矿井防灭火课程设计.doc

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前 言

一、 矿井防灭火与灌浆系统课程设计概述
1、 矿井防灭火与灌浆系统课程设计的目的
进行《矿井防灭火与灌浆系统》课程设计, 是学生学习该课程理论学习结束后, 进行的一项实践性教学环节, 是课程体系的重要组成部分。其目的是经过课程设计加深对《矿井火灾防治理论与技术》和其它课程所学专业理论知识的理解。综合应用理论解决实际问题, 培养学生计算、 绘图和设计的能力, 为毕业设计奠定基础。
2、 进行矿井灌浆灭火系统设计的目的和作用
2.1 进行矿井灌浆灭火系统设计的目的:
《煤矿安全规程》第二百三十二条规定: 开采容易自燃和自燃的煤层时, 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。在矿井设计、 延伸、 新水平、 新采区设计时, 应同时设计相应的预防性灌浆系统。
2.2进行矿井灌浆灭火系统设计的作用
预防性灌浆: 将水与浆材作适当配合制成浆液, 借助输浆设备送到可能发生自燃发火的地点, 防止煤炭的自燃。 泥浆起到三个作用:
⑴ 包裹煤体, 隔绝煤与空气的接触, 防止氧化;
⑵ 加强采空区的致密性, 防止漏风;
⑶ 冷却已发热的煤体与围岩, 降低温度。
二、 课程设计的任务
根据课程设计大纲的要求, 对龙口矿业集团公司梁家煤矿矿井进行预防性灌浆防火设计, 具体内容包括:
1、 说明防火灌浆设计依据及基础资料
2、 确定灌浆系统与灌浆参数
3、 防火灌浆设计计算
4、 灌浆管道系统设计
5、 灌浆泵设计
6、 水枪设计
7、 灌浆站及主要设施设计
三、 设计课题名称
龙口矿业集团公司梁家煤矿——矿井预防性灌浆防火设计

梁家煤矿矿井预防性灌浆防火
课 程 设 计

1 防火灌浆设计依据及基础资料
1.1煤层赋存条件
1.1.1煤系地层及煤层数
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 1130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。
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。
1.1.2 可采煤层及其厚度
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。
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。
1.2煤的碳化程度、 煤岩成分、 自燃倾向性及发火期
1.2.1煤的碳化程度
煤的变质程度是指煤的变质程度越低越易自燃。自燃能力: 褐煤＞烟煤＞无烟煤
⑴ 挥发份: 将煤加热到850℃时, 煤中挥发出的气体所占煤本身重量的比例。变质程度越低挥发份越高, 一般: 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。
1.2.2 煤岩成分
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。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。详见( 图1－1) 煤系地层综合柱状图。
附: 煤系地层综合柱状图1-1

1.2.3 自然倾向性及发火期
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。
1.3浆材的质量、 数量
1.3.1浆材的配制及质量
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
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;
不大于2mm, 细小粉粒( 粒度小于1mm) 要占75%以上。
6) 主要物理指标: A
A-----灌浆主要物理指标: 比重: 2.4-2.8; 塑性指数: 9-14; 胶体混合物: 25-30%; 含沙量: 25-30%;
a 、 比重:
如果比重太大, 容易沉淀, 流动困难, 易造成堵管事故, 且在采空区灌浆口附近堆积, 难以覆盖整个采空区。
b、 塑性指数:
土壤的塑性是指其在外力作用下改变形状, 但不产生裂隙和断裂, 而且当外力停止作用后依然保持所形成的形态的特性。
在一定重量湿度(％)的情况下, 土壤固态变成可塑状态, 这一湿度称为塑性下限, 土壤从可塑状态变成流体状态的重量湿度(％), 称为塑性上限。
塑性指数( Ip) 系指塑性上限的重量湿度与下限重量湿度之差。一般: 粘土: Ip＞17; 亚粘土: 10＜Ip≤17; 轻压粘土: 3＜Ip≤10。
c 、 胶体混合物
胶体混合物体现了土壤结胶的能力。
d 、 含沙量
对于含沙量的要求主要是要求土壤易于脱水。比重: 2.4—2.8; 塑性指数: 9—14; 胶体混合物: 25—30%; 含沙量: 25—30%。
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。
1.3.2 浆材的数量
灌浆量的确定, 各矿务局都有自己的一套计算方法, 都有自己的经验, 总的说来主要是根据灌浆区的容积、 采煤方法及地质条件等因素来确定。具体数量再后面章节进行详细计算。
1.4矿井开拓方式和采区布置图
1.4.1开拓方式
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。相见图1-2( 矿井剖面图)
⑴ 灌浆管路设计依据
由于地面风井距井底垂高只有253.7m, 因此灌将管路采用”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, 安装维护管理简单。因此灌浆路线为: 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。( 见图1-1)
⑵ 计算输送倍线
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 = ( 1-1)
式中:
N——输送倍线;
L——管线长度, m;
H——垂高, m。
风井底到4110工作面进风巷入口距离1850m, 工作面走向长886m, 风井长为253.7m, 再加上10%的管长, 得3288.7m。工作面至地面的垂高为423.7m。
N==3288.7/423.7=7.7
⑶ 计算是否需要泥浆泵加压灌浆
由于本矿井灌浆点距地面制浆点较近, 有足够的输浆压力, 输送倍线介于2-10之间, 因此不需用泥浆站加压灌浆。但在地面制浆点需用泥浆泵作水力取土。
1.4.2 开采情况
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。
1.4.3 开采技术条件及开采方法
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( 图1－2) 所示。
附: 矿井开拓剖面图1-2

1.5 灌浆站的工作制度
1.5.1计算日灌浆量、 时灌浆量
( 1) 按日灌浆量计算
按灌浆区日灌浆所需用土量计算公式为:
Qt2=K.G/γ1 ( 1－2)
式中: Qt2——日灌浆所需用土量, m3;
K——灌浆系数, 取0.03;
G——矿井日产量, t;
γ1——煤炭容重, t/m3。
Qt2=0.03×3484/1.34=78 m3
( 2) 矿井日用土量
矿井实际每日所需采土量为:
Qt=a﹒Qt2 ( 1－3)
式中: Qt——灌日用土量, 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;
Qt=1.1×78=85.5 m3
( 3) 灌浆用水量Qw
灌浆用水量(Qw)可按下式计算:
Qw=Kw.Qt.δ ( 1－4)
式中: Qw——灌浆用水量, m3;
Kw——冲洗管路用水量的备用系数, 一般取1.1-1.25, 取1.25;
δ——水土比, 一般取2-5, 取2。
Qw=1.25×78×2=213.75 m3
( 4) 日灌浆量Qj
日灌浆量( Qj) 可按下式计算:
Qj=( Qt2+Qw) ×u ( 1－5)
Qj=( 78+213.75) ×0.88＝257 m3
式中: Qj——日灌浆量, m3;
u——泥浆制成率, 如表1-1所示。
表1－1
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
则小时灌浆量:
Qjh=Qj/n.t m3/h ( 1－7)
式中: Qjh——小时灌浆量, m3;
n——每日灌浆班数,班;
t——每班纯灌浆小时数。h/班。
Qjh=257/( 2×5) =25.7m3
1.5.2选择灌浆设备
本设计采用高压水枪直接冲刷储土场的黄土成浆, 经输浆沟送往灌浆泥浆搅拌池。经过搅拌好的泥浆输浆管过风井入井。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。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。

2、 防火灌浆系统与参数确定
2.1灌浆系统确定
2.1.1设计工作面概况
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2－1所示.顶、 底板状况为:
1) 直接顶为煤4的41-42段煤层, 厚度2.19米, 煤夹泥岩。
2) 直接底为煤4的47-48段煤层, 厚度3.3米, 泥岩夹煤, 泥岩易风化, 遇水膨胀。如煤系地层柱状图图1－1所示。
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。4110工作面总体上不具备自然排水条件, 根据对4110工作面涌水状况预测, 工作面正常涌水量为3m3/h, 最大涌水量为15m3/h, 工作面不具备自自然排水条件, 必须安装排水能力大于15m3/h的排水系统。
4110工作面通风系统如图1所示, 进、 回风线路为:
进风: 付井→付井井底车场→东大巷→集中石门→煤4石门→煤4一采暗斜井→煤4一采轨道→4110上顺联络巷→4110上顺→工作面
回风: 工作面→4110下顺→煤4一采皮带上山→煤4总回风巷→23°上山→250总回风巷→风井。
工作面巷道布置、 支护方式
(1)材料巷
采用单体液压支柱配合π钢上挑木板梁刹顶的支护方法进行支护, 采用2.5m支柱, 柱下穿铁鞋, 主要用于进风、 运料和行人。
(2)运输巷
支护方式与材料巷相同, 采用2.8m支柱, 柱下穿铁鞋, 主要用于回风、 运输和行人。
采用综合机械化采煤方法, 顶板管理采用全部陷落法, 机采高度为2.8米, 放顶煤高度3.35米。
2.1.2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2-1所示。
附: 工作面开采参数表2-1
根据上述条件参数, 结合龙口矿业集团公司梁家煤矿的实际, 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。
运回的土在风井附近建立机械取土机械制备泥浆站, 经过水力取土,

泥浆搅拌池里搅拌轮的搅拌, 制成土水比达1: 2, 再经过风井灌入井下。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。( 见图1-3) 。
2.1.3防火灌浆设计基本参数
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( 见图1－3) , 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。可是土水比过大, 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, 易成浆土水比能够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, 土水比能够大一些以节省劳力, 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
矿井名称
一般
夏季
冬季
说明
窑街矿务局
1: 3
1: 2-3
1: 3-4

石嘴山矿务局
1: 6-8
1: 7-8
1: 10
黄河水灌浆
大同矿务局
1: 5
1: 5
1: 6

开滦矿务局
1: 7-8
1: 7
1: 10
粉煤灰灌浆
枣庄魏庄矿
1: 5
1: 4
1: 6

淮南谢三矿
1: 3
1: 2
1: 4

芙蓉杉木树
1: 4-6

页岩制浆
抚顺龙凤矿
1: 6
1: 6
1: 10
页岩制浆
阜新矿务局
1: 4
1: 3-4
1: 5-6

参照上述示例, 采用的土水比为1: 3～5, 灌浆系数0.03～0.05。
2.1.3灌浆管路设计依据
由于地面风井距井底垂高只有253.7m, 安装维护管理简单。因此灌浆路线为: 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。( 见图1－1)
2.2灌浆材料的选择
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
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
不大于2mm, 细小粉粒( 粒度小于1mm) 要占75%以上。
6) 主要物理指标: A
A-----灌浆主要物理指标: 比重: 2.4-2.8; 塑性指数: 9-14; 胶体混合物: 25-30%; 含沙量: 25-30%;
1) 比重:
如果比重太大, 容易沉淀, 流动困难, 易造成堵管事故, 且在采空区灌浆口附近堆积, 难以覆盖整个采空区。
2) 塑性指数:
土壤的塑性是指其在外力作用下改变形状, 但不产生裂隙和断裂, 而且当外力停止作用后依然保持所形成的形态的特性。
在一定重量湿度(％)的情况下, 土壤固态变成可塑状态, 这一湿度称为塑性下限, 土壤从可塑状态变成流体状态的重量湿度(％), 称为塑性上限。
塑性指数( Ip) 系指塑性上限的重量湿度与下限重量湿度之差。
一般: 粘土: Ip＞17; 亚粘土: 10＜Ip≤17; 轻压粘土: 3＜Ip≤10
3) 胶体混合物
胶体混合物体现了土壤结胶的能力。
4) 含沙量
对于含沙量的要求主要是要求土壤易于脱水。
比重: 2.4—2.8; 塑性指数: 9—14;
胶体混合物: 25—30%; 含沙量: 25—30%。
7) 泥土要便于开采、 运输与制备。
参超上述原则, 最终采用的土水比为1: 3～5, 灌浆系数0.03～0.05。
2.3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:
常见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; 机械搅拌制浆常见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:
粉煤灰的采集→泥浆搅拌池( 搅拌机) →沉淀池( 滤网) →注浆池( 砂浆泵) →灌浆管。
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。

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
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。
随采随灌是当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。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。
当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。因些采用随采随灌的灌浆方法。
在自然发火期较短的厚煤层开采中, 这是一项必须采取的防火措施。随采随灌的方法。根据采区巷道布置方式不同, 顶板岩石冒落情况不同有多种多样。本设计采用埋管灌浆、 洒浆等灌浆方法。
1) 埋管灌浆
如图(图2-2所示), 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。
附: 埋管灌浆图2-2

2) 工作面洒浆
一般是结合埋管灌浆, 在灌浆管上接出一根25mm高压胶管, 沿工作面倾斜方向向采空区均匀地喷洒一层泥浆。作为补浆的措施, 对埋管灌浆不易到达的区域进行着重的喷洒, 主要是工作面的下半段。如图2-2所示。

2.5灌浆参数确定
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。

3 灌浆量计算
3.1灌浆用土量Qt 计算
3.1.1按采空区灌浆量计算
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、 采后封闭停采线灌浆都是以充满灌浆空间为准。随采随灌的用土量(Qs)可按下式计算。
Qt1=K×M×L×C×H ( 3-1)
式中: Qt1——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0.03。
m×L×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。
Qt1=0.03×6.15×148.5×886×89%=21605 m3
3.1.2按日灌浆量计算
Qt2=K.G/γ1 或 Qt2=K.m.L.H.C ( 3-2)
式中: Qt2——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。
Qt2=0.03×3484/1.34=78 m3
3.1.3按灌浆区日灌浆所需用土量计算公式为:
矿井实际每日所需采土量为:
Qt=a﹒Qt2 ( 3-3)
式中: Qt——灌日用土量, 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;
Qt=1.1×78=86 m3
3.2灌浆用水量Qw计算
灌浆用水量(Qw)可按下式计算:
Qw=Kw×Qt×δ ( 3-4)
式中: Qw——灌浆用水量, m3;
Kw——冲洗管路用水量的备用系数, 一般取1.1-1.25, 取1.25;
δ——水土比, 一般取2-5, 取2。
Qw=1.25×85.5×2=214 m3
3.3日灌浆量Qj
每日的灌浆量可按下式计算:
Qj=( Qt2+Qw) u ( 3-5)
式中: Qj——日灌浆量, m3;
u——泥浆制成率, 如表1-1所示。
Qj=( 78+213.75) ×0.88=256 m3
则小时灌浆量可按下式计算:
Qjh=Qj/n.t m3/h ( 3－6)
式中: n——每日灌浆班数,班;
t——每班纯灌浆小时数。h/班。
则小时灌浆量:
Qjh=256/( 2×5) =26m3
3.4其它计算方法
3.4.1根据采空区所留浮煤量的多少确定灌浆用土量:
Qti=S.T.K2.a m3 ( 3－7)
式中: S——采空区倾斜面积, m2;
T——残留浮煤厚度, m;
K2——浮煤量与用土量值比, 一般取0.3-0.5;
a——泥浆流失系数, 取1.03-1.1。
3.4.2根据采空区体积大小确定灌浆用土量:
Qti=m.H.L.K m3 ( 3－8)
式中: m.H.L——采空区体积, m3;
K——灌浆系数, 一般取0.15。

4 灌浆管道系统设计
4.1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
因此灌将管路采用”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→-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。( 见图1-3)
4.2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。
N= ( 4－1)
式中: N——输送倍线;
L——管线长度, m;
H——垂高, m。
风井底到4110工作面进风巷入口距离1850m, 工作面走向长886m, 风井长为253.7m, 再加上10%的管长, 得3288.7m。工作面至地面的垂高为423.7m。
N==388.7/423.7=7.7
4.3管径计算
4.3.1主要灌浆干管直径计算
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。她与土壤的质量、 含砂量、 比重、 土水比等因素有关, 可经过查表得出。
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:
( 4－2)

式中: 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:
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
89×6
1:3
1:5
1:7
1.283
1.282
1.134
1.121
1.329
1.490
114×6
1:3
1:5
1:6
1:7
1:10
1.283
1.182
1.155
1.134
1.096
1.230
1.453
1.550
1.636
1.934
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=4×25.7/(3600×3.14×0.092)=1.123m/s
要求:
v=1.123m/s＞v0=1.121m/s
4.4管材确定
根据灌浆压力确定: 选用无缝钢管。
4.5管壁计算
① 垂直管道:

( 4－4)
式中: 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——管道质量与壁厚不均匀的变动系数, 取0.9。

③ 管材确定
根据上述计算, 并结合表4－1, 最终选择外径为114mm的热轧无缝钢管。
5 水枪选择
5.1、 水枪的流量特性计算
5.1.1水枪喷嘴出口射流速度
水枪喷嘴出口射流速度可根据式( 5－2) 进行计算。

( 5－1)
式中: φ——流速系数, 取0.94;
H——水枪工作压头, m。
5.1.2水枪喷嘴流量
水枪流量可根据式( 5－2) 进行计算。
( 5－2)

式中: u——流量系数如射流未经压缩则u =φ;
S——水枪喷嘴出口断面, S=πd2/4;
d——水枪喷嘴直径, mm;
5.1.3水枪喷嘴直径mm
水枪喷嘴直径可根据式( 5－3) 进行计算。
( 5－3)
5.1.4水枪喷嘴压头m
水枪喷嘴压头可根据式( 5－4) 进行计算。
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