采空区埋管抽放方案设计

采空区埋管抽放设计秦源煤矿瓦斯治项目理课题组2010年1月10日目录1概述............................................................12采空区瓦斯抽采概况..............................................13采空区埋管抽放瓦斯技术原理......................................34瓦斯抽采技术方案................................................35瓦斯抽采工艺参数................................................56瓦斯抽放站布置..................................................76.1瓦斯抽放站设置规定............................................76.2瓦斯抽放站布置................................................87工作面防火设计.................................................107.1采空区防灭火设计.............................................107.2管理制度.....................................................118工作面监控设计.................................................1111概述采空区的瓦斯涌出是回采工作面瓦斯来源的重要组成部分，一般它占总涌出量的20～80%，控制和管理好这部分瓦斯涌出，对保证工作面的安全生产具有重要意义。图1为采用后退式U型通风方式工作面采空区流场和瓦斯浓度分布的一组模拟试验结果，从图中可以看出，由于沿工作面进入采空区的风流携带采空区的瓦斯大部分从上隅角附近返回工作面，致使上隅角附近的瓦斯浓度较高。当回风巷风流中的瓦斯浓度达到0.5～0.6%时，在工作面的上隅角就可能出现瓦斯浓度超限现象（瓦斯浓度大于1.0%）；若风巷回风流中的瓦斯浓度进一步升高，在工作面上隅角的瓦斯超限值也进一步增多，同时超限区域也将扩大。这样，工作面上隅角就成为重大瓦斯灾害隐患和瓦斯事故的高发区域，它严重威胁着整个工作面甚至采空区的安全、限制了回采工作面的产量、机电装备能力的发挥和经济效益的改善。近年来，由此引发的恶性瓦斯爆炸事故增多，教训极为深刻，引起人们对采空区瓦斯治理的高度重视，并被列为急待解决的煤矿安全问题之一。图1U型通风方式采空区风流及瓦斯浓度分布(a)—流场分布；(b)—瓦斯浓度分布2采空区瓦斯抽采概况采空区的瓦斯来源主要有：在采空区遗留未回收的煤体所含的瓦斯和上、下邻近煤（岩）层、围岩受采动影响涌出的卸压瓦斯。卸压瓦斯在采空区的分布主要受两类因素影响：①地质与采动因素，由于各含瓦斯煤（岩）层的瓦斯含量不同，它们距开采层距离以及层间岩性和结构等也不同，它们所受采动影响（变形、破坏、卸压）的剧烈程度和滞后时间就不同，卸压瓦斯涌入采空区时落后于工作面的距离、时间、涌出强度大小和变化规律也不同；②通风与阻力因素，采空区0.05%0.5%3%10%20%Q=781(l/min)qCH4=5.1(l/min)(a)(b)2内风流分布除与工作面的风压、风量以及工作面与采空区联通程度有关外，还与采空区空间位置上的顶板岩石的冒落情况、空洞的压实程度等密切相关。因此，必须掌握采空区瓦斯浓度的分布和变化规律，才能对采空区的瓦斯涌出实施有效的控制与处理。采空区又是遗煤可能产生自然发火的区域，秦源煤矿煤层有自然发火危险，控制最优抽采量和最佳抽采管口的位置，既有利于解决瓦斯问题，又能防止自然发火。目前抽采采空区瓦斯的方法较多，按回风巷的数量可分为两类，共七种方法：(1)留有煤柱的双回风巷工作面①利用尾巷或底板岩巷作为钻场，直接向采空区冒落拱打钻孔，抽采采空区瓦斯；②利用尾巷和回风巷之间联络巷的密闭墙，插管进行瓦斯抽采。(2)只有单一回风巷的工作面①利用地面垂直钻孔抽采采空区瓦斯；②利用专门的顶板巷道抽采采空区瓦斯；③利用顶板水平长钻孔抽采采空区瓦斯；④利用回风巷顶板侧的钻场，打伸向采空区的迎面钻孔抽采采空区瓦斯；⑤沿风巷在采空区内埋管抽采采空区瓦斯。以上七种方法各有其优缺点和适用条件，需根据不同的开采条件选用其中一种方法或两种方法的组合。相比较而言，埋管抽采法具有工程量较小，工期较短，工艺简单，费用低，效果较好等优点。由于它要在掌握采空区瓦斯涌出与风流运动规律的基础上，运用能在采空区恶劣复杂环境条件下可靠地实现抽采瓦斯管路支管的开关的遥控和四防（防爆、防渣、防水和防砸）技术，并在防止自然发火的条件下达到最佳的抽采效果，这在技术上是有相当的难度。表1采空区埋管抽采最大瓦斯抽采量计算序号管路直径(mm)抽采浓度(%)经济流速(m/s)瓦斯抽采量(m3/min)110020121.121502.532004.5表1给出了不同埋管直径条件下采空区最大瓦斯抽采量计算结果，从表中可以看出，采空区瓦斯抽采量主要取决于抽采浓度和埋管直径，在相同瓦斯浓度条件下，埋管直径越大，瓦斯抽采量越大。埋管直径200mm时，瓦斯抽采量为4.5m3/min。说明埋管法抽采瓦斯量是有限的，采空区瓦斯涌出量较小时可以单3独使用，采空区瓦斯涌出量较大时可以配合其他抽采法综合使用。3采空区埋管抽放瓦斯技术原理走向长壁工作面，全面跨落法管理顶板，采用“U”通风形式，上隅角是最容易积聚瓦斯的地方，存在安全隐患。上隅角瓦斯抽采技术是针对回采工作面上隅角特定范围采取的一种局部辅助抽采措施，其核心内容是消除上隅角局部可能积聚的高浓度瓦斯。4瓦斯抽采技术方案根据秦源煤矿综放面周围巷道布置及该采面现有瓦斯抽采管路布置形式，结合国内外现有采空区瓦斯抽采方法的分析，拟采用的瓦斯抽采技术方案为后退式风巷预埋管法抽采采空区瓦斯的技术方案。随着回采工作面的移动，将抽采管路预埋在采空区的风巷位置，根据已有的研究经验，预埋管抽采管口距工作面的距离在30米左右时投入抽采，抽采管口的间距暂定为30米，为了减少采空区漏风和提高抽采效果，预备在采空区上下两巷位置进行密闭，密闭位置距抽采管口5米左右，密闭的间距15米。为了提高抽采效果，预埋管路应做到四防（防水、防渣堵塞、防爆、防砸），抽采管口用木垛保护，以使抽采管路处于可靠的工作状态。为了确保抽采效果，应能对预埋管抽采管口进行控制，可采取以下三种方法中的一种：(1)双埋管法：如图2所示，当第一条埋管达30米时，预埋第二条管路，在第一条管路的60米处用三通和阀门与第二条管路相接，此时第二条管路处于关闭状态，当工作面推过第二条管路管口30米时，打开第二条管路的阀门并投入抽采，依次类推。该方法的优点在于控制简单，缺点是管材消耗较大，不能根据实际情况对瓦斯抽采口进行调节。(2)气动阀门控制法：如图3所示，通过远控，实现采空区内部各个抽采管口的气动阀门的开闭。该方法的优点是可节省预埋管路，能够根据实际情况对瓦斯抽采口进行调节。但需要安设价格相对较高的气动阀门，且对施工工艺质量要求较高。4图2采空区瓦斯抽采方式一图3采空区瓦斯抽采方式二(3)远控胶囊控制法：如图3所示，基本原理同方法(2)，远控胶囊的优点是可节省预埋管路，价格便宜，能够根据实际情况对瓦斯抽采口进行调节。但需要自制或定做，且对施工工艺质量要求较高。三种控制方式的对比，如表2所示。15m30m15m30m采空区回风上山回风巷30m采空区瓦斯抽采管路工作面瓦斯抽采泵控制阀门瓦斯抽采头密闭30m采空区回风上山回风巷30m30m采空区瓦斯抽采管路工作面瓦斯抽采泵瓦斯抽采口远控阀门5表2采空区瓦斯抽采控制方式对比对比项目控制方式一控制方式二远控气动蝶阀远控气动胶囊控制方式采用普通手动蝶阀在采空区外面对瓦斯抽采头进行调节气动蝶阀安装在瓦斯抽采头上，通过安装在管路内部的软胶管，在采空区外面对瓦斯抽采头进行调节气动胶囊安装在瓦斯抽采头上，通过安装在管路内部的软胶管，在采空区外面对瓦斯抽采头进行调节成本阀门价格400～600元，相对较低，但增加了管路的费用阀门价格φ150mm为2400元，φ200mm为3200元，相对节省了管路费用初步估算气动胶囊的价格为300元，相对节省了管路费用优点控制方式简单、可靠能够根据实际情况对瓦斯抽采口进行调节能够根据实际情况对瓦斯抽采口进行调节缺点不能根据实际情况对瓦斯抽采口进行调节，管材耗量大对施工工艺质量要求较高对施工工艺质量要求较高5瓦斯抽采工艺参数试验初步设计，采空区上隅角瓦斯抽采需解决的瓦斯量确定为2.0m3/min左右。采空区瓦斯抽采的瓦斯浓度20%，取20%进行计算，则瓦斯抽采管中的流量10m3/min。根据初步拟定的技术方案，采用后退式预埋管法，采空区抽采工艺参数如下。1）抽采瓦斯管径抽采瓦斯管径的计算公式为：5.0)/(1457.0VQd(1)式中，d为抽采管内径，m；Q抽采管内瓦斯混合流量，m3/min；V为抽采管内瓦斯流速，一般为5~15m/s。将/minm103Q，m/s12V代入式（1）计算可得133.0dm，取6寸管即15.0dm。2）抽采口的设计抽采口结构示意图见图3。3）瓦斯泵流量瓦斯泵流量计算公式为：6CCPKCQQ(2)式中，PQ瓦斯泵流量，m3/min；CQ为最大瓦斯抽采量之和，m3/min；C为瓦斯浓度，%；为瓦斯泵的机械效率，%；CK为流量备用系数。将/minm0.23CQ，%20C，%80，2.1CK代入式(2)计算可得15PQm3/min，即瓦斯泵的流量应为15m3/min。图3抽采口结构示意图4）瓦斯管路阻力瓦斯管路阻力一般包括沿层阻力和局部阻力。沿程阻力一般可采用下式计算：52181.9KdQLKH(3)保护套保护网连接法兰远控胶囊抽采主管三通胶囊座保护木垛7式中，1H为沿程阻力，Pa；L为管路长度，m；K为混合瓦斯对空气密度比；Q为管道内流量，m3/h；d为抽采管内径，cm；K为系数，抽采管路直径150mm时取0.7。将m1400L、7162.0K、/hm9003Q、7.0K、cm15d代入（3）计算可得kPa151H。局部阻力一般取沿层阻力的15%左右，可得kPa25.22H。总阻力为：321HHHH式中，3H为孔口负压，一般为2.7～5.3kPa，取4.0kPa；则抽采管路总阻力为kPa25.210.425.215H。瓦斯泵选择参数为：m3/min15PQ，kPa25.21H。建议选用SK—27型或2YK—27型水环式瓦斯泵，其参数如表3所示。表3瓦斯泵性能参数表瓦斯泵型号流量(m3/min)转速(r/min)电动机功率(kW)供水量(L/min)口径(mm)负压(mmHg)0-400-450-500SK—272725．825．424．9490401402002YK—2728．524．6490402102005）采空区两道密闭采空区两道密闭布置如图1所示，密闭材料采用就地取材的原则，即采用编织袋装碎煤进行。为了防止煤炭自燃，在所装碎煤中应加入一定量的阻化剂。密闭长度沿工作面倾斜方向10m，以保证密闭效果；密封工作在端头支架拆除前进行，密闭宽度在1.5～2.0m，具体参数根据实际工作情况加以调整。6瓦斯抽放站布置6.1瓦斯抽放站设置规定(1)《煤矿安全规程》规定抽放瓦斯泵的吸气侧管路系统中必须装设有防回火、防回气、防爆炸作用的安全装置。可在瓦斯泵的吸气侧以及放空管上安设具有“三防”性能的防爆阻火器，并定期检查，保持性能良好。(2)为了便于控制抽放参数和维修管路，在抽放管路中应应安设一定数量的8阀门。在主管内每隔50～100m安设1个阀门，在管路的分岔和汇流地点也应安设阀门。