矿井防灭火灌浆系统课程设计.docx
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矿井防灭火灌浆系统课程设计
前言
矿井火灾是煤矿生产中的重大自然灾害之一。
事故一旦发生，会造成煤炭资源、设备的重大损失和人员的重大伤亡，处理不及时或处理不当会诱发更为严重的事故，如瓦斯、煤尘的燃烧与爆炸，使灾害进一步扩大。
矿井火灾不仅能使矿井遭受巨大的物质损失，同时它也是导致井下职工伤亡的重大渊源。
矿井火灾发生的都十分突然，常常出人意料，而且发展迅猛、激烈，会使井下风流的热力状态发生急剧变化，导致井下正常通风出现紊乱；而燃烧后所生成的有毒有害气体不依既定的线路流动，会使灾区或灾区波及的区域中的人员中毒伤亡；也可能引起可燃气体爆炸致人死亡，酿成重大事故，使矿井蒙受难以弥补的损失和危害。
我国煤矿自燃发火非常严重,有56%的煤矿存在自燃发火问题,而我国统配和重点煤矿中具有自燃发火危险的矿井约占47%,矿井自燃发火又占总发火次数的94%,其中采空区自燃则占内因火灾的60%。
这种火灾常造成工作面封闭、冻结大量的煤炭资源和昂贵的生产设备,造成工作面、采区风流紊乱,影响矿井正常的生产接续,并造成人员伤亡。
“预防为主”是我们在开采过程中同各种自然灾害事故作斗争的指导方针，也是防治自燃火灾必须遵循的原则。
为了加强煤矿防灭火安全技术,我国从50年代起就在煤矿推广了黄泥灌浆防火技术,60年代至70年代又研究出了阻化剂防火、均压通风、高倍数泡沫灭火等技术,80年代至90年代则研究了矿井自燃发火预测系统、惰性气防灭火、快速高效堵漏风、带式输送机火灾防治等技术,并逐步形成适应普通采煤法和高产高效采煤法的综合防灭火技术。
由于我国火灾基础理论研究起步晚,防灭火关键设备和技术有待完善和配套,有一批亟待解决的技术问题。
因此,矿井火灾防治工作仍然是矿井安全生产所面临的一项艰巨任务。
目录
1防火灌浆设计及基础资料1
1.1矿井概况1
1.2煤的赋存条件1
1.3煤的碳化程度、煤岩成分、自燃倾向性、发火期2
1.4浆材的质量、数量4
1.5矿井开拓开采情况4
1.6工作面参数6
1.7注浆站工作制度6
2防火灌浆系统与参数确定7
2.1灌浆系统的确定7
2.2灌浆材料的选择7
2.3地面制浆工艺流程9
2.4灌浆方法确定9
2.5灌浆参数确定11
3灌浆量计算11
3.1按采空区注浆计算需用土量和需用水量11
3.2按日注浆计算需用土量和需用水量12
3.3日灌浆量12
4灌浆管道系统设计13
4.1注浆管道系统布置13
4.2输送备线计算14
4.3管径计算14
4.4管壁计算16
4.5管材确定17
5水枪选择17
5.1水枪喷嘴出口射流速度17
5.2水枪喷嘴流量17
5.3水枪喷嘴直径18
5.4水枪型号选择18
5.5水枪喷嘴压头19
5.6水枪台数计算19
6泥浆泵选择19
7灌浆站主要设施20
8总结.........................................................................................................................22
9参考文献.............................................................................................................................................23
矿井防灭火灌浆系统课程设计
1防火灌浆设计及基础资料
1.1矿井概况
龙口矿业集团公司梁家煤矿设计生产能力180万t／a，位于山东省龙口市黄县煤田西北隅，井田范围由国土资源部以国地资矿通字20001130号文批复，由1-41号矿界坐标点顺序圈定，西至龙口渤海，北以1-10号矿界坐标点与梁家煤矿相邻，东北以10-17号矿界坐标点与桑园煤矿分界，至20号勘探线，南以F13、F14，F40，F43、F59，断层及煤2-800m等高线为界。
井田面积：
东西长约9-9.5km，南北宽约3-6.1km，面积约48km。
烟（台）潍（坊）公路横贯井田中部，西南至潍坊167km，东至烟台1l4.5km，分别与胶济铁路、蓝烟铁路相接，可通达全国各地。
井田西端龙口港可通烟台、天津、大连等城市，水陆交通十分便利。
井田内为山前冲积平原，地形平坦，地面标高0～+27m，由西北向东南逐渐增高，地形的自然坡度一般为千分之三左右。
1.2煤的赋存条件
梁家煤矿下第三系煤系地层总厚度为1095m，含煤地层平均总厚216m，含煤6层，即煤上2、煤上l、煤1、煤2、煤3，及煤4。
纯煤平均总厚13.44m，含煤系数6.22％。
可采纯煤总厚10.64m。
煤上2、煤上1、煤3不可采，煤2、煤4，局部不可采。
含油页岩4层，即油1、油2、油3、油4。
可采油页岩平均总厚4.30m。
油1、油3不可采，油4为煤4底板，层位稳定，厚度不稳定，局部达可采厚度。
油2为主要可采层，其质量、结构又可分为油2上2、油2上1、油2中及油2下四层，油2上2，17勘探线以东变薄至沉缺17勘探线以西可采。
油2上1局部可采，油2中、油2下不可采。
本井田水文地质类型为简单型，区内地形平坦。
第四系富水性强的砂砾层与含煤地层的水力联系微弱，主要由于煤系地层中的泥岩类地层隔水性较好。
含煤地层中主要有八层含水层，分别为钙质泥岩、泥灰岩、泥岩与泥灰岩互层、煤1油2、煤2及其底板砂岩、煤3煤4间煤4、煤4下部砂砾岩。
其中泥灰岩、煤1油2、煤2机器底板砂岩为本区对生产有直接影响的三层主要含水层，泥灰岩距煤1平均43.26米，为煤1的直接充水层。
煤2上距泥灰岩约60米，在大中型断层的下盘开采煤2层，也将受泥灰岩水的威胁。
煤1油2距煤2约13米，是煤2的直接充水层。
根据黄县煤田资料，泥灰岩最大涌水量为150m3/h，煤l油2水的最大涌水量为300m3／h，煤2底板砂岩水的最大涌出量为51m3／h，这三层主要的含水层对主采煤层的回采造成直接的影响。
本井田西临渤海，海中也有第四系的含水层和隔水层，第四系顶部为厚3.50-4.40m的淤泥，其下以粘土、砂质粘土为主，其次为粉砂岩，隔水性良好，因此海水不与煤系地层直接接触，不发生直接水力联系，海水与采煤关系不大。
1.3煤的碳化程度、煤岩成分、自燃倾向性、发火期
1.3.1煤的碳化程度
煤的变质程度是指煤的变质程度越低越易自燃。
自燃能力：
褐煤＞烟煤＞无烟煤
挥发份：
将煤加热到850℃时，煤中挥发出的气体所占煤本身重量的比例。
变质程度越低挥发份越高，一般：
褐煤＞40%；烟煤=10-40；无烟煤＜10%。
从煤的几种物理化学性质来看：
变异系数（％）为5.6％，，挥发份为28.34，二氧化碳:
相对涌出量为2.029m3／t，绝对涌出量为9.326m3／min，极易发火，煤尘具有爆炸性，加之成煤地质年代为第三、四系，因此，煤的碳化程度较低。
1.3.2煤岩成分
梁家煤矿下第三系煤系地层总厚度为1095m，含煤地层平均总厚216m，含煤6层，即煤上2、煤上l、煤1、煤2、煤3，及煤4。
煤层分布及煤岩成分详见图1-1煤层综合柱状图。
图1-1煤层综合柱状图
1.3.3自燃倾向性及自然发火期
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。
1.4浆材的质量、数量
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。
龙口矿业集团采用的土水比为1：
3-5，灌浆系数0.03-0.05。
浆材具体数量详见下面章节计算。
1.5矿井开拓开采情况
2002年末矿井资源总量为41714.2万t，其中工业储量29284.2万t，可采储量16289.6万t，其中“三下”压可采储量13264.3万t，煤总量28511.5万t，其中工业储量22944.8万t，可采储量12631.1万t，其中“三下”压可采储量10677．4万t。
油页岩总量为13202.7万t，其中工业储量6339.4万t，可采储量3658.5万t，其中“三下”压可采储量2586.9万t。
现梁家煤矿分别在二层煤的四采区和四层煤的一采区生产开拓，共有独立供风的生产工作面3个，即4110工作面、2408工作面以及1210撤面；备用工作面1个，即2401上顺、2401下顺、煤4轨道巷、煤4皮带巷、4114上顺、4103下顺；独立供风硐室19个和其它独立供风井巷9个。
矿井开拓方式为中央立井分水平开拓。
矿井有三个井筒，主井、风井位于井田的浅部（-313m）副井位于井田的中部。
矿井只有一个水平，标高为-450m。
井田采用上下山开采，采煤工作面走向长壁采煤法。
煤2为综采一次采全高；煤4为综采放顶煤开采。
矿井开拓剖面图如图1-2所示，矿井开拓与通风系统平面图如图1-3所示。
图1-2矿井开拓剖面图
图1-3矿井开拓与通风系统平面图
图1-3通风系统平面图
1.6工作面参数
风井地面标高+3.7m,井底位于-250水平，风井到4110工作面回风巷入口距离为1850m，其余工作面参数如表1-1所示。
表1-14110工作面煤层参数
煤层名称
煤4
水平名称
-450
采区名称
煤4一采区
工作面名称
4110
地面标高（m）
2.6～3.6
工作面标高（m）
-390～-420
工作面
走向长度（m）
886
倾斜长度（m）
148.5
回采面积（m2）
131571
4-3～4-6总厚（m）
4.54
设计采高（m）
6.15
4-4～4-6总厚（m）
6.15
容重（t/m3）
1.34
煤层倾角（°）
10
普氏硬度（f）
1.5
可采指数
1
变异系数（％）
5.6
灰分（％）
28.34
自然发火程度
易发火
瓦斯等级
低级
稳定程度
稳定
煤层结构
复杂
回采率（％）
89
含矸率（％）
12.2
预定可采期
7个月
循环产量（t）
871
最大涌水量（m3/h）
15
日开采循环
4
正常涌水量（m3/h）
3
生产能力（t/日）
3484
可采储量（万吨）
86.9
年生产能力（t/年）
1050000
工业储量（万吨）
97.67
1.7注浆站工作制度
注浆站工作制度可定为每日工作三班，每班五小时。
2防火灌浆系统与参数确定
2.1灌浆系统的确定
注浆系统可根据矿体埋藏条件、采区分布布置、注浆量的大小和取土条件等可分为集中注浆和分散注浆两种方式。
这两种方式的优缺点及适用条件如表2-1
4110工作面煤层地面标高2.6～3.6m，工作面标高-390～-420m煤层埋藏较浅；又因为土源距煤矿风井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，因此该矿可采用分散注浆系统，每个工作面都有一个独立的钻孔注浆。
表2-1注浆系统分类及使用条件
名称
优缺点
适用条件
集中
注浆
优点：
1.工作集中、便于管理2.人员少、效率高3.便于掌握浆液的浓度和质量4.占地较少
缺点：
1.初期投资大、建设时间长
2.采运工作比较复杂
1.煤层埋藏较深
2.矿井注浆量大，且采区生产集中
3.取运浆料距离较远
分
散
注
浆
钻孔或分散区注浆
优点：
1.设备简单、投资少、建设速度快2.制浆工艺简单、操作容易3.可减少井下所需干管
缺点：
1.注浆分散、管理分散、人员多2.占用土地多、需打分区钻
1.煤层埋藏浅
2.注浆采区分散
3.原料丰富，运输距离近
井下移动注浆
优点：
1.机动灵活2.注浆距离短、管材消耗少、堵管机会少
缺点：
1.生产能力低2.管理分散、效率低
1.注浆量少
2.输浆困难或无法用钻孔注浆时采用
2.2灌浆材料的选择
井下防灭火注浆材料一般要具备5个基本性能：
①不含可燃或助燃物资；②易成浆，利于管道水力运输；③具有必要的粘结性、稳定性和脱水性；④制成的浆液具有较大的渗透率和较小的收缩率；⑤注浆材料堆成的实体具有足够的密封性能。
常用的注浆材料有粘土、粉煤灰、煤矸石和山砂等，他们的优缺点如表2-2常用注浆材料优缺点对比表
在选择注浆材料时，应首先以就地取材和能保证持续注浆为主，如果有条件尽量采用不加工的原材料。
由于土源距煤矿风井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，综上考虑可直接选取该粘土作为灌浆材料。
表2-1常用注浆材料优缺点对比表
材料
优点
缺点
粘土
粘土颗粒粒度小，粘性良好，易成浆，便于输送；流动性、渗透性好，能填堵岩石和煤中的细小裂隙；密封性能好，不透气体。
蓄水性高，常从注浆区带出大量细粒粘土而使水沟、主要巷道和水仓淤塞；费用高，耗费大量农田且难以满足持续注浆的需要。
粉煤灰
粉煤灰颗粒表面具有一定的光滑度，易成浆，便于管道输送；流动性、稳定性好；密封性能较好；材料来源广泛，成本投入低，经济效益高；减少环境污染，具有良好社会效益。
粉煤灰亲水性差，粒度大于粘土，粘性差；浆液脱水速度快，易沉降，容易发生堵管现象；堵漏效果差。
煤矸石
经粉碎研磨的矸石可满足不同粒度要求，易悬浮；材料资源稳定，可满足持续注浆需求；减少矸石堆放量及所需耕地，利于保护耕地；减轻环境污染。
其粘结性和塑性较黄土差；制浆成本高；工艺系统复杂。
砂
可实现大流量注浆；脱水性良好；消耗最小的电能和水便能很容易冲走；材料成本较低，资源稳定，节约大量土地资源。
颗粒粒径较粉煤灰、黄泥大，包裹、覆盖、密封堵漏性能差；砂子的比重较大，易沉淀堵管和堵塞钻孔；渗透力差，易在注浆出口处堆积；浆液对管道磨损严重。
2.3地面制浆工艺流程
常用的制浆工艺主要有两种：
水力取土制浆法和机械制浆法。
水力取土制浆法，多采用于制备黄泥浆，可就地取材；机械制浆常用于制浆材料距生产源距矿井较远的材料。
本设计采用水力取土制浆工艺。
工艺流程如图2-1。
图2-1水力取土制浆工艺流程图
2.4灌浆方法确定
灌浆方法有：
①采前预灌；②随采随灌；③采后灌浆
随采随灌是目前应用最广泛的一种方法。
随采随灌是指随着回采工作面的推进，同时向采空区灌浆。
其作用有：
①防止遗留在采空区内的浮煤自燃；②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；③具有防尘、降温的作用。
龙口矿业集团公司梁家煤矿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。
因此采用随采随灌的灌浆方法。
随采随注又可分为钻孔注浆、埋管注浆和洒浆三种方式，本矿井应采用埋管注浆和洒浆的方式。
2.4.1埋管注浆
埋管注浆是在放顶前沿回风道在采空区预先铺好注浆管，一般预埋10～15m，预埋管一端通往采空区，一端接胶管，胶管长一般为20～30m，放顶后立即开始注浆。
为防止冒落岩石砸坏注浆管，埋管时应采取防护措施（如架设临时木垛）。
随工作面的推进，按放顶步距用回柱绞车逐渐牵引注浆管，牵引一定距离注一次浆。
如图2-2埋管注浆。
图2-2埋管注浆
1-注浆管，2-三通，3-预埋注浆管，4-洒浆胶管
2.4.2工作面洒浆或插管注浆
工作面洒浆或插管注浆从回风巷注浆管上接出一段浆管，沿倾斜方向向采空区均匀地洒一层泥浆.洒浆量要充分，泥浆能均匀地将采空区新冒落的矸石包围。
洒浆通常作为埋管注浆的一种补充措施，使整个采空区特别是下半段也能注到足够的泥浆。
对综采工作面常采用插管注浆的方式，即注浆主管路沿工作面倾斜铺设在支架的前连杆上，每隔20m左右预留一个三通接头，并分装分支软管和插管。
将插管插入支架掩护梁后面的跨落岩石内注浆，插入深度应不小于0.5m。
工作面每推进两个循环，注浆一次。
如图2-3工作面洒浆。
图2-3工作面洒浆
2.5灌浆参数确定
灌浆参数包括注浆浓度、注浆量、注浆扩散半径和采后开始注浆时间。
龙口矿业集团采用的土水比为1：
3-5，灌浆系数0.03-0.05。
注浆量见下面章节计算。
3灌浆量计算
3.1按采空区注浆计算需用土量和需用水量
3.1.1注浆需土量
Qt=K×M×L×C×H
式中：
Qt——灌浆用土量，m3；
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——煤炭回收率，％；
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。
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。
本设计是预防性灌浆，取0.04。
M×L×H×C表示灌浆区所采出的煤量，此方法即根据灌浆区所采出煤量得多少来确定灌浆量的大小。
Qt=0.04×6.15×886×148.5×89%=28806.2m3
3.1.2注浆需水量
灌浆用水量（Qs）可按下式计算：
Qs=Ks×Qt×δ
式中：
Qs——灌浆用水量，m3；
Ks——冲洗管路用水量的备用系数，一般取1.1-1.25，取1.2；
δ——水土比，龙口矿业集团取3-5，这里取4。
Qs=1.2×28806.2×4=138269.8m3
3.2按日注浆计算需用土量和需用水量
3.2.1日注浆需土量
Qt1=K.G/γ1或Qt1=K.m.l.H.C
式中：
Qt1——日灌浆所需用土量，m3；
G——矿井日产量，t；
γ1——煤炭容重，t/m3；
l——工作面日进度，m。
Qt1=0.04×3484/1.34=104m3
日灌浆实际所需土量：
式中：
Qts——日灌浆所需实际开采土量，m3；
a—取土系数，考虑土壤含有一定的杂质和开采、运输过程中的损失，a取1.1；
Qts=104×1.1=114.4m3
3.2.2日注浆需水量
日灌浆用水量（Qs1）可按下式计算：
Qs1=Ks×Qt1×δ
式中：
Qs1——灌浆用水量，m3；
Ks——冲洗管路用水量的备用系数，一般取1.1-1.25，取1.2；
δ——水土比，龙口矿业集团取3-5，这里取4。
Qs1=1.2×104×4=499.2m3
3.3日灌浆量
每日的灌浆量可按下式计算：
式中：
—日灌浆量，m3；
M——泥浆制成率，如表3-1所示。
表3-1泥浆制成率
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
因为该矿所采用的水土比为1:
4，所以M取0.910
=（104+499.2）×0.910=548.9m3
则小时灌浆量可按下式计算：
m3/h
式中：
n——每日灌浆班数,班；
t——每班纯灌浆小时数。
h/班。
Qjh=548.9/（3×5）=36.6m3/h
4灌浆管道系统设计
4.1注浆管道系统布置
灌浆管路有“L”和“Z”布置形式。
如图4-1两种管路布置图
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。
该矿井属于浅矿井，压力不大，再加之便于管理，充分利用自然压力，该矿井应使用“L”形管路布置。
图4-1“L”和“Z”形管路布置图
4.2输送备线计算
泥浆的输送倍线为：
地面灌浆站至井下灌浆地点的管线长度与灌浆点的垂高之比。
N=
式中：
N——输送倍线；
L——管线长度，m；
H——垂高，m。
可令钻孔倾斜角为45°，管线长度为钻孔倾斜长度加上工作面走向长度再加10％的管路长度，即
L=[（390+3.7）×1.414+886]×1.1=1587m
N=1587÷393.7=4
4.3管径计算
管径根据泥浆流速确定，对泥浆流速的要求是：
能够保证泥浆中固体颗粒在输送过程中能够顺利流动而不要沉淀在管中，以致发生堵管事故。
临界流速：
保证泥浆中固体颗粒在输送过程中能够顺利流动而不沉淀或产生堵管的最小平均流速。
他与土壤的质量、含砂量、比重、土水比等因素有关，可通过查表4-1泥浆临界速度表得出。
根据临界流速计算管径后再反过来验算实际流速，使之略大于临界流速以保证泥浆的输送和获得最经济的管径。
①管径计算公式：
式中：
Qjh——小时灌浆量m3/h；
v0——临界流速m3/s；
②查表选择直径d
③校验实际流速：
v=4Qjh/3600πd2
要求v＞v0
表4-1泥浆临界速度表
土壤名称
比重
管外径
及壁厚
土水比
泥浆容重
t/m3
临界流速
m3/s
粘土
2.7
89×6
1:
3
1:
5
1:
7
1.283
1.282
1.134
1.121
1.329
1.490
114×6
1:
3
1:
5
1:
6
1:
7
1:
10
1.283
1.182
1.155
1.134
1.096
1.230
1.453
1.550
1.636
1.934
168×7
1:
3
1:
5
1:
6
1:
7
1:
10
1.283
1.182
1.155
1.134
1.096
1.412
1.674
1.779
1.877
2.219
轻亚粘土
2.7
89×6
1:
3
1:
5
1:
7
1.283
1.282
1.134
1.429
1.694
1.900
114×6
1:
3
1:
5
1:
6
1:
7
1:
10
1.283
1.182
1.155
1.134
1.096
1.570
1.860
1.978
2.086
2.467
168×7
1:
3
1:
5
1:
6
1:
7
1:
10
1.283
1.182
1.155
1.134
1.096
1.801
2.130
2.270
2.394
2.830
该矿灌浆所使用的粘土为亚粘土，土水比为1:
4，泥浆容重为1.16，查表得临界速度v0大约为1.600m3/s，管径取0.089×6，计算可得：
查表可得d取89×6
实际流速：
v=4×36.6／（3600×3.14×0.083²）=1.879m3/s
显然v＞v0，满足要求，管径取89×6㎜
4.4管壁计算
⑴垂直管道：
式中：
δ——管壁厚度，mm；
d——管内径，mm；
RZ——许用应力，无缝钢管800kg/cm²；铸铁管600kg/cm2；
P——管内压力kg/cm2，P=
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