一采区防灭火设计.docx
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一采区防灭火设计
义桥煤矿一采区防灭火设计
编制人：
科长：
总工程师：
编制日期：
二00九年一月
目录
第一节一采区基本概况…………………………………………01
第二节一采区防灭火系统…………………………………………03
第三节处理措施及结论……………………………………………13
第四节特殊地点预防及处理措施…………………………………18
第五节防灭火效果及材料分析……………………………………19
第一节一采区基本概况
义桥井田含煤地层为下二迭统山西组和上石炭统太原组，平均总厚246.70m。
共含23层煤，其中山西组含煤4层，太原组含煤19层，平均总厚15.39m。
可采煤层仅3（3下）煤层1层，平均厚4.20m，占可采煤层总厚的27.29%，是本区主采煤层。
3上、16煤层在区内有部分可采点，但分布面积较小。
另外9、15上、15下、17、18中煤层有个别点可采。
3（3下）煤层：
下距三灰43.98～57.34m，平均51.08m。
煤层厚度1.40～6.24m，平均4.20m。
由于受下部岩浆岩侵入的影响，部分变质为1/3焦煤。
可采面积14.36km2。
为井田主要可采煤层，属较稳定煤层。
16煤层：
位于太原组下部，十下灰为其直接顶板，下距17煤层5.20～12.35m，平均9.67m，煤层厚度0.47～1.20m，平均0.95m.。
可采面积3.80km2，可采范围内平均厚度1.07m。
在井田东部和北部该煤层受岩浆岩影响严重，煤层可采性较差。
本区3（3下）煤层为低中灰、特低～低硫、低磷、高～特高发热量、粘结性能好的气煤、1/3焦煤。
精煤均可用作炼焦配煤。
3（3下）煤层顶板砂岩以灰白色中、细砂岩为主，局部为粗砂岩，厚11.50～43.52m，平均30.01m；底板砂岩多为灰白色细砂岩，局部为中、粗砂岩，厚3.20～16.70m，平均7.76m；3（3下）煤层顶、底板砂岩厚19.80～55.30m，平均37.77m，局部裂隙较发育，被方解石充填。
各煤层有自燃发火倾向，3上煤层与3下煤层均属于自燃发火煤层，自燃发火倾向为自燃。
本井田非煤系地层平均地温梯度2.71℃/100m，本井田沿用区域确定的恒温点的深度55m、温度16.5℃。
属地温正常区。
一采区开采的主要煤层3层煤为自燃煤层，根据《煤矿安全规程》第二百二十八、二百三十二条规定：
开采容易自燃和自燃煤层的矿井，必须采取综合预防煤层自然发火的措施；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。
第二节一采区防灭火系统
一、灌浆防灭火系统
本设计采用采空区预防性灌浆方式，利用主井的防火灌浆管路，随采随灌。
由于煤层埋藏较深，灌浆量较大，为便于管理和提高效率，本设计确定采用集中灌浆系统。
由地面注浆站与采区主注浆管路相连，井下灌浆主管路采用Ф108钢管，用Ф50钢管与主管路相连通至用浆地点，采取埋管灌浆、采后灌浆两种形式，以达到防火和灭火的目的。
（一）灌浆系统
采用集中灌浆系统，在工业场地主井附近设集中防火灌浆搅拌站、泥浆池。
黄土经高压水枪冲洗后由泥浆沟经筛板进入搅拌池，通过搅拌机将黄土搅拌均匀，经主井进入总回风巷的干管管道经各联络巷，然后由支管路送至各回采工作面的上顺槽，最后经顺槽内的支管送至回采工作面。
（二）灌浆方法
根据本矿井煤层开采特点，采用工作面埋管灌浆的方法进行预防性灌浆，回采工作面随采随灌。
沿工作面上顺槽在采空区预埋5～8m钢管，一端在采空区，一端接高压胶管，胶管长20～30m，随工作面推进一循环，向采空区灌浆一次。
为了提高灌浆防火能力，可在泥浆中加适量的阻化剂，以达到良好的防火效果。
1、埋管灌浆：
工作面投产前，即把灌浆管铺设在工作面的上顺槽，在工作面正常回采过程中，始终保持预埋管压在采空区5～8m，以后随工作面推进，用回柱绞车拉着外移。
2、采后灌浆：
工作面回采结束后，利用钻孔向采空区灌浆，以弥补埋管灌浆的不足。
有自然发火的工作面，封闭采空区后，在上部密闭墙墙上插管灌注泥浆，以防止停采线发生自燃火灾。
（三）灌浆材料
本设计确定采用黄土作为灌浆材料。
参照其它矿区灌浆经验数据，能够满足要求；其来源丰富，易于开采、运输和加工，成本低廉，不占耕地和良田。
目前许多矿井利用坑口电厂的粉煤灰作为灌浆材料，不但节省大量黄土，降低成本，而且可以消化大量粉煤灰，减少了环境污染。
因此，条件具备时也可利用粉煤灰灌浆，在系统上应加以考虑。
（四）制备工艺
在灌浆站附近建储土场，冬季储存一冬的用土量，其它季节储5～10天的用土量。
采用机械取土机械制浆。
搅拌机运动方式采用行走式。
泥浆搅拌池分成两格，一池浸泡，一池搅拌，轮换使用。
（五）灌浆制度
灌浆是采煤工艺过程中的一个环节，每天灌浆时数取决于生产工艺、采煤方法。
一采区主要采煤工作面以回采过程注浆为主，采后灌浆为辅。
也可根据具体条件进行调整。
（六）灌浆参数计算
1、按日灌浆需土量计算
Qs1=KGRc-1（日产量按矿井设计核算）
式中：
Qs1——日灌浆需土量m3/d
G——矿井日产量t/d（取平均数2500）
Rc——煤的容重t/m3（取1.35）
K——灌浆系数（根据兖州矿区的经验，取0.04）
Qs1=KGRc-1=0.04×2500×1.35-1=74.07m3/d
2、实际需土量
Qs2=aQs1
式中：
Qs2——日灌浆实际取土量，m3/d
a——取土系数（考虑土中含有杂质和开采运输过程中的损失），一般取a=1.1。
Qs2=aQs1=1.1×74.07=81.48m3/d
3、日制备泥浆用水量
Qw1=Qs1δ
式中:
Qw1——日制备泥浆用水量m3/d
δ——水土比（取6：
1）
Qw1=Qs1δ=74.04×6=444.24m3/d
4、日灌浆用水量
Qw2=KwδQs1
式中：
Qw2——日灌浆用水量m3/d
Kw——考虑灌浆后冲洗管路、跑浆等用水量，K取1.2
Qw2=KwδQs1=1.2×74.04×6=533.09m3/d
5、日灌浆量
Qji1=（Qw1+Qs1）M
式中：
Qji1——日灌浆量m3/d
M——泥浆制成率（取94%）
Qji1=（Qw1+Qs1）M=（444.24+74.04）×0.94=487.18m3/d
6、小时灌浆量
Qji2=Qji1/（n×t）
式中：
Qji2——小时灌浆量m3/h
n——日灌浆班数（取2个小班）
t——班灌浆小时（取5小时）
Qji2=Qji1/（n×t）=487.18/（2×5）=48.72m3/h
7、泥浆密度：
名称及型号
数据
名称及型号
数据
土壤密度（t/m3）
2.7
水土比
6
矿井日产量（t）
2500
水量备用系数
1.2
管道直径d（mm）
无缝钢管108
泥浆制成率
0.94
灌浆系数K
0.04
泥浆密度（t/m3）
1.2
煤的密度（t/m3）
1.35
井深H（m）
335
取土系数
1.1
水枪流量Q枪（m3/h.台）
40
灌浆站工作制度
每天两班灌浆，纯灌浆时间为10小时
rj=1.2t/m3
8、输送倍线
N=∑L/∑H=2100/400=5.25符合要求。
（预计一采区最远的灌浆距离为2100米左右，落差为400米左右）
9、注浆管路布置
为了减少局部阻力，采用“L”型布置。
（七）灌浆管理
1、注意灌浆后的脱水与排水，防止存浆和跑浆事故。
2、为防止发生灌浆事故，进行过大量灌浆的封闭采空区的下部工作面，在回采之前，必须对灌浆区进行检查，如有积水，应进行打钻放水后，方可掘进。
在对采后封闭的采空区灌浆时，可能积水的密闭要预留反水池，防止密闭积水、溃闭等事故，同时要对灌浆区附近的密闭定期进行检查。
3、为了合理使用灌浆管，应定期对主、支管进行维护，以延长其使用寿命。
4、灌浆后再灌几分钟清水，清洗管路，以免泥浆在管道内沉淀。
5、为避免在管路负压区可能出现堵管事故，布置管路时不得超出有压流动的水力坡度线。
6、在水平巷道中管路至少要有3～5°的下坡（与自流方向相同），以利于冲洗管路。
特殊情况需要布置成逆坡时，应考虑在管道的最低处，安装放浆闸阀，以排出放出的浆水，防止在管路中沉淀（每次灌浆结束后，须放开闸阀清理检查）。
7、采用灌浆方法处理火灾或隐患时，为防止发生溃浆事故时必须编写专门措施。
二、束管监测系统
矿井安设了KSS—2001束管监测系统，从南大巷分站引出束管，经过联络巷一直铺设至各采煤工作面的回风顺槽靠近工作面地点（距离工作面回风隅角不超过5米），束管探头安设位置距离帮部不大于200毫米，距离顶板不大于300毫米，对工作的各种发火指标气体进行24小时不间断监测。
定期由专人对工作面气体进行取样并利用色谱仪进行分析。
三、阻化剂防灭火
（一）常用阻化剂种类及其防灭火原理
1、阻化剂亦称阻氧剂，是具有阻止氧化和防止煤炭自燃作用的一些物质。
常用的阻化剂多是些无机盐类化合物及工业生产副产品，如氯化钙、氯化镁、氯化铵、碳酸氢氨和水玻璃等溶液，以及酿酒厂废液、造纸厂废液、炼镁槽渣、化工厂硼酸废液等。
2、防灭火原理：
其作用的实质是降低煤在低温时的氧化速度，延长煤的自然发火期，并不能从根本上改变和消除煤的自燃倾向性和自然发火性。
主要有以下作用：
增加煤在低温时的化学惰性；当阻化剂喷洒在煤体（块）的表面上形成液膜包围煤块和煤的表面裂隙面，使氧分子穿过液膜向煤内部扩散的阻力增大，分子数减少，氧化速度减慢；充填煤柱内部裂隙，氧分子进入煤体内部的通道和机会减少；增加煤体的蓄水能力；水分蒸发吸热降温等。
3、优缺点：
与灌浆防火相比具有防火设备和工艺简单，初期投资少，不需要占大量农田，成本低；缺点是胶结作用不如泥浆好，其水溶液对金属有一定的腐蚀作用，阻化剂的寿命有待进一步提高。
（二）阻化剂及其参数的选择
1、阻化剂种类的选择：
参照周边矿井使用阻化剂的效果选用MgCl2和CaCl2，不但具有阻化效果好且价格便宜、储运方便。
2、浓度及喷洒量：
阻化剂溶液的浓度是影响阻化效果和吨煤成本的重要因数，采用单一的MgCl2或CaCl2作为阻化剂时，其溶液浓度视采空区或煤巷中空气湿度而定，一般高湿（相对湿度为90～100%），阻化剂溶液可采用10%，中湿（相对湿度为80～90%），阻化剂溶液可采用15%，低湿（相对湿度为70～80%），阻化剂溶液可采用20%～22%，在实际应用中，阻化剂溶液浓度控制在15%～20%之间，最低不低于10%。
阻化剂溶液的配制及用量视遗煤的破碎程度、遗煤量和采煤方法等因素综合确定，并应在实践中进行调整，选取合理的用药数值。
（三）阻化剂防火工艺
选用煤矿井下轻便型矿用泥浆泵为主要设备，泥浆泵具有体积小、重量轻、运输携带方便等特点。
1、喷洒阻化剂
在工作面正常开采过程中，对发火比较严重的部位，如开切眼、停采线以及两道进行喷洒防火。
2、雾化阻化剂
为了提高阻化剂预防采空区自然发火的效果，向采空区喷射阻化剂溶液。
具体如下：
1）利用烟雾管沿回采面采空区边缘，查出向采空区漏风的范围，只对该范围进行喷射。
2）其次根据采空区空气湿度确定合理的阻化剂溶液浓度。
一般可按200kg阻化剂兑1m3的水配制，溶液浓度为16.7%。
3）在进风顺槽安装阻化剂喷洒系统。
4）组织人员在工作面放顶前沿切顶线向采空区侧喷洒阻化剂溶液，每次喷洒带宽度为1.5～2.0m。
日喷洒量计算：
按回采率0.93计算采空区日丢煤量为140T（=2000-2000×0.93）（日产量按目前综放工作面产量估算），吸液量暂按60kg/T，即日喷洒量8400kg，需要阻化剂1402.8kg。
为了便于配比，即按每推进一刀喷洒阻化剂溶液1m3，消耗阻化剂200kg。
也可每天喷洒一次。
3、压注阻化剂
通过钻孔向可能发生自燃或已经开始氧化发热的煤壁压注阻化剂。
（1）短孔压注适用于工作面停采线、开切眼和煤层巷道的防火处理，一般采用风钻打眼，眼深2～3m，钻孔开孔后，用橡胶封孔器封孔，在用轻便型矿用泥浆泵压注。
压注工作到煤壁见溶液即可停止，需要时可重复压注2～3次。
（2）长钻孔压注适用于采空区和煤层开采前的防火处理，具体为：
沿煤层顺槽向上或向下打长钻孔，封孔后进行压注，钻孔间距为15～20m，孔深为工作面长度的2/3左右，孔径取为50～75mm。
（3）在煤巷中发生高冒沉积大量浮煤，可将铁管插入高冒处，与溶液的高压管连接，将阻化剂溶液喷洒在高冒残煤上预防自然发火。
（四）阻化效果
1、对于气煤阻化率见下表：
最适宜的阻化剂
工业氯化钙，CaCl2
卤块、片、粒，MgCl2·6H2O
浓度，%
10
20
10
20
阻化率，%
40～50
45～60
40～50
45～60
说明：
数据来源于《采矿工程设计手册》。
2、实际应用中，可在黄泥浆中掺入5%的MgCl2制成“阻化泥浆”，由灌浆系统将其灌注到井下采空区等处。
四、凝胶防灭火
（一）凝胶材料的选择原则
《煤矿安全规程》第二百三十六条规定：
选择的凝胶和促凝剂材料，不得污染井下空气和危害人体健康，使用时井巷空气成分必须符合本规程第一百条的有关规定。
高分子胶体灭火材料是以聚丙烯酸纳、聚丙烯酰胺为主要成分，经特殊工艺加工而成的矿用高效灭火剂。
徐州意创化工科技有限公司研制成功的MEA系列防灭火剂呈白色或粉末状，无毒、无味、无污染、无腐蚀性，符合上述原则，故可选用。
也可选用其它符合上述原则的新型凝胶材料（如罗克休—胶体浆）。
（二）凝胶防灭火技术机理
凝胶防灭火就是破坏煤炭自燃必要条件的一个或几个，以达到防火目的，其技术机理主要有：
吸热降温、堵漏风、阻化作用、渗透性好和良好的稳定性等。
MEA系列煤矿防灭火剂成胶后具有致密性、成膜性和附壁性，在一定温度下能促使燃烧体表面焦化、形成隔热、隔气的狡猾层，全面提高阻燃效果和防灭火功效；MEA系列煤矿防灭火剂中含有抑制燃烧时的烟雾及阻断自由基链式反应的物质、可全面提高灭火效能和灭火速度，并有效阻止复燃。
（三）凝胶使用环境及材料配比
1、破碎煤柱及局部构造
用密集浅孔的方式在特定区域布置钻孔注浆注入MEA灭火剂到相应火点，1吨水配6kgMEA-1A灭火剂或10kgMEA-1B灭火剂。
2、巷道高冒及离层区
打钻注浆，首先按1吨水配28～356kgMEA-1A封堵剂的标准，将1～2m3的MEA-1A封堵剂胶体注入煤体形成堵漏支撑带，再按1吨水配6～7kgMEA-1A灭火剂或10kgMEA-1B灭火剂的比例，注入相应数量的MEA灭火剂胶体。
3、开切眼、停采线及架后火区灭火
利用地面注浆系统及井下移动注浆泵将MEA胶体按1吨水配6kgMEA-1A灭火剂或10kgMEA-1B灭火剂的比例封闭开切眼、停采线及进行架后灭火。
钻孔布置可根据具体情况确定。
（四）MEA系列煤矿防灭火剂操作工艺
MEA防灭火剂同水按配比在料箱中均匀混合是关键，也是发挥MEA系列产品综合功效的前提。
具体操作有两种：
1、按料箱中水量确定加剂量，先把水加满，然后把料剂均匀的洒在水面上，不要急于搅拌，让其自行吸水下沉后搅拌即可成胶；
2、边加水边加料，在加料剂时，要注意向水流同水面的交汇处加料，以充分利用交汇接触面向上翻起的水浪（花）把料剂带走、混合，以达到混合均匀，致密成胶的目的；
3、新型MEA封堵剂可采用边加水边加料，同时开泵的方案，按1吨水配28～35Kg封堵剂的比例将MEA封堵剂胶体注入煤体空隙及顶煤破碎带。
（五）注意事项
1、MEA系列防灭火剂为双层密封防潮包装，运输贮存时要注意防潮、防水，严禁破坏外层包装袋。
在密封防水条件下可保存1年。
2、严禁MEA系列煤矿防灭火剂和MgCl2、MaCl2等阻化剂及水玻璃类凝胶混用或先后注入同一及相邻的钻孔内，以防二者同时失效；在使用喷注设备时，应对原先使用水玻璃类凝胶的设备和管道进行冲洗干净才能再注压MEA胶体。
3、MEA系列煤矿防灭火剂对水质有一定的要求，PH值要求在6.2～7.8，水的成分中若含有较多的钙、镁离子，则必须专门配置特殊型号的MEA产品。
第三节处理措施及结论
一、防止煤炭自燃的开采技术措施
总体要求是：
煤层切割量少、煤炭回采率高、工作面推进速度快、采空区容易封闭。
为达到上述要求，主要采取以下措施。
1、合理地进行开拓布置
⑴集中运输大巷和总回风巷布置在岩层内；如果布置在煤层内，必须喷浆。
⑵分层巷道垂直布置，减小煤柱尺寸甚至不留煤柱，消除煤体自燃的条件。
⑶推广无煤柱开采技术。
⑷分层开采时，应布置均压巷道，以便在工作面停采期间和分层巷道掘进期间采取工作面均压或区段内均压。
2、选择合理的采煤方法
采用长壁式采煤法，全部跨落法管理顶板。
3、选择合理的开采顺序
采煤工作面采用后退式开采，并根据采取防火措施后的煤层自燃发火期确定采区开采期限。
回采过程中不得任意留设设计外煤柱和顶煤。
采煤工作面采到停采线时，必须采取措施使顶板冒落严实。
17、工作面配备灭火器、消防水管、锨等灭火器材；采区内设立消防材料库，配齐消防材料。
发现隐患立即调集消防物质，采取措施进行处理，将灾害消灭在萌芽状态。
18、采煤工作面、采区必须按设计选定的防火门位置并组织施工。
19、采煤工作面硐室布置在工作面内；布置在另一侧时，回采过程中要用砂袋堵上，防止硐室与邻近工作面沟通。
20、编写灾害预防与火灾应急救援预案，井下避灾路线标志齐全、醒目，自救器配备齐全，合格有效。
第四节特殊地点预防及处理措施
一、开切眼浮煤自燃的预防措施
1、喷洒阻化剂
2、架间注浆
3、上、下隅角埋管灌浆
二、采空区浮煤自燃隐患处理措施
1、降低风量
2、封堵主要漏风通道
3、加快推进
4、采空区灌浆
5、分段压注粉煤灰复合胶体
三、火区采用“封、堵、灭、防”的思路进行综合治理，步骤和过程
1、调整通风系统，阻止有害气体进入工作面。
2、均压
3、建立灌浆注胶防灭火系统，以利于大量灌浆和注胶。
第五节防灭火效果及材料分析
1、逐步建立和应用实施煤自然发火实验台，对煤自然升温、绝氧降温和供风复燃过程的实验模拟和分析，为进一步研究煤自燃机理及过程、认识自燃规律、建立预测预报理论提供了依据。
2、煤层火灾隐患识别、控制和快速应急处理新技术，能够准确、适时地进行煤层火灾的预测和预报，为及早和高效地采取预防和治理措施提供了依据，提高了矿井预防煤层火灾的能力和防灭火工程的针对性，增强了矿井抵抗火灾的应变能力，为矿井的安全生产提供了保障。
3、阻化剂防灭火具有防火设备和工艺简单，初期投资少，不需要占大量农田，成本低,具有很好的防治自燃发火的效果。
4、凝胶防灭火技术具有吸热降温、堵漏风、阻化作用、渗透性好和良好的稳定性。
5、选用黄泥注浆资源广泛，大幅度地降低了灌浆防灭火的原料成本。
6、在煤层火灾隐患识别和控制技术方面必须体现"抓住重点、预防为主、防治结合、合理有效、操作性强、节约资金"思想的矿井综合防灭火体系，使矿井能够做到有的放矢地采取预防、控制和处理煤层火灾的技术措施，提高了煤矿防火工程的效益。
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