MDZ60型地面固定式灌浆注胶防灭火系统标准设计要点.docx

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MDZ60型地面固定式灌浆注胶防灭火系统标准设计要点

MDZ-60地面固定式

灌浆注胶防灭火系统

设

计

方

案

西安森兰科贸有限责任公司

西安科技大学矿山应用技术研究所

2006年5月

地面固定式灌浆注胶防灭火系统设计方案

黄泥灌浆是煤矿最主要的防灭火手段之一，其原理是泥浆中的水份吸收大量热，起到灭火降温的作用，黄土覆盖浮煤表面，起隔氧阻止氧化的作用。

灌浆防灭火时，泥浆浓度对注浆防灭火的效果影响很大，泥浆浓度越大效果越好。

现有灌浆防灭火系统的水土比通常在5:

1左右，浆液流失量大，灌浆效率低，而且，灌注黄泥浆时还存在严重的“拉沟”现象，在较大空间内不能有效地堆积，下部煤层开采时还容易发生“溃浆”事故。

在发现煤层自燃高温点时，采用常规的注水、灌浆和喷阻化剂时，由于重力作用，浆液流往低处，不能在高处积存、渗流范围很小，难以扑灭高处大面积火源；浆液往低处流，冲出水沟，不能有效降低块煤内部温度，停止注浆后，风流渗透流畅，复燃很快，且用水或灌浆控制火势时，将迅速产生大量水蒸汽，反而会促进煤层自燃火势发展，恶化工作环境，并有产生水煤汽爆炸的危险。

采用注氮、注惰性泡沫灭火时，需封闭性严，且气体热容小，能带走高温区的热量有限，灭火周期很长，火区复燃概率高。

胶体防灭火技术集堵漏、降温于一体，防灭火效果佳，已成为煤层自燃火灾治理的主要技术手段之一。

1胶体防灭火材料简介

1.1胶体防灭火材料的分类及组成

目前煤矿使用的防灭火胶体主要有以下四种：

1）“凝胶”是以硅胶为主体，由基料（水玻璃）、促凝剂（碳酸氢钠）、增强剂（黄土或粉煤灰等）和水按比例混合而成。

2）“稠化胶体”由稠化悬浮剂（JXF1930）、黄土或粉煤灰和水按比例混合而成。

3）“复合胶体”由胶凝剂（FCJ12）、黄土或粉煤灰和水按比例混合而成。

4）“高分子胶体”由灭火剂（MCJ12）和水按比例混合而成。

胶体中各种材料所起的作用主要如下：

1）水作为溶剂，所起的主要作用是将各种成胶材料通过管路输送到指定地点，并起到吸热降温作用。

2）粉煤灰或黄土作为主要充填物，起到充填浮煤孔隙，包裹煤体，隔绝煤氧接触，阻隔火势的发展和蔓延，并有利于再生顶板的形成。

3）胶体外加剂的主要作用是对水、粉煤灰或黄土浆液进行改性，提高其利用率，并改善其防灭火效能，避免“溃水、溃浆”等次生事故的发生。

1.2胶体防灭火材料的性能

胶体材料具有如下防灭火性能：

1）固水降温性：

胶体中90%以上是水，易于流动的水被固结起来，充分发挥水的降温作用；成胶过程是吸热反应，煤温上升使胶体中的水汽化，也吸收大量的热。

2）渗透和堵漏性：

成胶材料是易于流动的液体，渗透到煤层缝隙中后形成胶体，堵住漏风通道。

3）阻化性：

促凝剂和基料本身都是阻化剂，两者反应生成的材料也是阻化剂，胶体具有通用阻化剂的性能。

4）热稳定性：

在1000多度的高温下胶体不熔化、不破裂，仍能保持完好，只是慢失水干裂。

5）充填性能：

增强剂（黄土、粉煤灰等）用量增加，胶体耐压性增强，高浓度胶体泥浆可充填高冒空顶区。

6）灭火安全性：

由于胶体有束水作用，在用于扑灭煤火时，不会急剧产生大量的水煤汽而恶化工作环境或发生爆炸。

7）有效期：

正常情况下（T<28℃，湿度>90%），胶体可长期保存在煤层中（现场实测十三个月仍完好），防止煤层自然发火或火区复燃。

8）成胶时间可控性：

最短成胶时间25s，慢的可控制在2h以上，便于针对不同发火情况和现场使用工艺对其进行适当调节。

为了更好地发挥水、灌浆材料和胶体材料的防灭火性能，针对不同的现场环境、使用条件、应用工艺和原料成本，森兰科贸有限责任公司与西安科技大学联合开发了（稠化胶体）悬浮剂、（复合胶体）胶凝剂、（高分子胶体）灭火剂等一系列新型的胶体防灭火材料。

1.3胶体防灭火技术的特色

1）灭火速度快：

由于胶体独特的灭火性能,其灭火速度很快,通常巷道小范围的火仅需几小时即可扑灭,工作面后方大范围的火也只需几天即可扑灭。

2）安全性好：

胶体在松散煤体内胶凝固化、堵塞漏风通道,故有害气体消失快；在高温下，胶体不会产生大量水蒸汽,不存在水煤气爆炸和水蒸汽伤人危险。

3）火区启封时间短：

注胶灭火工程实施完，即可启封火区。

4）火区复燃性低：

高温区内只要有胶体渗透到的地点都不会复燃。

胶体性能

固水；降温；堵漏；阻化；充填；

有效期长；成胶时间可控；灭火安全；速度快

产品名称

（稠化胶体）

悬浮剂

（复合胶体）

胶凝剂

（高分子胶体）

灭火剂

型号

JXF1930

FCJ12

MCJ12

胶体外观

主要用途及

性能特点

●增加浆液的粘稠度、保水性和渗透性；

●使稀泥浆达到稠泥浆的防灭火效果；

●解决浆液管路输送过程中的沉淀堵管问题。

●实现浆液的液固转化；

●指定地点停留，充分发挥胶体的降温和堵漏风作用；

●有粘弹性，可对移架造成的新裂隙进行二次封堵。

●实现水的液固转化；

●堵塞煤层缝隙，包裹高温煤体，隔绝氧气，降低煤温，扑灭火源。

用量

>0.1%

>0.06%

>0.8%

使用方法

●均匀撒入浆液中；

●通过专用设备加入。

在注浆点附近，通过矿用移动式防灭火注浆装置将其加入灌浆管路。

在灭火地点附近，通过矿用移动式防灭火注浆装置，将其与水混合后注入火区。

适用环境

仰采工作面采空区；

沿空巷道邻近采空区；

开切眼和停采线灌浆。

俯采工作面采空区；

沿空巷道邻近侧采空区；

巷邦及巷道顶；

开切眼和停采线灌浆灭火。

火灾快速控制和熄灭；

小范围区域的防火。

性能对比

用水灭火

胶体灭火

技术指标

外观：

白色固体；粒度：

<0.2mm；容重：

0.80g/cm3；

包装：

25kg±50g；储存：

阴凉干燥处；保质期：

2年。

2胶体防灭火系统的类型

胶体防灭火系统类型主要分为：

地面固定式；地面移动式；井下移动式三种，这些系统使用所须的条件及其应用时的优缺点如下表。

系统名称

地面固定式

注胶防灭火系统

地面移动式

注胶防灭火系统

井下移动式

注胶防灭火系统

型号

MDZ-60

MYZ-30

ZMJ-15

工艺

流程

地面：

系统将水、黄土等用量大的材料，以及需添加的胶体外加剂按比例混合好后，通过灌浆管路输送至井下防灭火地点；

井下：

将胶凝剂等用量小且易运输的材料，通过矿用移动式防灭火注浆装置，加入浆管内与浆液混合后，注入防灭火区域。

系统将水、黄土等材料，以及需添加的外加剂按比例混合好后，通过管道输送至地面注胶灭火钻孔内或井下防灭火地点；

利用ZHJ-5/1.8G矿用移动式防灭火注浆装置，将FCJ12胶凝剂等材料按比例加入浆管内与浆液混合后，注入防灭火区域。

井下：

系统将水、粉煤灰等材料按比例混合好后，通过管道输送至防灭火地点，用矿用移动式防灭火注浆装置，将胶凝剂按比例加入浆管内与浆液混合后，注入防灭火区域。

优点

控制范围广；

运行稳定、流量大；

井下材料运输量极小；

井下人员工作量极小。

移动灵活，适应性强；

灌浆站位置可机动地改变；灌浆倍线小；

不需固定设施。

系统投资小；

灭火时反应快；

系统所需空间小。

缺点

投资大，管路长，需小量注胶的地点，不易操控。

需在地面寻找合适的场地，且水、电和制浆料易于到位。

井下原料运输量较大。

系统主要设备

定量送料机、胶体制备机、滤浆机、渣浆泵、排污泵、监控系统、矿用移动式防灭火注浆装置。

制滤浆机、悬浮剂添加机、渣浆泵、矿用移动式防灭火注浆装置、

控制柜等。

泥浆泵、矿用移动式防灭火注浆装置、矿用移动式防灭火注浆装置。

3MDZ-60地面固定式灌浆注胶防灭火系统

3.1系统功能

功能一：

灌浆。

本系统每小时最多可将40m3的制浆料（土、灰）送入制滤机制成一定浓度的浆液，经过滤后通过管路进入注浆地点，达到防灭火目的。

功能二：

灌注稠化胶体。

通过加入一定比例的JXF1930稠化悬浮剂，使浆液成为稠化胶体，然后通过渣浆泵输送至灌浆管网，到达用浆地点。

功能三：

灌注复合胶体。

在注浆地点附近，使用“ZHJ-5/1.8G（N）矿用移动式防灭火注浆装置”向输浆管路的浆液内加入FCJ12复合胶体胶凝剂，形成复合胶体泥浆注入火区。

功能四：

压注高分子胶体。

使用“ZHJ-5/1.8G（N）矿用移动式防灭火注浆装置”以每小时5m3以下的流量将水和MCJ12胶体灭火剂制成高分子胶体并以一定压力注入火区。

3.2系统构成

MDZ-60地面固定式胶体防灭火系统由浆料储存场地、浆料输送、连续式定量制浆、过滤搅拌、计量、输浆及管网系统和外加剂添加等部分构成，见图1和图2。

图1地面固定式灌浆注胶防灭火系统流程框图

图2地面固定式灌浆注胶防灭火系统工艺流程图

3.3系统布置

本系统主要设备、仪表、控制柜等都应以固定形式安装在注浆站内，注浆站应建有一定面积的厂房，主要制、滤浆设备及控制系统等需安装于厂房内。

所使用的防灭火材料也应放置于厂房内，制浆原料等置于厂房外，但应有雨蓬防雨。

从灌浆站至井下的灌浆管路最好通过钻孔进行连接。

“矿用移动式防灭火注浆装置”置于井下靠近灌浆点附近（不超出150m）做为胶凝剂的添加设备，也可做为突发火区和小范围高温点的前期控制和灭火装备。

材料的运输及贮存：

制浆料（黄土、粉煤灰）由采土场（尽可能过筛或使用较好的黄土（粉煤灰））用货车运至运至灌浆站土场（可提前贮存一定量，约500方），用推土机或铲车将黄土（粉煤灰）装入胶体制备机的主料箱内。

基料（水玻璃）可使用罐车（每车5～10方不等）运至灌浆站并放入基料池（基料池内严禁有水或进水），使用时打开阀门即可放出。

悬浮剂购入后放置于灌浆站材料库中，灌浆时取出使用，材料库严禁进水并保持阴凉干燥。

胶凝剂在注胶时由井下操作工人从地面运至井下使用地点（每班使用量很少）。

注浆站的布置：

本地面灌浆站须建在供水、供电、交通运输及能满足灌浆倍线要求的地方。

现以宁煤集团羊场湾煤矿为例，见图3。

图3地面固定式灌浆注胶防灭火系统平面布置示意图

供水：

附近有稳定流量（大于50m3/h）的供水水源，如：

高位水仓、稳定水原井、河流边、井下返水点等附近。

如果灌浆站位置不能满足这些条件则需在灌浆站附近新建储水仓，由水源处间断或连续小流量向水仓供水，以保证灌浆时所需水量。

供电：

根据所选用的设备不同，其供电功率相差较大，选用110KW渣浆泵时供电功率为180KW，建议在现场允许的条件下架设独立变压器为系统单独供电。

交通运输：

灌浆站应建设在交通便利、场地较为宽阔的地方，以保证设备、人员、原料运输的畅通。

灌浆倍线：

灌浆倍线是指灌浆管路出、入口之间的灌浆管路长度与垂直高差的比值，不同浆液浓度所需的倍线值不同。

本系统中加入悬浮剂的1：

1的灰浆的灌浆倍线不应大于15，否则就应考虑使用钻孔以缩短灌浆管路长度或加压提升浆液理论垂直高度。

当使用较长地面管路时应充分考滤地形条件对管路产生的影响而选用合理的设备进行输送。

3.4应用工艺

功能1）：

灌浆

具体步骤：

a.打开供水阀门，根据计划注浆的流量和浓度调整水量,给胶体制备机与滤浆机通水一段时间；

b.使用装载机（推土机）把黄土（粉煤灰）从土场加入到定量送料机料箱内；

c.定量送料机会按已设定的输送量把黄土（粉煤灰）均匀送上皮带输送机；

d.皮带输送机把黄土（粉煤灰）转运至胶体制备机上料架；

e.水与黄土（粉煤灰）均由上料架的导料漏斗处进入胶体制备机，胶体制备机把水与黄土（粉煤灰）混合、搅拌均匀制成浆液，并将浆液中大于15mm的颗粒通过刮渣板刮出，浆液通过出浆管自流进入滤浆机；

f.滤浆机将浆液中大于8mm的颗粒过滤后通过刮渣板刮出，以免其在输浆管路中沉淀堵塞；其余合格浆液通过出浆管自流进入缓冲池；

g.缓冲池内浆液由渣浆泵（泥浆泵）送至井下注胶地点起到灭火的功效（灌浆站附近有钻孔可不使用泵送，由缓冲池出口管路直接自流入钻孔）。

功能2）：

灌注稠化胶体

具体步骤：

a.打开供水阀门，根据计划注浆的流量和浓度调整水量,给胶体制备机与滤浆机通水一段时间；

b.使用装载机（推土机）把黄土（粉煤灰）从土场加入到定量送料机料箱内；

c.定量送料机会按已设定的输送量把黄土（粉煤灰）均匀送上皮带输送机；

d.皮带输送机把黄土（粉煤灰）转运至胶体制备机上料架；

e.水与黄土（粉煤灰）均由上料架的导料漏斗处进入胶体制备机，胶体制备机把水与黄土（粉煤灰）混合、搅拌均匀制成浆液，并将浆液中大于15mm的颗粒通过刮渣板刮出，在胶体制备机出口管上方的悬浮剂添加装置内加入悬浮剂，浆液与悬浮剂通过出浆管自流进入滤浆机；

f.滤浆机将浆液与悬浮剂搅拌混合形成稠化胶体浆液，并将浆液中大于8mm的颗粒过滤后通过刮渣板刮出，以免其在输浆管路中沉淀堵塞；其余合格浆液通过出浆管自流进入缓冲池；

g.缓冲池内稠化胶体浆液由渣浆泵（泥浆泵）送至井下注胶地点起到灭火的功效（灌浆站附近有钻孔可不使用泵送，由缓冲池出口管路直接自流入钻孔）。

功能3）：

灌注复合胶体

具体步骤：

a.打开供水阀门，根据计划注浆的流量和浓度调整水量,给胶体制备机与滤浆机通水一段时间；

b.使用装载机（推土机）把黄土（粉煤灰）从土场加入到定量送料机料箱内；

c.定量送料机会按已设定的输送量把黄土（粉煤灰）均匀送上皮带输送机；

d.皮带输送机把黄土（粉煤灰）转运至胶体制备机上料架；

e.水与黄土（粉煤灰）均由上料架的导料漏斗处进入胶体制备机，胶体制备机把水与黄土（粉煤灰）混合、搅拌均匀制成浆液，并将浆液中大于15mm的颗粒通过刮渣板刮出，在胶体制备机出口管上方的悬浮剂添加装置内加入悬浮剂，浆液与悬浮剂通过出浆管自流进入滤浆机；

f.滤浆机将浆液与悬浮剂搅拌混合形成稠化胶体浆液，并将浆液中大于8mm的颗粒过滤后通过刮渣板刮出，以免其在输浆管路中沉淀堵塞；其余合格浆液通过出浆管自流进入缓冲池；

g.缓冲池内稠化胶体浆液由渣浆泵（泥浆泵）送至井下注胶地点（灌浆站附近有钻孔可不使用泵送，由缓冲池出口管路直接自流入钻孔）。

h.当浆液到达井下注胶地点附近时，使用“ZHJ-5-1.8G矿用移动式防灭火注浆装置”按比例要求向注浆管路内注入胶凝剂，胶凝剂会使浆液在一定时间内（1分钟左右）发生胶凝反应，形成类似豆腐状无流动性的复合胶体，在压力做用下通过裂隙缓慢移动，失去部分水后完全失去流动性，从而起到更好的灭火的功效。

功能4）：

压注高分子胶体（即矿用移动式防灭火注浆装置：

ZHJ-5/1.8G单独使用所具备的功能，主要用于煤层火灾的快速控制和熄灭）

在井下安装好“矿用移动式防灭火注浆装置”（离用胶地点距离小于30m），把“高分子胶体灭火剂”加入设备胶凝剂料箱，按使用现场的要求调节“高分子胶体灭火剂”的加入量，水和高分子胶体灭火剂混合制成高分子胶体后压注入火区起到快速灭火的功效。

3.5系统设计参数

1）制浆原料：

粉煤灰、砂土；

2）动力：

系统设备总功率110kw；

3）供水：

大于50m3/h，水压大于0.4Mpa，要求水中无不溶性杂物；

4）水灰比：

3～1:

1；

5）制浆料用量：

<40m3/h；

6）注浆量：

60m3/h；

7）悬浮剂使用量：

＞0.1%（稠化胶体）；

8）胶凝剂使用量：

＞0.06%（复合胶体）；

9）灭火剂使用量：

＞0.8%（高分子胶体）。

3.6主要设备及技术参数

1）定量送料机

型号：

GD65×300数量：

1台

最大送料量：

40m3/h；功率：

5.5kw；电压：

380V。

功能：

将黄土（粉煤灰）等制浆料按设定量均匀送到输送机上。

2）皮带输送机（配电子皮带秤）

型号：

DT75数量：

1套

输送量：

50m3/h；功率：

≥4kw；电压：

380V。

带长：

根据设计图确定，带宽：

500mm，胶带类型：

普通型橡胶带

皮带尾架配有拉紧装置，室外部分必须设置防雨设施

功能：

将黄土（粉煤灰）等制浆料送至胶体制备机内。

3）胶体制备机

型号：

ZLJ-60数量：

1台

制胶量：

60m3/h；功率：

11kw；电压：

380V。

功能：

将粉煤灰或土与水混合，连续制浆、滤浆、添加悬浮剂，制成符合浓度要求的稠化胶体浆液。

4）滤浆机

型号：

LJ-60C数量：

1台

最大滤浆量：

60m3/h；功率：

7.5kw；电压：

380V。

功能：

将胶体制备机制成的稠化胶体浆液过滤成符合粒径要求的浆液。

5）渣浆泵

型号：

4/3C-AH数量：

1台

流量：

80m3/h；功率：

22kw；扬程：

30m；电压：

380V。

功能：

将缓冲池内的浆液送入井下注浆管路。

6）清水泵

型号：

IS80-50-200数量：

1台

流量：

60m3/h；功率：

15kw；扬程：

50m；电压：

380V。

功能：

将水源地的水送入胶体制备机。

7）排污泵

型号：

WQ15-30-3数量：

1台

流量：

15m3/h；功率：

3.0kw；扬程：

30m；电压：

380V。

功能：

将注胶系统产生的污水排入室外排污沟。

8）控制系统

数量：

1套

功能：

监控胶体防灭火系统中设备的运行；电气控制和电气保护，系统操作和主要灌浆注胶参数的统计和显示，灌浆注胶数据的收集和发送。

9）矿用移动式防灭火注浆装置（井下使用）

型号：

ZHJ-5/1.8G数量：

1台

流量：

5m3/h；功率：

7.5kw；压力：

1.8Mpa；电压：

380/660V。

功能：

可井下单独使用，也可与系统配套使用，可配合系统实现灌注复合胶体，或单独使用压注高分子胶体的功能。

3.7注浆站土建

灌浆车间：

18m×12m×8m（长×宽×高），8t手动吊车；

土场雨棚：

面积300m2，20m×15m×6m（长×宽×高）；

设备基础：

混凝土结构约50m3。