矿井防灭火与灌浆系统设计.docx

1、矿井防灭火与灌浆系统设计前 言一、矿井防灭火与灌浆系统课程设计概述1、矿井防灭火与灌浆系统课程设计的目的进行矿井防灭火与灌浆系统课程设计，是学生学习该课程理论学习结束后，进行的一项实践性教学环节，是课程体系的重要组成部分。其目的是通过课程设计加深对矿井火灾防治理论与技术和其他课程所学专业理论知识的理解。综合应用理论解决实际问题，培养学生计算、绘图和设计的能力，为毕业设计奠定基础。2、进行矿井灌浆灭火系统设计的目的和作用2.1 进行矿井灌浆灭火系统设计的目的：煤矿安全规程第二百三十二条规定： 开采容易自燃和自燃的煤层时，必须对采空区、突出和冒落孔洞等空隙采取预防性灌浆或全部充填、喷洒阻化剂、注阻

2、化泥浆、注凝胶、注惰性气体、均压等措施，编制相应的防灭火设计，防止自然发火。在矿井设计、延伸、新水平、新采区设计时，应同时设计相应的预防性灌浆系统。2.2进行矿井灌浆灭火系统设计的作用预防性灌浆：将水与浆材作适当配合制成浆液，借助输浆设备送到可能发生自燃发火的地点，防止煤炭的自燃。 泥浆起到三个作用： 包裹煤体，隔绝煤与空气的接触，防止氧化； 加强采空区的致密性，防止漏风； 冷却已发热的煤体与围岩，降低温度。二、课程设计的任务根据课程设计大纲的要求，对龙口矿业集团公司梁家煤矿矿井进行预防性灌浆防火设计，具体内容包括：1、说明防火灌浆设计依据及基础资料2、确定灌浆系统与灌浆参数3、防火灌浆设计计

3、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三、设计课题名称 龙口矿业集团公司梁家煤矿矿井预防性灌浆防火设计梁家煤矿矿井预防性灌浆防火课 程 设 计1 防火灌浆设计依据及基础资料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ta，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

4、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煤层赋存条件1.2.1煤系地层及煤层数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。1.2.2

5、 可采煤层及其厚度煤上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

6、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300m3h，煤2底板砂岩水的最大涌出量为51m3h，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

7、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。1.2.3 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2.029m3t，绝对涌出量为9.326m3min，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。1.2.4 煤岩成分梁家煤矿下第三系煤系地层总厚度为109

8、5m，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。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

9、岩水的威胁。煤1油2距煤2约13米，是煤2的直接充水层。详见（图11）煤系地层综合柱状图。附：煤系地层综合柱状图1-11.3 煤炭储量及开拓情况1.3.1煤炭储量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106774万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。1.3.2开拓方式矿井开拓方式为中央

10、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。相见图1-2（矿井剖面图）1 灌浆管路设计依据 由于地面风井距井底垂高只有253.7m，所以灌将管路采用“L”形布置，能使能量集中，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。因此灌浆路线为：地面灌浆站风井-250总回风巷西回风上山煤4总回风巷煤4一采皮带上山4110上顺工作面。（见图1-1） 计算输送倍线泥浆的输送倍线为：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 = （1-1）式中：N输送倍线；L管线长度，m；H垂高，m。风井底到4110工作面进风巷入口距离1850m，工

11、作面走向长886m，风井长为253.7m，再加上10%的管长，得3288.7m。工作面至地面的垂高为423.7m。 N=3288.7/423.7=7.7 计算是否需要泥浆泵加压灌浆由于本矿井灌浆点距地面制浆点较近，有足够的输浆压力，输送倍线介于2-10之间，所以不需用泥浆站加压灌浆。但在地面制浆点需用泥浆泵作水力取土。1.3.3 开采情况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

12、立供风井巷9个。1.3.4 开采技术条件及开采方法矿井只有一个水平，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（图12）所示。附：矿井开拓剖面图1-21.4 通风及灾害情况1.4.1通风情况矿井通风方式为中央边界式，通风方法为抽出式，副井提升兼进分，主井提升兼辅助进风，风井通风机房配备2台轴流式通风机，型号均为1K58NO.27，一台运转，一台备用。每台主要通风机配备一台TD630/29-6型电动机，额定功率为56KW。矿井总进风量9374.1 m3/min，总回风量5924.0 m3/min，总排风量9801

13、.6 m3/min，矿井需风量7308.0 m3/min， 矿井通风系统总阻力为1892.1Pa，矿井等积孔为4.47m2，矿井属通风容易矿井。通风系统平面图如图1-3所示，附：通风系统平面图1-31.4.2 瓦斯及其涌出情况根据2003年12月山东省煤矿通风检测站编制的龙口矿业集团公司梁家煤矿矿井通风能力核定及系统评价瓦斯等级鉴定结果：相对涌出量为1.330m3t，绝对涌出量为6.121m3min；二氧化碳:相对涌出量为2.029m3t，绝对涌出量为9.326m3min。根据矿井瓦斯等级鉴定标准，梁家煤矿定为低瓦斯矿井。1.4.3地温 地温的垂向变化地温随着深度的增加而增高。本井田在地下30

14、0m的温度为23-25，地温梯度3.13-3.43/100m；垂深500m时，温度31-33，地温梯度3.37-3.7/100m，达到一级热害区上限；垂深700m时，温度38-41，地温梯度3.5-3.79/100m，达到二级热害区上限；垂深900m时，温度高达49，在含煤段由于岩性复杂，煤和油页岩导热性差，低温梯度在4.6-6/100m，反映了井田地温是偏高的。 地温在平面上的变化地温从平面上看，东部和西部有明显差异。在西部，31等温线分布在-500-550m水平上；在东部31等温线分布在-400-450m水平上。37等温线在西部分布在-650-700m水平，东部则分布在-600-650m水

15、平。-450m水平切面的地温状况为28.9-34.2，平面上的变化是含煤区温度高，非含煤区温度低，东部高西部底，相差约2。总之，井田属岩温型地温异常，使-450m水平以下的煤层处于一级和二级热害之中。1.4.4 自然倾向性及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。1.5浆材的质量、数量1.5.1浆材的配制及质量1）加入少量水能够成浆； 2）泥浆的渗透性要好；3）不含可燃物或助燃物；4）泥浆要易于脱水注浆必须脱水： 泥浆要易于脱水，一

16、般要求含砂量25-30%。泥浆注入井下，如果不易脱水，将会大量存积于采空区工作面下顺槽，并在矿山压力的作用下储备很高的能量。当在泥浆区下部进行回采或掘进工作时，易造成溃浆事故。也不能脱水性太强，太易于脱水，泥浆在采空区形成堆积，起不到包裹煤体的作用。5）泥土粒度要求；不大于2mm，细小粉粒（粒度小于1mm）要占75%以上。6）主要物理指标：AA-灌浆主要物理指标：比重：2.4-2.8；塑性指数：9-14；胶体混合物：25-30%；含沙量：25-30%；a 、比重：如果比重太大，容易沉淀，流动困难，易造成堵管事故，且在采空区灌浆口附近堆积，难以覆盖整个采空区。b、塑性指数：土壤的塑性是指其在外力

17、作用下改变形状，但不产生裂隙和断裂，而且当外力停止作用后仍然保持所形成的形态的特性。在一定重量湿度()的情况下，土壤固态变成可塑状态，这一湿度称为塑性下限，土壤从可塑状态变成流体状态的重量湿度()，称为塑性上限。塑性指数（Ip）系指塑性上限的重量湿度与下限重量湿度之差。一般：粘土： Ip17；亚粘土：10Ip17；轻压粘土：3Ip10。c 、胶体混合物胶体混合物体现了土壤结胶的能力。d 、含沙量对于含沙量的要求主要是要求土壤易于脱水。比重：2.42.8； 塑性指数：914； 胶体混合物：2530%；含沙量：2530%。7）泥土要便于开采、运输与制备。因土源距煤矿风井5km，土质优良，容重1.3

18、t/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。且龙口矿业集团采用的土水比为1：3-5，灌浆系数0.03-0.05，因此，用黄土作为该矿的灌浆材料。1.5.2 浆材的数量灌浆量的确定，各矿务局都有自己的一套计算方法，都有自己的经验，总的说来主要是根据灌浆区的容积、采煤方法及地质条件等因素来确定。具体数量再后面章节进行详细计算。1.6 灌浆站的工作制度 1.6.1计算日灌浆量、时灌浆量（1）按日灌浆量计算 按灌浆区日灌浆所需用土量计算公式为： Qt2=K.G/1 （12）式中：Qt2日灌浆所需用土量，m3；K灌浆系数，取0.03；G矿井日产量，t； 1煤炭容重，t/

19、m3。 Qt2=0.033484/1.34=78 m3 （2）矿井日用土量 矿井实际每日所需采土量为： Qt=aQt2 （13）式中： Qt灌日用土量，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； Qt=1.178=85.5 m3（3）灌浆用水量Qw 灌浆用水量(Qw)可按下式计算： Qw=Kw.Qt. （14）式中：Qw灌浆用水量，m3； Kw冲洗管路用水量的备用系数，一般取1.1-1.25，取1.25； 水土比，一般取2-5，取2。Qw=1.25782=213.75 m3（4）日灌浆量Qj 日灌浆量（Qj）可按下式计算： Qj=（Qt2+Qw）u （15）

20、Qj=（78+213.75）0.88257 m3式中：Qj日灌浆量，m3； u泥浆制成率，如表1-1所示。表11水土比1:11:21:31:41:51:6泥浆容重1.451.301.201.161.131.11泥浆制成率0.7650.8450.8800.9100.9300.940则小时灌浆量：Qjh=Qj/n.t m3/h （17）式中：Qjh小时灌浆量，m3；n每日灌浆班数,班； t每班纯灌浆小时数。h/班。Qjh=257/（25）=25.7m31.6.2选择灌浆设备本设计采用高压水枪直接冲刷储土场的黄土成浆，经输浆沟送往灌浆泥浆搅拌池。通过搅拌好的泥浆输浆管过风井入井。这种制浆方法设备简单

21、，投资少、劳动强度低、工效高。在表土层较厚的矿区，灌浆点分散的矿井十分适用。水力取土自然成浆的制备泥浆方法，其缺点是土水比难以控制，不能保证泥浆质量，防火效果差，而且排水量大。2、防火灌浆系统与参数确定2.1灌浆系统确定2.1.1设计工作面概况设计工作面为4110综采放顶煤开采工作面，工作面走向长度886m，倾斜长度148.5m，工作面开采参数如表21所示.顶、底板状况为：1) 直接顶为煤4的41-42段煤层，厚度2.19米，煤夹泥岩。2) 直接底为煤4的47-48段煤层，厚度3.3米，泥岩夹煤，泥岩易风化，遇水膨胀。如煤系地层柱状图图11所示。工作面煤尘具有爆炸性，属低瓦斯矿井。工作面煤层易

22、自燃，地温较高，一般在29-31左右。4110工作面总体上不具备自然排水条件，根据对4110工作面涌水状况预测，工作面正常涌水量为3m3/h，最大涌水量为15m3/h，工作面不具备自自然排水条件，必须安装排水能力大于15m3/h的排水系统。4110工作面通风系统如图1所示，进、回风线路为：进风：付井付井井底车场东大巷集中石门煤4石门煤4一采暗斜井煤4一采轨道4110上顺联络巷4110上顺工作面回风：工作面4110下顺煤4一采皮带上山煤4总回风巷23上山250总回风巷风井。工作面巷道布置、支护方式(1)材料巷 采用单体液压支柱配合钢上挑木板梁刹顶的支护方法进行支护，采用2.5m支柱，柱下穿铁鞋，

23、主要用于进风、运料和行人。(2)运输巷 支护方式与材料巷相同，采用2.8m支柱，柱下穿铁鞋，主要用于回风、运输和行人。 采用综合机械化采煤方法，顶板管理采用全部陷落法，机采高度为2.8米，放顶煤高度3.35米。2.1.2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2-1所示。附：工作面开采参数表2-1根据上述条件参数，结合龙口矿业集团公司梁家煤矿的实际，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。运回的土在风井附近建立机械取土机械制备泥浆站，

24、通过水力取土，泥浆搅拌池里搅拌轮的搅拌，制成土水比达1：2，再通过风井灌入井下。灌浆路线为：地面灌浆站风井-250总回风巷西回风上山煤4总回风巷煤4一采皮带上山4110上顺工作面。（见图1-3）。2.1.3防火灌浆设计基本参数、选择灌浆材料因土源距煤矿风井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，用黄土作为该矿的灌浆材料。、选择灌浆方法根据开采条件及采土场与井口位置关系（见图13），选择随采随灌。、选择合理的土水比 泥浆的土水比是一个要参数。表示：泥浆中固体材料与水的体积比。 主要取决于土质的情况，同时又与泥浆的输送距离、灌

25、浆的方法、煤层的倾角和气候条件的变化有关。、泥浆的土水比泥浆的土水比是一个要参数。表示：泥浆中固体材料与水的体积比。土水比大，泥浆浓度大，其粘度、稳定性与致密性也愈大，包裹隔离效果好。但是土水比过大，则流散范围小，灌浆钻孔与输浆管路易发生堵塞，不能完全覆盖采空区，形成团块堆积。土水比过小，则泥浆太稀，耗水量大，矿井涌水量增加；在工作面后方采空区灌浆时，容易流出放顶线而恶化工作环境。土水比的大小主要取决于: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

26、）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，土水比要小一些。一般土水比的变化范围为1：2-1：5。关于土水比多少合适，还因各矿井所处的地域、土水的条件，经济技术水平等不同而异，应根据具体矿井条件而确定。这里参考几个矿井的土水比：表22 部分矿井的土水比矿井名称一般夏季冬季说明窑街矿务局1：31：2-31：3-4石嘴山矿务局1：6-81：7-81：10黄河水灌浆大同矿务局1：51：51：

27、6开滦矿务局1：7-81：71：10粉煤灰灌浆枣庄魏庄矿1：51：41：6淮南谢三矿1：31：21：4芙蓉杉木树1：4-6页岩制浆抚顺龙凤矿1：61：61：10页岩制浆阜新矿务局1：41：3-41：5-6参照上述示例，采用的土水比为1：35，灌浆系数0.030.05。2.1.3灌浆管路设计依据由于地面风井距井底垂高只有253.7m，安装维护管理简单。因此灌浆路线为：地面灌浆站风井-250总回风巷西回风上山煤4总回风巷煤4一采皮带上山4110上顺工作面。（见图11）2.2灌浆材料的选择1）加入少量水能够成浆； 2）泥浆的渗透性要好；3）不含可燃物或助燃物；4）泥浆要易于脱水注浆必须脱水： 泥浆要

28、易于脱水，一般要求含砂量25-30%。泥浆注入井下，如果不易脱水，将会大量存积于采空区工作面下顺槽，并在矿山压力的作用下储备很高的能量。当在泥浆区下部进行回采或掘进工作时，易造成溃浆事故。也不能脱水性太强，太易于脱水，泥浆在采空区形成堆积，起不到包裹煤体的作用。5）泥土粒度要求不大于2mm，细小粉粒（粒度小于1mm）要占75%以上。6）主要物理指标：AA-灌浆主要物理指标：比重：2.4-2.8；塑性指数：9-14；胶体混合物：25-30%；含沙量：25-30%； 1）比重： 如果比重太大，容易沉淀，流动困难，易造成堵管事故，且在采空区灌浆口附近堆积，难以覆盖整个采空区。 2）塑性指数：土壤的塑

29、性是指其在外力作用下改变形状，但不产生裂隙和断裂，而且当外力停止作用后仍然保持所形成的形态的特性。在一定重量湿度()的情况下，土壤固态变成可塑状态，这一湿度称为塑性下限，土壤从可塑状态变成流体状态的重量湿度()，称为塑性上限。塑性指数（Ip）系指塑性上限的重量湿度与下限重量湿度之差。 一般：粘土： Ip17；亚粘土：10Ip17；轻压粘土：3Ip103）胶体混合物胶体混合物体现了土壤结胶的能力。4）含沙量 对于含沙量的要求主要是要求土壤易于脱水。 比重：2.42.8； 塑性指数：914； 胶体混合物：2530%； 含沙量：2530%。7）泥土要便于开采、运输与制备。参超上述原则，最终采用的土水

30、比为1：35，灌浆系数0.030.05。2.3地面制浆工艺流程浆液的制备与运输可按下面的流程进行：常用的制浆工艺主要有两种：水力取土机械制浆法和机械搅拌制浆。水力取土机械制浆法，多采用于制备黄泥浆，可就地取材；机械搅拌制浆常用于制浆材料距生产源距矿井较远的材料。本设计采用机械搅拌制浆工艺。工艺流程如下：粉煤灰的采集泥浆搅拌池（搅拌机）沉淀池（滤网）注浆池（砂浆泵）灌浆管。1）矸石页岩灌浆矸石页岩采石场粒度筛选运输设备多极破碎机（球式、鳄式）泥浆搅拌池泵站管道入井。2）粉煤灰灌浆发电厂运输设备储灰池搅拌池泵站管道入井。3）黄泥灌浆水力取土、自然成浆：高压水枪取土输浆沟过滤筛管道入井。水力取土自然成浆利用高压水枪(压力50-80kPa；流量85-266m3h)直接冲刷地面表土成浆，经输浆沟送往灌浆钻孔或管路。这种制浆方法设备简单，投资少、劳动强度低、工效高。在表土层较厚的矿区，灌浆点分散的矿井十分适用。在东北地区天寒地冻的冬季采取