瓦斯抽放系统阻力测试与改进设计方案.doc

1、I目录目录 .I第一章 绪论 .11.1 课题来源及意义 .11.2 国内外瓦斯研究及抽放现状 .11.2.1 国外瓦斯抽放现状 .11.2.2 我国煤矿瓦斯研究及抽放现状 .21.3 瓦斯抽放系统 .4第二章 矿井概况 .72.1 井田概况 .72.1.1 位置与交通 .72.1.2 井田范围和煤炭储量 .72.2 屯留 3#矿井基本参数 .82.2.1 矿井 3#煤层瓦斯基本参数测定情况 .82.2.2 矿井 3#煤层瓦斯赋存规律 .92.2.3 瓦斯可抽量 .112.3 矿井瓦斯涌出量计算 .122.3.1 预测数学模型 .122.3.2 综放工作面瓦斯涌出量预测 .152.3.3 掘进

2、工作面瓦斯涌出量预测 .162.4 抽放参数的确定 .172.4.1 抽放率的确定 .172.4.2 根据煤层可抽性及抽放实践确定的抽放率 .212.4.3 矿井煤层采掘面设计的抽放率 .222.4.4 抽放时间 .23第三章 管道阻力损失计算理论 .243.1 管道阻力分类 .243.1.1 沿程阻力与沿程损失 .243.1.2 局部阻力与局部损失 .253.1.3 总阻力与总能量损失 .253.2 管路中的局部损失 .253.2.1 管道截面突然扩大 .263.2.2 弯管 .283.2.3 流阀门 .30II3.2.4 非圆截面管路沿程损失的计算 .303.2.5 减小局部损失的措施 .

3、323.3 管路计算 .323.3.1 简单管路 .353.3.2 串联管路 .353.3.3 并联管路 .363.3.4 管网 .38第四章 瓦抽放系统计算及设备选型 .414.1 抽放管路系统的选择及计算 .414.1.1 抽放管路系统的选择 .414.1.2 瓦斯抽放管路系统选择原则 .414.1.3 瓦斯抽放管路系统的组成及布置 .424.2 瓦斯管径计算 .424.2.1 抽放管材的选择和管径确定 .434.3 抽放管路阻力计算 .444.3.1 直管阻力损失计算 .444.3.2 局部阻力损失计算 .464.4 管路敷设及附属装置 .464.5 抽放设备选型计算 .474.5.1

4、瓦斯泵流量计算 .474.5.2 瓦斯泵压力计算 .484.5.3 抽放泵选型 .494.6 泵房布置 .50第五章 结论 .51致谢 .52参考文献 .531第一章 绪论1.1 课题来源及意义所谓矿井瓦斯抽放，就是在矿井中利用专门的巷道系统将瓦斯抽排至地面或井下回风巷道的安全地点，从而达到减少矿井瓦斯涌出量，实现安全生产的目的。我国是世界上最大的产煤国，同时也是发生煤矿灾害事故最严重的国家。瓦斯灾害是造成我国煤矿灾害事故严重的主要原因，预防瓦斯灾害对煤矿安全生产具有十分重要的意义。随着矿井开采深度与开采强度的增加，矿井瓦斯涌出量日益增大，仅用通风办法稀释瓦斯，有时不仅在经济上不合算，在技术上

5、也不合理。抽放瓦斯可以降低采区及工作面瓦斯涌出量，能有效地解决瓦斯浓度超限，提高矿井安全性，降低通风费用，因此矿井瓦斯抽放是治理瓦斯的有效手段，而瓦斯抽放是防治煤矿瓦斯灾害事故的根本措施，所以，对瓦斯抽放系统的研究具有很重要的意义。本课题通过对屯留井田瓦斯抽放的研究设计，分析出瓦斯抽放系统存在的问题，提出明确的设计方法与观点，对该问题进行数学分析和建立数学公式，为屯留矿区采空区瓦斯抽放提供一个科学的、量化的参考依据，进而解决屯留矿区瓦斯抽放的基本问题。1.2 国内外瓦斯研究及抽放现状1.2.1 国外瓦斯抽放现状早在 1907 年美国学者 Chamberlin 和 Darton 研究概括出了甲烷

6、聚集和运移的机理。1910 年为促进安全生产，减少甲烷灾害，美国成立了矿业局这一专门的政府机构。1928 年 Rice 提出了在采煤前采用垂直钻孔从煤层中除去甲烷的设想。然而，在随后的40 年里，控制甲烷的通用做法仍然是降低煤炭产量和建立复杂的通风系统。1964 年2Lindine 等根据所观察到的气含量和残余气含量与深度之间存在的非线性函数关系，提出了第一个预测生产矿井瓦斯涌出量的经验模型。1968 年，Airey 从理论上推导出第一个预测矿井静止工作面瓦斯释放量的偏微分方程，采用解析法求解，建立了一维、单孔隙、气相的产量预测解析模型。1972 年 Price-Abdalla 提出了二维、单

7、孔隙、气一水两相综合性产量预测的数学模型和有限差分的数值模型，该模型能求解具不规则边界条件和模拟工作面推进的移动内边界问题，并且开发了相应的计算机软件工NTERCOMP-1。经过长期的矿井瓦斯抽放工作实践，人们逐渐认识到煤层气既是影响煤矿生产的灾害性气体，同时也是一种高效洁净的替代能源。1969 年美国矿业局钻出了第一个采空区瓦斯抽放井。1973 年石油禁运引发的能源危机，强化了对煤层气资源的需求，由此在美国掀起了煤层气地面垂直井开发试验的热潮。19491950 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。19511987 年间，世界煤矿瓦斯抽放量呈线性增加，自 19

8、51 年的 1.246 亿扩增至 1987 年的 54.31 亿 m3，抽放瓦斯的矿井由 68 个增加到 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，世界上己有 17 个采煤国家进行了瓦斯抽放，年抽放量超过 1 亿扩的国家有 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 21.2亿扩，德、英年抽放瓦斯量均在 5 亿扩以上。这些国家都把抽放瓦斯工作作为治理瓦斯的生产工序，是高瓦斯含量煤层回采中一个必不可少的工艺环节.国外主要采用综合的总体抽放方式，在掘进过程中抽放瓦斯

9、，回采过程中边采边抽和采空区抽放，千方百计地增加瓦斯抽放量，提高瓦斯抽放率，同时建立瓦斯监测系统，为矿井的安全生产提供了很大的保障。1.2.2 我国煤矿瓦斯研究及抽放现状我国工业抽放瓦斯始于 1938 年的抚顺龙凤矿，但系统地连续抽放瓦斯是 1952 年在龙凤矿建抽放瓦斯泵站开始的。我国煤矿的瓦斯灾害是比较严重的，在原国有重点煤矿 576 处矿井中，高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井有 277 处，占 48%，且 95%以上的3矿井具有煤尘爆炸危险，更加剧了瓦斯的威胁。据统计，在 19912000 年间，瓦斯事故死亡人数总体呈上升趋势。1991 年死亡 1364 人，2000 年死亡 2662 人，

10、10 年中增加近一倍。2001 年全国煤矿事故死亡 5670 人，瓦斯事故死亡 2436 人，占总死亡人数的43%。2002 年，在一次死亡 3 人以上和 10 人以上的重、特大事故中，瓦斯事故所占比重最大。每年在 10 人以上重、特大死亡事故中，瓦斯事故死亡人数占总死亡人数的比重基本在 80%以上。由此可见，瓦斯事故是制约我国煤矿安全状况好转的最主要因素。不把瓦斯事故控制住，就不能实现全国煤矿安全生产状况的稳定好转，也无法保障煤炭工业的持续健康发展。而作为防治瓦斯灾害事故的主要技术措施的瓦斯抽放，虽然取得了较快地发展，但总体上看水平仍然较低。我国目前的平均抽放率仅有 23%，而俄罗斯、美国、

11、澳大利亚等主要采煤国家的抽放率均在 50%以上，大大高于我国。目前，我国煤矿总体瓦斯抽放效果不佳，具体表现为瓦斯抽放率低。我国抽放率低的原因主要有以下几点：一是有些矿井该建抽放系统而未建，据 2001 年统计，国有大中型矿井中的 277 座高瓦斯矿井，其中有 154 座未建立瓦斯抽放系统；二是煤层基础条件差，透气性普遍较低；三是钻孔工程量少，有些矿井虽然建立了抽放系统，但对瓦斯抽放的认识不高，也缺乏相应的巷道和钻孔工程；四是抽放方法落后，很多矿区缺乏对瓦斯抽放工艺方法的研究，几十年一贯制，抽放效果差，难以满足安全生产的要求。尤其是放顶煤采煤法推广以后，工作面单产大幅度提高，日产 3000500

12、0t已是较低水平，日产万吨也较普遍，因此工作面瓦斯涌出量也大幅增长。另外，我国抽放瓦斯的发展亦不平衡，有些矿区频繁发生瓦斯爆炸，也从一个侧面说明瓦斯抽放工作搞得不好，不能满足安全生产的要求。一些企业的领导“安全第一”的观念还没有牢固树立，对抽放瓦斯重要性的认识仍然不够，对抽放瓦斯装备等的投入不能满足实际工作的需要，有些地方仍然维持在 20 世纪 80 年代的水平，须尽快转变观念，加快抽放瓦斯系统建设及更新改造。只有这样才能从根本上提高抽放瓦斯的能力，减少瓦斯事故的发生，提高安全生产水平。瓦斯抽放是防治煤矿瓦斯灾害事故的根本措施，我国政府及有关部门对此给予了高度重视。从 20 世纪 50 年代开

13、始，我国就将瓦斯抽放作为治理煤矿瓦斯灾害的重要4措施在高瓦斯和突出矿井推广；2002 年，国家煤矿安全监察局制定了“先抽后采，以风定产，监测监控”的煤矿瓦斯防治方针，强化了瓦斯抽放治理瓦斯灾害的地位；煤矿安全规程 （2001 年版）也以法规的形式对煤矿瓦斯抽放作了详尽的规定。半个世纪以来，我国实施瓦斯抽放的矿井数量和瓦斯抽放量逐年稳步上升，抽放瓦斯总量仅少于美国，居世界第 2 位。尽管如此，和煤矿瓦斯灾害治理对瓦斯抽放的要求相比，我国煤矿瓦斯抽放效果有待提高。1.3 瓦斯抽放系统瓦斯抽放系统是由一系列抽放设备组成的，通过形成一定负压将瓦斯从煤层中抽出并通过管道输送到地面或者其他安全地方。它主要

14、由瓦斯泵、管路系统、流量计和安全装置等组成。1.瓦斯泵我国常用的瓦斯泵主要有离心式瓦斯泵、回旋式瓦斯泵和水环式真空泵。水环式真空泵具有真空度高、负压大、流量小、安全性能好的特点，在我国广泛应用。2.抽放管路瓦斯抽放管路系统主要有主管、分管、支管及附属装置等组成。管路直径的大小可根据瓦斯的抽放量和管路的不同位置进行确定。对瓦斯管路敷设的要求为：瓦斯抽放管路应设在曲线最少、距离最短、尽量减少弯头的使用和矿车不经常通过的巷道，减少矿车碰撞的概率，并架设一定高度和固定在巷壁上，以免水淹腐蚀管路，缩短管路的使用寿命。3.流量计在瓦斯抽放管路和各个钻场内安装流量计是为了全面掌握和了解瓦斯的抽放情况，更好的

15、管理瓦斯抽放工作。4.安全装置瓦斯抽放系统的安全装置主要有“三方装置”和放水装置。1）三方装置是指安设在地面瓦斯抽放泵吸气管路中具有防回火、防回气、和防爆5炸作用的安全装置。2）放水装置是安装在抽放管路上的，为了放出管路中的水，减少负压的降低。6图 1-1 矿井瓦斯抽放与利用设施布置示意图71-井下抽放瓦斯区 2-瓦斯钻孔 3-瓦斯钻场 4 一钻场分支管 5 一抽放区支管 6-抽放区流量计 7 一阀门 8抽放瓦斯主管 9放水器 10抽放主管阀门 11放水器 12抽放主干管阀门 13 一井下抽放主干管 14 一地面防爆阻火器 15一放水器 16-避雷器 17-防爆阻火器 18 一放空管 19 一

16、阀门 20-瓦斯泵 21 一阀门 22放空管 23-阀门 24-流量计 25-避雷器 26 一瓦斯罐 27-防爆阻火器 28 一地面瓦斯供应干管 29-放水器 30-地面供应住宅区 31-瓦斯发电厂 32 一地面瓦斯利用车间 33-井口 34 一瓦斯泵房8第二章 矿井概况2.1 井田概况2.1.1 位置与交通屯留井田位于山西省屯留、襄垣县境内，潞安矿业（集团）公司西部。矿区对外交通有太（原）焦（作）铁路、邯（郸）长（治）铁路和太（原）洛（阳）公路。太焦铁路经矿区东部由北向南通过，太焦铁路的夏店站距潞矿集团约 7km，距五阳站16km。以夏店站为起点距太原市约 230km，距焦作市约 204km

17、，距邯郸市约 216km。本矿选煤厂距邯长铁路长治站。2.1.2 井田范围和煤炭储量（1）井田范围屯留矿井田井界为：北与文王山断层为界，南以西魏正断层西端点与坐标点（X=4015350，Y=38392000）连线为界；西以经线 38392000 为界，东以经线 3840200为界。井田走向长约 16Km，倾斜宽 10km，面积 160.24 2Km（2）煤炭储量矿井煤炭地质储量为 1528.28Mt，可采储量为 679.93Mt。其中 3#煤层地质储量为1281.98Mt，可采储量为 636.04Mt。详见表 211。煤 层 号 煤 炭 地 质 储 量 （ Mm3） 煤 炭 可 采 储 量 （ Mm3） 备 注3 1281.98 636.049 48.17 2.7512 21.57