采区灌浆防火设计

本采区煤层自然发火期为6个月，煤层自然倾向性为I 类属于易自燃煤层，针对这种情况本设计制定专门的瓦斯抽放系统。

第一章 采区概况

一、 简述采区概况

三零采区位于鹤壁煤电三矿二水平，开采二1煤层。采区北临32采区，南邻31采区。东临鹤壁煤电六矿，西以F8断层为界。采区上边界标高-50m ，下部标高-300m 。采区走向长2000m ，倾斜长1000m ，煤层走向N10°W —N25°E ，煤层平均厚度4m ，倾角15°，容重1.4m 3／t ，正常涌水量120m 3／min 。本采区煤层赋存较稳定，全区可采。地面无需保护地物，相邻采空区对本采区开采无影响。

二、 煤层特征

该矿开采二1号煤层。矿井北以太行山煤层露头、东以7号断层、南以2水平垂深、西以市区分解线为界。矿井走向长2km ，倾斜长0.5km ，煤层走向为东西走向，煤层平均厚度为4m ，倾角15度，容重1.4t/m3。

矿井瓦斯相对涌出量15m 3/t，正常涌水量为4m 3/min，煤层自然发火期12个月，煤尘无爆炸性，煤质为优质无烟煤。

主采煤层为顶板为：伪顶为0.5m 的页岩，直接顶为2m 的砂岩，老顶为6m 的砂质砾岩。

三、 矿井开拓系统与采煤方法概况

矿井采用立井单水平上山分区式开拓。分层开采，全矿共划分为2个采区，主、副井布置在井田的中央，通过主石门与东西向的运输大巷相连通。形成两翼对角式通风系统。

工作面倾斜长为150m ，采高4m ，日推进度4.8m ，采出率80%，采用全部垮落法管理顶板，最大空顶距为4.3m ，最小空顶距为3.7m ，最大班工作人数20人。

作业形式为两采一准。每个采区各有两个两个煤巷掘进工作面，采用打眼放炮破煤。

四、 灌浆参数

灌浆年工作日300天，工作制度”为三八“作业。水土比3 ：1，临界流速1.121m/s，灌浆系数K=12.5，泥浆的制成率为88%，泥浆浓度为1.283t/m3。

第二章 灌浆材料与灌浆系统

第一节 灌浆材料

一、灌浆材料的选择。

浆材的选取。浆材必须满足下述基本要求：

（1）不含或少含可燃和自燃物质；

（2）不含催化物质；

（3）粒度一般不大于2 mm ，而且细小颗粒应占大部分。粒度小于1 mm 的细小颗粒所占比例要达到75％；

（4）易于加水制成泥浆，易于脱水，同时还具有一定的稳定性；

（5）具有能与较少的水混合成泥浆的能力；

（6）收缩量尽可能小，含砂量也不超过30％。

煤矿中应用最多的灌浆材料是黄土；在无土可取时，可采用破碎后的页岩、破碎后的矸石、热电厂的炉灰等作为代用材料，在实践中也取得了很好的防灭火效果。

第二节 灌浆系统

一、 灌浆站

1、灌浆站的形式有三种，既固定式、分区式、移动式三种。 固定式灌浆站适用于煤层赋存或开采深度较深、需在地面建立永久灌浆站的条件；分区灌浆站适用于煤层赋存或开采深度较浅、灌浆分散，可从地面打钻孔灌浆的条件；移动式灌浆站适用于井夏采区分散、灌浆量小和从地面输送泥浆困难的条件。结合本矿的实际条件及井型、风井分布、和采区布置等综合考虑选用的是以固定式灌浆站为主、结合分区式和移动式的综合灌浆方式。

2、取土方式

从采场取土的方式有以下三种：

（1） 人工取土。利用风镐或电钻，人工打眼、装药、爆破的取土

方式。

（2） 机械取土。利用抓斗、推土机、挖掘机、铲运机等机械装备

的取土方式。

（3） 水力取土。利用高压水力通过水枪冲刷采土工作面的取土方

式。

如遇到坚硬土层，在机械和水力取土中，可预先放炮松动，以提高采土效率。以上三种方式中我国煤矿多采用人工和水力取土方式，其中一水力取土较多。水利取土的优点是：设备简单、投资少、管理方便，且无大型的复杂设备、可就地取材、效率高、劳动强度低、使用人工少，并且一次制成泥浆。缺点是：泥浆浓度难以控制。

二、 制浆工艺系统及主要设备

根据灌浆材料的位置及来源选择制浆方法。本矿采用的制浆工艺机械制浆工艺

1、 机械制备泥浆工艺

当矿井灌浆量很大、土源较远或受地形限制时，可采用机械取土、泥浆搅拌池制备泥浆的工艺系统。这种制浆系统产浆量大，水土比容易控制，能够保证泥浆的浓度，灌浆防火效果好。

泥浆搅拌池采用料石砌筑，分为两池：一池存土浸泡，一池搅拌，轮流使用。泥浆池的容积根据矿井的最大灌浆量和取土供给能力确定，其低部向出口方向有2%-5%的坡度。黄土在泥浆池浸泡2h-3h 后，土质松软既可加水搅拌，浓度由供水管的控制阀调节。两个泥浆池浸泡和搅拌交替进行，泥浆搅拌均匀后，由泥浆池出口通过两层直径分别为15mm 和10mm 的筛板过滤后流入输浆管，送到井下灌浆地点。

图8 机械制备泥浆的灌浆站布置图

1-矿车；2-轨道；3-贮土场及栈桥；4-水枪；5-输水管；6-自流输浆沟；

7-泥浆搅拌池；8-自流输浆管；9-风井；10-水泵房11-绞车房；12-取土场

2

3图7 机械制备泥浆搅拌池布置图

1-泥浆搅拌池；2-窄轨铁路；3-供水管路；4-搅拌机轨道；5-闸板；

6-道岔；7-筛板；8-管子筛；9-电动机；10-胶带轮；11-平板车

三、 灌浆站的供水及设备

灌浆的水源来自于矿井水，同时部分水来自附近的河水、井水。但任何一种水源都必须保证灌浆站的日用、水量。灌浆用水的水质要求：PH=6～9, 不含有毒物质和可燃物质。

第三章 灌浆方法与灌浆参数

第一节 灌浆方法

一、灌浆方法

按与回采的关系分，预防性灌浆有：采前预灌、随采随灌、采后封闭灌浆等三种。本矿主要采用的是工作面随采随灌的方法。

1、采前预灌

所谓采前预灌即是在工作面尚未回采前对其上部的采空区进行灌浆。这种灌浆方法适用于开采老窑多的易自燃、特厚煤层。这种灌浆方法是针对开采煤层特厚，老空过多，

极易自燃的矿区发展起来的。采前预灌浆

的方法有：利用小窑灌浆、掘进消火道灌

浆，后来发展到布置钻孔灌浆。其目的是

充填小窑老空，消灭老空蓄火、降温、除尘、排出有害气体、粘结碎煤、实现老空复采。

在采煤工作面推进的同时向采空区灌注泥浆。其形式又分为：钻孔灌浆、小巷道钻孔灌浆、埋管灌浆及洒浆等。

（1）钻孔灌浆。是在开采煤层附近己有的巷道或是专门开凿的灌浆巷道中，每隔10～15m 向采空区打钻孔灌浆，如图2-4-2所示。钻孔直径一般为75 mm 。

（2）小巷钻孔灌浆。是为了减少钻孔深度，沿灌浆巷道每隔20～30m 开一小巷道，在此小巷道内向采

空区打钻孔灌浆，如图2-4-3所示。

（3）埋管灌浆。是在放顶前沿回风

巷道在采空区预先铺好灌浆管，放顶

后立即进行灌浆。随着工作面的推进，按放顶步距用回柱绞车逐渐向外牵引灌浆管，牵引一定距离灌一次浆。

（4）洒浆。是从灌浆管接出一段胶管，沿工作面方向向采空区均匀地洒浆。洒浆量要充足，使采空区新冒落的矸石能被泥浆均匀地包围。洒浆通常作为管道灌浆的一种补充手段，使整个采空区，特别是采空区下半部分也能灌到足够的泥浆。

(5)综采工作面插管灌浆。方法是，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，并安装分支软管和插管。将插管插入支架掩护梁后面的垮落岩石内灌浆（见图2-4-4） ，插入深度应不小于0.5m 。工作面每推进两个循环，注浆一次。

随采随灌法灌浆，能及时将顶板冒落线后的

采空区灌足泥浆，防火效果比较好。特别适用于

发火期短的煤层。但是缺点是：管理不好会使运

输巷道积水，泥浆进入工作面等，恶化工作面环

境，影响生产。

2、 采后灌浆

采后灌浆，即在工作面采完封闭后进行灌浆。采后灌浆充填封闭的采空区，特别是最易自燃发火的停采线，可防止发生自燃火灾。采后灌浆可以在封闭停采线的上部密闭墙上插管灌浆，也可以由邻近巷道向采空区上、中、下3 段分别打钻灌浆。

采后灌浆适用于发火期较长的煤层，灌浆工作在时间上和空间上都不受回采工作的限制。

第二节 灌浆参数计算

一、 灌浆站工作制度

地面灌浆站的工作制度应与矿井工作制度相配合，全年工作日数一般为300d 。灌浆站每日工作班数应视矿井煤层自然发火的严重程度确定。灌浆工作是与回采工作紧密配合的，若矿井回采为“两采一准”，则灌浆也应考虑两班灌浆，纯灌浆时间为10h ；若矿井自然发火严重，且所需灌浆工作面较多，宜用三班灌浆时间15h 。

二、 灌浆所需土量

日灌浆所需土量

Q 土=KmlHC=0.15*2*2*100*0.8=48 m3

式中 Q土 ——日灌浆所需土量，m 3；

m ——煤层采高，m ；

l ——工作面日推进度，m ；

H ——灌浆区倾斜长度，m ；

C ——采区采出率，%；

K ——灌浆系数，该系数应根据各矿的情况而定，我国煤矿的灌浆系数采用5%-15%。取15%。

三、 泥浆水土比的确定

我国煤矿灌浆的泥土比一般使用3 ：1`～6 ：1。可根据泥浆的输送距离、煤层倾角、灌浆方式及灌浆材料的物理性质和季节等因素通过实验确定。一般情况下，输送距离越长，泥浆水土比要大；对于洒浆或 空隙较大的采空区灌浆，泥浆水土比要小些。泥浆水土比过大，将增加矿井排水量。

四、 日灌浆用水量

Q 水=K水Q 土δ=1.25*48*3=180 m3/d

式中 Q水 ——灌浆用水量，m 3/d；0

K水 ——用水冲洗管路防止管路堵塞的水量备用系数，一般取

1.1-1.25；取1.25。

Q土 ——日灌浆所需土量，m 3；

δ ——水土比。3 ：1

五、 日灌浆量

Q 浆1=（Q 水+Q土）M=（180+48）0.88=200.64 m3/d

式中 Q浆1——日灌浆量，m 3/d；

Q水 ——制备泥浆用水量，m 3/d；

Q土 ——日灌浆所需土量，m 3；

M ——泥浆的制成率，可按下表选取。

泥浆的制成率

六、 小时灌浆量

Q 浆

m 3/h

式中 Q 浆1——小时灌浆量，m 3/h；

n ——每日灌浆班数，班/d；

t ——每日灌浆净时间，h/班。

七、 泥浆的密度

泥浆的密度按下式计算

ρ浆

式中 ρ浆——泥浆的密度，t/m3 ； = 1.283 t/m3

ρ水——水的密度，t/m3，取1t/m3；

ρ土——土的密度，t/m3黄土取2.70t/m3其他灌浆材料按其密度取值；

Q 土——单位时间的用水量；m 3/t， Q 水 ——单位时间的用水量；m 3/h。

第四章 泥浆输送系统

一、输浆倍线 1、输送压力

输送浆液的压力有两种：一是利用浆液自重及浆液在地面入口与井下出口之间高差形成的静压力进行输送，叫静压输送；二是当静压不能满足要求时，采用加压输送。加压输送多采用PN 型或PS 型泥浆泵。 2、输浆倍线

输浆倍线是指泥浆在输浆管路内流动时，输浆管路的总长度同输浆管路入口与出口处的高差之比，用N 表示。

静压输送时：

N =

加压输送时：

N =

式中 N ——输浆倍线；

L ——输浆管路的总长度，m ；

H ——泥浆在输送管路内流动时，其入口与出口之高差，m ； H ——泥浆泵的压力，m 。

倍线的实质是表示泥浆在输送过程中能量损失的关系，与水土比、土质、井下输浆管路的布置等因素有关。在给定的系统中，将有相应的倍线与一定的水土比相适应，过大或过小都不利。倍线值过大，管路阻力大，容易堵塞，；倍线值过小，泥浆出口压力过大，泥浆分布不均匀，灌浆效果差。根据经验一般情况下倍线值为3~8为宜。 二、灌浆管道选型 （一）灌浆管路系统 （二）灌浆管路选型计算 1. 管径选型计算

主要灌浆干管直径要根据管内泥浆的流速来选择，管内的实际流速应大于临界流速，这样才不会因流速过小发生管路堵塞。 根据泥浆的流量来初步计算管径：

d 临=

=1/30（10.032/3.14*1.121）1/2

=0.0563

式中 d 临——按临界流速初步确定的管道直径，m ；

V 临——管道中临界流速，m/s； Q 浆——小时灌浆量，m 3/h。

按上式计算的管径在《管材手册》中选择合适的管道直径，由手册可查管径为89mm ，再按所选的管道直径以下式计算实际流速：

V=

2

=1.448>1.121

式中 v ——管道中的实际流速，m/s； D ——所选择的管道直径，m 。

管道中的实际流速必须大于临界流速，需重新选择直径，井下灌浆管路多采用无缝钢管。 2. 管壁厚度的计算

垂直管道

δ附 +b

=0.5*89{（100102*78452.8+0.0041*4153.071）/（0.0102*7852.8-0.013333*4153.071） -1}+1.5+2 =6

式中 δ——管壁厚度，mm ；

RZ ——许用应力，无缝钢管R Z =78452.8kPa，焊接钢管Rz=58839.6kPa

d ——管道内径（直径），mm ； P ——管内应力，kPa ，P =10.79ρ

ρ浆——泥浆密度，t/m3； H ——井深，m

a 附——考虑管壁厚度不均等的附加厚度，无缝钢管a 附=1mm~2mm；

b ——考虑垂直管道磨勋量的附加厚度，可在1mm~4mm内选取。 水平管道

δ

附 =0.4

式中 n ——管道质量与壁厚不均的变动+数，n=0.9； δ、P 、d 、a 附——同前。 四、 泥浆泵的选型

如果泥浆站到灌浆点的高差小，应采用泥浆泵加压，若高差大，则不需要加压。 1. 泥浆泵的流量

根据不同的取土方式，可分为按单位耗水量或水土比确定泥浆流量。 2. 泥浆的总扬程

H 浆=hn +h沿程+h局+h吸+h泵站+h剩=266

浆

H=4153.071；

式中 H 浆——输送泥浆所用的总扬程，kPa ；

h n ——与泥浆提升几何高度相当的水柱高，h n =9.81ρh 0=9.81*1.283=11.908，kPa

h 0——泥浆提升几何高度，m ；

h 沿程——泥浆管道沿程水头损失，h 沿程=L*i浆=400*0.349=140kPa； L ——泥浆管长度，m ；

i 浆——泥浆管道每米长度的水压头损失，i 浆=K* i水=1.14*0.306=0.349，Kpa ；

i 水——清水状态下的水压头损失，i 水

=0.026*1.448*1.448/2*0.089=0.306 ，Kpa ； λ

水

浆

——清水阻力系数，查表1选取；

v ——泥浆实际流速，m/s； d ——管道内径，m ；

K ——泥浆阻力系数，可查表；本次设计选取K =1.14（1.135）； h 局——泥浆管路总的局部阻力系数，可取沿程损失的10%，140*0.1=14kPa ；

h 吸——泥浆泵或沙泵的吸程，一般取（39.24~49.05）kPa ；取45； h 泵站——泥浆泵站内管道及零件的水头损失，一般取（19.62~29.43）kPa 取25；

h 剩——剩余水压头，一般取（19.62~49.05）kPa 取30；

表1 钢管的λ水值

根据计算的泥浆流量和需要的总扬程，再泥浆泵技术特征表中选择。应选择同能力的泥浆泵两台，一台工作，一台备用。

第四章 劳动组织与技术指标

第一节 劳动组织

根据灌浆站的制浆方法、灌浆方法、灌浆班数进行定岗定员，确定劳动定员表和组织形式。灌浆年工作日300天，工作制度”为三八“作业。

第二节 灌浆技术指标 技术指标见表2。

河南理工大学高等职业学院

《矿井通风与安全》专业

题目：焦作某矿采煤工作面采空区灌浆放火设计

课程设计

系 部 采矿工程系 专 业 班 级 通 风 06-1 姓 名 王 占 军 指导老师 李 桦

二O O八年七月三日

课程设计成绩评定

总评成绩

指导老师 年 月

日