的钻机采用整体箱式结构, 具有体积小, 重量轻, 移动安装方便, 机械效率高等优点,完全能够满足井下瓦斯抽放钻孔钻进的要求. 该钻机主要用于井下钻探深度为50m-200m的各种角度的瓦斯抽放钻孔, 勘探钻孔等多用途的工程钻孔施工.
3.3.2 钻孔施工技术安全措施
除了采取钻孔施工技术的一般安全措施(略)外, 还必须采取以下特殊措施:
(1). 在施钻地点附近安设一组(6个)压风自救器和一台电话;
(2). 调整通风系统, 使采煤工作面回风不直接流经施钻地点, 开始以前完成该区域通风系统调整;
(3). 采煤工作面放炮时, 撤出施钻人员至安全地点, 放炮期间, 所有人员均不得进入回风系统;
(4). 放炮后, 待施钻现场瓦斯不超限, 整个区域无安全异常, 则可保持正常施钻;
(5). 若施钻现场发生安全异常, 则立即按安全路线撤离.
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,矿的设计瓦斯抽放量按一台抽放泵同时服务一个回采工作面(目前只布置一个回采工作面)和两个掘进工作面, 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.
矿开采服务年限长，工作面到井口的距离较短,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风井附近且地势平坦, 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.
根据井下开拓巷道和地表设施的具体情况,井下管道布置最长路线.
2702工作面à2702回风巷 à +486回风 à 风井 à 抽放泵房 à 放空管;
1抽采瓦斯量、抽采泵选型
1.1 抽采瓦斯量预计
回采工作面供风量270m3/min，回风瓦斯浓度最大为0.1%，则回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为0.27 m3/min，回采工作面瓦斯抽采率按50%计算，则回采工作面瓦斯抽采量为0.14 m3/min。
1.2 抽采管路选型
瓦斯抽采系统各主、支管的管径应按最大流量分段计算，并参照抽采泵的实际能力及不同地点的抽采需要留有一定的备用量。瓦斯抽采管路直径一般采用下式计算：
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– (1)式中：—瓦斯抽采管路内径，m；
—管路内混合瓦斯流量，m3/min；各类管路的流量应按照其使用年限或服务区域内的最大值确定；
—瓦斯管中混合瓦斯平均流速，可取=5～12 m/s，取12 m/s。
根据瓦斯抽采量预计，按上式计算瓦斯抽采管路的管径，计算结果见表1。
表1 瓦斯抽采管径选择结果
管路
名称
纯瓦
斯量
(m3/min)
瓦斯
浓度
（%）
混合量
(m3/min)
计算
内径
(mm)
外径(mm)
壁厚(mm)
内径(mm)
主管
0.14
3
4.67
90.9
108
2
104.0
1.3 瓦斯管路的材质与连接方式
瓦斯抽采泵房内管路、地面管路和井下抽采瓦斯管路均选用无缝钢管，采用钢质法兰盘螺栓紧固连接，中间夹橡胶密封垫。
1.4 抽采管路阻力计算
瓦斯抽采管路阻力包括摩擦阻力和局部阻力。计算管路阻力应在抽采管路系统敷设线路确定后，按其最长的线路和抽采最困难时期的管路系统进行计算。
⑴ 摩擦阻力计算
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– (2)
式中：—管路的摩擦阻力，Pa；
—管路长度，m；
—标准状态下的混合瓦斯流量（m3/h）；
—管路内径，mm；
—标准状态下的混合瓦斯运动黏度（m2/s）；
—管路内混合瓦斯密度（kg/m3）；
—管路内壁的当量绝对粗糙度（mm）；
—标准大气压力（101325Pa）；
—管路内气体的绝对压力（Pa）；
—管路中的气体温度为t时的绝对温度（K）；
—标准状态下的绝对温度（K）；
—管路中的气体温度（℃）。
⑵ 局部阻力计算
根据《煤矿瓦斯抽采工程设计规范》（GB 50471-2008）的规定，管路局部阻力可按管路摩擦阻力的10%～20%进行计算，本设计中局部阻力按照管路摩擦阻力的20%进行计算。
根据管路阻力计算原则，将以上数据代入公式，通过计算可以得出各段瓦斯抽采管路阻力及瓦斯抽采系统的管路总阻力，计算结果详见表2所示。
表2 瓦斯抽采系统抽采瓦斯管路阻力计算结果
管路
名称
长度
(m)
管内径
(mm)
混合
流量
（m3/h）
摩擦
阻力
(Pa)
局部
阻力
(Pa)
管路总阻力
(Pa)
主管
500
104.0
280.0
5311.4
1062.3
6373.7
1.5瓦斯抽采泵选型
1.5.1 标准状态下抽采系统压力计算
标准状态下抽采系统压力可按下列公式计算：
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– (3)
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– (4)
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––– (5)
式中： —抽采系统压力，Pa；
—抽采设备入口侧（负压段）管路最大阻力损失，Pa；
—抽采设备出口侧（正压段）管路阻力损失，Pa；
—抽采系统压力富余系数，可取K=1.2～1.8，本设计中取1.3；
—入口侧（负压段）管路最大摩擦阻力，Pa；
—入口侧（负压段）管路局部阻力，Pa；
—井下抽采管口的设计孔口负压，Pa，取8000 Pa；
—出口侧（正压段）管路最大摩擦阻力，Pa，经计算，为830.7Pa；
—出口侧（正压段）管路局部阻力，Pa，按摩擦阻力的20%计算，为166.14Pa；
—出口侧（正压段）的出口正压，Pa，取5000 Pa；
按以上公式进行计算得出，标准状态下抽采系统压力为18195.9Pa。
1.5.2抽采泵工况压力计算
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– (6)
式中：—抽采泵工况压力，Pa；
—抽采泵站的大气压力，Pa，取100000 Pa；
其余符号意义同前。
经计算得出，抽采系统工况压力为81804.1Pa。
1.5.3 标准状态下抽采泵流量计算
瓦斯抽采泵流量必须满足抽采泵服务年限之内最大抽采量的需要，可按下式计算：
–––––––––––––––––––––––––––––––– (7)
式中：—标准状态下抽采泵的计算流量，m3/min；
—设计瓦斯抽采量（纯量），m3/min；
—预计的抽采泵入口处瓦斯浓度，%；
—抽采能力富余系数，取K=2。
—抽采泵的机械效率，取80%。
按预计的瓦斯抽采量及浓度计算，抽采泵所需流量为11.7m3/min。
1.5.4 抽采泵工况流量计算
––––––––––––––––––––––––– (8)
––––––––––––––––––––––––––––––––– (9)
–––––––––––––––––––––––– (10)
式中：—工况状态下的抽采泵流量，m3/min；
—标准状态下抽采泵的计算流量，m3/min；
—抽采泵入口绝对压力，Pa；
—抽采泵入口瓦斯的绝对温度，K；
—抽采泵入口瓦斯的温度，℃；
根据以上公式计算得出，抽采泵的工况流量为13.5m3/min。
1.5.5 瓦斯抽采泵的真空度计算（i）

1.5.6 瓦斯抽采泵选型
根据抽采泵的选型原则和瓦斯抽采系统的各抽采参数，抽采系统系统选用ZWY20/30-G型瓦斯抽采泵，抽采流量在20m3/min以上。
2 瓦斯抽采方法与工艺
根据抽采方法的选择原则，提出该矿瓦斯抽放方法，详见表3。
表3 瓦斯抽放方法选择
抽放地点
抽放方式
理 由
备 注
采空区
瓦斯抽放
上隅角插管
爆破落煤期间易出现上隅角瓦斯超限
在工作面上隅角插入抽放管路，抽放上隅角瓦斯，抽放方法见图1
在采煤工作面回采时，由于回风顺槽的垮落滞后于工作面顶板的垮落，在回风顺槽向采空区深部方向总有一段巷道没有垮落，可利用该空间插入瓦斯抽放管路，对上隅角瓦斯进行抽放。上隅角插管抽放采空区瓦斯方法见图1该方法具有工艺简单，成本低的优点。

图1上隅角插管抽放采空区瓦斯方法示意图
3瓦斯抽采系统管路和设备布置及选型
瓦斯抽采泵站除应配置管路系统的控制阀门、测压嘴、孔板流量计和负压放水器等附属设施外，还应配置下列附属设施：
⑴ 在瓦斯泵进出气端管路上设置水封式防爆器和防回火装置，以熄灭燃烧火焰和释放爆炸能量，防止井下管路瓦斯爆炸波及范围扩大。水封式防爆器结构见图2防回火装置见图3

图2 水封式防爆器示意图

图3 防回火装置示意图
⑵ 泵站的出气端设置放空管，用来排放井下抽采管路自然排出瓦斯和泵站抽出的瓦斯。
⑶ 抽采泵房需设避雷装置。
⑷ 瓦斯抽采泵房内需采用水泵给水环式真空泵供应工作用水和冷却水环式真空泵的轴温。
⑸ 泵房内抽采管路上（进、出口）配置控制阀门、测压嘴、孔板流量计等附属装置。
⑹ 泵房内除配置U型管水柱计、U型管汞柱计、瓦斯检定器、气压计等检测仪表外，还应配备瓦斯抽采泵站监测系统，设立检测分站，对瓦斯抽采真空泵的供水、抽采泵的轴温进行监控，同时对瓦斯抽采浓度、负压和流量等进行监测。
4 瓦斯抽采泵站
4.1 地面瓦斯抽采泵站场地平面布置
瓦斯抽采场地的布置应严格按照国家所颁布的相关法律、法规执行，尽量不占用良田，有效利用现有的场地，平面布置整齐、合理，便于安装与维修。泵站建筑用地应符合国家现行《煤炭工业工程项目用地指标》的有关规定。
《煤矿瓦斯抽采工程设计规范》中对地面固定抽采泵站的位置选择要求是：泵站应设在不受洪涝威胁且工程地质条件可靠的地带，应避开滑坡、溶洞、断层、破碎带及塌陷区等；泵站宜设在回风井工业场地内，站房距井口和主要建筑物及居住区不得小于50m；泵站宜设置在靠近公路和有水源的地方；泵站宜留有扩建余地。此外，泵站周围20m范围内禁止堆积易燃物和有明火，还应考虑进出敷设管路方便，有利瓦斯输送及利用。
4.2 抽采泵站位置选择
瓦斯泵房属有爆炸危险的厂房，应选择交通便利，地势平坦的开阔地，有利于建筑物施工、抽采管路和电缆敷设。从利用角度考虑，距离工业区不能太远，以减少利用成本。
根据鸿运一井的实际情况，通过对现场实地勘察和征求矿方的意见，地面瓦斯抽采泵房建在风井的东部，距离风井距离50m以上。
4.3 泵房结构
本设计中瓦斯抽采泵房按照不同的功能划分成真空泵间、配电室、管道间和值班室等四部分。
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