矿山安全技术.docx

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矿山安全技术

【摘要】

矿井火灾是煤矿重大灾害之一，矿井火灾不仅烧掉大量的资源、材料和生产设备，而且由于封闭火区，将会冻结煤炭的可采储量，严重破坏正常的生产秩序；燃烧消耗了风流中的氧气，使风流中的氧气浓度下降，同时产生大量的热能、有害气体和粉尘，其后果是使井下污染区域内的人员被烧伤、中毒或窒息；“预防为主，防治结合”是矿井火灾防治工作中的指导方针。

《煤矿安全规程》规定，矿井设计前和矿井延伸新水平时，必须对所有煤层的自燃倾向性进行鉴定，根据煤炭自燃倾向性采取相应的自然发火防治措施。

开采实践表明，煤层自然发火危险程度不但受煤炭本身自燃倾向性的影响，还受到煤层地质赋存条件、开采技术条件等外部因素的影响。

我国在内因火灾防治方面做了大量的工作（如通过隔绝采空区，改善通风系统，采用均压通风、黄泥灌浆、压注阻化剂、凝胶、以及向采空区注入惰性气体等防灭火技术），并取得了较好的效果。

【关键词】灌浆、水土比、输浆倍线

1.煤矿概况

该矿设计年产煤炭能力30万吨，单一煤层开采，全矿有1个采煤工作面采用一次采全高方法生产，另有2个掘进工作面正常掘进。

煤层赋存条件较好。

矿井总回风量为54.08m³/s,测得总回风流中瓦斯浓度为0.16%，掘进工作面采用JBT52型局部通风机供风，最长通风距离500m，测得掘进工作面瓦斯浓度在0.2%~0.3%之间；采煤工作面日产煤炭量800t，瓦斯浓度一般在0.2%~0.3%之间。

煤层自燃倾向性为容易自燃，煤尘爆炸指数为20%，水文地质条件简单，无突水危险。

该矿地面有黄土资源可用。

针对该矿煤层容易自燃的自燃倾向性特征，采取向回采工作面采空区注浆方法预防回采工作面和采空区发火。

2.注浆防灭火技术

注浆防灭火技术就是将水和不燃性的固体材料按适当的配比，制成一定浓度的浆液，利用输浆管道送至可能或已经发生自燃的地点，以防止发生自燃或扑灭火灾。

浆液充填于碎煤或岩石缝隙之间，沉淀的固体物质可以充填裂隙并包裹浮煤，起到隔氧堵漏的作用；同时，泥浆对已经自热的煤炭有冷却散热的作用。

2.1制浆材料的选择

制浆用的材料应满足以下要求。

①不含可燃、助燃成分。

②粒径不大于2mm，细小颗粒（粒径小于1mm）应占75%。

③主要物理性能指标应符合：

相对密度2.4～2.8；密度1.7～1.9t/m³；塑性指数（指土壤塑性上限的质量湿度与下限湿度之差）9～14；胶体混合物（按MgO含量计）25%～30%；含砂量25%～30%；润湿速度15～20min；天然水分15%等。

④易脱水，且具有一定的稳定性。

⑤浆液渗透力强，收缩率小，来源广泛，成本低。

煤矿中使用的传统灌浆材料是含砂量不超过25%～30%的黄土，根据矿区条件，也可采取适当的代用材料。

如煤矿，根据矿区情况，可用作制浆材料的有黄土和黑粘土。

主要采用黄土或黄土和黑粘土的混合土作制浆材料，同时在制浆过程中增加一定量的阻化剂，制作阻化泥浆，效果较好。

2.2泥浆的制备

2.2.1泥浆的制备工艺

泥浆制备可分为水力直接制浆和机械制浆两种方法，前者是用高压水枪直接冲刷地表或预先堆积的黄土成浆，经输浆沟送达输浆管路。

这种方式工序简单，但浆液质量难以保证，因此一般采用机械制浆方法。

2.2.2泥浆的水土比

泥浆的水土比是反映泥浆浓度的指标，是指泥浆中水与土的体积之比。

水土比的大小影响着注浆的效果和泥浆的输送。

泥浆的水土比小，则泥浆的浓度大，隔绝和包裹效果好，但流动性差，输送困难，在输浆倍数和管径一定的条件下，泥浆输送的沿程阻力大，泥浆在管道中的流速降低，泥浆中的固体颗粒容易沉降，造成堵管事故。

水土比大，则输送相同体积的土所用的水量大，包裹和隔绝效果不好。

根据实际应用经验，洒浆时泥浆的水土比为3׃1～6׃1，注浆时为3׃1～15׃1为宜。

泥浆水土比通过测定泥浆相对密度的方法来确定。

3.注浆防灭火设计

我国煤矿现在使用的预防性灌浆方法有：

采前预灌、随采随灌、采后封闭灌浆三种。

所谓采前预灌即是在工作面尚未回采前对其上部的采空区进行灌浆。

这种灌浆方法适用于开采老窑多的易自燃、特厚煤层。

随采随灌就是随采煤工作面推进同时向采空区灌浆。

在灌浆过程中，灌浆与回采保持有适当的距离，以免灌浆影响回采工作，随采随灌用于自然发火期短的煤层。

采后封闭灌浆可以利用钻孔向工作面后部采空区内注浆；采空区封闭后，在密闭墙上插管灌浆，防止停采线遗煤自燃。

3.1埋管灌浆

把灌浆管铺设在工作面的回风道内。

工作面放顶前，在回风巷的灌浆支管上接一段预埋钢管（10～15m），预埋管和支管之间用高压胶管连接。

工作面放顶后始终保持预埋管压在采空区内5～8m，预埋管用回柱绞车拉着外移。

这种方法的优点是简便，工作量小，但浆液在采空区内流动情况难控制，浆液在采空区内分布情况不均匀；当工作面倾斜长度大时，灌浆效果差。

灌浆管道直径应根据管内泥浆流速加以选择，管内泥浆的实际流速应大于临界流速。

所谓泥浆的临界流速，就是为了保证泥浆中的固体颗粒在管道输送时不致沉淀或堵管的最小平均流速。

其值与固体材料颗粒的形状、粒径、密度、泥浆浓度和颗粒在静水中的自由沉降速度等因素有关。

当采用密度为2.7t/m³的黏土作为泥浆中固体材料时，在土水比为1׃3～1׃10的情况下，泥浆在管道中的临界流速为1.1～2.2m/s。

管道内径按下式计算

d=（4Qh/3600πV）½=1/30×（Qh/πV）½

式中d——灌浆管道内经，m；

Qh——每小时灌浆量，m³/h；

V——管内泥浆的实际流速，m/s。

现场灌浆干管直径一般为100～150mm，支管直径为75～100mm，工作面胶管直径为40～50mm，管壁厚度为4～6mm。

根据本矿井的实际情况，决定采用埋管灌浆的灌注方法，采用这种方法，相对钻孔灌注用费较省，而且由于回风井和采煤工作面较接近，所用管道不会太长，而且连接较方便。

具体埋管方法见下图5。

3.1.1工作面支管

工作面的埋管为管路支管，从经济效益方面考虑，不适于采用管口直径过大的管道。

供选择的有直径50mm和直径75mm两种管子。

通过对该矿工作面进风巷的实图测量数据，根据公式

L=（A2+B2）1/2式

（1）

A——工作面进风巷所处标高与回风巷所处标高的差值，m.

B——工作面进风巷在水平方向上的投影长，mm.

量得A=（637.5－632）m=5.5m

B=161mm

所以L=（5.52+（161×2）2）1/2=322m

从阻力方面考虑选用50mm管子阻力值太大，因此可选择直径为75mm的管子，铺设长度为322m。

3.1.2采区分管

考虑到矿井边缘采区距主管系统较远，在对边缘采区工作面注浆时管道阻力会有所增加，所以可选取直径为100mm的管子作为采区分管注浆系统。

其铺设长度由经过实图测量同样由

式

（1）L0=L1+L2

其中L1—北区段回风巷的长度，m

L2—联络巷的长度，m

L1=（（656-628）2+（23×20）2）1/2=461m

L2=（（628-627）2+（1×20）2）1/2=20.5m

所以L0=（461+20.5）m=481.5m

3.1.3矿井主管.

矿井主管系统较长，由所给主回风井标准数据：

回风立井的井底标高为656.418m，井口标高为920.639m。

得

回风井高度H=（920.639－656.418）m=264.2m

3.2输浆倍线

从地面灌浆站到地下灌浆点的管线长度与垂高之比叫做泥浆的输浆倍线，输送浆液的压力有两种。

一是利用浆液自重即浆液在地面入口与井下出口之间高差形成的静压力进行输送，叫静压输送；当静压不能满足要求时应采用加压输送。

泥浆的输送一般采用泥浆的静压力作为输送动力，制成的泥浆由地面注浆站经过注浆主管送到支管送到用浆地点。

注浆管道根据注浆压力的大小选取，压力小于1.6MPa时，可选用普通水管；压力大于1.6Mpa时，应选用无缝钢管。

静压输送时：

N=L/H

加压输送时：

N=L/（H+h）

式中N——输浆倍线

L——浆液自地面管路入口至灌浆区管路的出口管线总长度，m；

H——进浆管口至灌浆点的垂高，m。

h——泥浆泵的压力，m。

在本矿井中：

H=18.5+264.221=282.721m

L=322+481.5+264.2=1067.7m

N=1067.7/282.721=3.78m

输浆倍线是表示灌浆系统的阻力与静压动力之间关系的参数，若其数值过大，则静压动力不足，泥浆输送困难；若其数值过小，则泥浆出口的压力过大，不利于浆液的均匀分布。

一般来讲，泥浆的输送倍线最好控制在3～8范围内。

3.3注浆量确定

根据注浆的作用和目的，合理的注浆量应能够使沉积的泥浆充填碎煤裂隙和包裹注浆区暴露的遗煤。

注浆量受注浆形式、开采方法及地质条件等因素的影响，比如同样的条件下，工作面注浆要比采后注浆用泥浆量少。

目前采空区的注浆量是根据注浆开采空间、采煤方法及地质情况来计算的，

1）用土量Qs为

Qs=KMLHC

式中M——煤层开采厚度，m；

L——灌浆区的走向长度，m；

H——灌浆区的倾斜长度，m；

C——煤炭采出率，%；

K——注浆系数即泥浆的固体材料体积与注浆区容积之比，一般取用水量0.03～0.15。

2）用水量Qw为

Qw=KwQsδ

式中Kw——考虑冲洗管路用水量备用系数，一般为1.10～1.25；

δ——水土比。

在本矿井中K=0.17,M=4.8,L=172,C=83%,H=36.42

故Qs=0.17×4.8×172×83%×36.42=4243m3

3）按日灌浆所需土量计算

Q土2=KMlHC

式中Q土2——日灌浆所需土量，m³/d;

l——工作面日推进度，m（本矿井日推进度为7m）;

K、M、H、C——符号意义同上式。

故本矿井中，Q土2=0.17×4.8×7×36.42×83%=173m³/d

4）日灌浆所需实际开采土量

Q土3=Q土2α

式中Q土3——日灌浆所需实际开采土量，m³/d；

α——取土系数，一般取值1.1；

故本矿井中，Q土3=173×1.1=190m³/d

5）每日制备泥浆用水量

Q水1=Q土2δ

式中Q水1——制备泥浆用水量，m³/d；

δ——水土比，最稀5：

1,最浓1：

1，一般为3：

1。

故本矿井中，Q水1=173×3=519m³/d

6）每日灌浆用水量可用下式计算：

Q水2=K水Q土2δ

式中Q水2——灌浆用水量，m³/d;

K水——冲洗管路用水系数，一般为1.10～1.25：

故本矿井中，Q水2=1.25×173×3=649m³/d

7）每日灌浆量

Q浆1=（Q水1+Q土2）M

式中Q浆1——日灌浆量，m³/d；

M——泥浆的制成率，当水土比为3：

1时，取值为0.880.

故本矿井中，Q浆1=（519+173）×0.880=609m³/d

4.灌浆管理

4.1编制灌浆设计

灌浆区域在进行灌浆之前应编制灌浆设计，设计包括：

灌浆区概况、防火墙要求、钻孔布置、灌浆数量、水土比例、各钻孔灌浆量的分布、灌浆顺序、出水观测及安全措施等项目。

4.2合理确定灌浆量

灌浆质量的主要标志是泥浆的灌注数量，应根据灌浆参数计算区域灌浆量及土量。

各个钻孔的灌浆量要求分配均匀合理，由于某些原因没能达到设计规定的灌浆数量时，需补充钻孔再灌。

各个钻孔要实行交叉式灌注，以利泥浆的渗透。

4.3加强对灌浆水土比的控制

预提高灌浆效果，就必须保持合适的泥浆浓度。

在灌浆期间要随时测量泥浆浓度。

4.4加强对特殊地点的灌浆

在提高采空区受浆能力加大采空区受浆量的同时，还要针对易造成自然发火的特殊地点采区做重点灌浆处理。

所谓特殊地点有：

采煤工作面的开采线、停采线、下运输道、上回风道、岩巷与工作面相通的小石门等。

4.5灌浆区的脱水

灌浆区停止灌浆后，一般经3～5天黄土即可沉实。

经一段时间大部分灌浆水通过各种渠道流出灌浆区，部分水则渗入并赋存于灌浆周围的煤岩层和灌浆区内的松散煤岩及黄土中。

脱水方法分自燃脱水和人工脱水两种形式。

自燃脱水是通过围岩裂隙自然渗出灌浆区；人工脱水一般多用钻孔放水或利用灌浆孔等使灌浆水脱出。

在灌浆区有水沉积时，必须采用人工脱水，否则易造成泥浆溃决事故。

4.6工作面采空区泥浆分布的观测

泥浆分布的均匀程度是检查灌浆质量的基本标志。

观测方法是：

随着分层采煤工作面的推进，定期定点量取工作面顶部泥浆沿走向和倾斜的分布数据，并绘制成上分层泥浆分布图，为分析上分层灌浆效果提供资料，也为开采下分层的灌浆提供一定的数据。

4.7建立健全原始记录台帐

各项记录台帐是灌浆管理工作中不可缺少的原始材料，是分析灌浆工作的基础。

其中包括：

钻孔工程记录台帐；灌浆工程记录台帐；防火墙工程记录台帐；气体分析记录台帐；泥浆分布记录台帐等。

图五

【参考文献】

《煤矿安全规程》北京：

煤炭工业出版社，2001

《煤矿安全手册》徐州：

煤炭工业出版社，主编：

赵全福，1991年

《矿井火灾防治》徐州：

中国矿业大学出版社，1990