ZMJ-15井下移动式灌浆注胶防灭火系统(标准)设计

ZMJ-15井下移动式

灌浆注胶防灭火系统

设

计

说

明

书

西安森兰科贸有限责任公司

西安科技大学矿山应用技术研究所

井下移动式灌浆注胶防灭火系统设计方案黄泥灌浆是煤矿最主要的防灭火手段之一，其原理是泥浆中的水份吸收大量热，起到灭火降温的作用，黄土覆盖浮煤表面，起隔氧阻止氧化的作用。灌浆防灭火时，泥浆浓度对注浆防灭火的效果影响很大，泥浆浓度越大效果越好。现有灌浆防灭火系统的水土比通常在5:1左右，浆液流失量大，灌浆效率低，而且，灌注黄泥浆时还存在严重的“拉沟”现象，在较大空间内不能有效地堆积，下部煤层开采时还容易发生“溃浆”事故。

在发现煤层自燃高温点时，采用常规的注水、灌浆和喷阻化剂时，由于重力作用，浆液流往低处，不能在高处积存、渗流范围很小，难以扑灭高处大面积火源；浆液往低处流，冲出水沟，不能有效降低块煤内部温度，停止注浆后，风流渗透流畅，复燃很快，且用水或灌浆控制火势时，将迅速产生大量水蒸汽，反而会促进煤层自燃火势发展，恶化工作环境，并有产生水煤汽爆炸的危险。采用注氮、注惰性泡沫灭火时，需封闭性严，且气体热容小，能带走高温区的热量有限，灭火周期很长，火区复燃概率高。

胶体防灭火技术集堵漏、降温于一体，防灭火效果佳，已成为煤层自燃火灾治理的主要技术手段之一。

1胶体防灭火材料简介

1.1胶体防灭火材料的分类及组成

目前煤矿使用的防灭火胶体主要有以下四种：

1）“凝胶”是以硅胶为主体，由基料（水玻璃）、促凝剂（碳酸氢钠）、增强剂（黄土或粉煤灰等）和水按比例混合而成。

2）“稠化胶体”由稠化悬浮剂（JXF1930）、黄土或粉煤灰和水按比例混合而成。

3）“复合胶体”由胶凝剂（FCJ12）、黄土或粉煤灰和水按比例混合而成。

4）“高分子胶体”由灭火剂（MCJ12）和水按比例混合而成。

胶体中各种材料所起的作用主要如下：

1）水作为溶剂，所起的主要作用是将各种成胶材料通过管路输送到指定地点，并起到吸热降温作用。

2）粉煤灰或黄土作为主要充填物，起到充填浮煤孔隙，包裹煤体，隔绝煤氧接

触，阻隔火势的发展和蔓延，并有利于再生顶板的形成。

3）胶体外加剂的主要作用是对水、粉煤灰或黄土浆液进行改性，提高其利用率，并改善其防灭火效能，避免“溃水、溃浆”等次生事故的发生。

1.2胶体防灭火材料的性能

胶体材料具有如下防灭火性能：

1）固水降温性：胶体中90%以上是水，易于流动的水被固结起来，充分发挥水的降温作用；成胶过程是吸热反应，煤温上升使胶体中的水汽化，也吸收大量的热。

2）渗透和堵漏性：成胶材料是易于流动的液体，渗透到煤层缝隙中后形成胶体，堵住漏风通道。

3）阻化性：促凝剂和基料本身都是阻化剂，两者反应生成的材料也是阻化剂，胶体具有通用阻化剂的性能。

4）热稳定性：在1000多度的高温下胶体不熔化、不破裂，仍能保持完好，只是慢失水干裂。

5）充填性能：增强剂（黄土、粉煤灰等）用量增加，胶体耐压性增强，高浓度胶体泥浆可充填高冒空顶区。

6）灭火安全性：由于胶体有束水作用，在用于扑灭煤火时，不会急剧产生大量的水煤汽而恶化工作环境或发生爆炸。

7）有效期：正常情况下（T<28℃，湿度>90%），胶体可长期保存在煤层中（现场实测十三个月仍完好），防止煤层自然发火或火区复燃。

8）成胶时间可控性：最短成胶时间25s，慢的可控制在2h以上，便于针对不同发火情况和现场使用工艺对其进行适当调节。

为了更好地发挥水、灌浆材料和胶体材料的防灭火性能，针对不同的现场环境、使用条件、应用工艺和原料成本，森兰科贸有限责任公司与西安科技大学联合开发了（稠化胶体）悬浮剂、（复合胶体）胶凝剂、（高分子胶体）灭火剂等一系列新型的胶体防灭火材料。

1.3胶体防灭火技术的特色

1）灭火速度快：由于胶体独特的灭火性能,其灭火速度很快,通常巷道小范围的火仅需几小时即可扑灭,工作面后方大范围的火也只需几天即可扑灭。

2）安全性好：胶体在松散煤体内胶凝固化、堵塞漏风通道,故有害气体消失快；

在高温下，胶体不会产生大量水蒸汽,不存在水煤气爆炸和水蒸汽伤人危险。

3）火区启封时间短：注胶灭火工程实施完，即可启封火区。

4）火区复燃性低：高温区内只要有胶体渗透到的地点都不会复燃。

增加浆液的粘稠度、

保水性和渗透性；

使稀泥浆达到稠泥浆

用水灭火胶体灭火

胶体防灭火系统类型主要分为：地面固定式；地面移动式；井下移动式三种，这些系统使用所须的条件及其应用时的优缺点如下表。

3 ZMJ-15井下移动式灌浆注胶防灭火系统

3.1系统功能

功能一：灌浆。本系统每小时最多可将4m3的粉煤灰或沙土制成一定浓度的浆液，

经过滤后通过管路进入注浆地点，达到防灭火目的。

功能二：灌注复合胶体。在注浆地点附近，使用“ZHJ-5/1.8G矿用移动式防灭火注浆装置”向输浆管路的浆液内加入FCJ12复合胶体胶凝剂，形成复合胶体注入火区。

功能三：压注稠化胶体：在“ZHJ-12/4矿用移动式防灭火注浆装置”中加入悬浮剂；悬浮剂在此设备的制浆滤浆总成内搅拌制备成稠化胶体浆液。经制浆滤浆总成过滤合格的浆液通过出浆管输出经泥浆泵加压后通过管路及钻孔注入火区。

功能四：压注高分子胶体。使用“ZHJ-5/1.8G矿用移动式防灭火注浆装置”以每小时5m3以下的流量将水和MCJ12胶体灭火剂制成高分子胶体并以一定压力注入火区。

3.2系统构成

ZMJ-15井下移动式胶体防灭火系统由连续式定量制浆系统、浆液过滤系统、浆液压注系统、输浆管网系统和外加剂添加系统构成。胶体防灭火系统的结构见图1。

图1 井下移动式防灭火注胶系统流程框图

3.3系统布置及工艺

该系统的主要目的是将加入粉煤灰料箱里的粉煤灰按照设备要求的用量均匀送入连续式制浆部分，然后由制浆部分根据需要的浆液浓度配比相应的水量，并搅拌制成一定浓度的浆液。浆液过滤部分把制成的不同浓度的浆液进行过滤，浆液中大于3mm的固体颗粒物会被滤出使其不能进入注浆管路，以保证注浆管路不因固体颗粒的沉淀而发生堵塞。浆液压注部分将制成的浆液以小于4Mpa的压力输送至井下1000m内的任何用胶地点。

3.3.1井下移动式胶体防灭火系统布置

本系统所有设备、仪表、管路等全部置于井下，所使用的防灭火材料、制浆原

料等也要从地面运至井下。由于井下的巷道空间较为狭窄，所以设备、材料、操作人员在井下应有一个合理的布置（见图2）。

灌浆注胶材料可在使用时运至井下，也可贮存于井下适宜的地点。

制浆料（粉煤灰）由井上（尽可能过筛或使用较好的粉煤灰）用矿车运至井下。胶凝剂在需要注胶时由操作工人从地面带至井下使用地点。

矿用移动式防注浆装置、泥浆泵、控制开关及其它仪表等放置在离注胶地点1000m以内水、电较为方便的设备峒室内，按安装要求进行安装和连接，并连接铺设备的注浆管路。

矿用移动式防灭火注浆装置放置于离注胶地点100m以内的巷道内，按要求连接水、电。

置，7.5KW

图2 井下移动式防灭火注胶系统布置及工艺流程图

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3.3.2井下移动式胶体防灭火系统工艺

1）灌浆：打开水阀把水加入制浆滤浆总成，启动电机，待设备运行稳定后，把制浆原料(砂土或粉煤灰)加入灰土料箱，（悬浮剂料箱不使用），灰土定量送料总成将制浆原料定量送入制浆滤浆总成。经制浆滤浆总成过滤合格的浆液通过出浆管输出；较大颗粒的残渣从出渣口排出，合格浆液经泥浆泵加压后通过管路及钻孔注入火区。

2）压注稠化胶体：打开水阀把水加入“ZHJ-12/4矿用移动式防灭火注浆装置”的制浆滤浆总成，启动电机，待设备运行稳定后，把制浆原料(砂土或粉煤灰)加入灰土料箱，把悬浮剂（型号：JXF1930，此材料为本公司研发产品，仅限于本公司生产）加入悬浮剂料箱；灰土定量送料总成与悬浮剂定量送料总成均将所添加的料定量送入制浆滤浆总成，在制浆滤浆总成内搅拌制备成稠化胶体浆液。经制浆滤浆总成过滤合格的浆液通过出浆管输出；较大颗粒的残渣从出渣口排出，合格浆液经泥浆泵加压后通过管路及钻孔注入火区。

3）压注复合胶体：

打开水阀把水加入“ZHJ-12/4矿用移动式防灭火注浆装置”的制浆滤浆总成，启动电机，待设备运行稳定后，把制浆原料(砂土或粉煤灰)加入灰土料箱，把悬浮剂（型号：JXF1930，此材料为本公司研发产品，仅限于本公司生产）加入悬浮剂料箱；灰土定量送料总成与悬浮剂定量送料总成均将所添加的料定量送入制浆滤浆总成，在制浆滤浆总成内搅拌制备成稠化胶体浆液。经制浆滤浆总成过滤合格的浆液通过出浆管输出；较大颗粒的残渣从出渣口排出，合格浆液经泥浆泵加压到达需注胶地点附近后，用“ZHJ-5/1.8G矿用移动式防灭火注浆装置”按比例要求（根据现场情况确定）注入灭火材料胶凝剂（型号：FCJ12，此材料为本公司研发产品，仅限于本公司生产）可制备复合胶体，胶体通过钻孔或预埋管路注入用胶地点。

4）压注高分子胶体（即矿用移动式防灭火注浆装置：ZHJ-5/1.8G单独使用所具备的功能，主要用于煤层火灾的快速控制和熄灭）

在井下安装好“ZHJ-5/1.8G矿用移动式防灭火注浆装置”（离用胶地点距离小于30m），把“高分子胶体灭火剂”加入胶凝剂料箱，按使用现场的要求调节“高分子胶体灭火剂”的加入量，制成高分子胶体后压注入火区进行灭火。

3.4系统设计参数

1）制浆原料：粉煤灰、砂土；

2）动力：系统设备总功率30kw；

3）供水：大于17m3/h，水压大于0.4Mpa，要求水中无不溶性杂物；

4）输浆管路：2寸管路，小于1000m；

5）水灰比：3～1:1；

6）制浆原料的使用量： 4 m3/h；

7）注胶量：17 m3/h；

8）悬浮剂使用量（与水的配比量）：＞0.1%（制备稠化胶体）；

7）胶凝剂使用量（与水的配比量）：＞0.06%（制备复合胶体）；

8）灭火剂使用量（与水的配比量）：＞0.8%（制备高分子胶体）；

3.选用的主要设备及技术参数

1）矿用移动式防灭火注浆装置（含泥浆泵）

型号：ZHJ-12/4 数量：1台

制浆量： 12m3/h；滤浆能力： 12m3/h；

粉煤灰用量： 4 m3/h；功率：22.5kw。

滤浆粒度：6mm；

将粉煤灰或砂土与水混合，连续制、滤成符合浓度和粒径要求的浆液并进行输送。

2）矿用移动式防灭火注浆装置

型号：ZHJ-5/1.8G 数量：1台

流量： 5m3/h；功率：7.5kw；压力： 1.8MPa。

可井下单独使用，也可与系统配套使用，可配合系统实现灌注复合胶体，或单独使用压注高分子胶体的功能。

3.6设备尺寸和重量

1）矿用移动式防灭火注浆装置ZHJ-12/4: 4450mm×850mm×1040mm；1480 Kg 2）矿用移动式防灭火注浆装置ZHJ-5/1.8G：2000mm×600mm×780mm；415 Kg。