灌浆防灭火

防火灌浆设计
灌浆系统选择
我国目前使用的灌浆系统，分为集中灌浆和分散灌浆两大类，其优缺点和适用条件比较见下表6-2-1：
表6-2-1 灌浆系统优缺点和适用条件比较表
由于8号煤层平均厚度为4.20m，灌浆量较大，生产相对集中，本设计采用集中灌浆系统，在风井工业场地建立一个集中灌浆站为全矿井服务。

浆材的配制及质量
灌浆材料采用主生产系统工业场地附近的粘土，对粘土要求如下：
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)泥浆要易于脱水和具有一定的稳定性；
注浆必须脱水：泥浆要易于脱水，，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
颗粒要小于2mm，而且细小颗粒（粘土：≤0.005mm者应占60％～70％）。

6)主要物理性能指标
密度为2.4～2.8；
塑性指数为9～11（亚粘土）；
胶体混合物（按MgO含量计）为25％～30％；
含砂量为25％～30％（粒径为0.5～0.25mm以下）；
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1.3t/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。

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。

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：采土场（推土机、装载机）→自卸汽车→泥浆搅拌池（搅拌机）→贮浆池（筛子）→泥浆泵→灌浆管（从回风斜井下井）。

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85-266m3／h)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贮土峒室，夏秋贮存地面黄土，冬季用水枪直接冲刷成浆。

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。

其制浆站的布置如图2-1所示。

其灌浆路线为：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。

2
345
6
图2-1水力取土、自然成浆制浆站
l-灌浆钻孔及篦子；2-输浆沟；3-水枪；4-输水管路；5-水源泵房； 6-取土场
特别需要说明的是：黄泥灌浆系统的灌浆系数、泥水比等各项参数在实际生
产中必须根据煤层发火情况、输送距离、煤层倾角、灌浆方式及灌浆材料和季节等因素通过实验确定，以确保灌浆效果和生产的安全。

灌浆参数
地面灌浆站在正常情况下与矿井工作制度一致，年工作日为330d，每天三班灌浆，一班准备，每班纯灌浆时间为3h，每天纯灌浆时间为9h。

①、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。

②、选择灌浆方法
根据开采条件及采土场与井口位置关系，选择随采随灌。

③、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、灌浆的方法、煤层的倾角和气候条件的变化有关。

④、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）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2－2 部分矿井的土水比
参照上述示例，采用的土水比为1：3～5，灌浆系数0.03～0.05。

灌浆量计算
灌浆用土量Qt 计算
a、日灌浆所需土量
灌浆所需土量主要根据灌浆区容积、采煤方法及地质情况等因素确定。

Q t1＝K×m×L×H×C
式中：
Q t1——日灌浆所需土量，m3/d；
m——煤层采高，3号煤平均3.60m；
L——工作面日推进度，3号煤取5.4 m/d；
H——灌浆区的倾斜长度，200m；
K——灌浆系数，为灌浆、材料的固体积与需要灌浆的采空区容积之比，取0.05。

C——工作面回采率，取0.95
Q t1＝0.05×3.6×5.4×200×0.95＝194.4m3/d
b、日灌浆所需实际开采土量
Q t2＝αQ t1
式中：
Q t2——日灌浆所需实际开采土量，m3/d；
α——取土系数（考虑土中杂质和开采运输损失，取α=1.1）；
Q t1——日灌浆所需土量，194.4m3/d。

Q t2＝1.1×Q t1＝1.1×194.4=213.84（m3/d）
灌浆用水量Qw计算
Q w1＝Q t2δ
式中：
Q w1——制备泥浆用水量，m3/d；
δ——泥水比的倒数，根据经验泥水的比取1：3，则δ=3；泥浆密度为γj＝1.20；
Q t2——日灌浆所需土量，213.84m3/d
Q w1＝Q t2δ＝213.84×3＝641.52m3/d
d、每日灌浆用水量
Q w2＝K w Q w1
式中：
Q w2——灌浆用水量，m3/d；
K w——用于冲洗管路防止堵塞的水量备用系数，取1.10；
Q w1——1.1×641.52＝705.67m3/d
日灌浆量Qj
Q j1＝Q s2＋Q t2
式中：
Q j1——日灌浆量，m3/d；
Q j1＝705.67＋213.84＝919.51m3/d
f、每小时灌浆量
Q j2＝Q j1/n×t
式中：
Q j2——每小时灌浆量，m3/h；
n——每日灌浆班数，班/d；n＝3班/d；
t——每班纯灌浆时间；h/班，t＝3h/班；
Q j2=919.51/ 3×3 =102.17m3/h
g、每小时最大灌浆量
考虑到今后生产能力增加和煤层发火不确定等因素，灌浆主管路按目前所需能力的1.5倍设计，则每小时最大灌浆量为：
Q jmax＝1.5Q j2＝1.5×102.17＝153.25m3/h
式中：Q jmax――每小时最大灌浆量，m3/h。

灌浆管道系统设计
灌浆管道系统布置
灌浆管路有“L”和“Z”布置形式，如图4－1所示。

各自的优缺点如下：
①、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。

②、Z 形：与L 形相反。

图4－1 L ”和“Z ” 灌浆管路图
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。

灌浆路线为：地面灌浆站→风井→回风巷→回风石门→回风平巷→工作面。

输送倍线计算
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。

L
N=−→−H
L
（4－1） 式中：N ——输送倍线；
L ——管线长度，m ； H ——垂高，m 。

风井底到工作面进风巷入口距离1000m ，工作面走向长200m ，风井长为210m ，回风平巷为900，再加上10%的管长，得2541m 。

工作面至地面的垂高为240m 。

N==2541/240=10.6 管径计算
根据泥浆流速确定，对泥浆流速的要求是：
a 、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，可通过查表得出。

b 、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：
由于土水比为1：3，所以表5 – 1可知临界流速为
Qjh——小时灌浆量m3/h；
v0——临界流速m/s；
②查表选择直径d
表4-1 泥浆临界流速表：
根据上表，选择外径为114mm的热轧无缝钢管。

③校验实际流速
v=4Qjh/3600πd2 （4－3）v=4×102.17/(3600×3.14×0.16×0.16)=1.451m/s
要求:
v=1.451m/s＞v0=1.412m/s
满足需要 管材确定
根据灌浆压力确定：选用无缝钢管。

管壁计算
① 垂直管道：
（4－4）
d ——管内径，mm ；
RZ ——许用应力，无缝钢管800kg/cm2；铸铁管200kg/cm2；普通钢管600kg/cm2；
P ——管内压力kg/cm2
，P=0.11γjH ； γj ——泥浆容重t/m3，取
1.2； H ——井深, 253.7m ；
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 。

② 水平管道：
（4－5） n 0.9。

③管材确定
根据上述计算，并结合表4－1，最终选择D168×7的无缝钢管。

表6-2-2 黄泥灌浆设备一览表
灌浆站主要设施
人工或机械取土制浆
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7-1所示。

采土场——矿车运输——储土场——搅拌池——泵站——管道入井。

图7－1 人工或机械取土机械制备泥浆站
1-取±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
取土设备一般采用抓斗、推土机、挖掘机、铲斗等。

采用人工或机械取土要比水力取土方式复杂，所需设备和人工较多。

但泥浆能充分稀释混合，能较好地掌握泥土和水的比例，取得较好的防火效果。

为了能使泥水充分混合，获得较大浓度的泥浆，泥浆搅拌池一般采用双泥浆池结构。

如图5-2所示。

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，土水比高达1：2，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，取得较好的防灭火效果
图7-2 行走式泥浆搅拌池结构图
1-双泥浆搅拌池；2-运土轨道；3-供水管；4-搅拌机行走轨道；5-闸板；
6-搅拌机换道轨，7-篦子；8-管头篦；9-输浆管；10-搅拌机驱动电机，
11-行走皮带轮，12-平板车；13-搅拌轮
储土场
按十天的储土量设计，储土量不应过大。

如图7－2所示。