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毕业设计最终稿
摘要
赵家寨井田位于河南省新郑市西侧,行政区划属新郑市辛店镇和城关镇及新密市大隗镇管辖。
该矿为瓦斯矿井。
本文开始对矿井的概况进行了介绍,针对二1煤层瓦斯含量较高等问题,结合该矿的实际情况,对该矿二1煤层透气性系数和钻孔瓦斯流量衰减系数进行了实测,结合矿井瓦斯来源和煤层瓦斯含量分析,该矿必须建设瓦斯抽放系统。
本矿井二1煤层采用以本煤层瓦斯抽采为主、采空区和邻近层瓦斯抽采为辅,预抽与边采边抽、边掘边抽相结合的综合抽采方法,并且对抽放方法的一些工艺方法和参数进行了设计。
随后又确定了比较合理的抽放系统管网布置形式,选择了与抽放能力相匹配的瓦斯抽放泵型号及泵站的附属设施。
最后又对管路敷设、附属装置的安装及系统的安全措施,还有一些具体的安全操作要求进行了比较详细的说明。
关键词:
赵家寨煤矿瓦斯抽放设备选型方案设计
Abstract
TheZhaojiazhaiminelocatedwestofxinzhengcity,Henanprovince,administrativedivisionisxinzhengcityxindianzhenandthejurisdictionofthetownofChengguantown,xinmicityasurname.Themineisagasoutburst.InthebeginningofthisarticleforanoverviewofthecoalminewasintroducedtoNo.2-1coal,gascontent,combinedwithahigherreality,themineoftheNo.2-1CoalMineVentilationfactoranddrillinggasflowattenuationcoefficientforthereal-timemonitoring,combinedwithgascoalseamgassourcesandcontentanalysis,theminehadtobebuiltingasextractionsystem.ThismineinNo.2-1tothecoalseamgasfromextraction,miningandtheadjacentemptylayergasfromextractiontobesupplementedbypre-sampling,andside-side,thesideedgesdiggingacombinationofintegratedsuctionunits,andthemethodofsomeprocessofmethodsandparametersforthedesign.Finally,thelinelaying,thedeviceisinstalledandthesystem'ssecuritymeasures,thereareanumberofspecificsecurityrequirementsinmoredetail.
Keywords:
ZhaoJiaZhaiGasDrainageEquipmentSelectionDesign
前言
瓦斯是古代植物在堆积成煤的初期,纤维素和有机质经厌氧菌的作用分解而成。
在高温、高压的环境中,在成煤的同时,由于物理和化学作用,继续生成瓦斯。
瓦斯是无色、无味、无臭的气体,但有时可以闻到类似苹果的香味,这是由于芳香族的碳氢气体同瓦斯同时涌出的缘故。
瓦斯对空气的相对密度是0.554,在标准状态下瓦斯的密度为0.716kg,瓦斯的渗透能力是空气的1.6倍,难溶于水,不助燃也不能维持呼吸,达到一定浓度时,能使人因缺氧而窒息,并能发生燃烧或爆炸。
瓦斯事故是煤矿中重大灾害事故之一,其中瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出往往造成恶性事故。
建国以来,煤矿生产中发生一次死亡百人以上的恶性事故14起,其中瓦斯、煤尘由1951年的198万m3/爆炸13起,占92.9%。
因此,治理瓦斯是安全工作的重点。
(1)国外抽放瓦斯概况
1943~1948年间,原西德就进行工业规模的瓦斯抽放,年抽放量为450~650万m3。
1949~1950年间比利时和英国先后进行工业规模的瓦斯抽放,年抽放量达5700m3。
1951~1987年间,世界煤矿瓦斯抽放量呈线性增加,自1951年的1.246亿m3增至1987年的54.31亿m3,抽放瓦斯的矿井由68个增加619个;单个抽放矿井的平均年抽放量,由1951年的198万m3/井,增至1987年的877万m3/井。
到目前为止,世界上已有17个采煤国家进行了瓦斯抽放,年抽放量超过1亿m3的国家有10个,如原苏联、德、英、中、法、美、波、日、澳等。
其中原苏联抽放瓦斯量最多,达21.2亿m3,德、英年抽放瓦斯量均在5亿m3以上。
这些国家都把抽放瓦斯工作作为治理瓦斯的生产工序,是高瓦斯含量煤层开采中一个必不可少的工艺环节。
采用综合的总体抽放方式,在掘进过程中抽放瓦斯,回采过程中边采边抽和采空区抽放,千方百计地加大瓦斯抽放量,在大力发展抽放技术的同时,研制和应用相关的装备,建立瓦斯抽放监测系统,提高瓦斯抽放率,保证瓦斯安全抽放及瓦斯输送。
(2)我国煤矿瓦斯抽放现状
近年来,我国煤矿瓦斯抽放工作有较大发展在1981~1983年间瓦斯抽放矿井数由75个增至117个;年抽放瓦斯量由29880万m3增至53647万m3,年平均增长速度为1830万m3。
年抽放量在1000万m3以上的矿区,1993年底时已达13个,其中抚顺和阳泉局年抽放量已超过1亿m3。
据1993年统计,我国各类瓦斯抽放矿井情况,在17个特大型抽放矿井中,抽放与其量为30520万m3,占总抽放量的56.89%,2/3的瓦斯抽放量是由占抽放矿井数的22.2%的特大型和大型抽放矿井抽出的。
我国矿井瓦斯抽放技术主要有:
采掘前(预抽)抽放,边采边抽和采后抽放(采空区抽放)。
近年来抽放技术的发展是:
北票试验成功穿层网格式布孔大面积抽放突出煤层;松藻打通二矿向冒落拱上方打钻抽放上邻近层和采空区瓦斯;鸡西城子河矿采用钻孔法多区段集中抽放上邻近层和采空区瓦斯;铁法晓南矿利用水平岩石长钻孔抽放邻近层瓦斯。
在抽放瓦斯装备上,研制了系列打抽放孔的钻机,如ZY系列液压钻机、ZF系列风动钻机等,研制和推广应用了抽放管道正负压自动放水器,新型抽放管“三防”装置,快速接头及化学材料密封钻孔等。
研究成功并推广应用了瓦斯分源预测法预测矿井瓦斯涌出量,为抽放瓦斯方法选择提供了可靠的依据。
我国瓦斯抽放工作还存在很多问题,集中反映为:
抽放总量少;矿井抽出率低(抽放矿井平均抽出率:
英国50%,原西德45%,原苏联40%,日本38%,中国仅为16.3%),(抽放量:
法国为15m3,日本为12.2m3,原西德为8m3,原苏联为44.9m3,英国为4m3,而中国仅为0.4m3);综合抽放工作存在差距;装备和管理水平也有待加强和提高。
据1992年统计,在111个抽放矿井中,有33个矿不能正常抽放,其中29个矿年抽放量少于50万m3,有4个矿停抽。
(3)我国瓦斯抽放工作展望
在1993年瓦斯防治专业委员会年会上,对我国各主要抽放瓦斯局矿的年抽放瓦斯量发展前景进行了规划,到本世纪末达6亿m3,平均年增长1000万m3。
抽放瓦斯技术的发展方向是:
①在高产高效工作面试验并推广应用综合抽放瓦斯方法;②研究提高开采层瓦斯抽放效率的方法;③加强采空区瓦斯抽放。
近期要加强以下的技术工作:
①高突矿井必须采用综合方法抽放瓦斯。
即对采掘面、采空区以及采前后等立体交叉抽放,并对采掘布置进行尾改革,以逐渐适应抽放瓦斯要求,采掘抽达到基本平衡。
②加强采空区瓦斯抽放。
国外大多数采空区抽放瓦斯量占20%以上,有的甚至达60%,我国除抚顺等少数煤田采空区抽放量在20%以上,大多数占比例很少。
为减少排入大气的瓦斯量,增加矿井瓦斯抽放量和抽出量,促进瓦斯利用,必须大力开展采空区瓦斯抽放。
③改进抽放工艺,改造抽放系统。
其中包括增加抽放钻孔数量,增大抽放钻孔直径,增加封孔长度,提高封孔质量,加大抽放管道直径和更新低能力、低效能的抽放泵等。
④发展地面瓦斯抽放。
地面瓦斯抽放不受井下条件限制,不影响井下生产,而且可以长时间抽,抽出的瓦斯质量也好。
美国、加拿大20世纪70年代就发展地面瓦斯抽放,现在可以在基建矿区、生产矿区直接打钻抽出瓦斯,抽出的瓦斯浓度高达98%以上。
鉴于地面瓦斯抽放的初期投资大,所以地面抽放只在一些条件合适的矿井采用。
1矿井概况
1.1井田概况
1.1.1交通位置
赵家寨井田位于河南省新郑市西侧,行政区划属新郑市辛店镇和城关镇及新密市大隗镇管辖。
其地理坐标为:
东经113°34′00″~113°43′00″,北纬34°23′30″~34°26′30″。
本区已形成非常便利的立体交通网络。
矿井交通位置见图1-1-1。
1.1.2地形地貌
区内绝大部分为第三、四系冲积层覆盖,为平原微丘地形。
地势总体比较平坦,仅西北部冲沟较发育,西部边缘地带出现一些小丘陵和零星突起。
井田内海拔标高一般在+100m~+175m,平均为+125m左右,相对高差约为75m。
1.1.3地表水系
本区主要河流为双洎河,属淮河水系。
根据新郑市人和寨观测站资料,最大洪水流量为256m3/s,洪水位标高为+122.33m。
1.1.4气象、地震
本区属大陆性半干旱气候,年平均气温14.1℃,每年6~9月为雨季,年最大降水量为977.1mm(1954年),最小降水量为213.9mm(1985年),年均降水量为592.6mm。
年蒸发量为1680~2041mm。
本区风向风力随季节交替变化,夏季多东南风和南风,冬季多西北风和北风,年平均风速2.37m/s,最大风速为18m/s。
根据河南省地震局资料,本矿井所在地区新郑市抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.10g,设计地震分组为第一组。
图1-1-1赵家寨矿井交通位置图
1.1.5电源、水源情况
本矿井地下水丰富,涌水量预计为1910m3/h,井下排水经处理后,可供矿井生产和生活之用。
矿井电源取自胡庄和辛店兴龙变电站,水源主要利用矿井排水处理后复用,矿井电源水源情况可靠。
1.1.6通信条件
赵家寨矿井所在乡镇之间的通讯光缆网已经形成,矿井通信系统与郑煤集团在李家寨车站采用光缆接通,矿井通讯条件良好。
1.2井田地质特征
1.2.1井田地质
(1)地层
本区地层区划属华北地层区华北平原地层分区之嵩箕小区。
区内仅西部及其外围的许岗~三岔口一带有二叠系上统平顶山砂岩和三叠系下统金斗山砂岩出露,绝大部分为新生界掩盖。
地层以沉积岩系为主,其次为变质岩系,未发现火成岩。
区内出露地层由老到新有前震旦系、震旦系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、第三系、第四系。
赵家寨井田内地层均被新生界地层覆盖,由老到新依次为寒武系上统、奥陶系中统、石炭系中上统、二叠系及第三、四系。
(2)构造
新密煤田地处秦岭纬向构造带北亚带——嵩箕隆起带东段,风后岭与荥巩背斜之间,基本构造形态为一西窄东宽、轴向近东西,西端仰起、东端倾伏的复式向斜构造(新密复式向斜),区内构造形迹以断裂为主,伴有发育程度不同的褶皱,其中走向近东西的断裂规模大,延展长,多为南升北降、倾向北东的高角度正断层。
本区主体构造为一两翼地层产状平缓,倾角3~15°,轴向NWW~SEE的宽缓背斜构造。
井田内断裂构造发育,共有断层18条。
全区构造复杂程度中等。
①褶曲
本区主要褶曲为滹沱背斜。
背斜轴走向120°,延展长度约12km,西北倾伏端被大隗断层切割,向东南至14勘探线仰起,轴面近似直立。
北翼地层走向145°~160°,倾向55°~70°,倾角6°~15°,南翼地层走向115°~140°,倾向205°~230°,倾角3°~12°。
背斜轴被徐庄断层切断。
该背斜控制了整个区域北部煤层产状,并以其为主,出现了一些宽缓的褶曲。
②断层
井田内断裂构造发育,勘探阶段共发现断距较大的断层18条。
除温泉、宁沟两条小逆断层之外,其它均为正断层。
井田内构造方向与区域构造方向相符合,大隗断层、欧阳寺断层构成本区自然边界。
断层走向除大隗断层为近东西向外,其余均为北西~南东方向。
其中落差大于100m的断层5条,落差50~100m的断层5条,落差30~50m的断层7条,落差小于30m的断层1条。
断距较大的断层主要特征详见表1-2-1。
1.2.2煤层及煤质
(1)可采煤层赋存特征
井田可采煤层共有4层,自上而下分别为七4、二3、二1和一1。
二1煤层属大部可采煤层。
七4煤层大部被剥蚀,仅西部局部保存,在保存区内属大部可采煤层。
井田内可采煤层特征见表1-2-2。
表1-2-1赵家寨井田主要断层特征表
断层
编号
断层名称
产状
性
质
走向
倾向
倾角
落差(m)
F1
大隗断层
近东西
北
45~65°
600~1000
正
F3
贾梁断层
北西
北东
55~65°
200~490
正
F4
欧阳寺断层
北西
北东
38~65°
40~150
正
F5
双洎河断层
北西
北西
49~65°
65~120
正
F6
刘庄断层
北西
南西
37~70°
30~75
正
F7
东土桥断层
北西
北东
60~67°
20~80
正
F8
杜庄断层
北西
北东
33~56°
7~40
正
F9
张庄断层
北西
北东
37~60°
15~50
正
F10
岳庄断层
北西
北东
35~53°
13~50
正
F11
徐庄断层
北西
北东
44~62°
11~80
正
F12
官庄断层
北西
南西
50~70°
5~80
正
F13
官刘庄断层
北西
北东
50~65°
40
正
F14
宁沟断层
北西
北东
45~62°
45
逆
F15
温泉断层
北西
北东
35°
25~70
逆
F17
桃树园断层
北西
北东
70°
10~50
正
F18
马寨断层
北西西
北北东
29~60°
7~50
正
表1-2-2煤层特征表
煤层名称
两极厚度
平均厚度
(m)
煤层结构
稳定程度
煤层间距
(m)
七4
0.49-2.01
1.11
含夹矸1-2层,较简单
较稳定,局部可采
38.50-98.50
二3
0-6.98
1.37
含夹矸1层,较简单
不稳定,大部可采
153.30
5.04-39.50
二1
0-21.75
5.50
含夹矸1~2层,较复杂
较稳定,主要可采
18.60
54-128.00
一1
0-4.55
1.46
含夹矸层,较简单
不稳定,大部可采
80.35
二1煤:
赋存于山西组下部,上距砂锅窑砂岩42.59~93.88m,平均64.72m,下距L7灰岩20~25m,平均22.28m。
煤厚0~21.75m,平均5.50m。
煤层厚度有一定变化,属较稳定的中厚~厚煤层。
煤层含夹矸1~2层,
夹矸厚度0.10~2.27m,夹矸岩性多为泥岩和炭质泥岩,煤层结构简单。
煤层直接顶板为泥岩、炭质泥岩或砂质泥岩,厚度0.13~0.87m,平均0.48m。
直接底板为泥岩、炭质泥岩或砂质泥岩,厚度0.13~2.87m,平均厚度1.07m。
二1煤可采区域含煤面积约占全井田的98%,其中煤厚0.80~1.30m的薄煤带2个,面积约0.9km2,1.31~3.50m的中厚煤带4个,面积约19.4km2,煤厚3.51~8.00m的厚煤带2个,面积约19.5km2,煤厚大于8m的特厚煤带14个,面积约9.3km2。
井田内特厚煤带主要分布于中部,厚煤带展布于中部特厚煤带两侧及北东部,中厚煤带主要分布于南东、南西部,薄煤带、不可采带多零星散布于南部。
煤厚变化规律不明显,但尚可发现宏观趋势。
整体趋势为中部背斜轴部煤厚最大,向两侧及北东煤厚渐小,南东及西部煤厚最小。
另外,煤厚沿走向变化较小,沿倾向变化相对较大。
在南部,煤厚有急剧增厚变薄现象。
但煤层总体上属较稳定型煤层。
(2)煤质
①物理性质
井田内可采煤层物理性质见表1-2-3。
②煤岩特征
二1煤宏观煤岩成分不易分辨,二3煤、一1煤均以亮煤为主,可见镜煤条带,为半亮型。
七4煤以亮煤为主,可见暗煤,为半暗~半亮型。
二1、二3和一1煤中矿物含量较少,以粘土矿物为主,为硫化物
表1-2-3煤层物理性质
煤层
颜色
光泽
结构
构造
断口
坚硬程度
产出状态
视密度
真密度
可磨性指数
七4
黑褐
弱玻璃
条带状
块状
参差状
半坚硬
粒、碎块
1.44
1.56
二3
黑
弱玻璃~
金刚
受构造影响轻微
参差状
松软
粉粒状
1.39
1.46
168
二1
灰黑
似金属~
金刚
呈现结构煤特征
松软
鳞片
1.41
1.51
192
一1
灰黑
金属~
似金刚
条带状
块状
贝壳
参差状
坚硬
粒、碎块
1.43
1.53
94
碳酸盐等。
一1煤硫化物远远高于二1、二3煤层,七4煤层粘土矿物达18.9%,硫化物、碳酸盐、氧化物则均匀分布。
各煤层粘土矿物多呈侵染状、团块状或微细层状分布,黄铁矿则呈团状、球状分布,碳酸盐多呈裂隙充填物,少量为细脉状,氧化物类矿物含量甚微。
1.2.3煤层瓦斯
(1)瓦斯
①瓦斯成分、含量及瓦斯分带
井田西部瓦斯成分以CH4为主,为沼气带范围,两极值为6.43~98.71%,次为N2和CO2。
中东部瓦斯成分则以N2和CO2为主,为瓦斯风化带,CH4成分较低。
二1煤钻孔瓦斯成分及含量见表1-2-4、表1-2-5
②煤尘及自燃
通过地质报告钻孔样品燃点测试结果,确定二3和二1煤层均为不易自燃煤层。
(2)瓦斯变化预测
井田内煤层瓦斯含量总的变化趋势是随煤层埋深的增大而升高。
井田西部、深部及第10勘探线以西地段为沼气带,其余为瓦斯风化带,整体呈西高东低的趋势。
根据地质报告,随着开采深度的增加,煤层瓦斯含量和矿井瓦斯涌出量都会有所增加,加之瓦斯赋存的不均衡性,矿井生产过程中应结合实测数据,积极研究深部瓦斯涌出规律,为矿井安全开采和调整通风系统提供依据。
表1-2-4二1煤层瓦斯成分含量测试结果表
采样
地点
采样
深度(m)
煤层
厚度
(m)
瓦斯成分(%)
瓦斯含量(mL/g.r)
O2(%)
煤质分析(%)
CO2
CH4
N2
CO2
CH4
N2
自然
加热
Mad
Ad
310
413.10
12.10
7.81
74.59
17.60
0.16
1.45
3.40
1.40
13.21
0301
326.58
3.30
14.96
50.00
35.04
0.28
0.93
1.40
1.54
14.32
311
354.16
10.56
37.89
17.76
44.35
0.03
0.02
0.04
20.12
1.45
12.60
505
780.11
1.90
8.86
75.57
15.57
0.18
1.52
0.31
0.85
1.11
15.53
502
491.45
9.95
29.89
6.43
63.68
0.28
0.02
0.59
2.70
1.03
12.69
509
416.73
2.70
0.77
53.13
24.10
0.03
3.95
4.80
1.30
15.76
401
289.90
14.30
3.92
91.71
4.37
0.28
9.18
0.31
0.56
2.45
10.73
501
352.20
2.55
17.05
66.18
16.77
0.40
1.65
0.39
1.10
12.07
715
723.10
0.95
3.38
89.18
7.44
0.28
11.20
0.62
3.04
4.39
1.22
21.09
711
450.65
1.20
5.87
91.77
2.36
0.22
4.52
0.09
0.60
1.69
18.51
714
366.90
7.38
6.67
84.38
8.95
0.34
4.27
2.20
1.22
13.34
718
303.75
3.15
7.96
37.67
54.37
0.18
0.86
1.24
2.71
1.17
22.90
909
388.70
8.60
6.21
92.94
0.85
0.22
3.94
0.03
0.70
1.50
15.11
906
287.90
7.05
37.03
6.99
55.98
0.45
0.09
0.68
1.20
1.02
22.88
708
483.10
5.40
12.20
56.51
31.29
0.26
1.22
0.68
1.20
0.68
11.79
表1-2-5二1煤钻孔瓦斯资料综合表
瓦斯分带
取样深度(m)
瓦斯成分(%)
瓦斯含量(ml/g·燃)
CO2
CH4
N2
CO2
CH4
N2
沼气带
289.90-780.11
3.06-29.89
6.43-98.71
0.39-63.68
0.03-0.34
0.02-11.21
0.03-0.62
瓦斯风化带
247.43-619.55
2.02-48.18
0-81.92
2.36-93.14
0.02-0.63
0-3.52
0.09-4.20
由于矿井瓦斯含量低,相对涌出量不大,对矿井的开采影响相对较小。
但由于矿井生产能力大,绝对涌出量较大,应引起足够重视,采取必要的措施,防止瓦斯积聚和超限。
同时,考虑瓦斯地质变化的复杂性,设计在井下设备选型时均按高瓦斯考虑。
1.2.4水文地质
(1)含水层
①地表水
区内有两条河流,双洎河和沂水河。
最高洪水位标高,一般为+102.33m~+103.31m,新郑市西关双洎河桥位置洪水位标高为+105.68m,其桥面标高为+108.04m,洪水期对地面建筑无影响,河流距主要开采煤层二1煤约400m左右,且对地下水的补给仅限于局部地段,补给量很小,对开采影响不大。
②主要含水层
A、寒武系上统长山组(∈3ch)白云质灰岩岩溶承压水含水层
B、奥陶系马家沟组(O2m)灰岩岩溶裂隙水含水层
C、石炭系太原组下段(C3tL1-4)灰岩岩溶裂隙承压水含水层
D、石炭系太原组上段(C3tL7-8)灰岩岩溶裂隙承压水含水层
E、二叠系山西组
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