《矿井火灾防治》课程设计

1、矿井火灾防治课程设计学 院：应用技术学院 专 业：安全05-2班 姓 名： 学 号： 21056159 班内序号： 指导教师： 中 国 矿 业 大 学目 录一、 防火灌浆设计依据及基础资料1. 1矿井概况-21. 2煤层赋存条件-21. 3煤的碳化程度、煤岩成分、自然倾向性、发火期-31. 4浆材的质量、数量、开采条件等-41. 5矿井开拓方式和采区布置图-41. 6灌浆站工作制度-5二、 防火灌浆系统与参数确定21灌浆系统确定-922灌浆材料的选择-923地面制浆工艺流程（图）-924灌浆方法确定-101、埋管灌浆（图）-102、工作面撒浆（图）-1025灌浆参数确定-10三、灌浆量计算31

2、灌浆用土量计算-1232灌浆用水量计算-1333灌浆量计算-13四、灌浆管道系统设计41灌浆管道系统布置-1442输送倍线计算-1543管径计算-1544管壁计算及管材确当-18五、水枪选择六、泥浆泵选择七、灌浆站主要设施71泥浆搅拌池及搅拌机（图）-2372储土场-25八、设计小结-27主要参考文献-27一、防火灌浆设计依据及基础资料1.1矿井概况龙口矿业集团公司梁家煤矿设计生产能力180万ta，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1-10号矿界坐标点与梁家煤矿相邻，东北以10-17号矿

3、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。1.2煤层赋存条件 龙口矿业集团公司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，

4、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。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。地温随着深度的增加而增高。本井田在地下300m的温度为23-25，地温梯度3.13-3.43/100m；垂深500m时，

5、温度31-33，地温梯度3.37-3.7/100m，达到一级热害区上限；垂深700m时，温度38-41，地温梯度3.5-3.79/100m，达到二级热害区上限；垂深900m时，温度高达49，在含煤段由于岩性复杂，煤和油页岩导热性差，低温梯度在4.6-6/100m，反映了井田地温是偏高的。-450m水平切面的地温状况为28.9-34.2，平面上的变化是含煤区温度高，非含煤区温度低，东部高西部底，相差约2。总之，井田属岩温型地温异常，使-450m水平以下的煤层处于一级和二级热害之中。根据2003年12月山东省煤矿通风检测站编制的龙口矿业集团公司梁家煤矿矿井通风能力核定及系统评价，瓦斯等级鉴定结果：

6、相对涌出量为1.330m3t，绝对涌出量为6.121m3min；二氧化碳:相对涌出量为2.029m3t，绝对涌出量为9.326m3min。根据矿井瓦斯等级鉴定标准，梁家煤矿定为低瓦斯矿井。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

7、，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300m3h，煤2底板砂岩水的最大涌出量为51m3h，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。1.3煤的碳化程度、煤岩成分、自燃倾向性、发火期设计工作面为4110综采放顶煤开采工作面，工作面走向长度886

8、m，倾斜长度148.5m，工作面开采参数如表1-1所示，煤层柱状图如图1-3所示，顶、底板状况为：1) 直接顶为煤4的41-42段煤层，厚度2.19m，煤夹泥岩。2) 直接底为煤4的47-48段煤层，厚度3.3m，泥岩夹煤，泥岩易风化，遇水膨胀。煤质以暗煤为主，丝碳化物物质含量高，加亮煤条带。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。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。目前使用的防灭火注浆材

9、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。1.4浆材的质量、数量、开采条件等 龙口矿业集团采用的土水比为 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。1：3-5，灌浆系数0.1-0.2。1.5矿井开拓方式和采区布置图 2002年末矿井资源总量为41714.2万t，其中工业储量29284.2万t，可采储量16289.6万t，其中“三下”压可采储量13264.3万t，煤总量28511.5万t，其中工业储量22944.8万t，可采储量12631.1万t，其中“三下”压

10、可采储量106774万t。油页岩总量为13202.7万t，其中工业储量6339.4万t，可采储量3658.5万t，其中“三下”压可采储量2586.9万t。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。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。矿井只有一个水平，标高为-450m。井田采用上下山开采，采煤工

11、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。矿井开拓与通风系统平面图如图1-1所示，矿井开拓剖面图如图1-2所示。1.6灌浆站工作制度采用两班灌浆一班检修工作制度，每班灌浆 8小时，各班都必须完整的做完本班工作，完成好交接班制度。1、灌浆量：日灌浆量1839.6 m3 时灌浆量122.64 m32、主要设备集泥池、 泥浆搅拌池、 泥浆搅拌机、 储土场、 输送管道等。图1-1 通风系统平面图图1-2矿井开拓剖面图表1-1 4110工作面煤层参数煤层名称煤4水平名称-450采区名称煤4一采区工作面名称4110地面标高（m）2.63.6工作面标高（m）-390-420工作面走向长

12、度（m）886倾斜长度（m）148.5回采面积（m2）1315714-34-6总厚（m）4.54设计采高（m）6.154-44-6总厚（m）6.15容重（t/m3）1.34煤层倾角（）10普氏硬度（f）1.5可采指数1变异系数（）5.6灰分（）28.34自然发火程度易发火瓦斯等级低级稳定程度稳定煤层结构复杂回采率（）89含矸率（）12.2预定可采期7个月循环产量（t）871最大涌水量（m3/h）15日开采循环4正常涌水量（m3/h）3生产能力（t/日）3484可采储量（万吨）86.9年生产能力（t/年）1050000工业储量（万吨）97.67图1-3煤层综合柱状图二防火灌浆系统与参数确定2.1

13、灌浆系统确定 由于黄土采制方便，价格低廉而且水源充足，参照以上条件所以选择黄泥灌浆随采随灌系统。2.2灌浆材料的选择 土源距离煤矿风井5km，土质优良，容重1.3t/m3 ，属于亚黏土，塑性指数12，取土方便，矿井轻轨车可直接到达取土地点。这里利用此土作为灌浆材料，由于土源较远，采用机械取土制浆，建立集中灌浆站、泥浆搅拌池制备泥浆。为了提高泥浆质量，加大泥浆浓度，在制浆前将黄土充分浸泡使之粉化后再进行搅拌。2.3地面制浆工艺流程（图）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2-1所示。 图2-1人工或机械取土机械制

14、备泥浆站 1、取土矿车；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、取土场采土场矿车运输储土场搅拌池泵站管道入井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，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。2.4 灌浆方式的确定我国煤矿采用的预防性灌浆的方法多种多样，大体可分为：采前灌浆、随采随灌、采后灌浆等三种类型。 1采前灌浆所谓采前灌浆即是尚未开采先行灌浆。这种灌浆方法是针对开采老窑多、易自燃、特厚煤层发展起来的。当岩石运巷和风巷掘出以后

15、，分层航道尚未掘送之前，按设计的位置，由岩石区段巷道开钻窝向煤层打钻以探明古窑老虚的分布和位置，然后进行采前预灌。 2随采随灌 随着回采工作面的推进，同时向采空区灌浆。其作用一是防止遗留在采空区内的浮煤自燃；二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。另外，它还具有防尘、降温的作用。随采随灌的方法根据采区巷道布置方式的不同，顶板岩石冒落情况不同有多种多样。如埋管灌浆、插管灌浆、洒浆、打钻灌浆等。 3采后灌浆开采自然发火不是十分严重的厚煤层时，可在工作面采完后，封闭停采线的上下出口，然后，在上部密闭墙上插管灌注泥浆。其目的一是封闭采空区，其次是充填最易发生自燃火灾的停采线，以防止

16、自燃火灾的发生。因回风道埋管灌浆工艺最为简单，使用方便。本设计利用随采随灌的方式进行灌浆。如图2-2所示，埋管灌浆与工作面洒浆图。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1520m，随着工作面的推进，用回柱绞车向外牵引。图2-2埋管灌浆及洒浆示意图1、工作面运输巷 2、回风巷 3、输浆管路 4、埋入采空区的注浆管5、洒浆胶管 6、工作面上隅角 7、维护回风巷的临时木2.5灌浆参数确定 1水土比 水土比大小取决于: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）

17、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，土水比要小一般土水比的变化范围为1：2-1：5。依据本矿的实际情况，（煤层自燃发火严重），采用的 水土比为1:4。2灌浆系数k：灌浆系数k ：泥浆的固体材料体积与需要灌浆的采空区空间容积之比。即k=qs/mlhc。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， 它只

18、能根据现场的实际情况而定。对于预防性灌浆，一般取0. 1-0.2；对于封闭区内的灭火灌浆，可取0.1-0.2。3.取土系数a 考虑土壤的杂质和运输的损失，取1.1三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、采后封闭停采线都是以充满灌浆空间为准。3.1灌浆用土量计算 qt1=kmlhc （式3-1） qt2=kmlhc （式3-2） 或 qt2=kg/ （式3-3） qt=aq t2 （式3-4） 式中 qt1 灌浆用土量，m3； qt2 日灌浆用土量，m3/日； qt灌浆日用土量，m3； g 日产量，t/日； 煤容重，t/m3； m 煤层开采厚度，m；

19、l 灌浆区的走向长度，m ；l 日进度，m； h 灌浆区的倾斜长度，m； c 煤炭回收率，%，取0.89；a 取土系数，取1.1； 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。这里取k=0.1-0.2。本设计取k=0.15。qt1=0.156.15886148.50.89=108023.08 m3 qt2=0.156.152.4148.50.89=309.27 m3/日或 qt2 = 0.15（34841.34）=390 m3/日qt =1.1390=429 m33.2灌浆用水量日灌浆用水量qw1= kw qt （式3-5） kw 冲洗管道用水量的备用系数，一般为1.10

20、1.25,这里取1.2。 土水比倒数，这里取4。qw1=1.24294=2059.2 m3灌浆总用水量 qw= kw qti （式3-6） qw= 1.2108023.08 4 = 518510.784 m3 3.3灌浆量计算qj=（qt2+qw）u （式3-7）qjh=qj/（n.t ） m3/h （式3-8）式中：qj日灌浆量，m3qjh小时灌浆量； u泥浆制成率，其取值见表3-1； n每日灌浆班数； t每班纯灌浆小时数；水土比1:11:21:31:41:51:6泥浆容重1.451.301.201.161.131.11泥浆制成率0.7650.8450.8800.9100.9300.940表

21、3-1qj =（390+2059.2）0.91=2228.772 m3 qjh = 2228.772 /（28）=139.3 m33.4 泥浆容重j=（w +t)u =(2059.2/2228.772+3901.3/2228.772) 0.91=1.048 t/ m3四浆管道系统设计4.1灌浆管道布置灌浆管路有“l”和“z”布置形式，如图4-1所示。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。z形：与l形相反。 如图2-1 所示，采用集中灌浆站，泥浆输送管道由风井进入，经总回风大巷到采区回风巷、工作面回风巷，再到工作面上隅角，进

22、行埋管灌浆，或工作面洒浆（如图2-2）。从地面直到井下灌浆点铺设专用管路担负输浆任务。图4-1管路系统为：泵房风井煤4 总回风巷4110工作面顺槽工作面采空区。4.2 输送倍线的计算预防性灌浆一般是靠静压作动力。灌浆系统的阻力与静压动力之间的关系用输送倍线表示。泥浆的输送倍线是指从地面灌浆站至井下灌浆点的管线长度与垂高之比，即： n = （式4-1） 式中：n输送倍线； l进浆管口至灌浆点的距离，1850+148.5+50=2048.5m； h进浆管口至灌浆点的垂高，250+3.7+170=423.7m。 n过大，说明管线太长，阻力过大输浆压力小，进浆不畅，易发生堵管现象；n过小，说明泥浆出口

23、压力大，在采空区分布不均，易发生跑浆事故。一般情况下，泥浆的输送倍线值最好在5-6范围内变化。不要大于10或小于2。风井地面标高+3.7m，井底位于-250水平，工作面为-390420m，风井到4110工作面回风巷入口距离为1850m，其余工作面参数见表1所示。根据公式可得：4.3 管径计算d = = （式4-2）式中: qj 小时灌浆量m3/h； v0临界流速m/s，查表4-2得1.801m/s。表4-2泥浆临界流速表输浆管内径dp为：dp= =0.1654m = 165.4mm所以根据钢管规格表，预选16810无缝钢管，则输浆管干管内径：dp=168-210=148mm验算流速 v=2.1

24、705 m/s 1.801 （符合要求）同理，设计输浆管支管预选1687无缝钢管。则支管内径为168-14=154mm验算流速 v=2.006 （符合要求）4.4 管壁计算（1）垂直管道管壁 = 0.5d( 1)ab （mm） （式4-3） 式中 d 管直径（内径）rz 许用应力（无缝钢管：800kg/cm2 ,普通钢管：600 kg/cm2，铸铁管：200 kg/cm2）p 管内压力，p=0.11j h j 泥浆比重，kg/m3 ,由表3-1，取j为1.16h 高度（高差），m其中p=0.111.16423.7=54.06kpa 管壁不均匀系数的附加，无缝钢管：1-2 mm，铸铁管：7-9

25、mmb 磨损系数，1-4 mm 本设计采用无缝钢管，所以a取2； b取2。= 0.5d( 1)ab = 0.50.148（ 1）+0.002+0.002 =0.0051+0.004 = 0.091m = 9.1mm从以上计算可知所选钢管符合要求。(2)水平管道管壁 = + a （式4-4）式中 n 管道质量与壁厚不均匀的变动系数，取0.9d 管直径（内径）p 管内压力 = +0.002 = 2.00mm经过计算所预选的无缝钢管符合要求。4.5 管材确定选择管材的主要依据是管道所需承受的压力，而压力与井深成正比。通常情况下，井深不超过200m，多采用焊接钢管，井深超过200m，多采用无缝钢管。又

26、由于当压力大于10 16 个大气压时，采用无缝钢管。而此时计算的压力p=54.06kp已经远远大于这个数值，所以这里应采用无缝钢管。五水枪的选择由于矿井灌浆、洒浆没有专用的水枪，所以一般采用低层建筑、建筑高度在24m以下的民用水枪。水枪喷嘴直径有：13、16、19、22、32、44mm。考虑到消防用途和实际工作需要，设计水枪采用44mm。因为h=，所以 v = 流速系数，一般取0.94水枪的流量 q= s （式5-1）与u相同s 喷嘴横断面积h 水枪压力，取35qq = 0.91 = 132.2m3/h水带直径 ：50mm的水带适应喷嘴直径16mm的水枪；65、75mm的水带适应喷嘴直径19m

27、m的水枪；90mm的水带适应喷嘴直径22mm的水枪。 出水带标准长度：20m.水枪的台数: n = （式5-2） 式中 qw 取土时的用水量， qq 单台水枪的流量， qw = qti qw = qti q, （式5-3）q 水枪取土1m3时的耗水量 1.松散土壤，松散砂土、风化泥岩： q值取56 m3/m3 ,压力3040m2.坚固黄土、砂土： q取67 m3/m3 ，压力5060m 3.极坚固黄土、砂土： q取79 m3/m3，压力6070m 因此，水枪台数为：n=1973.44/132.227=4.3台.考虑实际情况及水枪的备用，水枪确定为6到8台水枪。六泥浆泵选择下列情况需要泥浆泵：a

28、.如果管路太长，输浆压力不够；b.地面灌浆站距井口太远，泥浆至井口压力不够；c.采用水力取土，自然成浆方式时，水枪所需压力由泥浆泵提供。（1）泥浆泵的流量qj qj=2150.694/24=89.61 m3/h泥浆泵的流量qj为前面设计的小时灌浆量，水力取土时为水枪小时用水量。 (2）泥浆泵扬程hj hf=lij （式6-1） l泥浆管道长度m；i泥浆管道每米长度上运送泥浆时的水头损失，用公式计算：i =kk泥浆阻力系数，与土水比有关。i清水状态下的水头损失， iw=v2/2gd达西系数,见表6-1：表6-1泥浆阻力系数表管径2001501251007500203002220023700260

29、00292iw=v2/2gd=0.0220.64262/29.80.75=0.0062(m) ij =kiw 其中k=1.15 =1.150.0062= 0.0071 m因是松散土壤，松散砂土、风化泥岩：q值取56 m3/m3 ,压力3040m.这里取35米,工作时水枪流量为132.2 m3/h。 由于泥浆泵向井下输送，所以不考虑扬程，只考虑压力即可。根据所得数据及压力，参照pn型泥浆选型选择泥浆泵型号如表6-2所示：表6-2型号流量（m3/h）扬程(m)转数(r/min)轴功(千瓦)电动机型号4po2-91-4七浆站主要设施7.1 泥浆搅拌池及搅拌机（图）(1)泥浆

30、制备方式其制备方式分为水力搅拌和机械搅拌两种。水力搅拌适用于灌浆量小的况,一般多用机械搅拌。机械搅拌按其机械的运动方式，分为固定式和行走式两种。本设计采用行走式。 (2)泥浆搅拌池的容积泥浆搅拌池的容积一般按2小时灌桨量计算。泥浆搅拌独宜分成两格,轮换使用，且向出口方向应有25的坡度。在泥浆出口处必须设置筛子,有运送位料的设备(小车、矿车)。（3)泥浆搅拌池布置泥浆池采用料石砌筑，分为两格，一池存土浸泡，一池进行搅拌，轮换使用，泥浆池容积根据矿井最大灌浆量和取土供给能力确定，池身长20米，宽i米，深1米。黄土浸彻23小时后，待土质松软即可进行搅拌(泥浆搅拌机为行走式),泥浆浓度由供水管的控制阀调节。泥浆搅拌均匀后，经泥浆池出口通过两层孔径分别为15毫米和10毫米的过滤筛流入灌浆管，然后送至井下灌浆地点。 （4）灌浆系统管道及取土场的防冻 在我国北方寒冷地区，冬季表土层冻结，取土制浆困难，应采取防冻措施。a.灌浆系统管道可挖沟埋设或其上覆以草垫等。 b.冬季可于冻土层下掘专用巷道采土