李粮店矿井瓦斯抽放初设布置优化方案

一、瓦斯状况简述

李粮店矿井是河南十二五规划新建的年产240万t的在大型矿井。在勘探报告中钻了四个瓦斯检查孔，对二1煤进行了瓦斯压力测试，压力分别为0.59、0.90、0.95、0.58Mpa平均为0.76Mpa。略大于突出临界值0.74Mpa，其位井田西侧的赵家寨矿为低瓦斯矿井，王行庄矿为高瓦斯矿井，经预测矿井平均绝对瓦斯涌出量为60.91m3／min。该矿井应该为高瓦斯矿井并对矿井瓦斯抽放进行论证和安排。

图3－21　传感器系统示意图

二、瓦斯抽放的必要性

根据国家安全生产监督管理局2006年发布的《煤矿瓦斯抽放规范》（AQ1027－2006）4.1节规定，凡符合下列情况之一的矿井，必须建立地面永久抽放瓦斯系统或井下移动泵站抽放瓦斯系统：

（一）一个采煤工作面绝对瓦斯涌出量大于5m3／min或一个掘进工作面绝对瓦斯涌出量大于3m3／min，用通风方法解决瓦斯问题不合理的。

（二）矿井绝对涌出量达到以下条件的：

1.大于或等于40m3／min；

2.年产量1.0～1.5Mt的矿井，大于30m3／min；

3.年产量0.6～1.0Mt的矿井，大于25m3／min；

4.年产量0.4～0.6Mt的矿井，大于20m3／min；

5.年产量小于或等于年产量0.4Mt的矿井，大于15m3／min；

（三）开采有煤与瓦斯突出危险煤层的。

下面从三个方面详细分析本矿井瓦斯抽放的必要性。

1.从瓦斯涌出现状看抽放瓦斯的必要性

矿井开采二1煤层时，回采工作面平均相对瓦斯涌出量为8.31m3／t，平均绝对瓦斯涌出量38.25m3／min，回采工作面涌出量大于5m3／min以上；掘进工作面瓦斯涌出量为3.72m3／min，大于3m3／min。根据矿井瓦斯涌出量的预测结果，矿井达到2.4Mt／a时，矿井瓦斯涌出量为60.91m3／min，大于40m3／min。

因此，从李粮店煤矿的瓦斯涌出情况分析，李粮店煤矿已符合建立瓦斯抽放系统的必要条件，必须建立瓦斯抽放系统，采取瓦斯抽放措施，保证矿井安全生产。

2.从工作面通风能力来看瓦斯抽放的必要性

回采工作面的瓦斯涌出量高于通风能力所允许的瓦斯涌出量，单靠通风稀释无法达到设计产量时，即有下式成立，瓦斯抽放是必要的。

式中：q相—回采工作面相对瓦斯涌出量，m3／t；

q0相—通风所能稀释的相对瓦斯涌出量，m3／t；

A0—回采工作面产量，t／d；

Q0—回采工作面的通风能力，按Q0＝54m3／s；

C—《煤矿安全规程》允许的工作面瓦斯浓度，%，取C＝1；

K—回采工作面瓦斯涌出不均衡系数，取1.3；

根据上式确定的本矿回采工作面抽放瓦斯必要性结果见表3－9。如果不采取抽放瓦斯措施，回采工作面不可能达到设计的产量，因此回采工作面抽放瓦斯是必要的。

表3－9　回采工作面抽排瓦斯量

2.掘进工作面抽放瓦斯的必要性分析

在设计的掘进速度下，当掘进工作面通风能力小于稀释瓦斯所需的风量，即下式成立时，抽放是必要的。

Q0＜1.67·Q·K／C

式中：Q0—掘进工作面设计通风能力，10m3／s；

Q—掘进工作面瓦斯涌出量，3.72m3／min；

K—瓦斯涌出不均衡系数，K＝1.6；

C—《煤矿安全规程》允许的工作面瓦斯浓度，%，取C＝1；

经过计算，在设计的掘进速度下，掘进工作面通风能力小于稀释瓦斯所需的风量，因此应采取边掘边抽的方法进行瓦斯抽放。

综上所述，本矿在生产期间为达到设计产量，必须对回采工作面和掘进工作面进行瓦斯抽放。

3.从资源利用和环保的角度来看瓦斯抽放的必要性

煤层瓦斯主要为甲烷，是煤层形成过程中的一种伴生产物，煤层开采或掘进过程中涌出的瓦斯不仅对矿井安全生产产生威胁，而且破坏地球大气的臭氧层，污染大气环境。同时，瓦斯又是一种优质的能源，将抽出的瓦斯加以利用，可以变害为宝，不仅改善能源结构，而且减少了对环境的污染，目前国家大力提倡节能减排，节约能源，因此建立地面瓦斯抽放系统，进行瓦斯利用，可以取得显著的经济效益和社会效益。本矿利用抽放出的瓦斯，这对环境保护、资源利用及创收效益都是十分有利的。

三、抽放瓦斯的可行性

根据《矿井瓦斯抽采管理规范》（煤安字［1997］第189号）第19条、《煤矿瓦斯抽放规范》（AQ1027－2006）第7.2.1条的有关规定，衡量未卸压的原始煤层瓦斯抽放可行性指标有：煤层透气性系数（λ），钻孔瓦斯流量衰减系数（α）按λ、α判定煤层瓦斯抽放可行性标准如表3－10所示。

表3－10　煤层预抽瓦斯难易程度分类表

目前，李粮店煤矿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。根据新郑矿区矿井经验，李粮店煤矿二1煤层可抽性属难抽类型。

结合李粮店矿二1煤层为高瓦斯矿井的实际情况，同时考虑开采过程中采空区的涌出等因素，李粮店煤矿建立瓦斯抽采系统是可行的。

四、瓦斯抽放方法

（一）矿井瓦斯来源分析

矿井在开采二1煤层期间的瓦斯来源由以下三部分组成：回采工作面的瓦斯涌出、掘进工作面的瓦斯涌出和采空区（包括围岩）的瓦斯涌出。各瓦斯源涌出的瓦斯占矿井瓦斯的涌出比例与矿井的开采深度和矿井的生产接续布局、采掘强度等有关，根据矿井瓦斯涌出量预测结果，计算确定本矿生产时期的瓦斯涌出构成为：

回采工作面瓦斯涌出量38.25m3／min，占矿井涌出量60.91 m3／min的62.8%，掘进工作面瓦斯涌出量7.44 m3／min，占矿井涌出量60.91 m3／min的12.2%，采空区瓦斯涌出量15.22 m3／min，占矿井瓦斯涌出量60.91 m3／min的25.0%。

可以看出，本矿瓦斯涌出构成中以回采工作面和采空区瓦斯涌出为主，占全矿井瓦斯涌出量的88%左右，因此矿井的瓦斯治理重点应放在回采工作面上和采空区上。

（二）瓦斯抽放方法的选择

1.选择抽方法原则

抽放瓦斯方法、方式的选择，应根据瓦斯及煤层赋存情况、瓦斯来源、巷道布置方式、矿井开采技术条件、瓦斯基础参数等综合分析比较后确定。

（1）高瓦斯抽放率应采用开采层、采空区相结合的综合抽放方法。

（2）当井下采掘工作面所遇到的瓦斯主要来自开采层本身，只有抽放开采层本身的瓦斯才能解决问题时，应采用开采层瓦斯抽放。

（3）工作面后方采空区瓦斯涌出量大，危害工作面安全生产或老采空区瓦斯积存量大，向邻近的回采工作面涌出瓦斯量多，应采取空区瓦斯抽放。

（4）对瓦斯含量大的煤层，在煤巷掘进时，难以用加大风量稀释瓦斯，可在掘进工作开始前对煤层进行大面积预抽或采取边掘边抽的方法。

（5）对于煤层透气性较低，采用预抽方法不易直接抽出瓦斯，掘进时瓦斯涌出量不很大而回采有大量瓦斯涌出的煤层，可采用边采边抽或增大孔径和加密钻孔等方法。

（6）若围岩瓦斯涌出量大，以及溶洞、裂缝带储存有高压瓦斯时，应采取围岩石瓦斯抽放措施。

总之，确定瓦斯抽放的方法应先摸清瓦斯来源，采空区瓦斯及顶板瓦斯含量情况，结合矿井情况选用适合本矿井的抽放瓦斯方法。

2.抽放系统的选择

根据《煤矿瓦斯抽采工程设计规范》（GB50471－2008）第3.2条规定，凡符合下列情况之一时，应建立地面固定瓦斯抽采系统：

（1）开采有煤与瓦斯突出危险煤层的矿井；

（2）瓦斯抽采系统设计抽采量大于或等于2m3／min的矿井；

李粮店煤矿开采煤层二1煤层，矿井绝对瓦斯涌出量为60.91m3／min，预计矿井抽采量为24.77m3／min，因此矿井抽采系统应选择地面固定瓦斯抽采系统。同时设计结合郑煤集团其他矿井瓦斯抽采一般经验，矿井设计确定采用地面集中抽放与井下移动式抽放相结合的瓦斯抽放系统。

3.建议采用的抽放瓦斯方法

李粮店煤矿抽放瓦斯的目的是减轻矿井通风负担，保障安全生产和开发利用。考虑到李粮店煤矿瓦斯含量不是太大，其瓦斯涌出量主要来自于开采层和采空区，结合本矿开拓开采技术条件，可以采用的抽放瓦斯方法有：

本煤层瓦斯抽放；

采空区瓦斯抽放；

本煤层和采空区综合瓦斯抽放。

（1）掘进工作面抽放方法

根据掘进工作面瓦斯涌出量大小，可以采用巷帮挂耳抽放、超前抽放等方法。

①巷帮挂耳抽放

对瓦斯涌出量大、推进速度快的掘进工作面实施巷帮挂耳抽放，可以有效隔断巷道两侧卸压带瓦斯向巷道空间的涌出，减少巷道两侧卸压带瓦斯涌出量，同时对前方的煤体起到预抽作用，减少工作面前方破坏煤体向工作面空间的涌出。巷帮挂耳抽放钻孔布置如图3－22所示。

钻场布置参数如下：

A.钻场间距

根据钻孔深度确定钻场间距，保证10～15m的超前抽放距离，两帮钻场交错式布置。

B.钻场尺寸

钻场尺寸宽×高×深＝2.5m×2m×2m。

C.钻场支护

采用工字钢支护，棚距500mm，棚与棚之间打连锁，严防倒棚，顶部用木板背紧背实，严防顶煤跨落。

D.钻孔直径

钻孔直径75～90mm。

E.钻孔个数

每个钻场布置3～9个钻孔，控制巷道轮廓线外15m。

F.安全措施

钻孔施工过程中，要严格执行防尘、防瓦斯、防突、防机械电气伤人的安全技术措施，保证钻孔施工安全。

图3－22　掘进工作面巷帮挂耳抽放示意图

②超前抽放

对于瓦斯涌出量大的掘进工作面，可以在掘进工作面迎头施工钻孔进行超前抽放。超前钻孔布置如图3－23所示。

超前抽放应符合下列要求：

A.超前钻孔直径75～120mm，深度25～30m以上，钻孔5～12个，穿过工作面前方的应力集中带；

B.巷道轮廓四周的控制范围15m；

C.抽放后，掘进工作面前方煤层瓦斯含量应降低至8m3／t以下。

D.也可利用超前钻孔进行迎头抽放，按有效排放半径布孔，钻孔深度不小于15m，抽放时间应保证2h以上。

③开采层瓦斯抽放

图3－23　掘进工作面超前钻孔抽放示意图

根据李粮店矿二1煤层赋存条件、瓦斯来源、煤层瓦斯含量等瓦斯抽采基础参数及巷道布置方式，回采工作面采用开采层平行钻孔、交叉钻孔预抽、高位钻孔和采空区上隅角埋管抽采相结合的抽采方式，如图3－24所示。

在瓦斯抽放巷道，工作面顺槽均按一定的间距和形式布置有瓦斯抽放场，钻场，钻场的支护方式与所在布置巷道的支护方式相同，在巷道掘进的过程中同时准备好。

图3－24　回采工作面综合抽放示意图

A.平行及交叉钻孔预抽

a.布置方式

根据回采工作面的煤层地质条件和机风两巷的断面大小，采用顺煤层平行或交叉布孔方式，如图3－25所示。由工作面机巷施工上行钻孔，钻孔轴线平行于回采工作面煤壁。

b.钻孔布置参数

由回采工作面胶带和回风顺槽施工，钻孔间距2.0m。自距离工作面切眼5m起，沿胶带和回风顺槽每5.0m布置一个钻孔，直至工作面停采线为止。

c.钻孔参数

钻孔直径89mm，设计长度80～90m。

B.高位钻孔抽放

在回风顺槽每隔50～70m布置一个钻场，向工作面方向打高位钻孔，以抽上隅角瓦斯，如图3－26所示。

图3－25　平行钻孔布置示意图

说明：图中全部为顺煤层钻孔，钻孔间距一般为2m左右，钻孔深一般为80～90m。

图3－26　采面高位钻孔抽放示意图

a.钻场间距

回采工作面机风两巷钻场间距60m。

b.钻场尺寸

钻场尺寸宽×高×深＝2.5m×2m×2m，视钻孔布置施工需要可将钻场深度加深到3m。

c.钻场支护

采用工字钢支护，棚距500mm，棚与棚之间打连锁，严防倒棚，顶部用木板背紧背实，严防顶煤跨落。

d.钻孔布置方式

每个钻场设计布置10个钻孔，分上下2排布置，孔底设计间距为5m，控制范围为回采工作面斜长的一半以上。

e.钻孔直径

钻孔走私设计为75mm。

f.钻孔长度

钻孔长度设计为90m以上。

B.采空区埋管抽放

在回风巷抽放管的末端设一弯管，使抽放管口抬高至回风巷顶，并设木垛对其管口进行保护，以此形成埋管口。并在工作面的后部抽放管上每隔30～50m（合理数据需在试验中考察）安装一组三通、控制阀门及埋管口组件，接替埋管应深入改组埋管主管阀门以内6m左右，在工作面推进过程中，将埋管口保留在工作面的采空区，通过移动泵抽放系统对采空区瓦斯进行抽放。当工作面推进至下一个埋管口三通处，埋管口已经埋在采空区内3～6m时，将埋在采空区里的前一埋管段控制阀门关闭，打开下一循环的埋管口阀门，以此达到利用埋管不断抽放采空区的瓦斯的目的。

埋管抽放负压一般控制在3～5kpa，抽放瓦斯浓度可达15%～20%。如果开采过程中回采工作面上隅角瓦斯超限严重，抽放系统抽出的瓦斯浓度偏低，可以采用在工作面上隅角施工临时密闭的方式，减少瓦斯涌出量，提高瓦斯抽放浓度。临时密闭可以采用麻袋内装黄土垒成，密闭间隔根据实验确定，建议间隔与埋管接替同步。在工作面顶板冒落之前，把抽放瓦斯管直接插入采空区进行抽放，瓦斯管的末端约2m长的一般要有孔眼，同时要尽量靠近煤层顶板，使其处于高浓度瓦斯带。实测结果表明，采空区瓦斯最佳抽放位置在距工作面30～60m的范围内，如图3－27所示。

图3－27　回风巷隅角埋管抽放示意图

4.封孔方式、材料及工艺

（1）封孔方式：卷缠聚氨酯封孔。

（2）封孔材料：聚氨酯、抽放管及封孔麻布或毛巾布。

（3）封孔工艺：抽放管选用直径75mm的焊接钢管，长度5～8m，在管前端固定铁挡盘，套上木塞和橡胶垫圈，距前端橡胶垫圈0.8m处，再套上橡胶垫圈和木塞，并用铁线缠紧固定，还要在0.8m间距内的抽放管上固定一块毛巾布（长0.8m，宽0.67m）。

5.设备选型及主要检测器仪表配置

（1）钻机

煤矿瓦斯钻机应符合下列要求：

①电动机及附属电器设备必须是防暴的；

②钻机要体积小、轻便或解体方便，以利搬迁；

③钻机应能打水平、上向和下向任意角度的钻孔。

根据钻孔数量和钻孔施工参数，配备二台MYZ－200型钻机。

配套钻杆选用Ф50mm，每节长度1～2m的钻探钻杆，钻头选用三翼钻头。打外施工供水采用由地面供水池向采区直接敷设管路，利用静压水头直接供水，供水管路的敷设要与抽放管路敷设同步进行。

（2）主要检测仪器、仪表配置

井下抽放瓦斯主要检测仪器、仪表包括孔板流量计、U型水柱计（汞柱计）、瓦斯浓度检定器和高负压取样器等。

（三）抽采参数的确定

1.煤层瓦斯压力

根据地质报告资料，井田内20－2、30－1、52－2和52－3等4孔二1煤进行了瓦斯压力的测试，瓦斯压力分别为0.59、0.90、0.95、0.58Mpa，平均0.76 Mpa。

2.煤层瓦斯含量

二1煤瓦斯含量CH4为0.00～16.33mL／gr、平均2.48L／gr，其中首采区平均瓦斯含量10m3／t。

3.煤层透气性系数

李粮店地质勘探报告没有提供该区的煤层透气性系数，参照郑州矿区资料，郑州矿区二1煤层透气性系数λ一般在0.052m2／（Mpa2·d），属于较难抽放煤层。

4.百米钻孔瓦斯流量

钻孔瓦斯流量取13L／min·hm。（参考郑州矿区其他矿井）

（四）抽采率、抽采量、抽采时间预计

1.瓦斯抽放率预计

（1）回采工作面瓦斯抽放率确定

根据瓦斯涌出量预测，二1煤层综采工作面瓦斯平均相对涌出量8.31m3／t，平均瓦斯绝对涌出量为38.25 m3／min。根据《煤矿瓦斯抽采指标》（AQ1026－2006）中的规定，采煤工作面绝对瓦斯涌出量20～40 m3／min之间时，抽放率应大于等于40%，见表3－11。

表3－11　采煤工作面瓦斯抽采率应达到的指标

同时根据前面所述，回采工作面如果不采取抽放瓦斯措施，回采工作面不可能达到设计的产量，因此回采工作面需要首先采用抽排瓦斯，经计算回采工作面瓦斯抽放率应≥41%（见表3－11）。

综上所述并考虑回采工作面配风，设计回采工作面瓦斯抽放率定为45%，根据回采工作面瓦斯抽放率，回采工作面瓦斯抽放量为3.74m3／t，通风所稀释瓦斯量4.57 m3／t（即采用风排），可达到《煤矿瓦斯抽采指标》（AQ1026－2006）中的规定的采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量应达到的指标（见表3－12）。

表3－12　采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量应达到的指标

（2）矿井瓦斯抽放率确定据瓦斯涌出量预测，李粮店煤矿矿井瓦斯相对涌出量13.20m3／t，瓦斯绝对涌出量为60.91 m3／min。根据《煤矿瓦斯抽采指标》（AQ1026－2006）的规定矿井绝对瓦斯涌出量在40～80 m3／min之间时，抽放率应大于等于40%，见表3－13。

表3－13　矿井瓦斯抽采率应达到的指标

本矿井根据本煤层、采空区及掘进工作面抽放效果计算，全矿井瓦斯抽放率为41%，满足矿井瓦斯抽放率应达到的指标。

2.瓦斯抽采量预计

本矿井开采层（二1煤层）设计采用本煤层工作面顺槽顺层钻孔预抽及边采边抽。

根据本矿井瓦斯抽放方法，按照（AQ1027－2006）《煤矿瓦斯抽放规范》中各抽放方法工作面的抽放率（见表3－14），预计本煤层预抽瓦斯抽放量如下：

（1）回采工作面平行布孔、交叉布孔和扇形布孔抽放（本煤层顺层钻孔抽放）

表3－14　瓦斯抽放类型、方法、使用条件

续表

根据表3－14中所列，回采工作面采取上下顺槽打顺层钻孔或交叉钻孔抽放时，瓦斯抽放率为10%～30%，设计取30%。本煤层瓦斯涌出量为38.25m3／min，瓦斯抽放率按30%计算，这样矿井生产能力达到2.4Mt／a时本煤层瓦斯抽放量为38.25×30%＝11.48m3／min左右。

根据矿井巷道布置情况，回采工作面顺槽长度在1786m左右，设计钻孔间距5m，回采工作面预抽钻孔数量在360个左右，钻孔长度180m左右。预计单孔抽放瓦斯量在0.018m3／min·100m左右。

（2）边采边抽

根据表3－14中所列，在回采工作面预抽不充分，回采过程中采取边采边抽时，瓦斯抽放率为10～20%，设计取15%。

综上所述，根据矿井瓦斯涌出量预测，本煤层瓦斯涌出量为38.25m3／min，瓦斯抽放率为45%计算，这样矿井生产能力达到2.4Mt／a时本煤层瓦斯抽放量为38.25×45%＝17.21m3／min左右。

①采空区瓦斯抽放量预计

本矿井采空区抽放采取的有全封闭埋管抽放及半封闭式高位钻孔抽放，根据表3－21中采空区所采取的抽放方法对应的抽放率，本矿井采空区瓦斯抽放率按35%计算，瓦斯涌出量为15.22m3／min，则采空区瓦斯抽放量为15.22×35%＝5.33m3／min左右。

②掘进工作面瓦斯抽放量预计

本矿井掘进工作面采取的抽放方法有挂耳抽放及边掘边抽，根据表3－14，掘进工作面采区顶（底）板岩巷抽放时，抽放率为10%～30%；边掘边抽时，抽放率为20%～30%。

为此掘进工作面瓦斯抽放率按30%考虑。掘进工作面的瓦斯涌出量约m3／min 2m3／min，预计该时期矿井掘进工作面边掘边抽量为3.72×30%×2＝2.23m3／min。

③矿井瓦斯抽放量预计

按年抽放365天、日抽放24小时进行计算，矿井设计抽放瓦斯量为上述抽放量预计之和，即矿井抽放量为

17.21＋5.33＋2.23＝24.77m3／min

瓦斯抽放系统设计年抽放瓦斯量计算式为：

Qa＝Qd×N

式中：Qa—矿井设计年抽放瓦斯量，Mm3；

Qd—矿井设计日抽放瓦斯量［应根据矿井的采掘部署、矿井（采区、采掘、工作面）瓦斯涌出量预测、通风能力、选用的瓦斯抽放方法及其抽放率等来确定］，Mm3；

N—矿井设计年工作日数，d。

矿井实际年抽放瓦斯量为：

Qa＝24.87×1440×365＝13.07 Mm3。(www.xing528.com)

④抽放系统矿井及工作面瓦斯抽放率

矿井瓦斯抽放率是指矿井瓦斯抽放量占矿井瓦斯总涌出量的百分比（按矿井生产能力2.4Mt／a计算），计算公式：

式中η—矿井瓦斯抽放率，%；

qc—矿井瓦斯抽放量，m3／min；

qy—矿井瓦斯涌出量，m3／min；

本矿开采二1煤层，当和平能力达到2.40Mt／a时矿井及回采工作面瓦斯总涌出量预计分别在60.91m3／min及38.25m3／min左右，矿井及回采工作面瓦斯抽放量分别在24.77m3／min左右及17.21m3／min左右，矿井及回采工作面抽放率分别约在41%及45%左右。

⑤抽放系统服务年限

矿井煤层瓦斯可抽量为2995.74Mm3，年抽放量为13.07 Mm3，矿井瓦斯抽放年限为矿井服务年限。

3.工作面有效抽放时间预计

李粮店煤矿本煤层预抽抽放量为11.48m3／min左右（不含边采边抽），依据工作面钻孔布置，经计算单孔抽放瓦斯量应达到0.018m3／min·100m以上才能满足矿井抽放要求，钻孔瓦斯流量衰减系数为0.035d－1（地质报告未提供，参照本矿区内其他矿井）。从而，百米钻孔在不同时间t内可抽放的瓦斯总量（Qt）和钻孔抽放有效系数（K）按下式计算：

K＝（1－e－al）·100

式中：Qt—百米在t时间内可抽瓦斯总量，m3；

q0—百米钻孔初始瓦斯涌出量，m3／min·100m；

a—钻孔瓦斯流量衰减系数，取0.035d－1；

t—抽放时间，d；

K—钻孔抽放有效系数，%。

计算结果列于表3－15中。

表3－15　不同排放时间内百米钻孔排放瓦斯总量

由表中可以看出，当排放时间为60天时，排放总量已经达到极限排放量的87.8%。排放时间为90天时，排放总量已经达到极限排放量的95.7%，尽管再延长排放时间，抽放总量仍会增加，但增量不大，而且从矿井的采掘接续来看，也是不现实的。考虑到我国开采层预抽瓦斯目前的实际水平，本着尽量减小钻孔工程量又要保证抽放效果的原则，设计钻孔预抽时间为90天（即3个月）。

4.瓦斯抽放应达到的指标

根据计算钻孔有效抽放时间应为3个月，保证正常生产，抽采平衡，接替正常。经计算工作面配风在54m3／s时，本煤层抽采后煤层瓦斯含量应降到4.57m3／t以下。

5.提高矿井瓦斯抽放率主要措施

（1）开采层为人为卸压措施

低透气性、高瓦斯含量的单一煤层的瓦斯抽放，是煤矿瓦斯抽放技术中一直未能很好解决的难题。人为卸压抽放是指人为地增大煤层透气性，即扩大、沟通和产生新的裂隙通道一提高抽放煤层瓦斯效果的方法。

人为卸压抽放瓦斯方法的基本原则如下：

①在煤体无自由面的情况下，改善煤中裂隙的分布状况，使煤体中产生透气性良好的贯通裂隙，以提高整个煤层的透气性。

②在煤体有自由面的情况下，使煤体膨胀变形，以提高煤层的透气性。

③从煤层中取出部分物质，形成空洞使煤体卸压，扩大原有裂隙，并产生新裂隙以提高煤层透气性。

根据上述原则和现有的技术手段以及煤层条件，本矿井可采取以下两种人为卸压方法：

A.水力压裂、破裂卸压法

在钻孔揭穿煤层处，注入携带支撑剂（一般为石英砂）的高压水，在一定时间后瞬时卸压。如此反复卸压，使煤体在一定范围内形成无数微小裂缝，并由支撑剂支撑其微小裂缝而增大煤层的透气性，提高抽放率。

B.水力割缝、空穴卸压法

水力割缝是在钻孔进入煤层后，在孔内用高压水射流沿煤层层面割出一道裂缝，使其上下煤体松动卸压，增大透气性。

（2）对于煤层透气性较低，采用预抽方法不易直接抽出瓦斯，掘进时瓦斯涌出量不很大而回采有大量瓦斯涌出的煤层，可采用边采边抽或增大孔径和加密钻孔等方法。

六、瓦斯抽采管路系统和抽采设备

（一）设计依据

本矿井为高瓦斯矿井，根据矿井抽采方法分设高、低负压抽采系统。高负压抽采系统按照抽采纯量19.44m3／min，抽采瓦斯浓度12%，钻场孔口负压16kpa进行计算和设备选型。低负压抽采系统按照抽采纯量5.33m3／min，抽采瓦斯浓度8%，钻场孔口负压8kpa进行计算和设备选型。

（二）瓦斯抽采管路选择

1.抽采管路系统选择的原则

为了进行瓦斯抽采，必须在井上、下敷设完整的抽采管路系统，以便把瓦斯抽出并输送至地面利用。在布置抽采管路系统时，应遵循以下原则：

（1）抽采管路系统，应根据井下巷道的布置、抽采地点的分布、地面瓦斯泵站的位置、瓦斯利用的要求以及矿井瓦斯抽采方法及长远发展规划等因素统筹考虑，尽量避免或减少以后在主干管路系统进行频繁改动。

（2）瓦斯管路应敷设在曲线段最少、距离最短的巷道中。

（3）瓦斯管路应尽量敷设在矿车不经常通过的巷道中，避免撞坏漏气，故一般放在回风系统的巷道中为宜。若设在运输巷道内，应按规定将管路架设一定高度并加以固定，防止机车或矿车一旦掉道不至于撞坏管子。

（4）所布置的抽采设备或管路一旦发生故障，管路内瓦斯不得流入采、掘工作面和井下硐室。

（5）管路布置应考虑到运输、安装、维修和日常检查的方便。

（6）抽采管路系统中必须安装调节、控制、测定、防爆、防回火装置。

（7）符合《煤矿安全规程》的要求，保证与其它管线的安全距离。

2.抽采管路系统的确定

（1）抽采管路布置

为了达到良好的抽放效果，设计采用地面和井下两套抽放系统实现分源抽放，两套抽放系统用于抽放不同地点的瓦斯，地面瓦斯抽放系统用于本煤层预抽、边掘边抽和高位钻孔抽放；井下移动抽放系统用于采空区卸压抽放。

矿井采用中央分列式通风系统，设北风井，即由副井、主井进风，中央回风立井回风。为了不影响矿井安全生产，设计北风井敷设抽放瓦斯主干管路至井下。因此，选择的抽放管路系统为：

根据矿井开拓布置、抽采方法及以上管路布置原则，矿井初期将高负压瓦斯抽采泵站设置在北风井地面工业场地内，抽采主管路沿北风井井筒、总回风斜巷和西二采区1号回风平巷、回风上山敷设，中途安装若干阀门与抽采支管连接，抽采支管分别沿工作面运输顺槽、回风顺槽和掘进工作面敷设，并与钻场连接。

井下低负压瓦斯抽采泵站初期设在井下－515m水平，西二采区胶带运输上山与西二采区2号回风上山之间，瓦斯抽采管路沿工作面轨道顺槽敷设。泵站瓦斯输出管路通过阀门与地面抽采管路系统相连接，抽出的瓦斯既可引排到西二采区2号回风上山，也可和地面瓦斯抽采系统串联抽采。

（2）抽采管道管径、材质、规格

瓦斯管直径选择的恰当与否，对抽采瓦斯系统的建设投资及抽采效果均有很大影响，直径太大，投资太多，直径过细，阻力损失大。根据各段抽采管道的流量、安全流速进行计算，计算公式为：D＝0.1457（Q／W）1／2，兼顾后期瓦斯抽采量增加，抽采管路选型如下：

①高负压瓦斯抽采管路

抽采主管路管径采用DN500mm，考虑到使用期限及防腐等因素，地面及井筒段采用无缝钢管，井下主管路和抽采支管分别选用DN500mm、DN300mm聚乙烯瓦斯抽采管。矿井也可以选择相同内径的具有煤安标志和符合瓦斯抽采规范要求的其他材质管材。

②低负压瓦斯抽采管路

低负压抽采管连用DN300mm聚乙烯瓦斯抽采管。矿井也可以选择相同内径的具有煤安标志和符合瓦斯抽采规范要求的其他材质管材。

③瓦斯抽采管路的连接

高、低负压瓦斯抽采主管路均采用法兰连接（井筒内为套管焊接连接），抽采支管采用快速管接头机械连接，管路可回收重复利用。根据瓦斯抽采量，主管路只敷设一趟。

（3）抽采管路阻力计算

①高负压瓦斯抽采管路系统

根据高负压瓦斯抽采管路系统长度及各段管路直径，经计算，直管段最大摩擦阻力H＝13187Pa，管网局部阻力Hj＝1978Pa，抽采系统管路网最大阻力Hz＝15165Pa。

②低负压瓦斯抽采管路系统

根据低负压瓦斯抽采管路系统及各段管路直径，经计算，直管段最大摩擦阻力H＝8069Pa，管网最大局部阻力Hj＝1614Pa，抽采系统管路网最大阻力Hz＝9683Pa。

（4）管路敷设及附属装置

煤矿井下的环境条件较恶劣，且巷道高低不平，坡度大小不一，巷道受压变形，空气湿润易锈蚀等，因此，对井下瓦斯抽采管路的敷设有如下要求：

①瓦斯管路应采取防腐、防锈蚀措施；

②管路底部应垫木垫，垫起高度不低于30cm，以防底鼓损坏管路；

③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；

④管路敷设要求平直，坡度一致，尽量减少弯头、气门等附属管件；管径应尽量统一，变径时设过渡节；避免急转弯，转弯时角度不应小于90°；

⑤主要运输巷道中的瓦斯管路架设高度不小于1.8m；

⑥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，低洼处需安设放水器；

⑦新敷设的管路应进行气密性检查。

地面敷设管路除符合井下管路的有关要求外，尚需符合下列要求：

①冬季寒冷地区应采取防冻措施；

②瓦斯管路不宜沿车辆来往频繁的主要交通干线敷设；

③瓦斯管路不允许与自来水管、暖气管、下水道管、动力电缆、照明电缆和电话电缆等同敷设于一个地沟内；

④在空旷地带敷设瓦斯管路时，应考虑到未来的发展规划和建筑物的布置情况；

⑤瓦斯主管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1.5m，距铁路大于4m，距木电线杆大于2m；

⑥瓦斯管不宜穿过其它管路，确需穿过，应加钢套管。

根据上述要求，结合本矿井情况，选择管路敷设方式和附属装置如下：

①管路敷设

地面管路采用地沟敷设方式，考虑到该地区的降水量以及工业广场的地质情况等，设计地沟深度为1.5m，宽度为2.0m，敷设时预留1‰的流水坡度。

根据井下瓦斯抽采管路的敷设路径，管路分别采用架设或垫墩支撑。垫墩高度不小于300mm。在倾斜巷道内，应设拉紧装置，并保证每节管子下面有两个垫墩，并用管卡加以固定。在运输巷为了安全及不影响正常生产，管路敷设采用支撑吊挂方式。在变坡处要安装放水器，巷道分叉处将管路架空，用锚杆、卡子固定在巷道邦上，以不影响行车和行人。

②管路防腐及地面管路防冻措施

A.为防止瓦斯管路锈蚀，安装前应对管内外涂刷防腐剂，以防管路锈蚀；

B.地面管路沿地面埋设，深度为1.5m，根据本区气象条件和冻土深度，可不采用防冻、保温措施。

③附属装置

A.主管、分管、支管及其与钻场连接处装设有瓦斯计量装置。

B.在抽采管路的适当位置设置了管路防滑装置、调节阀门、排渣器和测压装置。

C.抽采钻场、管路拐弯、低洼、温度突变处及沿管路适当距离（间距一般为200～300m，最大不超过500m）设有放水器。

D.抽采管路分岔处设有控制闸门，阀门规格与安装地点的管径相适应。

E.地面主管阀门设置在地表以下，不燃性材料砌成的不透水观察井内。

（三）抽采设备选型

1.抽采设备选型原则

（1）瓦斯泵的流量必须满足矿井抽采期间预计最大瓦斯抽出量的需求；

（2）在抽采期间，瓦斯泵的负压必须能克服管路系统的最大阻力；

（3）瓦斯泵要具备良好的气密性；

（4）抽采设备配套电机必须防爆。

2.瓦斯抽采设备选型

（1）高负压瓦斯抽采设备

①瓦斯泵流量计算

瓦斯抽采纯量为19.44m3／min，抽采浓度按12%计算，抽采能力富裕系数K＝I.5，所需抽采泵流量为：

式中：

Q—瓦斯泵的额定流量，m3／min；

Qz—抽采瓦斯纯量，19.44m3／min；

X—瓦斯泵入口处的瓦斯浓度，12%；

K—抽采能力富裕系数，K＝I.5；

η—瓦斯泵的机械效率，一般取0.8。

②抽采系统压力计算

根据抽采管网系统阻力计算值15165Pa、钻孔负压值16000Pa以及井上泵出口至用户使用压力15000Pa的要求，抽采泵必须产生的压力：

Hb＝K’×（Hz＋H钻孔＋Hc）＝1.2×（15165＋16000＋15000）＝55398Pa

式中：

Hb—抽采系统压力，Pa；

K’—抽采系统压力富裕系数，K’＝1.2；

Hz—管网系统阻力，15165Pa；

H钻孔—瓦斯抽放钻场孔口负压，16000Pa；

Hc—泵出口至用户使用压力，15000Pa。

③抽采泵工况压力计算

P＝101300－55398＝45902Pa

④瓦斯抽采泵真空度

⑤瓦斯抽采泵的确定

根据抽采设备必须产生的流量、压力，抽采设备可选用回转式鼓风机和水环式真空泵两种方案。回转式鼓风机运行稳定，供气均匀。但运行噪音大，压力高时磨损严重，气体漏损较大，故不予推荐。结合本矿井抽采煤层透气性较差，抽气量不大的特点，设计推荐采用水环式真空泵作为本矿瓦斯抽采设备，该方案的优点是：设备结构简单，运转可靠，工作轮内充满水，起防爆阻焰作用，安全性高。

通过查验有关真空泵性能曲线，选择2BEC62型水环式真空泵2台，1台工作，1台备用，采用减速器传动，真空泵转速290r／min，最低吸入绝压16kPa，最大抽气量约316m3／min。真空泵配YB2450－4型隔爆电动机l台，功率400kW，电压10kV，转速1480r／min。抽采泵房内另预留一台抽采泵安装位置。

（2）低负压瓦斯抽采设备

①瓦斯泵流量计算

瓦斯抽采纯量为5.33m3／min，抽采浓度按8%计算，抽采能力富裕系数K＝1.3，所需抽采泵流量为：

式中：

Q—瓦斯泵的额定流量，m3／min；

QZ—抽采瓦斯纯量，5.33m3／min；

X—瓦斯泵入口处的瓦斯浓度，8%；

K—抽采能力富裕系数，K＝1.3；

η—瓦斯泵的机械效率，一般取0.8。

②抽采系统压力计算

根据抽采管网阻力计算值9683Pa，钻场孔口要求的负压值8000Pa，以及抽采泵出口正压5000Pa的要求，抽放泵必须产生的压力约为：

Hb＝K’×（Hz＋H钻孔＋Hc）＝1.6×（9683＋8000＋5000）＝36293Pa

式中：

Hb—抽采系统压力，Pa；

K’—抽采系统压力富裕系数，K’＝1.6；

Hz—管网系统阻力，9683Pa；

H钻孔—瓦斯抽放钻场孔口负压，8000Pa；

Hc—抽采泵出口正压，5000Pa。

③抽采泵工况压力计算

P＝101300－36293＝65007Pa

④瓦斯抽采泵真空度

⑤瓦斯抽采泵的确定

通过查验有关真空泵性能曲线，选择2BEC42型水环式真空泵2台，1台工作，1台备用，泵转数490r／min，最低抽采绝压16kPa，最大抽气量约153m3／min。抽放泵配YB2400－4型隔爆电动机1台，功率220kW，电压10kV，转速1480r／min。

（四）附属装置

1.主要配备设备

地面瓦斯抽采站内设有水环真空泵、气水分离器、管路、阀门、电气控制等设备。泵站及管路还设有防雷、防静电、防爆、防回火、防回气和瓦斯抽采监控系统等安全设备。

抽采泵房设防爆式屋顶风机。真空泵采用循环水系统，配IS100－80－250D型水泵2台。为方便安装与检修，泵房内配备SDQ－3型16t手动单梁起重机l台。

在地面抽采泵站出气端管路上设置放空管，放空管直径大于抽采泵进出口直径并安设阀门进行控制，放空管高度不小于10m且高于周围建筑物3m以上。在进气端主管和分支管路上均安设有阀门进行控制，在进、出气端分别安设自动放水器和防爆、防回火器等附属装置。

2.瓦斯抽采设备的供电电源

瓦斯抽防泵站电源引自风井广场10kV变电所，高低压电源均采用双回路。高低压配电设备均采用矿用防爆型设备，满足一类设备供电要求及泵站设备防爆要求。

3.监控系统及主要传感器和执行器

依据《煤矿安全规程》及《煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范》要求，瓦斯抽放泵站配备一套泵站监测监控系统。对瓦斯抽放泵机的入口、出口瓦斯浓度，入口负压，出口压力，出入口温度、流量，泵机轴承温度，冷却水系统等进行检测。对泵机设备开停、循环水泵开停、进行监视。为防止泵站瓦斯泄露，在泵站屋顶设备低浓度瓦斯传感器对泵站环境检测，保证泵机运行安全。

4.防雷要求及措施

依据有关规范要求及泵站布置，泵站防雷按一类防雷设防，泵站防雷采用独立避雷针保护。泵站内瓦斯管路按要求设置防静电接地。

（五）抽采泵站的位置及布置

地面瓦斯抽采泵站设在北风井工业广场，附近地势平坦、无地质灾害和气象灾害影响的区域。