5第五章预防性灌浆设计.docx
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5第五章预防性灌浆设计
第五章预防性灌浆设计
第一节预防性灌浆设计要求与设计步骤
一、预防性灌浆设计内容
1.说明灌浆设计依据及基础资料
2.确定灌浆系统与灌浆参数
3.灌浆设计计算
4.灌浆管道系统设计
5.灌浆泵设计
6.水枪设计
7.灌浆站及主要设施设计
二、预防性灌浆设计步骤
1．防火灌浆设计依据及基础资料
1.1煤层赋存条件
1.2煤的碳化程度、煤岩成分、自燃倾向性、发火期
1.3浆材的质量、数量、开采条件等
1.4矿井开拓方式和采区布置图
1.5灌浆站工作制度
2．防火灌浆系统与参数确定
2.1灌浆系统确定
2.2灌浆材料的选择
2.3地面制浆工艺流程（图）
2.4灌浆方法确定
埋管灌浆（图）
工作面洒浆（图）
2.5灌浆参数确定
3．灌浆量计算
灌浆用土量计算
灌浆用水量计算
灌浆量计算
4．灌浆管道系统设计
灌浆管道系统布置
输送倍线计算
管径计算
管壁计算
管材确定
5．水枪选择
6．泥浆泵选择
7．灌浆站主要设施
泥浆搅拌池及搅拌机（图）
储土场
第二节灌浆材料的选择与泥浆的制备
一、灌浆材料的选择
灌浆材料的选取应满足下列要求：
（1）不含助燃和可燃的材料；
（2）粒度直径不应大于2mm，小于1mm的应占75％；
（3）相对密度为2.4～2.8；
（4）具有一定的可塑性，塑性指数9～14；胶体混合物25%～30%；含砂量25％～30%；
（5）易脱水又具有一定的稳定性。
（6）具有能与较少的水混合成泥浆的能力；
（7）运输时不堵塞管路或泥浆糟。
煤矿中应用最多的灌浆材料是黄土，但大量应用黄土会使农田遭到破坏，有的矿区无土可取。
因此，有些矿区采用破碎后的页岩、破碎后的矸石、热电厂的炉灰等作为代用材料，在实践中也取得了很好的防灭火效果。
二、泥浆的制备
（一）灌浆站
1．灌浆站的形式和适用条件
灌浆站是制取浆液的场所，其形式可分为固定式、分区式及移动式三种。
固定式灌浆站适用于煤层赋存或开采深度较深、需在地面建立永久或半永久灌浆站的条件；分区式灌浆站适用于煤层赋存或开采深度较浅、灌浆分散，可从地面打钻孔灌浆的条件；移动式灌浆站适用于井下采区分散、灌浆量小和从地面输送泥浆困难的地区条件。
灌浆站的设置要结合井型、风井分布、采区的布置等综合考虑。
2．取土方式
从采土场取土的方式有以下三种：
（1）人工取土。
利用风镐或电钻，人工打眼、装药、爆破的取土方式。
（2）机械取土。
利用抓斗、推土机、挖掘机、铲运机等机械装备的取土方式。
（3）水力取土。
利用高压水力通过水枪冲刷采土工作面的取土方式。
如遇坚硬土层，在机械和水力取土中，可预先放炮松动，以提高采土效率。
以上三种方式中，我国煤矿多采取人工和水力取土方式，其中以水力取土较多。
水力取土的优点是：
设备简单、投资少、管理方便、且无大型的复杂设备、可就地取材、效率高、劳动强度低、使用人工少，并且一次制成泥浆。
缺点是：
泥浆浓度难以控制。
（二）制浆工艺
1．水力取土制备泥浆工艺
这种制浆系统在我国煤矿采用广泛，只是因各矿区的条件不同而有所差异。
其流程是：
利用高压水枪（压头50m～80m，流量85～266m3/h）直接冲刷地表黄土（或预先人工松散），然后经泥浆沟混合成泥浆，经筛板过滤（除掉杂质和大块岩块）流入灌浆集中钻孔或喇叭口再流入沿井筒敷设的井下灌浆干管，如图5-1所示。
有的矿区泥浆经泥浆沟再导入混浆沟进一步混合，在混浆沟处设有调节泥浆浓度的水管，然后经过筛板流入喇叭口流入井下灌浆干管。
也有的矿区，泥浆则经泥浆沟流入集浆池，沉积后放掉清水，调好浓度再经筛板和喇叭口流入井下灌浆干管。
这种制浆方法设备简单，投资少，劳动强度低，效率高，适用于地表黄土层较厚、灌浆地点分散的矿井；其缺点是水土比难以控制，不易保证泥浆质量，影响灌浆效果。
图5-1水枪冲刷表土制浆
1—水池；2—水泵；3—水管；4—水枪；5—采土工作面；
6—泥浆沟；7—筛板；8—钻孔
水力制浆的主要设备、设施有：
（1）水枪。
多采用开滦755型水枪，也有部分矿区使用自制水枪。
①水枪的水力特性可按下式计算：
水枪喷嘴出口的射流速度
ν＝Φ
（5-1）
式中ν——水枪喷嘴出口的射流速度，m/s；
Φ——流速系数，Φ=0.92～0.96，取0.94；
H0——水枪的工作压头，kPa。
水枪的喷嘴流量
Q=μA
（5-2）
式中Q——水枪喷嘴流量m3/s；
μ——流量系数，如射流没有压缩，μ＝Φ；
A——喷嘴出口截面积，m2。
水枪的喷嘴直径
d0=0.55
（5-3）
式中d0——喷嘴直径，m。
水枪的喷嘴压头损失
hM=0.06
（5-4）
式中hM——水枪的喷嘴压头损失，kPa。
②水枪台数。
水枪的台数可按下式计算，但不少于2台，其中1台备用。
N=
（5-5）
式中N——所需水枪台数，台；
Q
——水枪采土小时用水量，m3/h；
Q
——水枪的流量，m3/h。
（2）泥浆沟。
泥浆沟是用水枪冲掘地表而成的自然沟，也可用砖石、水泥等砌筑或用溜槽（铁质、木质）构筑。
为了便于泥浆流动，泥浆沟必须有一定的坡度，泥浆沟的最小坡度见表5-1。
表5-1泥浆沟的最小坡度
土壤性质
泥浆沟的最小坡度
黄土、细砂、淤泥
含15％以下的细砂粘土
细粒砂及砂土
中粒砂
0.015～0.20
0.02～0.03
0.03～0.04
0.04～0.07
泥浆沟的输浆能力：
my=3600VS（5-6）
式中my——泥浆沟的输浆量，m3/h；
V——泥浆流速，m/s，可按表5-2计算；
S——输浆沟的横断面，m2。
表5-2泥浆的流速
土壤名称
沟底泥浆流速（m/s）
平均流速（m/s）
细泥松土
细砂松土
砂质松土
大砂粒松土
粉砂粒黄土
密质粘土
0.10
0.25
0.40
0.65
0.80
1.0
0.15
0.30
0.60
0.80
1.0
1.20
（3）集浆池。
集浆池是贮存、控制泥浆浓度或泥浆泵吸送泥浆的设施。
可根据矿井的具体条件就地取材，用砖、石砌筑或用水枪冲掘成的土坑作积浆池。
用于暂时集浆的集浆池体积，可根据水枪冲土能力或泥浆泵的吸泥量确定，按小时冲土能力或泥浆泵的小时吸泥量，选其大者为计算依据。
用于贮存泥浆、控制泥浆浓度的集浆池，存浆时间较长，集浆池的体积相应加大，可根据每班灌浆量计算。
集浆池上设有过滤筛板、放水口，底部有5％～10％的坡度。
集浆池的标高，根据泥浆泵的吸程高度和泥浆沟的坡度确定，集浆池的深度一般为1.5m～2.0m。
图5-2灌浆喇叭口
1—筛板；2—喇叭口；3—下浆口
（4）灌浆喇叭口
喇叭口是泥浆沟或泥浆沟与钻孔（或管路）的接口，是为防止空气进入管口并使泥浆沿管路满管流动而设置，如图5-2所示。
（5）贮土场
土源距灌浆站较远时，需在灌浆站设贮土场。
根据地形贮土场可设置成栈桥或绞车房栈桥的结构形式，贮土场的贮土量根据地形可按10天左右的灌浆用土量计算，用水力或矿车送至泥浆搅拌池。
2．机械制备泥浆工艺
当矿井灌浆量很大、土源较远或受限于地形条件时，可采用机械取土、泥浆搅拌池制备泥浆的工艺系统，如图5-3所示。
这种制浆系统产浆量大，水土比容易控制，能够保证泥浆的浓度，灌浆防灭火效果好。
泥浆搅拌池的布置如图5-4所示，采用料石砌筑，分为两池：
一池存土浸泡，一池搅拌，轮流使用。
泥浆池的容积根据矿井最大灌浆量和取土供给能力确定，其底部向出口方向有2％～5％的坡度。
黄土在泥浆池浸泡2h～3h后，土质松软即可加水搅拌，浓度由供水管的控制阀调节。
两个泥浆池浸泡和搅拌交替进行，泥浆搅拌均匀后，由浆池出口通过两层直径分别为15mm和10mm的筛板过滤后流入输浆管，送到井下灌浆地点。
第三节泥浆的输送
一、输送压力
输送浆液的压力有两种。
一是利用浆液自重及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；二是当静压不能满足要求时，采用的加压输送。
加压输送多采用PN型或PS型泥浆泵。
二、输浆倍线
输浆倍线是指泥浆在输浆管路内流动时，输浆管路的总长度同输浆管路入口与出口处高差之比，用N表示。
图5-4机械制备泥浆搅拌池布置图
1—泥浆搅拌池；2—窄轨铁路；3—供水管；4—搅拌机轨道；5—闸板；6—道岔；
7—筛板；8—管子筛；9—电动机；10—胶带轮；11—平板车
图5-3机械制备泥浆的灌浆站布置图
1—矿车；2—轨道；3—储土场及栈桥；4—水枪；5—输水管；6—自流输浆沟；
7—泥浆搅拌池；8—自流输浆管；9—风井；10—水泵房；11—绞车房；12—取土场
静压输送时：
N=
（5-7）
加压输送时：
N=
（5-8）
式中N——输浆倍线；
L——输浆管路的总长度，m；
H——泥浆在输送管路内流动时，其入口与出口处之高差，m；
h——泥浆泵的压力，m。
倍线的实质是表示泥浆在输送过程中能量损失的关系，与水土比、土质、井下灌浆管路布置等因素有关。
在给定的系统中，将有相应的倍线与一定的水土比相适应，过大或过小都不利。
倍线值过大，管路阻力大，容易堵管；倍线值过小，泥浆出口压力过大，泥浆分布不均匀，灌浆效果差。
根据经验一般情况下倍线值为3～8为宜。
3．输浆管道
泥浆的输送有两种方法：
地表灌浆站距井筒较近时，泥浆可沿井筒敷设的管路输送，大巷安设主干管路，采区（工作面）安设分支管路至各灌浆区；地表灌浆站距井筒较远或因井筒附近的土源已枯竭，泥浆不能沿井筒敷设的管路输送时，则可采用集中钻孔输送泥浆。
所谓集中钻孔就是从地面打一钻孔（φ108mm）贯穿到井下某一水平巷道，再与主干管路相连接至各分支。
这两种方法可根据矿井条件采用。
输浆管道的直径可根据管内泥浆的流速来选择。
把为保证泥浆在输送中浆液不沉积或堵管的最小平均流速称为临界流速，其值可从表4-4中选取。
与临界流速对应的管径叫临界管径，二者有以下对应关系：
υ临＝
（5-9）
式中Q浆——小时灌浆量，m3/h；
υ临——管内泥浆的临界流速，m/s；
d——管道直径（内经），mm。
小时灌浆量一定时，管内泥浆的临界流速与管道直径对应有很多组，可采用式4-9试算来确定管道直径。
第四节灌浆方法
灌浆方法可分为：
采前预灌、随采随灌和采后灌浆三种。
一、采前灌浆
在井田内老窑较多，并且老窑自然发火严重的井田开采时，应采用采前预灌。
这种方法是在岩石运输巷和回风巷掘出后，分层巷未掘通前，按设计的方向进行打钻孔，其作用有二：
一是探明地质构造、煤厚及老空情况；二是进行采前预注。
打钻要求钻孔经岩石穿透煤层到煤层顶板，终孔间距为30m～50m，当工作面的长度超过90m时，应在岩石运输巷和回风巷都布置钻孔，两巷中钻孔的位置要错开，钻孔呈放射状。
然后钻孔和灌浆管连接即可灌浆。
灌浆过程应连续，灌满一个再灌另一个，把整个工
表4-4泥浆在管道中的临界流速
土壤名称
密度/t/m3
管外径及壁厚/mm
水土比
泥浆浓度/t/m3
临界流速/m/s
粘土
2.7
89×6
3:
1
5:
1
7:
1
1.283
1.182
1.134
1.121
1.329
1.490
114×6
3:
1
5:
1
6:
1
7:
1
10:
1
1.283
1.182
1.155
1.134
1.096
1.230
1.453
1.550
1.636
1.934
168×7
3:
1
5:
1
6:
1
7:
1
10:
1
1.283
1.182
1.155
1.134
1.096
1.412
1.674
1.779
1.377
2.219
轻亚粘土
2.7
89×6
3:
1
5:
1
7:
1
1.283
1.182
1.134
1.429
1.694
1.900
114×6
3:
1
5:
1
6:
1
7:
1
10:
1
1.283
1.182
1.155
1.134
1.096
1.570
1.860
1.978
2.086
2.467
168×7
3:
1
5:
1
6:
1
7:
1
10:
1
1.283
1.182
1.155
1.134
1.096
1.801
2.130
2.270
2.394
2.830
作面的老空区灌满，经足够的脱水时间后，方可进行开采。
二、随采随灌
随采随灌的作用是防止工作面后方采空区遗留煤炭的自燃，另外，对于厚煤层分层开采形成再生顶板起到胶结作用。
随采随灌可分为埋管灌浆、打钻灌浆和工作面洒浆等方法。
1．埋管灌浆
图5-7由底板巷道打钻灌浆
1—底板巷道；2—钻窝；3—钻孔；4—回风巷；5—进风巷
图5-6利用灌浆巷道打钻灌浆
1—底板巷道；2—回风道；3—钻孔；4—进风巷；
图5-5埋管灌浆示意图
1—预埋钢管；2—高压胶管；3—灌浆管路；
4—回柱绞车；5—钢丝绳，6—采空区
随工作面推进，放顶前沿回风巷在采空区内预先埋好灌浆管（一般埋5m～8m），管的一端通向采空区，另一端用胶管与灌浆支管相连，放顶后即开始灌浆，随工作面推进，按放顶步距用回柱绞车逐步牵引灌浆管，牵引一定距离灌一次浆，如图5-5所示。
2．打钻灌浆
在开采煤层已有的巷道或专门开凿的底板灌浆道内，每隔10m～20m向采空区打钻灌浆，如图5-6所示。
为了减少钻孔长度，保证钻孔质量和便于操作，也可沿灌浆巷道每隔20m～30m开凿一小巷道（钻窝），然后在钻窝内向采空区打钻灌浆，如图5-7所示。
打钻灌浆的钻孔应打到采空区的空顶内,并深入采空区5m左右,打完钻孔后立即下入套管。
钻孔与工作面的距离一般不小于20m～30m，当工作面太长,泥浆不能灌到采空区下部时,可打两排孔。
第一排钻孔的孔底落于采空区回风道冒落的免压圈之内,第二排落于采空区中部或偏下部,钻孔间距为20m～30m。
3．工作面洒浆
洒浆法就是从灌浆管接出一段胶管，在工作面放顶时，沿工作面自下而上向采空区冒落岩块上洒浆。
如图5-8所示。
为安全和工作方便，洒浆一般落后于放顶15m～20m。
洒浆通常作为灌浆的一种补充措施，使整个采空区特别是下半段采空区也能灌到足够的泥浆。
图5-8工作面洒浆示意图
1—灌浆管；2—三通；3—预埋灌浆管；4—胶管
图5-9综放面插管灌浆
图5-10工作面停采线灌浆示意图
1—岩石集中运输巷；2—联络巷；
3—集中回风巷；4—工作面运输巷；
5—停采工作面；6—木支架；7—注浆管；8—密闭墙
4．综采工作面插管灌浆
综采工作面插管灌浆就是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，并安装分支软管和插管。
将插管插入支架掩护梁后面的垮落岩石内灌浆，见图5-9。
插入深度应不小于0.5m。
工作面每推进两个循环，注浆一次。
义马千秋矿应用回风巷压管灌浆与工作面插管灌浆相结合，收到了较好的效果。
兖州兴隆庄矿在支架内安设灌浆管路，每隔5台支架，在其护板下方，专门开设灌浆小窗，与小窗对应的位置，管路上设有三通，由此接短胶管向采空区洒浆，操作方便。
三、采后灌浆
当煤层的自然发火期较长时，为避免采煤、灌浆工作互相干扰，可在工作面或采区的一翼全部采完后，进行封闭灌浆，即采后灌浆。
厚煤层分层开采时，可以在上分层工作面采完后，封闭停采线的上下出口，然后在上出口的密闭内插管灌浆，充填最容易自然发火的停采线附近空间，如图5-10所示。
急倾斜厚煤层开采时，当采区全部采完后，在采空区下部灌注一条沿走向的泥浆带，泥浆带高度取采区高度的1/3～1/4。
其目的是下部新采区免受上水平采空区的自热或自然发火的影响。
灌浆钻孔布置在下水平集中回风巷内，由回风巷打钻透入采空区，钻孔间距30m左右，如图5-11所示。
此外，在石门煤柱两侧停采线或开切眼，通过密闭布置管路沿倾斜方向灌浆，形成宽20m～30m的泥浆隔离带。
第五节灌浆参数确定
一、灌浆站工作制度
图5-11灌注泥浆带示意图
1—上山眼；2—运输石门；3—回风石门；4—工作面运输、回风平巷密闭墙；
5—沿倾斜泥浆隔离带；6—沿走向泥浆隔离带；7—上水平集中回风岩巷；8—灌浆钻孔；
9—下水平集中回风岩巷
地面灌浆站工作制度应与矿井工作制度相配合，全年工作日数一般为300d。
灌浆站每日工作班数应视矿井煤层自然发火的严重程度确定。
灌浆工作是与回采工作紧密配合的，若矿井回采为“两采一准”，则灌浆也应考虑两班灌浆，纯灌浆时间10h，若矿井自然发火严重，且所需灌浆工作面较多，宜用三班灌浆，每天纯灌浆时间15h。
二、灌浆量
1．日灌浆所需土量
Q土=KmlHC（5-10）
式中Q土——日灌浆所需土量，m3；
m——煤层采高，m3；
l——工作面日推进度，m；
H——灌浆区倾斜长度，m；
C——采区回采率，%；
K——灌浆系数，该系数应根据各矿井的情况而定，我国煤矿的灌浆系数采用5%～15%，部分矿区灌浆系数K见表4-5所示。
2．日灌浆用水量
Q水=K水Q土δ（5-11）
式中Q水——灌浆用水量，m3/d；
K水——用水冲洗管路防止管路堵塞的水量备用系数，一般取1.1～1.25；
Q土——日灌浆所需土量，m3；
δ——水土比。
3．日灌浆量
表4-5灌浆系数K
矿井名称
K值
注明
窑街一矿
窑街二矿3号井
石嘴山一矿
开滦唐山矿
开滦赵各庄矿
大同矿区
辽源矿区
枣庄陶庄矿
枣庄魏庄矿
淮南谢二矿
淮南谢三矿
重庆中梁山矿
芙蓉杉木树矿
0.30
0.25
0.05
0.01
0.05～0.1
0.1～0.2
0.10～0.15
0.13
0.125～0.13
0.03～0.04
0.15
0.10～0.15
0.05～0.10
综合灌注土量（m3/t）
综合灌注土量（m3/t）
电厂粉煤灰
电厂粉煤灰
防火K=0.05
页岩浆
Q浆1=（Q水+Q土）M（4-12）
式中Q浆1——日灌浆量，m3/d；
Q水——制备泥浆用水量，m3/d；
Q土——日灌浆所需土量，m3；
M——泥浆的制成率。
可按表4-6选取。
表4-6泥浆的制成率
水土比
1:
1
2:
1
3:
1
4:
1
5:
1
6:
1
密度ρ浆（t/m2）
泥浆制成率
1.45
0.765
1.30
0.845
1.20
0.880
1.16
0.910
1.13
0.930
1.11
0.940
4．小时灌浆量
Q浆=
（5-13）
式中Q浆——小时灌浆量，m3/h；
n——每日灌浆班数，班/日；
t——每日灌浆净时间，小时/班。
三、泥浆水土比
泥浆水土比是指制备泥浆时，水与土的体积之比，是灌浆中的一个重要参数。
1．泥浆水土比的确定
泥浆的水土比应根据泥浆的输送距离、煤层倾角、灌浆方式及灌浆材料的物理性质和季节等因素通过试验确定。
一般情况下，输送距离长，泥浆水土比要大；对于洒浆或空隙较大的采空区灌浆，泥浆水土比要小些，通常是3:
1～8:
1。
应当指出，泥浆水土比过大，将增加矿井排水量。
我国部分矿区灌浆的水土比经验数据见表4-7。
表4-7部分矿区灌浆的水土比
矿井名称
一般
夏季
冬季
备注
窑街一矿
窑街二矿
石嘴山一矿
石嘴山二矿
大同矿区
开滦唐山矿
开滦赵各庄矿
辽源矿区
枣庄陶庄矿
枣庄魏庄矿
淮南谢二矿
淮南谢三矿
芙蓉杉木树矿
3:
1
3:
1
7:
1～8：
1
5:
1～6:
1
5:
1
7:
1～8:
1
7:
1～8:
1
4:
1
5:
1
3:
1
3:
1
4:
1～6:
1
2:
1～3:
1
2:
1～3:
1
7:
1
5:
1
4:
1
2:
1
3:
1～4:
1
3:
1～4:
1
10:
1
6:
1
10:
1
8:
1～10:
1
5:
1～8:
1
6:
1
4:
1
加压注浆为5:
1～6:
1
引黄河水灌浆
引黄河水灌浆
电厂粉煤灰浆
10:
1
页浆岩
注：
泥浆的水土比最好不超过6：
1，泥浆过稀将增加耗水量和排水量。
2．泥浆水土比的测定方法
最简单的方法是测定泥浆的密度，然后由泥浆密度与水土比的关系曲线中查得，泥浆密度与水土比的关系曲线是预先将粘土与水的质量比换算为粘土与水的体积比，按不同比例配制泥浆并测量其泥浆密度（用波美比重计或1002型泥浆比重计测量），根据所得出之数据绘制成曲线图。
在灌浆时，测得泥浆的密度后即可查得水土比。
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