矿井火灾防治课程设计.docx

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矿井火灾防治课程设计

目录

1.防火灌浆设计依据及基础资料1

1.1矿井概况1

1.2煤层赋存条件1

1.3地质构造3

1.4煤的碳化程度、煤岩成分、自燃倾向性、发火期3

1.5浆材的质量、数量、开采条件4

1.6矿井开拓方式和采区布置图4

1.7灌浆站工作制度4

2.防火灌浆系统与参数确定7

2.1灌浆系统确定7

2.2灌浆材料的选择7

2.3地面制浆工艺流程（图）7

2.4灌浆方式的确定7

2.5灌浆参数确定8

2.5.1水土比8

2.5.2灌浆系数K9

2.5.3取土系数—a9

3.灌浆量计算10

3.1灌浆用土量计算10

3.2灌浆用水量10

3.3灌浆量计算10

3.4泥浆容重11

4.浆管道系统设计12

4.1灌浆管道布置12

4.2输送倍线的计算12

4.3管径计算13

4.4管壁计算14

4.5管材确定15

5.水枪的选择16

6.泥浆泵选择17

7.浆站主要设施19

7.1泥浆搅拌池及搅拌机19

7.2储土场20

设计小结21

参考文献22

摘要

矿井火灾是指发生在矿井地面和井下，威胁矿井安全生产，形成灾害的一切非控制燃烧。

矿井火灾是煤矿主要灾害之一，每一场火灾的发生，轻则影响生产，重者可能烧毁煤炭资源和矿井设备，更为严重者则可能引燃瓦斯煤尘爆炸或火烟度化矿井，酿成人员伤亡的重大恶性事故。

此次的灌浆防火课程设计，就是针对该煤矿煤炭易自然的状况，采取灌浆的方法，达到防火的目的。

浆液灌入采空区之后，固体物沉淀，充填于浮煤缝隙之间，包裹媒体，杜绝漏风，防止氧化，而浆水所到之处，增加煤的外在水分，抑制自热氧化进程的发展。

同时，对已经自热的煤炭有散热冷却的作用，从而达到防火的目的，本次设计的内容主要包括灌浆系统及参数的确定，灌浆量的计算，浆管道系统设计，灌浆站主要措施，水枪的选择等。

关键词：

矿井火灾灌浆防火灌浆系统及参数

1.防火灌浆设计依据及基础资料

1.1矿井概况

下石节煤矿位于陕西省铜川市耀县北部，距铜川市区约54km，行政区划属于铜川市耀县瑶曲乡。

井田的中心地理坐标为东经108°51′，北纬35°13′。

下石节煤矿交通方便，咸铜铁路梅七支线（梅家坪至前河段）经过附近的瑶曲镇，矿井有运煤专用铁路接轨于瑶曲车站，全长2.5km。

另外，有公路至金锁关与西（安）包（头）线相接。

矿井1980年以60万吨/年的能力简易投产,现采用综放回采工艺回采,生产能力已达160万吨/年。

井田范围东至荒草湾—上石节一线，西到断头川北侧的4-2号煤层零点边界线，南与陈家山煤矿相毗邻（人为边界），北与崔家沟煤矿七木桥背斜相望。

井田走向长约3.5km，倾向宽约3.5km，总面积为13.2km2。

1.2煤层赋存条件

井田内煤层属于易自燃，自然发火期最短1个月，煤系地层属中侏罗纪直罗群及下侏罗纪延安群，共含煤五层：

1、2、3、4-1、4-2，焦坪矿区煤层特征如表2.4.1。

3煤和4-1煤局部可采，厚0～3m，埋藏极为不稳定，主要可采煤层为4-2号煤，平均厚度10～12m，最厚达34m。

煤层倾角浅部为18～20°，深部为5～10°。

煤系地层呈单斜构造，倾斜北西。

井田系长庆油田边缘浸染区，煤层顶板岩系中有3～4个含油层，底板岩中有两个含油层，油气的溢出对矿井瓦斯含量有极大的影响。

煤系地层岩性自下而上描述（含4-2号煤层）：

泥岩：

紫杂色、灰绿色（俗称花斑泥岩），含团块状，易碎，常有鲕状结核，遇水膨胀，一般厚8～10m，最厚达40m，厚度变化大。

根土岩：

粉砂质、灰～深褐色，含植物根部化石，较坚硬，一般厚2～6m。

炭质泥岩：

0～5m，为煤层直接底板。

4-2号煤：

中部有1～2层夹矸，局部地区加厚至2～5m，使煤层分为4-1煤。

灰黑色粉砂岩、砂质泥岩：

含植物化石及黄铁矿结核，水平层理，厚2～3m。

中粗砂岩：

厚度为0～30m，局部为砂岩，含植物化石、黄铁矿结核及煤屑。

细粉砂岩互层：

灰～灰黑色，厚度0～73m，缓波状、微波状层理，含黄铁矿结核及植物化石，中下部局部含油。

下石节矿煤系地层情况见煤系地层综合柱状图如图1-1所示：

图1-1下石节煤矿煤系地层综合柱状图

1.3地质构造

下石节井田位处黄陇侏罗系煤田焦坪矿区西部，鄂尔多斯台向斜的南缘。

井田总体构造为：

浅部为一向北西倾斜的波状单斜构造，深部水平以新民村向斜为主体，呈一向斜构造。

断裂构造不太发育。

总之井田构造较为简单。

褶皱构造主要有：

七木桥背斜：

位于本井田和杏树萍井田交界处，轴向N60°W，向NW倾没，轴部出露T3和J1地层，两翼为侏罗系地层，延展约2.5Km。

桦树渠背斜：

分布在井田一水平同陈家山井田交界处，为向NW倾没的鼻状背斜构造，井田内延展约1300m，轴部缺失。

延安组和直罗组下部地层，两翼倾角15°～20°，局部可达25°以上。

新民村向斜：

分布在井田二水平深部的1004—8940—8946钻孔一线，为深部水平主要的褶皱构造，轴向NE36°左右，两端呈弧型向东弯曲。

延展约3000m以上，西延进入陈家山井田，两翼倾角平缓，一般在5°以下，幅度约40m。

向斜轴部延安组，富县组沉积厚度较大，如8935号孔，延安组厚度162.43m，其中4-2号煤层以下沉积厚度为25.44m，并沉积了4－2下煤层。

8940号延安组厚度172.06m，其中4-2号煤层以下沉积度厚度21.98m，富县组厚度28.02m。

向斜两翼沉积厚度相对较薄，如8941号孔，延安组厚度114.8m，富县组厚3.9m。

8942号孔延安组厚度126.67m，富县组厚7m。

次要褶皱构造有：

王台背斜：

分布在井田二水平的8945－8949－8955号孔一线，其轴向为NE30°，向SW倾没，延展约1000m，两翼倾角在10°左右，幅度40～50m。

轴部沉积厚度小，向两翼厚度增大，如8955号钻孔，延安组厚仅58.57m，且缺失富县组沉积。

又如8949号孔，延安组厚度65.32m，富县组厚1.03m。

草滩向斜：

分布在二水平的8944孔－8950－8954孔一线，轴向NE65°，向东渐转NE20°，延展约1600m，幅度约20m。

上述褶皱构造的发生和发展，具有明显的继承性，对井田煤系、煤层的沉积起了控制作用。

一般向斜宽缓，含煤地层沉积厚度大。

背斜陡窄、含煤地层沉积厚度小，煤层厚度小，结构相对简单。

区内断裂构造不发育，未发现较大的断层。

据下石节煤矿和陈家山煤矿一水平开采揭露资料，一般只见到数量较少的落差仅0.3～3m断层，极个别断层落差在5～10m。

这些断层虽然落差小，对生产特别是回采工作仍会带来一定的影响。

小断层多为高角度正断层，常见为NE和NW向两组，且多成组出现，并具有一定的组合规律，常呈雁行式排列，有时成扫帚状分叉成数条0.5～2m的小断层（如陈家山煤矿一、二采区）。

预计深部水平断裂构造也将以小型断裂为主。

1.4煤的碳化程度、煤岩成分、自燃倾向性、发火期

设计工作面,综采放顶煤开采工作面，工作面走向长度886m，倾斜长度148.5m，工作面开采参数如图1-1所示，通风系统平面图图如图1-3所示，顶、底板状况为：

1）直接顶为煤4的41-42段煤层，厚度2.19m，煤夹泥岩。

2）直接底为煤4的47-48段煤层，厚度3.3m，泥岩夹煤，泥岩易风化，遇水膨胀。

煤质以暗煤为主，丝碳化物物质含量高，加亮煤条带。

工作面煤尘具有爆炸性，属低瓦斯矿井。

工作面煤层易自燃，地温较高，一般在29-31℃左右。

各煤层均有煤尘爆炸危险性。

由于该区煤的燃点低，油页岩用火柴即可直接点燃。

煤层节理发育，褐煤及油页岩易自燃发火。

矿井各煤层自燃倾向性为一类容易自然发火煤层。

煤2最短自然发火期为22天，一般为1-3月。

目前使用的防灭火注浆材料主要是黄土和凝胶，黄土浆主要用于采空区。

预防性注浆，凝胶用于封闭密闭间、小联络巷及处理高温点时使用。

1.5浆材的质量、数量、开采条件

下石节煤矿采用的土水比为土源距煤矿风井5km，土质优良，容重1.3t/m3，属于亚粘土，塑性指数12，取土方便，矿井轻轨矿车可直接到达取土地点。

1：

3-5，灌浆系数0.1-0.2。

1.6矿井开拓方式和采区布置图

矿井采用平硐-斜井-暗斜井开拓，单采区分阶段布置。

采煤方法为走向长壁综采放顶煤垮落法回采工艺，顶板管理采用全部垮落法。

目前，采深350米，矿井采用一井一面的配置。

见图1-2所示：

1.7灌浆站工作制度

采用两班灌浆一班检修工作制度，每班灌浆8小时，各班都必须完整的做完本班工作，完成好交接班制度。

1、灌浆量：

日灌浆量1839.6m3

时灌浆量122.64m3

2、主要设备

集泥池、泥浆搅拌池、泥浆搅拌机、储土场、输送管道等。

图1-2下石节煤矿采掘通风系统图

图1-3通风系统平面图

2.防火灌浆系统与参数确定

2.1灌浆系统确定

由于黄土采制方便，价格低廉而且水源充足，参照以上条件所以选择黄泥灌浆随采随灌系统。

2.2灌浆材料的选择

土源距离煤矿风井5km，土质优良，容重1.3t/m3，属于亚黏土，塑性指数12，取土方便，矿井轻轨车可直接到达取土地点。

这里利用此土作为灌浆材料，由于土源较远，采用机械取土制浆，建立集中灌浆站、泥浆搅拌池制备泥浆。

为了提高泥浆质量，加大泥浆浓度，在制浆前将黄土充分浸泡使之粉化后再进行搅拌。

2.3地面制浆工艺流程（图）

当矿井灌浆量大，土源较远或者限于地形条件，灌浆点分散等，则可采用人工或机械取土，建立集中灌浆站、泥浆搅拌池制备泥浆。

如图2-1所示。

图2-1人工或机械取土机械制备泥浆站

1、取土矿车；2、轻便轨道；3、储土场及栈桥；4、水枪；5、输水管；6、自流泥浆沟；7、泥浆搅拌池及房屋；8、输浆管；9、风井；10、水源泵房，11、绞车房；12、取土场

采土场——矿车运输——储土场——搅拌池——泵站——管道入井

制备的泥浆在搅拌池内再放置半小时左右，使之沉淀，澄出清水，保持最大浓度，再灌入井下。

高浓度泥浆送入井下，隔绝供风，阻断煤炭自热、自燃过程。

2.4灌浆方式的确定

我国煤矿采用的预防性灌浆的方法多种多样，大体可分为：

采前灌浆、随采随灌、采后灌浆等三种类型。

1．采前灌浆

所谓采前灌浆即是尚未开采先行灌浆。

这种灌浆方法是针对开采老窑多、易自燃、特厚煤层发展起来的。

当岩石运巷和风巷掘出以后，分层航道尚未掘送之前，按设计的位置，由岩石区段巷道开钻窝向煤层打钻以探明古窑老虚的分布和位置，然后进行采前预灌。

2．随采随灌

随着回采工作面的推进，同时向采空区灌浆。

其作用一是防止遗留在采空区内的浮煤自燃；二是胶结顶板冒落的矸石，形成再生顶板，为下分层开采创造条件。

另外，它还具有防尘、降温的作用。

随采随灌的方法根据采区巷道布置方式的不同，顶板岩石冒落情况不同有多种多样。

如埋管灌浆、插管灌浆、洒浆、打钻灌浆等。

3．采后灌浆

开采自然发火不是十分严重的厚煤层时，可在工作面采完后，封闭停采线的上下出口，然后，在上部密闭墙上插管灌注泥浆。

其目的一是封闭采空区，其次是充填最易发生自燃火灾的停采线，以防止自燃火灾的发生。

因回风道埋管灌浆工艺最为简单，使用方便。

本设计利用随采随灌的方式进行灌浆。

如图2-2所示，埋管灌浆与工作面洒浆图。

当工作面向前推进时，沿回风巷临时构筑木垛以保护埋入冒落区的注浆管路，灌浆管埋入冒落区15~20m，随着工作面的推进，用回柱绞车向外牵引。

图2-2埋管灌浆及洒浆示意图

1、工作面运输巷2、回风巷3、输浆管路4、埋入采空区的注浆管

5、洒浆胶管6、工作面上隅角7、维护回风巷的临时木

2.5灌浆参数确定

2.5.1水土比

水土比大小取决于:

1）土质条件

土质粘度大，土质好，易成浆土水比可以大一些以取得较好的防火效果。

否则小一些，如采用页岩、矸石灌浆，土水比要小一些以防止堵管。

2）泥浆的输送距离

输送距离远，土水比可小一些防止堵管。

3）灌浆的方法

采空区埋管灌浆、打钻灌浆，土水比要小一些以免不能完全覆盖煤题；如果是工作面洒浆，土水比可以大一些以节省劳力，提高效率。

4）煤层倾角

煤层倾角越小，土水比要小一些以取得较好的流动性。

5）气候条件

夏季灌浆时，气候炎热，土水比可大一些；冬季寒冷易结冻，土水比要小一般土水比的变化范围为1：

2-1：

5。

依据本矿的实际情况，（煤层自燃发火严重），采用的水土比为1:

4。

2.5.2灌浆系数K

灌浆系数K：

泥浆的固体材料体积与需要灌浆的采空区空间容积之比。

即K=Qs/mLHC。

在K值中反映了顶板冒落岩石的松散系数，泥浆收缩系数和跑浆系数等综合影响，它只能根据现场的实际情况而定。

对于预防性灌浆，一般取0.1-0.2；对于封闭区内的灭火灌浆，可取0.1-0.2。

2.5.3取土系数—a

考虑土壤的杂质和运输的损失，取1.1

3.灌浆量计算

预防性灌浆量主要取决于灌浆形式，灌浆区的容积，采煤方法等因素。

采前预灌、采后封闭停采线都是以充满灌浆空间为准。

3.1灌浆用土量计算

Qt1=KmLHC（式3-1）

Qt2=KmlHC（式3-2）

或Qt2=KG/γ（式3-3）

Qt=a﹒Qt2（式3-4）

式中Qt1—灌浆用土量，m3；

Qt2—日灌浆用土量，m3/日；

Qt—灌浆日用土量，m3；

G—日产量，t/日；

γ—煤容重，t/m3；

m—煤层开采厚度，m；

L—灌浆区的走向长度，m；

l—日进度，m；

H—灌浆区的倾斜长度，m；

C—煤炭回收率，%，取0.89；

a—取土系数，取1.1；

K—灌浆系数，即泥浆的固体材料体积与需要灌浆的采空区空间容积之比。

这里取K=0.1-0.2。

本设计取K=0.15。

Qt1=0.15×6.15×886×148.5×0.89=108023.08m3

Qt2=0.15×6.15×2.4×148.5×0.89=309.27m3/日

或Qt2=0.15×（3484÷1.34）=390m3/日

Qt=1.1×390=429m3

3.2灌浆用水量

日灌浆用水量

Qw1=kwQtδ（式3-5）

kw—冲洗管道用水量的备用系数，一般为1.10~1.25,这里取1.2。

δ—土水比倒数，这里取4。

Qw1=1.2×429×4=2059.2m3

灌浆总用水量

Qw=kwQtiδ（式3-6）

Qw=1.2×108023.08×4=518510.784m3

3.3灌浆量计算

Qj=（Qt2+Qw）u（式3-7）

Qjh=Qj/（n.t）m3/h（式3-8）

式中：

Qj—日灌浆量，m3

Qjh—小时灌浆量；

u—泥浆制成率，其取值见表3-1；

n—每日灌浆班数；

t—每班纯灌浆小时数；

水土比

1:

1

1:

2

1:

3

1:

4

1:

5

1:

6

泥浆容重

1.45

1.30

1.20

1.16

1.13

1.11

泥浆制成率

0.765

0.845

0.880

0.910

0.930

0.940

表3-1

Qj=（390+2059.2）×0.91=2228.772m3

Qjh=2228.772/（2×8）=139.3m3

3.4泥浆容重

γj=（γw+γt）u

=（2059.2/2228.772+390×1.3/2228.772）×0.91

=1.048t/m3

4.浆管道系统设计

4.1灌浆管道布置

灌浆管路有“L”和“Z”布置形式，如图4-1所示。

L形：

优点：

能量集中，充分利用自然压力，管路有较大的注浆能力；安装维护管理简单。

缺点：

井深时压力过大，易崩管。

Z形：

与L形相反。

如图2-1所示，采用集中灌浆站，泥浆输送管道由风井进入，经总回风大巷到采区回风巷、工作面回风巷，再到工作面上隅角，进行埋管灌浆，或工作面洒浆（如图2-2）。

从地面直到井下灌浆点铺设专用管路担负输浆任务。

图4-1

管路系统为：

泵房→风井→煤4→总回风巷→工作面顺槽→工作面采空区。

4.2输送倍线的计算

预防性灌浆一般是靠静压作动力。

灌浆系统的阻力与静压动力之间的关系用输送倍线表示。

泥浆的输送倍线是指从地面灌浆站至井下灌浆点的管线长度与垂高之比，即：

N=

（式4-1）

式中：

N——输送倍线；

L——进浆管口至灌浆点的距离，1850+148.5+50=2048.5m；

H——进浆管口至灌浆点的垂高，250+3.7+170=423.7m。

N过大，说明管线太长，阻力过大输浆压力小，进浆不畅，易发生堵管现象；N过小，说明泥浆出口压力大，在采空区分布不均，易发生跑浆事故。

一般情况下，泥浆的输送倍线值最好在5-6范围内变化。

不要大于10或小于2。

风井地面标高+3.7m，井底位于-250水平，工作面为-390~420m，风井到工作面回风巷入口距离为1850m，其余工作面参数见表1所示。

根据公式可得：

4.3管径计算

d=

=

（式4-2）

式中:

Qj—小时灌浆量m3/h；

v0——临界流速m/s，查表4-2得1.801m/s。

表4-2泥浆临界流速表

输浆管内径dp为：

dp=

=0.1654m=165.4mm

所以根据钢管规格表，预选φ168×10无缝钢管，则输浆管干管内径：

dp=168-2×10=148mm

验算流速V=

=

=2.1705m/s>1.801（符合要求）

同理，设计输浆管支管预选φ168×7无缝钢管。

则支管内径为168-14=154mm

验算流速V=

=

=2.006（符合要求）

4.4管壁计算

（1）垂直管道管壁

δ=0.5d（

－1）＋a＋b（mm）（式4-3）

式中d—管直径（内径）

Rz—许用应力（无缝钢管：

800kg/cm2,普通钢管：

600kg/cm2，铸铁管：

200kg/cm2）

P—管内压力，P=0.11γjH

γj—泥浆比重，kg/m3,由表3-1，取γj为1.16

H—高度（高差），m

其中P=0.11×1.16×423.7=54.06kp

a—管壁不均匀系数的附加，无缝钢管：

1-2mm，铸铁管：

7-9mm

b—磨损系数，1-4mm

本设计采用无缝钢管，所以a取2；b取2。

δ=0.5d（

－1）＋a＋b

=0.5×0.148×（

－1）+0.002+0.002

=0.0051+0.004=0.091m=9.1mm

从以上计算可知所选钢管符合要求。

（2）水平管道管壁

δ=

+a（式4-4）

式中n—管道质量与壁厚不均匀的变动系数，取0.9

d—管直径（内径）

P—管内压力

δ=

+0.002=2.00mm

经过计算所预选的无缝钢管符合要求。

4.5管材确定

选择管材的主要依据是管道所需承受的压力，而压力与井深成正比。

通常情况下，井深不超过200m，多采用焊接钢管，井深超过200m，多采用无缝钢管。

又由于当压力大于10~16个大气压时，采用无缝钢管。

而此时计算的压力P=54.06kp已经远远大于这个数值，所以这里应采用无缝钢管。

5.水枪的选择

由于矿井灌浆、洒浆没有专用的水枪，所以一般采用低层建筑、建筑高度在24m以下的民用水枪。

水枪喷嘴直径有：

13、16、19、22、32、44mm。

考虑到消防用途和实际工作需要，设计水枪采用44mm。

因为H=

，所以v=φ

φ—流速系数，一般取0.94

水枪的流量Q=Sφ

（式5-1）

Φ与u相同

S—喷嘴横断面积

H—水枪压力，取35

Qq=0.91×

=132.2m3/h

水带直径：

50mm的水带适应喷嘴直径16mm的水枪；65、75mm的水带适应喷嘴直径19mm的水枪；90mm的水带适应喷嘴直径22mm的水枪。

出水带标准长度：

20 m.

水枪的台数:

N=

（式5-2）

式中Qw—取土时的用水量，

Qq—单台水枪的流量，

Qw=Qtiδ

Qw=Qtiq,（式5-3）

q—水枪取土1m3时的耗水量

1.松散土壤，松散砂土、风化泥岩：

q值取5~6m3/m3,压力30~40m

2.坚固黄土、砂土：

q取6~7m3/m3，压力50~60m

3.极坚固黄土、砂土：

q取7~9m3/m3，压力60~70m

因此，水枪台数为：

N=1973.4×4/132.2×2×7=4.3台.

考虑实际情况及水枪的备用，水枪确定为6到8台水枪。

6.泥浆泵选择

下列情况需要泥浆泵：

a.如果管路太长，输浆压力不够；

b.地面灌浆站距井口太远，泥浆至井口压力不够；

c.采用水力取土，自然成浆方式时，水枪所需压力由泥浆泵提供。

（1）泥浆泵的流量Qj

Qj=2150.694/24=89.61m3/h

泥浆泵的流量Qj为前面设计的小时灌浆量，水力取土时为水枪小时用水量。

（2）泥浆泵扬程Hj

hf=L

ij（式6-1）

L——泥浆管道长度m；

i

——泥浆管道每米长度上运送泥浆时的水头损失，用公式计算：

i

=K

K——泥浆阻力系数，与土水比有关。

i

——清水状态下的水头损失，

iw=λv2/2gd

λ——达西系数,见表6-1：

表6-1泥浆阻力系数表

管径

200

150

125

100

75

λ

0．0203

0．0222

0．0237

0．0260

0．0292

iw=λv2/2gd

=0.0220

.64262/2

9.8

0.75

=0.0062（m）

ij=K

iw其中k=1.15

=1.15

0.0062

=0.0071m

因是松散土壤，松散砂土、风化泥岩：

q值取5~6m3/m3,压力30~40m.这里取35米,工作时水枪流量为132.2m3/h。

由于泥浆泵向井下输送，所以不考虑扬程，只考虑压力即可。

根据所得数据及压力，参照PN型泥浆选型选择泥浆泵型号如表6-2所示：

表6-2

型号

流量（m3/h）

扬程（m）

转数（r/min）

轴功（千瓦）

电动机型号

4PN

150

39

1480

55

JO2-91-4

7.浆站主要设施

7.1泥浆搅拌池及搅拌机

（1）泥浆制备方式

其制备方式分为水力搅拌和机械搅拌两种。

水力搅拌适用于灌浆量小的况,一般多用机械搅拌。

机械搅拌按其机械的运动方式，分为固定式和行走式两种。

本设计采用行走式。

（2）泥浆搅拌池的容积

泥浆搅拌池的容积一般按2小时灌桨量计算。

泥浆搅拌独宜分成两格,轮换使用，且向出口方向应有2～5％的坡度。

在泥浆出口处必须设置筛子,有运送位料的设备（小车、矿车）。

（3）泥浆搅拌池布置

泥浆池采用料石砌筑，分为两格，一池存土浸泡，一池进行搅拌，轮换使用，泥浆池容积根据矿井最大灌浆量和取土供给能力确定，池身