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灌浆注胶防灭火设计毕业设计说明书

灌浆注胶防灭火设计

灌浆、注胶防灭火

黄泥灌浆是煤矿重要的防灭火手段之一，泥浆中的水份吸收大量热，起到灭火降温的作用，黄土包裹浮煤表面，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，现在灌浆的水土比通常在5:

1左右，灌浆效率低，浆液流失量大，脱水时间长，灌浆时浆液流动不可控，容易发生“溃浆”事故。

为了更好地利用泥浆的吸热、阻化及充填性能，同时又能克服泥浆的脱水、流失、溃浆以及灌浆的不可控，目前已研制成功了一种新型材料FCJ12胶凝剂，可以使泥浆实现液固转化，使泥浆形成一种像胶牙膏一样的柔性胶体，彻底解决了泥浆的缺点，又充分利用了泥浆的优点，这种“灌浆注胶防灭火技术”在国内、外得到了广泛的应用，在新疆也有较多应用，如兖矿硫磺沟矿、吉新矿、新汶伊犁一矿、轮台宝山矿、兵团大黄山矿、金川矿业等，在井下防火、灭火均取得了良好的效果，特别适用于倾角20～90度煤层开采时的防灭火，扑灭大黄山煤矿火灾时荣获了兵团科技进步一等奖、国家科技进步二等奖等奖励。

采用这种新技术需使用相应的设备及方法，在地面使用制浆系统把水和土制成一定比例（1：

1～3）的泥浆，通过管路输送至井下注浆地点附近时，用一台专用的设备把胶凝剂加入到输浆管路中，泥浆和胶凝剂在管路中反应，在管路出口处形成牙膏状胶体，对漏风通道进行封堵，同时对煤体进行降温、包裹煤体。

一、灌浆、注胶方法：

1.钻孔灌浆、注胶

1）无法埋管或当需要对特定地点灌浆时，需从井下巷道或钻场向注浆区域打注浆钻孔，施工钻孔时可采用“防灭火一次成孔钻具”（钻孔施工完成后，可直接进行连接管路灌浆、注胶，无需抽出钻杆后再下套管，减少了施工工序，避免了塌孔，注浆结束后钻杆和钻头可回收），封孔要严密，可采用钻孔封孔器，钻孔与输浆管路的连接要牢固，并能承受最大的注浆压力；

2）从地面直接向注浆区域打注浆钻孔，钻孔孔径应不小于108mm，钻孔内应全长度下套管。

2．埋管灌浆、注胶选择一种

随着回采工作面推进向采空区内埋设管道进行注浆，出浆口距工作面的距离应不小于15m。

3.拖管灌浆、注胶

工作面采空区随采随灌时，在工作面上隅角埋入6-8米的无缝钢管（直径φ89*12mm），与顺槽灌浆管路用软管连接，工作面推进时灌浆，每隔10米左右灌一次胶体，随着工作面的推进，按放顶步距用绞车逐渐牵引灌浆管进行下一次灌浆；

4.密闭墙插管灌浆、注胶

工作面回采后从密闭墙上方的注浆管向采空区注浆。

此时，密闭墙的强度应满足注浆的要求，注浆时应派专人监护，一旦发现有溃浆征兆时，应立即停止注浆。

5.洒浆

在回采工作面由输浆管路上接出耐压胶管，向采空区均匀地洒上一层浆液。

洒浆时，浆液出口压力应不大于0．3MPa。

6．其它方式的灌浆、注胶

充填空间、高冒区、浇筑巷道壁空间及采空区空洞等防灭火均可采用“防灭火一次成孔钻具”及“灌浆注胶防灭火技术”进行充填处理。

二、灌浆、注胶量计算

1.灌浆工作制度

每天三班工作，每班纯灌浆时间为5h。

2.泥水比

根据《煤矿注浆防灭火技术规范MT/T702—1997》中规定和灌浆经验以及实际灌浆效果，确定泥水比为1：

3。

3.矿井灌浆、注胶量的确定

《煤矿注浆防灭火技术规范MT/T702—1997》中规定：

矿井注浆量按式

（1）计算：

kGδ

Qw=——————………………………………

（1）

Mrct

式中：

Qw——矿井注浆量，m3／h；

k——灌浆系数，取5%；土取3%～12%，粉煤灰取5%～15%；

G——矿井日产煤量，1818t；

δ——土水比的倒数；3

M——浆液制成率，取0.95；

rc——煤的密度，1.34t／m3；

t——矿井日注浆时间，15h。

把各取值参数代入上式得：

kGδ

Qw=—————=14.4m3／h

Mrct

4.每日灌浆用水量

Qs2=Ks·Qw=1.2×14.4*15*0.75=194.4m3/d

式中：

Ks—用于冲洗管路防止堵塞的水量备用系数，取1.2。

5．灌浆材料：

黄土、砂土、粉煤灰等。

三、泥浆的制备

1．取土方式

矿井灌浆用黄土采用就地取材，可存放在灌浆站附近储土场内。

灌浆站内采用LW521F型5t轮式装载机进行机械取土。

2．灌浆、注胶站

综合灌浆注胶站布置在风井工业场地内。

3.灌浆、注胶防灭火系统

灌浆、注胶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-60/120

MYZ-30/60

ZHJ-15/30

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”加入灌浆管内与浆液混合后，注入防灭火区域。

地面：

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；

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”加入灌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；

防灭火时反应快；

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。

根据矿井的煤层发火特性及所采用的采煤方法，推荐选用

MDZ-60/120地面固定式灌浆注胶防灭火系统（120万吨以上）。

MYZ-30/60地面移动式灌浆注胶防灭火系统（30-120万吨）。

ZHJ-15/30井下移动式灌浆注胶防灭火系统（30万吨以下）。

MDZ-60/120地面固定式灌浆注胶防灭火系统

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。

2）系统构成

MDZ-60/120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。

地面固定式灌浆注胶防灭火系统流程框图

地面固定式灌浆注胶防灭火系统工艺流程图

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）装入制浆机的主料箱内，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。

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。

4）应用工艺

（1）灌浆：

打开供水阀门，根据计划注浆的流量和浓度调整水量；通水一段时间后使用装载机（推土机）把黄土（粉煤灰）从土场加入到定量送料机料箱内，定量送料机会按已设定的输送量把黄土（粉煤灰）均匀送上输送机，输送机把黄土（粉煤灰）送入胶体制备机；水也在胶体制备机的进料口位置加入，制浆机把水与黄土（粉煤灰）混合、搅拌制成均匀浓度浆液，并将浆液中大于15mm的颗粒滤出；

（2）灌注稠化胶体：

打开供水阀门，根据计划注浆的流量和浓度调整水量；通水一段时间后使用装载机（推土机）把黄土（粉煤灰）从土场加入到定量送料机料箱内，定量送料机会按已设定的输送量把黄土（粉煤灰）均匀送上输送机，输送机把黄土（粉煤灰）送入制浆机；水也在制浆机的进料口位置加入，制浆机把水与黄土（粉煤灰）混合、搅拌制成均匀浓度浆液，并将浆液中大于15mm的颗粒滤出；由悬浮剂添加机在制浆机出口管加入悬浮剂，浆液与悬浮剂进入滤浆机后进行搅拌混合；浆液自流进入滤浆机，滤浆机将浆液中大于8mm的颗粒滤出，以免将输浆管路沉淀堵塞；合格浆液自流进入缓冲池，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，由滤浆机出口管路直接自流入钻孔）。

（3）灌注复合胶体：

浆液到达注胶地点附近时，用“矿用移动式防灭火注浆装置”按比例（自动）要求加入胶凝剂，胶体通过钻孔或预埋管路注入火区或采空区。

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固体，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。

（4）压注高分子胶体：

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50m），把“胶体灭火剂”加入胶凝剂料箱，按使用现场的要求调节“胶体灭火剂”的加入量，制成高分子胶体后压注入火区进行灭火。

5）系统参数

（1）制浆原料：

粉煤灰、黄土、砂土；

（2）动力：

系统设备总功率95～200kw；

（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）灌浆量：

>60m3/h；

（7）悬浮剂使用量：

＞0.1%（稠化胶体）；

（8）胶凝剂使用量：

＞0.1%（复合胶体）；

（9）灭火剂使用量：

＞1%（高分子胶体）。

6）主要设备及技术参数

（1）定量送料机

型号：

ZSL-40数量：

1台

送料量：

18～36m3/h；功率：

15kw；电压：

380V。

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

型号：

DT75（DJ6550-15/20，输送倾角<60度）数量：

1套

输送量：

50m3/h；功率：

5.5（15）kw；电压：

380V。

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：

18.5kw；电压：

380V。

将粉煤灰或土与水混合，连续制、滤成符合浓度和粒径要求的浆液。

（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。

将胶体制备机制成的浆液过滤成符合浓度和粒径要求的浆液。

（5）渣浆泵

型号：

4/3C-AH（80ZJ-I-A52）数量：

1台

流量：

80m3/h；功率：

22（110）kw；扬程：

30（110）m；电压：

380V。

（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。

（7）监控系统：

型号：

ZK-60数量：

1套

a.监控胶体防灭火系统中设备的运行、电气控制和电气保护机构；

b.自动/手动操作、运行系统；

c.水的自动检测和控制；

d.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（选配）。

（8）矿用移动式防灭火注浆装置

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。

可单独使用，也可与系统配套用，实现浆液到达使用地点时的液固转化。

7）系统土建

灌浆车间：

18m×12m×8m（长×宽×高），8t吊车；

土场：

面积200m2，20m×10m（长×宽）；

设备基础：

混凝土结构约50m3。

8）系统资金概算放入经济预算

ZHJ-15/30井下移动式灌浆注胶防灭火系统（30万吨以下）约70万元。

MYZ-30/60地面移动式灌浆注胶防灭火系统（30-120万吨）约120万元。

MDZ-60/120地面固定式灌浆注胶防灭火系统（120万吨以上）约360万元。

MDZ-60/120地面固定式灌浆注胶防灭火系统

总经费：

约360万元。

其中：

（1）土建：

30万元；

（2）灌浆管路：

40万元（规格ф114mm*6mm；长4.0km）；

（3）装载机：

25万元（型号：

LW521F轮式装载机；载重：

5T）；

（4）输变电设备、设施及系统电力配套：

15万元（功率：

300KW）；

（5）系统安装费：

15万元；

（6）系统设备：

235.3万元（见下表）。

MDZ-60/120地面固定式灌浆注胶防灭火系统设备价格清单

序号

名称

规格型号

数量

功率

（kw）

生产厂家

单价（万元）

小计（万元）

备注

定量送料机

ZSL-40

1台

西安森兰

25.0

皮带输送机

DT75

DJ6550-15/20

1套

5.5

8.0

DJ6550-15/20输送倾角<60度

胶体制备机

ZLJ-60

1台

18.5

西安森兰

78.0

滤浆机

LJ-60C

1台

7.5

西安森兰

38.0

渣浆泵

4/3C-AH

80ZJ-I-A52

1台

110

石家庄泵业

6.8

9.8

6.8

9.8

80ZJ-I-A52扬程110米

清水泵

IS80-50-200

1台

上海

1.2

排污泵

WQ15-30-2.2

1台

2.2

宝鸡

0.5

监控系统

ZK-60

1套

西安森兰

45.0

可选配置

矿用移动式防灭火注浆装置

ZHJ-5/1.8G

1台

7.5

西安森兰

16.8

其它附件

16.0

小计

235.3

252.3

四、注浆管路设计

根据矿井地面的不同制浆方式，井下可采用集中或分区的输浆管路系统。

1.管路阻力的计算

目前对于1：

2的泥浆，可以按照下式计算流动水头损失：

式中

浆体管道的损失，

为清水管道的损失，式中，

为混合物密度，对于1：

2的泥浆其比重为1.43。

为清水密度，η，η0分别为浆液和水的粘度，η取2.85，η0为1。

在这里清水管路的阻力损失以下式计算：

式中

为局部水头损失，

为管道直径，

为管道长度，

根据雷诺数确定值从莫迪图上取值为0.015。

式中

为局部水头损失系数，在这里我们主要是90°弯头所产生的水头损失，根据d/R比查表得出

值为0.138，

为产生局部水头损（弯头）数量。

在这里所选择的计算均认为管道倾角对水头损失不产生影响。

2.浆液流速和管路的关系

根据煤层倾角及巷道布置情况确定1121工作面灌浆倍线最大，现以此工作面为例进行管路阻力计算：

从注浆站至578工作面管路长度（

）约1500米；

从注浆站至578工作面弯头数量（

）约12个；

由井上、下高程和渣浆泵扬程可知管路中最大可损失输浆水头

为258m

由此可得出

值为120.3m；

根据计算得出流速

与管径

的关系式：

管路流量计算公式：

式中

为管路中浆液流量；

把已知量代入式中，得出：

已知不於流速为0.85m/s。

（1）当

取0.08米（3寸）时，

≤1.87m/s，

≤0.0094m3/s（合33.8m3/h）；不於流量为15.4m3/h；

（2）当

取0.1米（4寸）时，

≤2.1m/s，

≤0.0165m3/s（合60m3/h）；不於流量为24m3/h；

（3）当

取0.125米（5寸）时，

≤2.33m/s，

值为0.0286m3/s（合102.9m3/h）；不於流量为37.5m3/h,流量60m3/h时流速为1.35m/s；

（4）当

取0.15米（6寸）时，

≤2.56m/s，

值为0.05m3/s（合180m3/h）；不於流量为59.8m3/h,流量60m3/h时流速为0.95m/s；

3.灌浆管路的确定

从以上计算数据可以看出，输浆管路取2）、3）较为合理，从实际使用情况来看，主要侧重于2），其原因如下：

（1）从操作角度来看，每小时上料量不超过40方时可行的，超过40方机械上料已不太现实，只能采用立式筒仓的储料上料方式，而这种方式用于粉煤灰和沙（河砂、风积沙、尾砂）较为理想，用于砂土和黄土则无法操作和实现；

（2）井下使用时流量过大和流速过大都给井下操作人员带来较多的麻烦，主要是：

跑浆、漏浆、小区域注浆无法控制、管路维护。

（3）从制浆角度来说，使用土制浆并且完成过滤达到100方的量都有较大困难，设备的成本和工艺的复杂性大大增加；

介于以上原因，这里设计时选择2）中参数：

管径（外径）采用φ114×6mm（英制4寸）（立井、斜井井筒内可选择较大型号的管路），灌浆流量介于40～60m3/h，流速介于1.0～2.1m/s之间。

4.输浆管路的布置原则

《煤矿注浆防灭火技术规范MT/T702—1997》“输浆管路”一节中规定：

（1）根据矿井地面的不同制浆方式，井下可采用集中或分区的输浆管路系统。

（2）在浆液流人输浆管路前，应设置筛网过滤，网的孔径宜为15～20mm。

（3）由输浆管路的总水头损失值，确定是采用自流（靠自然压头）输浆还是选用相适应（流量和压力）的泥浆泵或注砂泵加压输浆。

（4）浆管路系统应避免“两头高中间低”的布置方式，并尽量减少拐弯。

（5）井下输浆管路应紧靠井巷壁铺设，固定牢固，并涂以防锈漆。

五、灌浆、注胶安全措施

防止灌浆、注胶中出现溃浆、透水等事故的发生，灌浆时应注意下列事项：

（1）经常观察水情。

采空区灌入水量与排出水量均应详细记录，若排出水量很少时，则表明灌浆区内可能有大量泥浆水积存，应停止灌浆，采取放水措施。

若排出的水中泥砂量增大，则说明采空区中可能形成了泥浆通道，使泥浆不能均匀充填煤矸间空隙，而直接流到采空区下部被排出，此时应改注胶体。

（2）灌浆后应再灌几分钟清水，清洗管道，以免泥浆在管道内沉淀。

（3）设置滤浆密闭。

在灌浆区下部巷道中必须用滤浆密闭将灌浆区和工作区隔开，而且要求滤浆密闭有一定的强度，防止崩浆事故发生。

（4）防止地表水流入井下。

在煤层浅部灌浆时，要及时填塞地表塌陷坑及钻孔，防止地表水流入井下。

（5）灌浆区下部采掘。

在灌浆区下部进行采掘前，必须对灌浆区进行检查，一旦发现有积水，必须打钻放水后，才能进行采掘工作。

六、灌浆、注胶防灭火的效果考察

1.注浆区温度和气体成分的检测

2.派专人定期检测注浆灭火区、注浆防火工作面及其采空区内的气温、煤温和出水温度。

3.具有自然发火危险程度的矿井均应建立完善的火灾束管监测系统或地面气体分析实验室。

气体分析成份主要有：

氧气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳。

采集气体的地点为：

——回采工作面的回风巷、上隅角、采空区氧化带回风侧；

——通向火区的密闭墙内侧或钻孔内；

——其他需要的地点。

采用人工取样在地面进行气体分析时，应符合以下要求：

——取样必须使用专用取样袋或取样器，取样后应在5h内送到地面实验室进行分析；

——注浆防火区域应定期对各取样点取一次样；

——注浆灭火封闭区域内每天取一次样；

——回采工作面或其他地点在发火期间（未封闭的情况下）每班取一次样。

七、灌浆、注胶防灭火区的管理

建立防灭火注浆台帐，主要内容应包括

——注浆区位置；

——钻孔工程；

——注浆工程；

——防灭火密闭墙工程；

——气体分析及温度记录；

——泥浆分布状况等。

附件2：

地面移动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

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