1、天禹矿瓦斯抽放设计 永龙天禹（登封）煤业有限公司瓦斯抽放工程初步设计说明书 永龙天禹（登封）煤业有限公司2013年8月永龙天禹（登封）煤业有限公司瓦斯抽放工程初步设计说明书研究人员永龙天禹（登封）煤业有限公司：马社军 范存博 刘 卓 周刘正 魏海民 杨江水张华伟永龙天禹（登封）煤业有限公司2013年8月前 言永龙天禹（登封）煤业有限公司（以下简称天禹煤矿）位于登封市区西南20km的石道乡张沟村，行政区划隶属登封市石道乡管辖。天禹煤矿属河南煤化集团永煤公司整合的国有控股煤矿企业。矿井设计生产能力0.3Mt/a，服务年限约11a。赋存于山西组下部的二1煤层和下石盒子组上的五3煤层为主要可采煤层，本
2、矿井的开采对象为二1煤层。矿井采用斜井开拓，依据井田二1煤赋存条件，采煤方法长壁后退式，全部垮落法管理顶板，采煤工艺为炮采。天禹煤矿所处的登封地区属于豫西强变形三软煤层高突瓦斯带，为煤与瓦斯突出矿区。邻近矿井发生过煤与瓦斯突出事故或瓦斯动力现象，为了保障煤矿安全生产，设计人员认真研究和分析了天禹矿的煤层赋存、开拓开采、瓦斯基础参数及瓦斯涌出等情况后，对天禹煤矿的瓦斯抽放系统进行了初步设计，现提交瓦斯抽放工程初步设计报告及相关图纸。本次设计工作所遵循的依据是：（1）国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程，2011；（2）国家安全生产监督管理总局.煤矿瓦斯抽放规范，AQ1027-2006；（3）中
3、国煤炭建设协会.煤矿瓦斯抽采工程设计规范，GB 50471-2008；（4）国家安全生产监督管理总局.防治煤与瓦斯突出规定，2009；（5）天禹煤矿地质说明书；（6）天禹煤矿初步设计；（7）天禹煤矿初步设计安全专篇；（8）永龙天禹（登封）煤业有限公司二1煤层煤与瓦斯突出危险性区域预测报告。1 矿井概况1.1交通位置及矿井范围天禹煤矿位于登封市区西南20km的石道乡张沟村，行政区域划隶属登封市石道乡所辖，地理坐标为：东经11251041125214，北纬342035342144。井田走向长约1.0km，倾斜宽约1.8km，面积2.0626km2，以下15个拐点圈定，见表1-1所示。表1-1 井田
4、拐点坐标点号X坐标Y坐标13803040.9538394237.2623803520.9638394749.2533803600.9638394737.2543803620.9638394787.2553803590.9638394822.2563804450.9838395717.2573803020.9738396037.2783802326.9738391954.2893802662.9638395461.27103802605.9638395217.27113802602.9638395121.27123802450.9538394849.27133802575.9538394623.
5、26143802630.9538394537.26153802635.9538394537.26矿区位于登封市西南20km的石道乡张沟村，南距207国道4km，北距323省道3km，北距伊川新郑铁路2km，交通便利。交通位置示意图详见（图1-1）。1.2 自然概况本区为低山丘陵地形，区内最高海拔标高为523.90m，最低海拔标高为405.7m，相对高差为18.20m，区内总体地势呈中部高，向东、西南变低，地面坡度大，冲沟发育，有利于大气降水的迳流与排泄。区内属淮河流域颖河水系，区内无常年性地表水体，仅在矿区西北边界附近与隐士沟水库相邻，其淹没范围及库容较小。地面冲沟几乎常年干枯。图1-1 天禹
6、煤矿交通位置示意图1.3 地质概况1.3.1 矿井地层本区为丘陵地形，基岩为新近系覆盖。根据地表露头、矿井工程和钻孔揭露，地层由老至新有：寒武系上统（C3）、石炭中统本溪组（C2b）、二叠下统山西组（P1Sh）、下石盒子组（P1x）、上统上石盒子组（P2s）和新近系(Q)；现由老至新分述如下：一、寒武系上统（C3）为浅灰色、灰色厚状白云质灰岩，局部夹泥质条带及燧石结核，厚度145.62m。二、石炭系（C）（1）中统本溪组（C2b）以浅灰色铝质泥岩为主，具有鲕状及豆状结构，含黄铁矿结核及团块，局部呈层状。本组厚4.4m。本溪组与下伏寒武系上统呈平行不整合接触。（2）上统太原组（C3t）由深灰色石
7、灰岩、黑色泥岩、砂质泥岩、砂岩和煤层组成，厚度56.11m。依其岩性组合特征可分为三个岩性段。下部灰岩段：自太原组底至L4灰岩顶，由石灰岩（L1L4）、煤层（一1、一2、一3、一4）及泥岩砂质泥岩组成。石灰岩中含大量动物化石及其碎片，裂隙发育，多被方解石脉充填，其中L1石灰岩厚度大且稳定，是一主要标志层。煤层仅一1煤偶见可采点，其余均不可采。中部砂泥岩段:自L4石灰岩顶至L7灰岩底,以碎屑岩为主，由深灰色、灰黑色泥岩、砂质泥岩、细粒砂岩组成。本段地层厚21.31m。上部灰岩段：自L7灰岩底至二1煤层底板砂岩，厚18.08m。由石灰岩、泥岩、砂质泥岩组成，局部夹砂岩薄层。发育石灰岩二层（L7、L
8、8），其中L7石灰岩全区发育，厚度稳定，为本区主要标志层。三、二叠系（P）（1）下统山西组（P1Sh）为灰色、深灰色泥岩砂质泥岩、粉砂岩、中粒砂岩及煤层组成。为本区主要可采煤层。本组厚52.30m。本组底部为灰、深灰色中、细粒砂岩和煤层（二1煤层底板砂岩），夹泥质条带，具波状层理和交错层理，为本组与太原组分界砂岩。下部由深灰、黑灰色细、中粒砂岩，泥岩、砂质泥岩及二1煤层组成，含大量植物化石及其碎片，含煤两层（二1、二2），其中二1煤层全区可采；二2煤层不可采。中、上部为砂岩、砂质泥岩、泥岩组成，其中大砂岩较发育，为深灰、灰色细中料砂岩，层面含较多白云母片和炭屑，具交错层理，局部含泥质团块；香炭
9、砂岩发育稳定，为灰色细中粒砂岩，含炭屑和白云母片及泥质包体、菱铁质团块；泥岩、砂岩泥岩中含植物化石。顶板为厚层状铝土质泥岩及铝土岩，具暗紫斑和菱铁质鲕粒，局部具鲕状结构（小紫斑泥岩）。山西组与下伏太原组为整合接触。（2）下统下石盒子组（P1x）由砂锅窑砂岩底至田家沟砂岩底，厚261.76m，本组以中上部地层在本区浅部遭受剥蚀，仅在中东部保留该组及其上部的上石盒子组。下部为灰绿色，砂质泥岩夹细粒砂岩，局部为深灰色泥岩，含紫斑泥岩、偶夹薄煤。底部为灰绿色紫斑泥岩及浅灰色中粗粒砂岩，俗称砂锅窑砂岩，为区内主要标志层。上部为青灰色、深灰色、黑色泥岩、砂质泥岩夹青灰色、浅灰色细、中粒砂岩、紫斑泥岩及薄煤
10、多层。紫斑泥岩常含铝质，二含菱铁质鲕粒。上部的底层为灰、灰绿色中粗粒砂岩，称四煤底板砂岩，为区内标志层之一。该组下部为三煤组，上部为四、五、六煤组，仅五3煤大部可采。下石盒子组与下伏山西组为整合接触。（3）上统上石盒子组（P2s）由田家沟砂岩底至基岩风化面，保留最大厚度为226.13m，按其沉积旋回，可分为七、八、九煤段。1 七煤段由田家沟砂岩底至八煤地表砂岩底，厚80.62 m。田家沟砂岩为灰白灰绿色中细粒砂岩，局部相变为粗粒甚至含砾，厚5.54 m左右，为下三种盒子组与上盒子组的分界标志层。其上为灰灰白色砂岩、灰紫红色泥岩、砂岩泥岩，局部发育35层灰褐、灰黄色硅质泥岩，是七煤段良好标志。2
11、 八煤段由煤地表砂岩底至九煤底板砂岩，厚度为70.43 m。八煤地表砂岩为灰、灰绿色中细粒砂岩。中上部为灰、青灰、紫红色泥岩、砂质泥岩透镜体、产植物化石及黄铁质结核。 九煤段由九煤地表砂岩底至基岩风化面，保留最大XX为75.08 m。九煤地表砂岩为灰、灰绿色中粗粒砂岩，厚5.50m左右。中上部为浅灰、灰绿色泥岩、泥岩、夹砂岩透镜体、产植物化石及黄铁质结核。上石盒子组与下伏石盒子组为整合接触四、新近系（Q）以角度不整合覆盖于下伏各时代地层之上。厚度为020m。主要由黄土、黄褐色亚粘土、土红色砂质粘土、砂砾石组成。1.3.2 地质构造矿区位于颍阳芦店向斜南翼中段，总体构造为一走向115140，倾向
12、2550，倾角30左右单斜构造。矿区及周边邻近构造较复杂，以断裂为主，多数为NE向张性正断层，少数为压扭性逆断层及东西向张扭性正断层。区内发育3条走向为北东向的正断层，结合郭沟井田地质报告构造发育情况确定本区构造复杂程度属中等构造。（1）新庄断层（郭F2）F2断层位于本区西北边界，正断层，区域延伸长度大于5.0km区内延伸长度约2.0km。断层走向5085左右，倾向140175，倾角70。落差100200m。该断层在矿区及附近由5701、5803孔和地表露头控制，已基本查明。（2）郭F5断层郭F5断层位于本区东南部，正断层，区域延伸长度2.30km，区内延伸长度约1.6km。该断层走向7090
13、左右，倾向340360，倾角70，落差3050m，该断层在区内由5901、6002、6103孔和地表露头控制，已基本查明。（3）郭F9断层郭F9断层位于本区南部，原财兴煤矿南部边界，正断层。区域延伸长度约1.4km，区内延伸长度0.2km。断层走向70，倾向340，倾角70，落差050.0m。该断层在矿区附近由地表露头控制，断层已查明。1.4 煤层赋存与煤质1.4.1 煤层赋存本区含煤地层为石炭系上统太原组合二叠系下统山西组、下石盒子组，含煤地层总厚度370.17m，共计含量煤12层，煤层总厚7.15 m，含煤系数1.93%，其中赋存于山西组下部的二1煤层、下石盒子组的五3煤层为主要可采煤层，
14、可采煤层总厚4.17 m，可采含煤系数1.13%。（1）二1煤层赋存于山西组下部，全区发育，结构简单，全区可采，结合郭沟井田地质报告煤层发育情况，属较稳定煤层。下距L7石灰岩11.15 m，距寒武系灰岩45.55 m。煤层底板标高为+450-650 m，煤层埋深601070 m，煤厚0.7014.39 m，平均3.49 m，南部和西部厚度较大，煤层厚度变化标准差为0.78，变异系数为22%，煤层结构简单，不含夹矸。煤层顶板为黑色泥岩、砂质泥岩，老顶为细砂岩；底板为黑色泥岩、砂质泥岩。（2）五3煤层赋存于石盒子组中部全区发育，结构较简单，大部可采，结合郭沟井田煤层发育情况，属稳定煤层，下距二1煤
15、层240 m，下距寒武系灰岩285.5 m。煤层底板标高为+450-480 m，煤层埋深180900 m。煤层厚度00.94 m。煤厚变化标准差0.11，变异系数为16%。煤层结构较简单，一般不含夹矸。煤层顶板为深灰色砂岩，局部为泥岩质泥岩伪顶；底板为泥岩或砂质泥岩。1.4.2 煤质特征（一）煤的物理性质二1煤层颜色为黑色，粉状，间夹块状、粒状煤，粉状煤的原生结构、构造不清，块状煤具有似金属光泽，据测定二1煤视密度1.38t/m3。（二）煤的化学性质二1煤原煤水份（Mad）平均为0.61%0.87%，平均为0.76%，为低水分煤；原煤灰份(Ad)为16.0728.06%，平均为20.21%，为
16、中灰煤。原煤干燥无灰基挥发分（Vdaf）为13.24%；属特低硫、中高发热量、特低磷煤。（三）煤类由前述可知，二1煤浮煤挥发份（Vdaf）为13.24%，煤中氢元素含量（Hdaf）为4.15%，依据中国煤炭分类国家标准，本区二1煤应为贫煤。矿区内二1煤为中灰、特低硫、特低磷、中高发热量之贫煤。因此，可做为动力用煤和火力发电用煤，也是良好的民用燃料。1.5 矿井开拓与开采矿井采用斜井开拓（其中包括主斜井、副斜井、回风井），井筒均布置在二1煤层底板灰岩内，倾角为30，主井斜长836米，副井斜长826米，回风斜井斜长810米。井田范围内共有资源储量二1煤1032.75万吨，可采储量473.8万吨；矿
17、井主采二1煤层，井田面积为2.0626km2，平均厚度为3.49m。采煤方法走向长壁后退式，全部垮落法管理顶板，采煤工艺为炮采。目前井下布置有21031采煤工作面，21021采煤工作面和21061掘进工作面。1.6 矿井通风与瓦斯矿井采用中央并列式通风方式，即主、副斜井进风，回风斜井回风。通风方法为抽出式。主通风机为FBCDZ-No.18型轴流式风机，共2台，一备一用。掘进工作面采用局部通风机压入式通风，回采工作面采用全负压通风，工作面通风系统为“U”型，采用上行通风方式。本矿井位于郭沟井田的西部，根据河南省登封煤田郭沟井田勘探地质报告，二1煤层在269.36 792.73m取样范围内，瓦斯成
18、分以甲烷为主，由浅至深甲烷约占气体成分为55.9897.60%，一笛膜在85%以上，次为氮气和二氧化碳；瓦斯含量为5.68%13.96%m3/t.daf，平均7.60%m3/t.daf，其变化和成分变化大体一致，即随煤层埋深加深，瓦斯含量呈增高趋势。瓦斯风化带分布在井田浅部，其下界深度一般在160m左右。以深则瓦斯含量高，属瓦斯富集区。本区煤层埋深01070m，除浅部煤层露头附近外，基本上处于煤层瓦斯富集区。属于瓦斯矿井，在+60m水平以下深部瓦斯含量相对较高，应按高瓦斯矿井管理。在埋深510.97642.39m范围内，CH4含量为7.5112.93m3/t。本区煤层瓦斯存在不均衡性，特别是在
19、新F1、郭F14断层附近有可能形成瓦斯相对聚集区。根据河南省煤炭工业管理局，河南理工大学编著的河南省瓦斯地质规律研究及煤矿瓦斯地质图，登封地区属于豫西强变形三软煤层高突瓦斯带，为煤与瓦斯突出矿区。2 矿井瓦斯抽放的必要性与可行性2.1 天禹矿瓦斯基础参数2.1.1瓦斯含量测定煤层瓦斯含量是单位体积或重量的煤体中所含的瓦斯量，常用m3/t或ml/g作为计量单位。煤层瓦斯含量是煤层瓦斯的主要参数。生产矿井煤层瓦斯含量普遍采用间接法或直接法测定。直接法测定煤层瓦斯含量即利用煤层钻孔采集原始煤体煤芯，用解吸法直接测定煤层瓦斯解吸量。直接法测定煤层瓦斯含量的原理是：用解吸法直接测定煤样的瓦斯解吸量，根据
20、煤样瓦斯解吸量及解吸规律，推算煤样从采集开始至装罐解吸测定前的损失量，再利用解吸测定后煤样中残存瓦斯量计算煤层瓦斯含量。2012年元月，河南理工大学按照煤层瓦斯含量井下直接测定方法（AQ1066-2008）和煤层瓦斯含量井下直接测定方法（GB/T 23250-2009）的要求，在21031下副巷外段和21031下副巷里段等位置测定了7组煤层瓦斯含量。设计测定钻孔深度2530m。在施工钻孔过程中，在孔深15m、20m、25m和30m处取样，测定30min以内的瓦斯解吸量，把解吸量最大的煤样送实验室测定煤层残余瓦斯含量，最终测定出煤层瓦斯含量。测试结果见表2-1。表2-1 天禹煤矿煤层瓦斯含量测定
21、结果钻孔开孔位置标高（m）瓦斯含量（m/t）瓦斯压力（MPa）W121031下副巷外段距揭煤点40m（1#孔），取样深度18m-753.170.41W221031下副巷外段距揭煤点70m（2#孔），取样深度25m-745.910.66W321031下副巷外段距甩车场260m（3#孔），取样深度19m-905.080.56W421031下副巷外段距甩车场260m上帮（4#孔），取样深度20m-626.25 0.67W521031下副巷外段距甩车场200m（5#孔），取样深度21m-404.68 0.50W621031下副巷里段迎头（6#孔），取样深度16m -422.820.29W721031下
22、副巷里段迎头（7#孔），取样深度24m-383.980.41 从瓦斯含量（全组分）测定结果来看，二1煤层瓦斯含量为2.826.25m3/t,最大瓦斯含量未超过临界值8m3/t。2.1.2 煤层瓦斯压力间接测定直接法测试煤层瓦斯压力受诸多因素的影响，不易获得真实的值，为了尽可能多的获得瓦斯压力资料，可以依据井下实测的瓦斯含量，用间接法反算得到瓦斯压力。间接法是井下确定煤层瓦斯含量的重要方法，在已知煤层瓦斯压力、煤的瓦斯吸附常数时，由公式（2-1）计算煤层瓦斯含量： （2-1）式中：W 煤层瓦斯含量，m3/t；P煤层瓦斯压力，MPa；a吸附常数，煤的极限吸附量，m3/t；b吸附常数，MPa-1；M
23、ad煤中水分含量，%；Ad煤中灰分含量，%；煤的孔隙率，%；煤的容重（视密度），t/m3。在采用式2-1计算煤层瓦斯压力时需要注意以下几点： 因混合气体的压力是组成混合气体的各种单一气体的压力之和，故在采用间接法计算煤层瓦斯压力时要考虑氮气、二氧化碳、一氧化碳气体等产生的压力； 在气体自然组份中，CH4是分子量最小的气体，在自然组份中与其它气体相比，同等吸附气体体积的气体CH4产生的压力小于氮气； 将实测瓦斯含量、气体组份数据和表2-1中的有关数据代入朗格缪尔公式进行计算，得到实测瓦斯含量推算的压力结果如表2-1所示。按瓦斯含量反推瓦斯压力的煤层瓦斯压力的值域为0.290.67MPa，7个测定
24、值全部小于临界值0.74MPa。2.1.3 瓦斯压力直接测定直接测定煤层瓦斯压力的方法为从岩层巷道或煤层巷道中向预定测量瓦斯压力的地点用钻机打一钻孔，然后从钻孔中引出一个管子及测压装置，再将钻孔严密封闭堵塞，用压力表和引出的管子或测压装置相连，从而测出煤层中的瓦斯压力。如果在测定中能保证钻孔封闭得严密不漏气，则压力表显示的数值即为测点及其附近的实际瓦斯压力。严格执行AQ1047-2007（煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法）的有关规定测定煤层瓦斯压力。在矿井的不同标高采用聚胺脂和水泥砂浆封孔方法测定了二1煤层的瓦斯压力，其表压力值为0.050.25MPa，测压孔的参数见表2-2。表2-2 二1
25、煤层瓦斯压力测定地点标高（m）钻孔倾角（度）方位角（度）终孔深度（m）封孔深度(m)表压力（MPa）21031下副巷外段水仓处硐室（1#）-55-3017017140.0521031下副巷外段水仓处硐室（2#）-45-3022020.5170.2521061下副巷密闭外（3#）-50-5026525220.1521061下副巷密闭外（4#）-75-3513535260.252.1.4 煤的瓦斯吸附常数测定煤的甲烷吸附常数的测定是在等温吸附仪上进行的，该实验采用压力法进行测定。实验时煤样经过粉碎后，用6080目的筛子筛取粒度为0.20.25mm的煤样，真空干燥后，在恒温30下，放入吸附缸中真空脱
26、气，向吸附缸中充入一定体积甲烷，使吸附缸内压力达到平衡，部分气体被吸附，部分气体仍以游离态处于死体积中，已知充入的甲烷体积，扣除死空间的游离体积，即为吸附体体积。重复这样的测定，得到各压力段平衡压力与吸附体积量，连接起来即为吸附等温线，从而求得吸附常数a、b值。在井下的合适位置测定了煤样吸附常数a、b值和煤样的视密度及孔隙率，测定结果如表2-3。表2-3 煤样吸附常数a、b值的测定结果采样地点a值b值视密度(g/cm3)孔隙率(%)21061下副巷密闭外32.8950.6771.453.9721031下副巷外段水仓处硐室31.7400.6171.443.362.1.5 煤的坚固性系数及瓦斯放散
27、初速度的测定煤的坚固性系数是表示煤体抵抗外力破坏能力的一个综合指标，主要由煤的物理力学性质决定。它反映的是单位质量的煤被破坏所消耗能量的大小，即煤体是否容易被破坏而发生突出。鉴定工作实施期间，在煤矿井下的采掘地点采集煤样，采样时如果是新暴露的煤层直接采样，如果不是新暴露的煤层，采样前先剥落300mm的表层后采样或打钻后采取钻孔内的煤样，在新暴露的煤层表面采样时，在新暴露的煤层上，取最软的块度为100mm煤样两块，煤样采出后用塑料袋包严，使其保持自然含水状态，以免风化。本次进行鉴定时，煤的坚固性系数按照煤和岩石物理力学性质测定方法第12部分：煤的坚固性系数测定方法（GB/T23561.12-20
28、10）进行煤样采集及测试。煤的瓦斯放散初速度（p）反映了煤在常压下吸附瓦斯的能力和放散瓦斯的速度，表现了煤的微观结构，是反映煤层突出危险性大小的指标之一。煤的瓦斯放散初速度越大，煤层的突出危险性越大。鉴定工作实施期间，在煤矿井下的采掘地点采集煤样，采样时如果是新暴露的煤层直接采样，如不是新暴露的煤层，采样前先剥落300mm的表层后采样或打钻采取钻孔内的煤样。本次进行鉴定时，煤的瓦斯放散初速度指标（p）测定方法按照煤的瓦斯放散初速度指标（p）测定方法（AQ1080-2009）进行煤样采集及测试。项目研究期间，在二1煤层共采集若干组新鲜煤样，测定了6套煤的坚固性系数与瓦斯放散初速度，测试结果如表2
29、-4所示。二1煤层煤的坚固性系数f为0.120.15，瓦斯放散初速度p为14.025.0。从煤的坚固性系数和瓦斯放散初速度测试结果来看，天禹煤矿煤质松软，单从煤体结构来看，已经具备了发生突出的条件。表2-4 煤的坚固性系数和瓦斯放散初速度测定结果序号采样地点瓦斯放散初速度（p）坚固性系数（f）破坏类型121031回采工作面上巷距切眼60m处15.50.13221031回采面下巷20.00.13321031回采面切眼14.00.14I421031下副巷里段掘进头20.00.12521031下副巷外段掘进头25.00.13621031下副巷外段距巷道开口处240m24.00.15I2.2 邻近矿井
30、瓦斯基础参数天禹煤矿位于登封煤田的郭沟井田，该井田的西部为突出特别严重的马岭山井田，东部为突出特别严重的新新井田。矿井周围矿井多为小煤矿，由于小煤矿人员更替频繁，瓦斯地质资料保存不全，煤与瓦斯突出资料不全。与天禹煤矿近邻有原河南省登封市阳城企业集团有限公司阳城二煤矿（现丰阳煤矿）。与郭沟井田西临的是马岭山井田，该井田东部的矿井大多在标高约+50+150m时进入了突出区，其中原马岭山矿在+303m(垂深242m)水平发生重大煤与瓦斯突出事故。马岭山井田距离天禹煤矿比较远，这里重点介绍郭沟井田内的丰阳煤矿。2.2.1 丰阳煤矿天禹煤矿位于丰阳煤矿的西部，丰阳煤矿井田范围内二1煤层共有10个地勘期间瓦斯含量控制点，如表2-5所示，地勘期间瓦斯含量大于8m3/t的控制点全部位于井田的中部和深部（埋深大于550m）或煤层特厚区（煤厚大于9m），说明埋藏深度和煤层厚度是控制该井田煤层瓦斯含量的一个重要参数。表2-5 丰阳煤矿二1煤层地勘瓦斯含量测值汇总表 序号钻孔/地点采样深度（m）甲烷成分（%）瓦斯含量（ml/g.r）评价
