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 (1)

2 采空区瓦斯抽采概况 (1)

3 采空区埋管抽放瓦斯技术原理 (3)

4 瓦斯抽采技术方案 (3)

5 瓦斯抽采工艺参数 (5)

6 瓦斯抽放站布置 (7)

6.1瓦斯抽放站设置规定 (7)

6.2瓦斯抽放站布置 (8)

7 工作面防火设计 (10)

7.1采空区防灭火设计 (10)

7.2管理制度 (11)

8 工作面监控设计 (11)

1 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1 U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

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

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。

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。

表2 采空区瓦斯抽采控制方式对比

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 2.0 m3/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≥10m 3/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)/(1457.0V Q d ?= (1)

式中，d 为抽采管内径，m ；Q 抽采管内瓦斯混合流量，m 3/min ；V 为抽采管内瓦斯流速，一般为5~15m/s 。

将/min m 103=Q ，m/s 12=V 代入式（1）计算可得133.0=d m ，取6寸管即

15.0=d m 。

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：

C C

P K C Q

Q ?η

=

∑ (2)

式中，P Q 瓦斯泵流量 ，m 3/min ；∑C Q 为最大瓦斯抽采量之和，m 3/min ；C 为瓦斯浓度，%；η为瓦斯泵的机械效率，%；C K 为流量备用系数。

将/min m 0.23=∑C Q ，%20=C ，%80=η，2.1=C K 代入式(2)计算可得

15=P Q m 3/min ，即瓦斯泵的流量应为15m 3

/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：

5

2181.9Kd Q LK H ρ?

=

(3)

式中，1H 为沿程阻力，Pa ；L 为管路长度，m ；ρK 为混合瓦斯对空气密度比；Q 为管道内流量，m 3/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m 1400=L 、7162.0=ρK 、/h m 9003=Q 、7.0=K 、cm 15=d 代入（3）计算可得kPa 151=H 。

局部阻力一般取沿层阻力的15%左右，可得kPa 25.22=H 。 总阻力为：321H H H H ++=

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

kPa 25.210.425.215=++=H 。

瓦斯泵选择参数为：m3/min 15=P Q ，kPa 25.21=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。

5）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

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。

(3) 井上下敷设的瓦斯管路，不得与带电物体接触并有防止砸坏管路的措施。

(4) 瓦斯泵要有独立的供电系统，由地变电所引两回独立线路至瓦斯抽放泵。并采用专用变压器、专用开关和专用电缆，以及瓦斯电闭锁。瓦斯泵站必须设置直通矿调度室的电话且泵站内的电气设备、照明和其它电气仪表都应采用防爆型的。瓦斯泵站必须由专人值班并经常检测各参数，做好记录，并有备用人员。

(5) 瓦斯抽放泵站必须设置足够数量的扑灭电气火灾的灭火器材，10L泡沫灭火器4个和砂箱1个，砂箱用1.5～3.0毫米铁板制作，容积不少于0.2m3。

6.2 瓦斯抽放站布置

6.2.1 瓦斯抽放站管路系统

秦源煤矿总回风巷瓦斯浓度很低，矿井总风量较大，可以将瓦斯抽放泵安装在井下，即工作面回风顺槽内，把抽出的瓦斯排到主回风流，不会造成总回风瓦斯超限。

图4 瓦斯抽放泵站管统及附属设施布置示意图

地下抽放泵站设有配电装置，瓦斯泵、分水器、管路、阀门等设备。在泵站

附近进出口处设有放水器、防爆防火装置、压力测定、流量测定装置、采样孔、阀门等附属装置。

瓦斯抽放泵站内的所有设备和仪表均选用防爆型。地面瓦斯抽放泵站布置如图4所示。

6.2.2 瓦斯抽放泵站供电

瓦斯抽放泵站供电参照主要通风机的供电管理，要求“三专”，即专用变压器，专用线路和专用开关。根据矿井的实际情况，采用380V或660V供电安排。瓦斯抽放泵站的设备总容量为74KW，工作容量为37KW。

根据煤炭工业矿井设计规范GB-5012-94，瓦斯抽放站的电力负荷为一级负荷，必须保证有双回路电源供电。

6.2.3 瓦斯抽放泵给排水

(1) 给水

瓦斯抽放泵的供水采用地面清洁水(PH值6-8)，供水压力大于70Kpa，供水量大于75L/min，暂不考虑建水循环系统。

(2) 排水

水环式真空泵排出的水收集后排入矿井蓄水池。

6.2.4 瓦斯抽放泵站照明

在瓦斯抽放泵站内和值班室内的照明灯具选用隔爆型。

6.2.5 瓦斯抽放泵站通讯

在瓦斯抽放泵站应设置有到矿调度室的防爆型电话分机。

6.2.6 抽放系统实时监测

为保证瓦斯抽放系统的安全运行和矿井的安全生产，瓦斯抽放系统设计时必须具备完善的安全监测系统，对泵站的环境瓦斯浓度，真空泵供水，抽放瓦斯浓度，抽放量，负压，温度，排放口的正压，瓦斯浓度等参数进行监测。

7 工作面防火设计

7.1 采空区防灭火设计

秦源煤矿具有自然发火倾向，必须加强防灭火预测预报和防灭火措施。工作面回采期间采用束管监测系统、通风监测系统和抽采监测系统预测预报发火危险性，采用采空区灌浆、注氮防灭火措施。

7.1.1 采空区防漏风设计

（1）本工作面采空区防漏风设计

主要通过加强上下隅角打密闭墙封堵进行防漏风。

（2）邻近工作面采空区防漏风设计

主要通过对S204工作面上顺槽上帮即邻近采空区侧注浆加固封堵进行防漏风。具体工艺形式采取两次注浆，每一个端面四个注浆孔，两个深1m钻孔，两个深2m钻孔，孔距1m。注浆时先注浅部孔，后注深部孔，钻孔排距1.3～1.4m。

7.1.2 束管监测设计

采用地面JSG-7束管监测站对井下自然发火情况进行监测。系统在微机的控制下将井下监测地点的气体，通过束管连续不断的抽至气体分析仪中进行精确分析，实现对CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2、N2、O2等气体含量的在线监测。

在S204工作面轨道顺槽铺设6芯监测束管，引出单芯束管埋入采空区，可实现同时对6个监测地点取气进行分析，及时发现发火预兆。

束管监测系统：由秦源煤矿确定（即线路）。

测点布置：在采空区距工作面200m范围内每50m布置一个测点，束管用4寸钢管保护，防止压坏束管。取样点设在墙体内0.5～1m，采空区顶部。另在距工作面10～20m处利用瓦斯抽采钻孔取气分析，根据需要可增设测点。

根据指标气体的种类、浓度和变化情况，判断采空区遗煤的自燃状态，确定采空区氧化带、自燃带和窒息带的范围，并据气体浓度梯度大致确定高温区域的范围，以便及时采取措施。

初采时每周分析化验3次，初次放顶正常回采后每天分析化验1次，发现自

燃预兆时每班分析化验一次。

7.1.3 温度、一氧化碳气体检测

回采期间，对上隅角、高冒处以及后方老塘进行设点检测一氧化碳气体浓度，每小班检查1次。

7.1.4 防灭火措施

工作面回采过程中采取灌黄泥浆和注氮的防灭火措施。工作面出现发火预兆时进行灌浆和注氮，工作面回采结束后进行灌浆防灭火。

（1）灌浆防火

灌浆系统：（即线路）

由秦源煤矿确定。

（2）注氮防灭火

注氮系统：（即线路）

由秦源煤矿确定。

7.2 管理制度

由秦源煤矿确定。

8 工作面监控设计

监测设备的安设要求如下：

(1) 地面抽采泵站内及井下移动泵站内均安设一部瓦斯泵开停传感器和瓦斯探头，瓦斯探头的报警点≧0.5%。

(2) S204工作面必须按表4要求安设瓦斯自动报警断电仪。

(3) 在工作面回风巷距第一汇风点以里10～15米处安设一台CO传感器、温度传感器、风速传感器，CO报警浓度0.0024%，温度传感器报警值30℃。