《矿井火灾防治》课程设计.docx

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《矿井火灾防治》课程设计

学 院：

应用技术学院

专 业：

安全05-2班

姓 名：

学 号：

班内序号：

指导教师：

中国矿业大学

目 录

一、 防火灌浆设计依据及基础资料

1. 1矿井概况 2

1. 2煤层赋存条件 2

1. 3煤的碳化程度、煤岩成分、自然倾向性、发火期 3

1. 4浆材的质量、数量、开采条件等 4

1. 5矿井开拓方式和采区布置图 4

1. 6灌浆站工作制度 5

二、 防火灌浆系统与参数确定

2.1灌浆系统确定 9

2.2灌浆材料的选择 9

2.3地面制浆工艺流程（图） 9

2.4灌浆方法确定 10

1、埋管灌浆（图） 10

2、工作面撒浆（图） 10

2.5灌浆参数确定 10

三、灌浆量计算

3.1灌浆用土量计算 12

3.2灌浆用水量计算 13

3.3灌浆量计算 13

四、灌浆管道系统设计

4.1灌浆管道系统布置 14

4.2输送倍线计算 15

4.3管径计算 15

4.4管壁计算及管材确当 18

五、水枪选择六、泥浆泵选择

七、灌浆站主要设施

7.1泥浆搅拌池及搅拌机（图） 23

7.2储土场 25

八、设计小结 27

主要参考文献 27

6

一、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t／a，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

龙口矿业集团公司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。

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。

地温随着深度的增加而增高。

本井田在地下300m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。

-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。

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1.330m3／t，绝对涌出量为6.121m3／min；二氧化碳:

相对涌出量为2.029m3／t，绝对涌出量为

9.326m3／min。

根据矿井瓦斯等级鉴定标准，梁家煤矿定为低瓦斯矿井。

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300m3／h，煤2底板砂岩水的最大涌出量为51m3／h，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。

1.3煤的碳化程度、煤岩成分、自燃倾向性、发火期

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1-1所示，煤层柱状图如图1-3所示，顶、底板状况为：

1）直接顶为煤4的41-42段煤层，厚度2.19m，煤夹泥岩。

2）直接底为煤4的47-48段煤层，厚度3.3m，泥岩夹煤，泥岩易风化，遇水膨胀。

煤质以暗煤为主，丝碳化物物质含量高，加亮煤条带。

工作面煤尘具有爆炸性，属低瓦斯矿井。

工作面煤层易自燃，地温较高，一般在29-31℃左右。

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、开采条件等

龙口矿业集团采用的土水比为土源距煤矿风井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。

1：

3-5，灌浆系数0.1-0.2。

1.5矿井开拓方式和采区布置图

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。

矿井开拓与通风系统平面图如图1-1所示，矿井开拓剖面图如图1-2所示。

1.6灌浆站工作制度

采用两班灌浆一班检修工作制度，每班灌浆8小时，各班都必须完整的做完本班工作，完成好交接班制度。

1、灌浆量：

日灌浆量1839.6m3

时灌浆量122.64m3

2、主要设备

集泥池、泥浆搅拌池、泥浆搅拌机、储土场、输送管道等。

风井-250回风巷

西

回 上

风 交

上 山

山 变

所

绕道

4110上顺

28

煤4 煤4

— 一

Q采=700m3/min

V采=1.2m/s

隔爆水棚

40L×40=1600L

隔爆水棚

采 采 40L×40=1600L

轨 皮

4110下顺

道 带

新风乏风

东大巷

副井

图1-1 通风系统平面图

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

2.6～3.6

工作面标高

-390～-420

工作面

走向长度（m）

886

倾斜长度（m）

148.5

回采面积（m2）

4-3～4-6总厚（m）

4.54

设计采高（m）

6.15

4-4～4-6总厚（m）

6.15

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）

工业储量（万吨）

97.67

风井

主井 副井

4110工作面

图1-2矿井开拓剖面图

图1-3煤层综合柱状图

二．防火灌浆系统与参数确定

2.1灌浆系统确定

由于黄土采制方便，价格低廉而且水源充足，参照以上条件所以选择黄泥灌浆随采随灌系统。

2.2灌浆材料的选择

土源距离煤矿风井 5km，土质优良，容重 1.3t/m3，属于亚黏土，塑性指数12，取土方便，矿井轻轨车可直接到达取土地点。

这里利用此土作为灌浆材料，由于土源较远，采用机械取土制浆，建立集中灌浆站、泥浆搅拌池制备泥浆。

为了提高泥浆质量，加大泥浆浓度，在制浆前将黄土充分浸泡使之粉化后再进行搅拌。

2.3地面制浆工艺流程（图）

当矿井灌浆量大，土源较远或者限于地形条件，灌浆点分散等，则可采用人工或机械取土，建立集中灌浆站、泥浆搅拌池制备泥浆。

如图 2-1所示。

5

1

6

8

4

3

2

9

7

11 10

12

图2-1人工或机械取土机械制备泥浆站

1、取土矿车；2、轻便轨道；3、储土场及栈桥；4、水枪；5、输水管；6、自流泥浆沟；7、泥

浆搅拌池及房屋； 8、输浆管；9、风井；10、水源泵房，11、绞车房；12、取土场

采土场——矿车运输——储土场——搅拌池——泵站——管道入井

制备的泥浆在搅拌池内再放置半小时左右，使之沉淀，澄出清水，保持最大浓度，再灌入井下。

高浓度泥浆送入井下，隔绝供风，阻断煤炭自热、自燃过程。

2.4灌浆方式的确定

我国煤矿采用的预防性灌浆的方法多种多样，大体可分为：

采前灌浆、随采随灌、采后灌浆等三种类型。

1.采前灌浆

所谓采前灌浆即是尚未开采先行灌浆。

这种灌浆方法是针对开采老窑多、易自燃、特厚煤层发展起来的。

当岩石运巷和风巷掘出以后，分层航道尚未掘送之前，按设计的位置，由岩石区段巷道开钻窝向煤层打钻以探明古窑老虚的分布和位置，然后进行采前预灌。

2.随采随灌

随着回采工作面的推进，同时向采空区灌浆。

其作用一是防止遗留在采空区内的浮煤自燃；二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。

另外，它还具有防尘、降温的作用。

随采随灌的方法根据采区巷道布置方式的不同，顶板岩石冒落情况不同有多种多样。

如埋管灌浆、插管灌浆、洒浆、打钻灌浆等。

3.采后灌浆

开采自然发火不是十分严重的厚煤层时，可在工作面采完后，封闭停采线的上下出口，然后，在上部密闭墙上插管灌注泥浆。

其目的一是封闭采空区，其次是充填最易发生自燃火灾的停采线，以防止自燃火灾的发生。

因回风道埋管灌浆工艺最为简单，使用方便。

本设计利用随采随灌的方式进行灌浆。

如图2-2所示，埋管灌浆与工作面洒浆图。

当工作面向前推进时，沿回风巷临时构筑木垛以保护埋入冒落区的注浆管路，灌浆管埋入冒落区

15~20m，随着工作面的推进，用回柱绞车向外牵引。

1

23 654 7

图2-2埋管灌浆及洒浆示意图

1、工作面运输巷2、回风巷3、输浆管路4、埋入采空区的注浆管

5、洒浆胶管6、工作面上隅角7、维护回风巷的临时木

2.5灌浆参数确定

1.水土比

水土比大小取决于:

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）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，土水比要小一般土水比的变化范围为1：

2-1：

5。

依据本矿的实际情况，（煤层自燃发火严重），采用的水土比为1:

4。

2．灌浆系数K：

灌浆系数K：

泥浆的固体材料体积与需要灌浆的采空区空间容积之比。

即K=Qs/mLHC。

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，它只能根据现场的实际情况而定。

对于预防性灌浆，一般取0.1-0.2；对于封闭区内的灭火灌浆，可取0.1-0.2。

3.取土系数—a

考虑土壤的杂质和运输的损失，取1.1

三．灌浆量计算

预防性灌浆量主要取决于灌浆形式，灌浆区的容积，采煤方法等因素。

采前预灌、采后封闭停采线都是以充满灌浆空间为准。

3.1灌浆用土量计算

Qt1=KmLHC （式3-1）

Qt2=KmlHC （式3-2）

或 Qt2=KG/γ （式3-3）

Qt=a﹒Qt2 （式3-4）

式中 Qt1—灌浆用土量，m3；

Qt2—日灌浆用土量，m3/日；

Qt—灌浆日用土量，m3；G—日产量，t/日；

γ—煤容重，t/m3；

m—煤层开采厚度，m；

L—灌浆区的走向长度，m；

l—日进度，m；

H—灌浆区的倾斜长度，m；

C—煤炭回收率，%，取0.89；a—取土系数，取1.1；

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。

这里取K=0.1-0.2。

本设计取K=0.15。

Qt1=0.15×6.15×886×148.5×0.89=.08m3

Qt2=0.15×6.15×2.4×148.5×0.89=309.27m3/日

或Qt2=0.15×（3484÷1.34）=390m3/日Qt=1.1×390=429m3

3.2灌浆用水量

日灌浆用水量

Qw1=kwQtδ （式3-5）

kw—冲洗管道用水量的备用系数，一般为 1.10~1.25,这里取1.2。

δ—土水比倒数，这里取 4。

Qw1=1.2×429×4=2059.2m3

灌浆总用水量

Qw=kwQtiδ （式3-6）Qw=1.2×.08×4=.784m3

3.3灌浆量计算

Qj=（Qt2+Qw）u （式3-7）

Qjh=Qj/（n.t）m3/h （式3-8）

式中：

Qj—日灌浆量，m3

Qjh—小时灌浆量；

u—泥浆制成率，其取值见表3-1；

n—每日灌浆班数；

t—每班纯灌浆小时数；

表3-1

水土比

1:

1

1:

2

1:

3

1:

4

1:

5

1:

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

Qj=（390+2059.2）×0.91=2228.772m3Qjh=2228.772/（2×8）=139.3m3

3.4泥浆容重

γj=（γw+γt）u

=（2059.2/2228.772+390×1.3/2228.772）×0.91

=1.048t/m3

四．浆管道系统设计

4.1灌浆管道布置

灌浆管路有“L”和“Z”布置形式，如图4-1所示。

L形：

优点：

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。

如图2-1所示，采用集中灌浆站，泥浆输送管道由风井进入，经总回风大巷到采区回风巷、工作面回风巷，再到工作面上隅角，进行埋管灌浆，或工作面洒浆（如图2-2）。

从地面直到井下灌浆点铺设专用管路担负输浆任务。

图4-1

管路系统为：

泵房→风井→煤4 →总回风巷→4110工作面顺槽→工作面采空区。

4.2输送倍线的计算

预防性灌浆一般是靠静压作动力。

灌浆系统的阻力与静压动力之间的关系用输送倍线表示。

泥浆的输送倍线是指从地面灌浆站至井下灌浆点的管线长度

与垂高之比，即：

N=LH



（式4-1）

式中：

N——输送倍线；

L——进浆管口至灌浆点的距离，1850+148.5+50=2048.5m；

H——进浆管口至灌浆点的垂高，250+3.7+170=423.7m。

N过大，说明管线太长，阻力过大输浆压力小，进浆不畅，易发生堵管现象；N过小，说明泥浆出口压力大，在采空区分布不均，易发生跑浆事故。

一般情况下，泥浆的输送倍线值最好在 5-6范围内变化。

不要大于 10

或小于2。

风井地面标高+3.7m，井底位于-250水平，工作面为-390~420m，风井到4110工作面回风巷入口距离为 1850m，其余工作面参数见表 1所示。

根据公式可得：

4.3管径计算

N=L

H

=2048.5/423.7=4.835

4Qj

3600pv0

1

Qj

30pv0

d= = （式4-2）

式中:

Qj—小时灌浆量m3/h；

v0——临界流速m/s，查表4-2得1.801m/s。

表4-2泥浆临界流速表

输浆管内径dp为：

dp=1



139.3¸（3.14´1.801）

30

=0.1654m=165.4mm

所以根据钢管规格表，预选 φ168×10无缝钢管，则输浆管干管内径：

dp=168-2×10=148mm

验算流速 V=

Qj

900pd2

= 139.3

900´3.14´0.1482

=2.1705m/s>1.801（符合要求）同理，设计输浆管支管预选 φ168×7无缝钢管。

则支管内径为 168-14=154mm

验算流速 V=

Qj

900pd2

= 139.3

900´3.14´0.1542



=2.006 （符合要求）

4.4管壁计算

（1）垂直管道管壁

Rz+0.4P

Rz-1.3P

δ=0.5d（ －1）＋a＋b （mm） （式4-3）

式中 d —管直径（内径）

Rz— 许用应力（无缝钢管：

800kg/cm2,普通钢管：

600kg/cm2，铸铁管：

200kg/cm2）

P—管内压力，P=0.11γj H

γj—泥浆比重，kg/m3,由表3-1，取γj为1.16H—高度（高差），m

其中P=0.11×1.16×423.7=54.06kp

a— 管壁不均匀系数的附加，无缝钢管：

1-2mm，铸铁管：

7-9mm

b—磨损系数，1-4 mm

本设计采用无缝钢管，所以 a取2；b取2。

Rz+0.4P

Rz-1.3P

δ=0.5d（ －1）＋a＋b

800+0.4´54.06

800-1.3´54.06

=0.5×0.148×（ －1）+0.002+0.002

=0.0051+0.004=0.091m=9.1mm

从以上计算可知所选钢管符合要求。

（2）水平管道管壁

δ= Pd

140nRz



+a （式4-4）

式中 n—管道质量与壁厚不均匀的变动系数，取 0.9d—管直径（内径）

P—管内压力

δ= 54.06´0.154

140´0.9´800



+0.002 = 2.00mm

经过计算所预选的无缝钢管符合要求。

4.5管材确定

选择管材的主要依据是管道所需承受的压力，而压力与井深成正比。

通常情况下，井深不超过200m，多采用焊接钢管，井深超过200m，多采用无缝钢管。

又由于当压力大于 10~16个大气压时，采用无缝钢管。

而此时计算的压力P=54.06kp已经远远大于这个数值，所以这里应采用无缝钢管。

五．水枪的选择

由于矿井灌浆