瓦斯抽放设计课程设计.docx
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瓦斯抽放设计课程设计
目录
第一章工作面概况1
第一节采区位置范围、地质条件1
第二节煤层瓦斯参数和抽放瓦斯参数1
第三节采区和工作面巷道布置、采煤方法1
第二章瓦斯储量计算、抽放瓦斯必要性论证1
第一节煤层瓦斯储量计算1
第二节工作面可抽放量计算和抽放必要性可行性论证2
第三章煤层瓦斯抽放方法设计3
第一节抽放方法的比较和选择3
第二节抽放钻孔参数确定4
第三节绘制抽放钻孔布置平面图和剖面图4
第四章工作面瓦斯抽放系统5
第一节工作面瓦斯抽放设施的配置和布置5
第二节抽放管路的计算和选择5
第五章瓦斯泵选型6
第一节抽放系统管道阻力计算6
第二节瓦斯泵流量和压力计算7
第三节瓦斯泵选型确定7
第六章工作面瓦斯抽放安全技术措施8
第一章工作面概况
第一节采区位置范围、地质条件
本煤采区开采某煤层(2号),煤层厚度为5m;赋存稳定,倾角为15°顶板为砂质泥岩,岩层不能致密,上覆1号煤层50m,煤厚2m。
本区域本区有小断层,对开采影响不大。
工作面走向长度1500m、倾向长度120m,停采线至回风上山距离150m,采区回风上山长度1800m。
局部弯头长度100m,工作面日产量3000t。
第二节煤层瓦斯参数和抽放瓦斯参数
(1)煤层瓦斯参数
1号煤层瓦斯含量为12m3/t.r,煤的密度为1.45t/m3,水分0.2%、灰分21%、挥发份15%;2号煤层瓦斯含量为11.5m3/t.r,煤的密度为1.32t/m3,水分1.2%、灰分18%、挥发份17%。
(2)抽放瓦斯参数
2号煤层透气性系数λ=0.0276(m2/MPa2.d),如用未卸压长钻孔预测抽煤层瓦斯,百米钻孔瓦斯抽和量为0.01m3/min·hm。
第三节采区和工作面巷道布置、采煤方法
采用走向长壁全部跨落顶板管理法,工作面后退式倾斜一次开采,巷道布置如图1所示。
第二章瓦斯储量计算、抽放瓦斯必要性论证
第一节煤层瓦斯储量计算
根据已知条件:
2号煤层瓦斯含量为11.5m3/t.r,煤的密度为1.32t/m3,水分1.2%、灰分18%、挥发份17%; 1号煤层瓦斯含量为12m3/t.r,煤的密度为1.45t/m3,水分0.2%、灰分21%、挥发份15%。
可以得到原始瓦斯含量,公式如下:
式中:
Q原——矿井原始瓦斯含量,m³/t;
Q可燃基——可燃基瓦斯含量,m³/t.r;
Mad——水分;
Ad——灰分。
可得:
可采层瓦斯储量:
式中:
Q原2——2号煤原始瓦斯含量,m³/t;
L——2号煤工作面走向长度,m;
H——煤层厚度,m;
D——2号煤倾向长度,m;
ρ——2号煤的密度,t/m³。
可得:
=9.292×1500×5×120×1.32
=1104(万t)
第二节工作面可抽放量计算和抽放必要性可行性论证
(1)工作面可抽放量计算
相对瓦斯涌出量q可由以下公式求得:
式中:
WC——可燃基残存量,m³/t
可燃基残存量可根据表2-1查取
表2-1
q=9.292-3.2×(100-1.2-18)/100=6.7064
可采抽瓦斯总含量W可:
W可=q×L×H×D×ρ
=6.7064×1500×5×120×1.32
=7967203.2(m³)
预抽纯量Q纯:
Q纯=W可/(24×60×330)=16.766(m³/min)
抽放量Q:
Q=Q纯/0.4=41.915(m³/min)
(2)瓦斯抽放的必要性可行性论证
1.抽放瓦斯的必要性
根据供风量为1500m³/min,工作面瓦斯浓度按0.6%计算风排瓦斯量Qp=Q×C=1500×0.6/100=9m3/min。
而工作面绝对瓦斯涌出量为16.766m3/min,如不可抽放瓦斯,则工作面的瓦斯浓度将超限,尚需抽放瓦斯量=QCH4-Qp=16.766-9=7.766m3/min工作面瓦斯浓度才能维持0.6%
2.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判断本煤层瓦斯抽放可行性标准如表2-2示。
表2-2本煤层预抽瓦斯难易程度分类表
根据已知条件,2号煤层透气性系数λ=0.0276(㎡/MPa2·d),2号煤属于较难抽采煤层,如不采取其他技术措施,基本不具备预抽本煤层瓦斯的可能性,因此,我们要选取合适的抽采方法来治理工作面的瓦斯超限。
第三章煤层瓦斯抽放方法设计
第一节抽放方法的比较和选择
(1)抽放方法的分类和选择瓦斯抽放方法的规定:
a.按抽出瓦斯来源分:
本煤层抽采、邻近层抽采、采空区抽采。
b.按被抽采煤层的卸压状况分:
原始煤体未卸压预抽瓦斯;煤层卸压后抽瓦斯。
c.按抽采瓦斯源的汇集工程方法分:
抽采瓦斯钻孔法、抽采瓦斯巷道法和抽采瓦斯钻孔巷道综合法。
根据《MT5018-96矿井瓦斯抽放工程设计规范》第4.1.1条规定:
选择抽放瓦斯方法,应根据煤层赋存条件、瓦斯来源、巷道布置、瓦斯基础参数、瓦斯利用要求等因素经技术经济比较确定。
并应符合下列要求:
a)尽可能利用开采巷道抽放瓦斯,必要时可设专用抽放瓦斯巷道;
b)适应煤层的赋存条件及开采技术条件;
c)有利于提高瓦斯抽放率;
d)抽放效果好,抽放的瓦斯量和浓度尽可能满足利用要求;
e)尽量采用综合抽放;
f)抽放瓦斯工程系统简单,有利于维护和安全生产,建设投资省,抽放成本低。
根据《AQ1027-2006煤矿瓦斯抽放规范》第7.1.2条规定:
按矿井瓦斯来源实施开采煤层瓦斯抽放、邻近层瓦斯抽放、采空区瓦斯抽放和围岩瓦斯抽放;第7.1.3条规定:
多瓦斯来源的矿井,应采用综合瓦斯抽放方法。
瓦斯抽放系统选择还应注意以下问题:
(a)分期建设、分期投产的矿井,抽放瓦斯工程可一次设计,分期建设、分期投抽。
(b)抽放瓦斯站的建设方式,应经技术经济比较确定。
一般情况下,宜采用集中建站方式。
当有下列情况之一时,可采用分散建站方式:
——分区开拓或分期建设的大型矿井,集中建站技术经济不合理。
——矿井抽放瓦斯量较大且瓦斯利用点分散。
——一套抽放瓦斯系统难以满足要求。
根据本煤层的特点,我们选取抽采瓦斯钻孔法,而钻孔抽采瓦斯的方法又有穿层钻孔抽采瓦斯、顺层钻孔抽采和边采边抽。
(2)瓦斯抽放方法的比较和选择
根据钻孔抽采瓦斯的优缺点及适用条件,我们最终选择顺层钻孔抽采,因为顺层钻孔抽采的适用条件是:
①单一煤层;②煤层透气性较小但应有抽放可能;③煤层赋存条件稳定,地质变化小;④钻孔要提前打好,有较长的预抽时间;⑤突出危险煤层(密集钻孔),而我们要设计的煤层就是煤层透气性较小但应有抽放可能,煤层赋存条件稳定,地质变化小。
第二节抽放钻孔参数确定
(1)钻孔直径
钻孔直径大,暴露煤壁面积就大,瓦斯涌出量相应也大,但二者增长并非线性关系,在煤层条件不同的情况下,瓦斯涌出量并不随孔径的增大而成比例增大。
据测定结果,孔径由73mm提高到300mm,钻孔的暴露面积增至4倍,而钻孔抽放量仅增至2.7倍,而日本赤平煤矿孔径由65mm增至120mm ,抽放瓦斯量增加到3.5倍。
孔径应根据钻机性能,施工速度与技术水平、抽放瓦斯量、抽放半径等因素确定,目前一般采用抽放瓦斯钻孔直径为60~110mm。
根据本煤层的特性,选取钻孔直径为90mm。
(2)钻孔长度
据实测结果,单一钻孔的瓦斯抽放量与其孔长基本上成正比关系,因此在钻机性能与施工技术水平允许的条件下,尽可能采用长钻孔以增加抽放量和效益。
本煤层的倾向长度为120m,为了达到好的抽放效果,我们把钻孔从进风巷和回风巷顺煤层打入,进风巷打入的钻孔的长度为60m,回风巷打入的钻孔的长度为70m。
(3)钻孔间距与抽放时间
2号煤层透气性系数λ=0.0276(m2/MPa2.d),根据表3-1,我们选取钻孔间距为3m。
表3-1钻孔间距选用参考值表
煤层透气性系数
(m2/(MPa2•d))
钻孔间距(m)
备注
<10-3
---
先采取卸压增透措施后,才能抽放
10-3~10-2
2~5
10-2~10-1
5~8
10-1~10
8~12
>10
>10
根据课程设计给的条件,我们可知抽放时间为一年。
(4)抽放负压与封孔长度
钻孔抽放负压一般选用13.3~26.6kPa(即100~200mmHg),但最低不宜小于6.7kPa(50mmHg)。
一些矿井提高抽放负压,抽放瓦斯量增大,但是也有的矿井抽放负压增加,抽放量变化不大。
封孔长度既应保证不吸入空气又应使封孔长度尽量缩短,一般情况下岩孔应不小于2~5m,煤孔应不小于4~10m。
第四章工作面瓦斯抽放系统
第一节工作面瓦斯抽放设施的配置和布置
根据《AQ1027-2006煤矿瓦斯抽放规范》,对瓦斯抽放管路有如下要求:
第5.4.1条:
抽放管路系统应根据井下巷道的布置、抽放地点的分布、瓦斯利用的要求以及矿井的发展规划等因素确定,避免或减少主干管路系统的频繁改动,确保管道运输、安装和维护方便,并应符合下列要求:
——抽放管路通过的巷道曲线段少、距离短,管路安装应平直,转弯时角度不应大于50°;
——抽放管路系统宜沿回风巷道或矿车不经常通过的巷道布置;若设于主要运输巷内,在人行道侧其架设高度不应小于1.8m,并固定在巷道壁上,与巷道壁的距离应满足检修要求;抽放瓦斯管件的外缘距巷道壁不宜小于0.1m;
——当抽放设备或管路发生故障时,管路内的瓦斯不得流入采掘工作面及机电硐室内;
——尽可能避免布置在车辆通行频繁的主干道旁;
——管径要统一,变径时必须设过渡节。
第5.4.2条:
抽放瓦斯管路的管径应按最大流量分段计算,并与抽放设备能力相适应,抽放管路按安全流速为5~15m/s和最大通过流量来计算管径,抽放系统管材的备用量可取10%。
第5.4.3条:
当采用专用钻孔敷设抽放管路时,专用钻孔直径应比管道外形尺寸大100mm;当沿竖井敷设抽放管路时,应将管道固定在罐道梁上或专用管架上。
第5.4.4条:
抽放管路总阻力包括摩擦阻力和局部阻力;摩擦阻力可用低负压瓦斯管路阻力公式计算;局部阻力可用估算法计算,一般取摩擦阻力的10%~20%。
第5.4.5条:
地面管路布置:
——不得将抽放管路和自来水管、暖气管、下水道管、动力电缆、照明电缆及通讯电缆等敷设在同一条地沟内;
——主干管应与城市及矿区的发展规划和建筑布置相结合;
——抽放管道与地上、下建(构)筑物及设施的间距,应符合《工业企业总平面设计规范》的有关规定;
——瓦斯管道不得从地下穿过房屋或其它建(构)筑物,一般情况下也不得穿过其它管网,当必须穿过其它管网时,应按有关规定采取措施。
第二节抽放管路的计算和选择
⑴、瓦斯抽放管径选择
选择瓦斯管径,可按下式计算:
式中D—瓦斯管内径,m;
Q—管内瓦斯流量,m3/min;
V—瓦斯在管路中的经济流速,m/s,一般取V=10~15m/s,在此取10m/s。
可得:
(2)、选择
根据计算主管选择直径为Φ325无缝钢管,壁厚可选择9mm或10mm.
第五章瓦斯泵选型
第一节抽放系统管道阻力计算
(1)、摩擦阻力计算
计算直管摩擦阻力,可按下式计算:
式中H——阻力损失,Pa;
L——直管长度,m;
γ——混合瓦斯对空气的密度比.γ=1-0.446c/100=0.8216
c——管路内瓦斯浓度%c=40
Q——瓦斯流量,m3/h;
D——管道内径,cm;
k0——系数,见表5-1;
表5-1不同管径的系数K0值
通称管径(mm)
15
20
25
22
40
50
K0值
0.46
0.47
0.48
0.49
0.50
0.52
通称管径(mm)
70
80
100
125
150
>150
K0值
0.55
0.57
0.62
0.67
0.70
0.71
则
(2)、局阻力计算
按经验值,取沿段管道总摩擦阻力的15%作为局部阻力Hr
Hr=Hz×15%=1.424KPa
(3)、抽放管道总阻力
Hc=Hz+Hr+Hf
Hc——瓦斯抽放管道总阻力
Hz——管路摩擦阻力
Hf——抽放瓦斯管口处负压取10kPa
Hc=9.495+1.424+10=20.92kPa
(4)、斯压送及管路总阻力
地面瓦斯压送及管路总阻力取经验数值5kpa
第二节瓦斯泵流量和压力计算
⑴瓦斯泵流量计算
抽放瓦斯泵流量必须满足抽放系统服务年限之内最大抽放量的需要。
式中
——抽放瓦斯泵的额定流量,m3/min;
——矿井瓦斯最大抽放总量(纯量),m3/min;
X——矿井抽放瓦斯浓度,%;
η——瓦斯抽放泵的机械效率,一般取0.8;
K——备用系数,K=1.2。
(2)瓦斯泵压力计算
瓦斯抽放泵的压力是克服瓦斯从井下抽放孔口起,经抽放管路到抽放泵,再到释放点所产生的全部阻力损失。
Hp=(Hc+Hv)kB
Hp——瓦斯泵的压力
kB——备用系数,一般取1.2
Hp=(20.92+5)×1.2=31.104kPa
第三节瓦斯泵选型确定
瓦斯泵类型:
目前国内使用的瓦斯泵类型主要有:
a.离心式鼓风机;
b.回转式鼓风机(包括罗茨鼓风机、叶式鼓风机、滑板式压气机等);
c.水环真空压缩机;
d.往复式压气机(只用于地面正压输送瓦斯)。
根据比较选用水环式真空压缩机
1、真空度高,且可正压输出;
2、工作水不断带走气体压送时产生的热量,泵题不会升温发;,当抽出瓦斯浓度达到爆炸界限时,也没有爆炸危险;
3、结构简单,运转可靠,平稳,供气均匀;
4、将负压抽出和正压输出合二为一,一般不需另设正压输出设备
5、单机瓦斯抽出量由1.8~450m3/min,适用范围广,煤层透气性低,管路阻力大,需要高负压抽放的矿井;
6、适用于负压抽出瓦斯;
7、适用于瓦斯浓度经常变化的矿井,特别适用于浓度变化较大的邻近层抽放矿井
最后选定SK—85其吸入负压气量在54.5-85m3/min.电机功率为130KW
将来技术进步抽放率提高,还可以继续使用。
第六章工作面瓦斯抽放安全技术措施
(1)应根据实际情况制定出如下安全措施:
a.抽放钻场、钻孔施工防治瓦斯措施。
b.管路防腐蚀、防漏气、防砸坏、电气防爆、防静电、防带电、防底鼓措施。
c.立井(立眼)、斜井(斜巷)管路防滑措施。
d.地面管路防冻措施。
(2)井下移动抽放瓦斯泵站,应遵从以下要求:
――井下移动抽放瓦斯泵站应安装在抽放瓦斯地点附近的新鲜风流中。
抽出的瓦斯必须引排到地面、总回风道或分区回风道;已建永久抽放系统的矿井,移动泵站抽出的瓦斯可直接送至矿井抽放系统的管道内,但必须使矿井抽放系统的瓦斯浓度符合《煤矿安全规程》第一百四十八条规定。
――移动泵站抽出的瓦斯排至回风道时,在抽放管路出口处必须采取安全措施,设置橱栏、悬挂警戒牌。
栅栏设置的位置,上风侧为管路出口外推5m,上下风侧栅栏间距不小于35m。
两栅栏间禁止人员通行和任何作业。
移动抽放泵站排到巷道内的瓦斯,其浓度必须在30m以内被混合到《煤矿安全规程》允许的限度以内。
栅栏处必须设警戒牌和瓦斯监测装置,巷道内瓦斯浓度超限报警时,应断电、停止抽放瓦斯、进行处理。
监测传感器的位置设在栅栏外1m以内。
两栅栏间禁止人员通行和任何作业。
――井下移动瓦斯抽放泵站必须实行“三专”供电,即专用变压器、专用开关、专用线路。
(3)地面抽放瓦斯站安全措施
抽放瓦斯站安全措施,应遵从以下要求:
――在一个抽放站内,抽放瓦斯泵及附属设备只有一套工作时,应备用一套;两套或两套以上工作时,其备用量可按工作数量的60%计。
钻机备用量按工作台数的60%计;
――抽放站位置应设在不受洪涝威胁且工程地质条件可靠地带,应避开滑坡、溶洞、断层破碎带及塌陷区等;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;
――站房及站房周围20m范围内禁止有明火;
——站房应建在靠近公路和有水源的地方;
——站房应考虑进出管敷设方便:
有利瓦斯输送,并尽可能留有扩能的余地;
――抽放站建筑必须采用不燃性材料,耐火等级为二级;
——站房周围必须设置栅栏或围墙;
――站房附近管道应设置放水器及防爆、防回火、防回水装置,设置放空管及压力、流量、浓度测量装置,并应设置采样孔、阀门等附属装置。
放空管设置在泵的进、出口,管径应大于或等于泵的进、出口直径,放空管的管口要高出泵房房顶3m以上。
――泵房内电气设备、照明和其它电气、检测仪表均应采用矿用防爆型;
――站房必须有直通矿调度室的电话;
――抽放站应有供水系统。
站房设备冷却水一般采用闭路循环。
给水管路及水池容积均应考虑消防水量。
污水应设置地沟排放。
――抽放瓦斯泵必须有前后防回火、爆炸、电气防爆、防静电措施。
――抽放瓦斯站必须有防雷电、防火灾、防洪涝、防冻措施。
――必须有抽放瓦斯浓度规定及在规定浓度下的防爆措施。
――必须有安全管理措施。
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