矿井防灭火课程设计

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。其目的是通过课程设计加深对《矿井火灾防治理论与技术》和其他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20001130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 -1 0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114.5km,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

精选文档

216m,含煤6层，即煤上2、煤上I、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2，1 7勘探线以东变薄至沉缺1 7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I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850C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V 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2.029卅/1，绝对涌出量为9.326*/ 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I、煤1、煤2、煤3,及煤4。纯煤平均总厚13.44*含煤系数6.22%。可采纯煤总厚10.64*。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4.30mo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

123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。

泥岩

互展

12. 51 g

4.15

4.ES

T1.36

岩性特征

以册为主.央条 带枚丝帑组分

83.57

84.91

87* 1

28.71

93. 25

96?55

99.34

灰至灰白色

遇水腾胀

liAam 竝，鳏

化物质含量高?夫 亮煤炙带

岩层名称

■―

O.BG 1.0 L .

5 T

J

耗砂岩

4?

3?

-

59.78 h I* ■

泥岩

1.34

2.19 1.61

4, 54 油

d

2?38

17.92 18.92 1?：

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仍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：10v Ip< 17;轻压粘土：3v 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矿井开拓方式和米区布置图

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，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）

H

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

H

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，所以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:

Q t2=K.G/ Y

式中：Q t2――日灌浆所需用土量，m 3；

K ――灌浆系数，取0.03; G ――矿井日产量，t ; Y ---- 煤炭容重，t/m 3。

Q t2=0.03X 3484/1.34=78 m 3

(2) 矿井日用土量

矿井实际每日所需采土量为：

(1 — 2)

凤井

主井副井

Q t=a - Q t2(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;

Q t=1.1 X 78=85.5 m i3

(3)灌浆用水量Q w

灌浆用水量(Q w)可按下式计算：

Q w=K w.Q t. s (1—4)

式中：Q w ---------- 灌浆用水量，m3；

K w――冲洗管路用水量的备用系数，一般取1.1-1.25取1.25;

S ――水土比，一般取2-5,取2。

Q w=1.25X 78X 2=213.75 m3

(4)日灌浆量Q j

日灌浆量(Q j)可按下式计算：

Q j= (Q t2+Q w)x u (1 —5)

Q j= (78+213.75 X 0.88= 257 M3

式中：Q j ------------ 日灌浆量，m3；

u 泥浆制成率，如表1-1所示。

表1 — 1

则小时灌浆量:

Q jh二Q j/n.t m3/h (1 —7)

式中：Q jh --------- 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。

Q jh=257/ (2X 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。通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29-31C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。

4 1 1 0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n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，通过水力取土,

2-1M

泥浆搅拌池里搅拌轮的搅拌，制成土水比达1：2,再通过风井灌入

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T煤4 —米皮带上山T 4110上顺T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

根据开米条件及米土场与井口位置关系（见图1－3），选择随米随灌。

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，不能完全覆盖米空区，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；在工作面后方米空区灌浆时，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0.040.050

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仍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：10v lp < 17;轻压粘土：3v lp < 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：