矿井防灭火灌浆系统课程设计Word文件下载.docx

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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

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）

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

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

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

1.机动灵活2.注浆距离短、管材消耗少、堵管机会少

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。

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。

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。

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

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

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：

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×

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；

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：

—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:

2

5

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

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：

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=

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：

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×

7

1.283

1.282

1.134

1.121

1.329

1.490

114×

1.182

1.155

1.096

1.230

1.453

1.550

1.636

1.934

168×

1.412

1.674

1.779

1.877

2.219

轻亚粘土

1.429

1.694

1.900

1.570

1.860

1.978

2.086

2.467

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：

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=0.11γjH；

γj——泥浆容重t/m3；

H——井深,m；

a——考虑管壁不均匀的附加厚度，钢管1-2mm；

铸铁管7-9mm；

b——考虑垂直管道磨损的附加厚度，根据管道的服务年限取1-4mm。

由于管道为倾斜45°

因此可令δ′=δ×

k经估算k取0.6

δ′=8.82×

0.6=5.3㎜

⑵水平管道：

n——管道质量与壁厚不均匀的变动系数，取0.9；

因此上面选取的管径合理

4.5管材确定

地面灌浆管一般采用铸铁管，井下根据灌浆压力确定：

当灌浆压力为10-16大气压选用水、煤气输送管；

当灌浆压力大于16大气压，选用无缝钢管。

压力P=0.11×

1.16×

393.7=50.2kg/cm²

=4.9Mp，压力值大于16大气压应选用无缝钢管。

5水枪选择

5.1水枪喷嘴出口射流速度

φ——流速系数，取0.94；

H——水枪工作压头，m。

不同土质的土壤单位体积需水量不同，它们对水枪压力要求也不一样，详见表5-1

表5-1不同土壤单位耗水量和