神东天隆霍洛湾煤矿31煤水平开采灌浆防灭火设计

发表时间:2015/10/14   来源:《工程建设标准化》2015年6月总第199期供稿   作者:王海宁
[导读] 鄂尔多斯市神东工程设计有限公司,内蒙古,鄂尔多斯,017209 灌浆后的疏水主要利用工作面下顺槽排水沟自流排出,同时设计在工作面下顺槽配备了污水泵等设备,在不能自流排出的地点利用污水泵排出。

(鄂尔多斯市神东工程设计有限公司,内蒙古,鄂尔多斯,017209)

【摘  要】灌浆防灭火方法是将注浆材料(黄土、页岩、矸石、粉煤灰、尾矿等)细粒化后加水制备成浆,用水力输送到煤矿井下注入需要防灭火区域内,封堵漏风通道、包裹煤岩阻止氧化、冷却煤岩温度而预防或扑灭矿井火灾的一项技术措施。
【关键词】灌浆;防灭火;方法;步骤;计算;工艺流程;管路布置

        霍洛湾煤矿综采工作面开采煤层的特点:一是煤层倾角小,不有利于浆体沿倾斜方向的扩散;二是工作面长度达300m,注浆管口在进、回风侧采空区,浆体不容易到达采空区中部;三是工作面采高大,浆体很不容易将采空区充填满,预防和扑灭采空区高顶处的火源点难度大;四是矿区冬季寒冷,水土冻结,给正常开展防灭火灌浆工作带来困难。鉴于此,建立的黄泥灌浆系统主要作用一是间断性地向采空区注入泥浆;二是为工作面停采设备回撤后对停采线及密闭内的巷道进行大量灌浆充填,三是作为抢险救灾时,结合灌浆快速处理火灾。
1、现有地面注浆站概况
        目前霍洛湾煤矿在主斜井工业场地内建成了一座能力为70m3/h的地面注浆站,通过管路引入2-2煤大巷,各综采工作面顺槽管路分别与大巷注浆管路对接,形成井下现有的灌浆系统,泥浆的水土比为3:1。
        主要设施有:
        (1)地面储土场;
        (2)灌浆站房;
        (3)半地下式缓冲池;
        (4)清水池。
        主要设备有:70m3/h的滚筒式注浆设备
2、现有地面注浆站能力校验
        经验算(详见灌注泥浆参数计算及选择),3-1煤水平开采时的灌浆能力需求为63.1m3/h,现有有灌浆站能力满足3-1煤水平开采时的需要,故不需新建及改扩建灌浆站系统。
3、灌注泥浆系统
        灌注泥浆系统主要由制浆系统、运浆系统和注浆系统组成。
        制浆系统是由电气控制和制浆生产两部分组成。
        运浆系统采用管路输送方式进行运浆。
        注浆系统是由井下埋管(或插管)、井下注浆和管路加压泥浆泵组成。
4、可能发出现的使用权及解决地方法
        为防止注浆过程中渗水发生溃浆、 水事故淹透没工作面,应采取如下措施进行预防:
        1)选择井下排水设备时考虑注浆渗水量,在在矿井实测提供涌水量的基础上进行适当的放大。
        2)注浆材料选择粉煤加胶体,灰水比为1:3,浆体含水量远远低于采用黄土作为注浆材料的含水量,减少发生将体析水量,降低发生溃将、透水事故的风险。
        3)工作面巷道中配备足够的小水泵,及时疏通将体解析水中无法外流的部分。
        4)工作面下巷道中设小水沟,以使将体解析水能尽量流出采空区。
        5)用于制将材料固体颗粒度应小于2mm,以加强渗透性,且应具有一定的稳定性。
5、灌注泥浆方法
        由于本矿井井下煤层的自然发火期较短,工作面推进速度快,结合邻近矿井及附近矿区的经验,采取随采随灌和采后灌浆相结合的灌浆办法。随采随灌采用埋管灌浆的方法,在回采过程中,随着工作面推进,放顶前沿两侧顺槽在采空区内预先埋好灌浆管。采后封闭灌浆就是在工作面回采结束后,在两顺槽施工防火密闭对采空区进行封闭,通过预留在密闭上的灌浆管向停采线内采空区灌浆,充填空间。
6、灌注浆步骤
        打开供水阀门,根据计划注浆的流量和浓度调整水量;通水一段时间后使用装载机将黄土加入到定量送料机料箱内,定量送料机会按已设定的输送量把黄土均匀送上输送机,输送机再把黄土送入制浆机;水也在制浆机的进料口位置加入,制浆机将水与黄土混合、搅拌制成均匀浓度浆液,并将浆液中大于15mm的颗粒滤出;由悬浮剂添加机在制浆机出口管加入悬浮剂,浆液与悬浮剂进入滤浆机后进行搅拌混合;浆液自流进入滤浆机,滤浆机将浆液中大于8mm的颗粒滤出,以免将输浆管路沉淀堵塞;合格浆液自流进入缓冲池,由泥浆泵通过管路输送至井下注浆地点。浆液到达注浆地点附近时,用“矿用移动式防灭火注浆装置”按比例要求(自动)加入胶凝剂,然后通过预埋管路注入火区或采空区。胶凝剂会使浆液在一定时间内(约1min)发生胶凝反应,形成类似豆腐状流动性小的物体,在压力作用下通过裂隙缓慢移动,失去部分水后完全失去流动性,起到隔离带作用,达到防灭火目的。预埋管一端通采空区,一端接胶管,预埋管长一般为20~30m,顶板垮落后立即开始灌浆。
        随回采工作面的推进,按顶板垮落步距用回柱绞车逐渐牵引灌浆管,牵引一定距离灌一次浆。
7、灌注泥浆参数计算及选择
(1)灌注泥浆工作制度
        灌泥浆系统工作制度与矿井工作制度相同,即年工作日330d,每天三班作业。每天纯灌浆时间为15h。
(2)灌注泥浆所需黄土量
        Q黄土=K·m·L·H·C
        式中:Q黄土——日灌浆需黄土量,m3/d;
        K——灌浆系数,0.03;
        m——煤层采高,4.0m;
        L——工作面日推进度,6.5m;
        H——灌浆区的倾斜长度,300m;
        C——回收率,93%。
        Q黄土=0.03×4.0×6.5×300×93%=217.6m3/d
(3)灌泥浆的水土比
        根据设计及附近矿区的实际灌浆效果,确定水土比为3∶1。
(4)每日制泥浆用水量
        利用井下排水制备泥浆,日用水量为:
        QS1=KS×Q×δ=1.2×217.6×3=783.36 m3/d。
        式中:KS——用于冲洗管路防止堵塞的水量备用系数,取1.2;
        QS1——日用水量,m3/d;
        δ——土水比的倒数,取3.0;
(5)每日灌泥浆量:
        Qj=(Q+ QS1)×m=(217.6+783.36)×0.88=880.8m3/d
        式中:Qj——日灌注砂浆量,m3/d;
        m——砂浆制成率,取88%;
(6)平均小时灌泥浆量:
        Qjs=Qj/15=880.8/15=58.72m3/h
        式中:Qjs——小时灌注泥浆量, m3/h;
8、灌泥浆材料的选择
        传统的灌浆防灭火一般采用粘土、亚粘土等,本次设计采用黄土作为灌浆材料,具有费用低、取材方便等特点。
9、泥浆制备
        (1)取黄土方式
        矿井灌泥浆用土就近采取(或可根据矿方情况,自行选择车辆从其它地方选取),存放在制浆站附近储土场内。
        制浆站内采用装载机进行机械取土上料。
        (2)制泥浆站:地面固定式制浆站布置在工业广场内。
        (3)制浆站主要设施主要有贮土场、灌浆站房、缓冲池及清水池。
        (4)制泥浆主要设备主要有上料设备、联合制浆机、清水泵、排污泵及自动监控系统。
10、多功能灌泥浆系统与工艺流程
(1)多功能灌浆系统
        多功能灌浆系统由浆料贮存场地、上料设备、联合制浆机、水泵、渣浆泵、流量计和输浆管网系统等部分构成,制浆设备、输浆管网系统等构成。
(2)多功能灌浆工艺流程:详见图
       
        图6-4-1灌浆防灭火系统流程框图
(3)多功能灌浆防灭火系统应用工艺:
        a.注浆:打开供水阀门,根据计划注浆的流量和浓度调整水量;通水一段时间后通电使联合制浆机的滚筒正向旋转并使用装载机把黄土从贮土场加入到联合制浆机的料箱内,送料装置会按已设定的给料量把黄土添加到制浆装置的滚筒内;水经由送料装置加入制浆装置,制浆装置把水与黄土混合、搅拌制成均匀浓度浆液,浆液会从制浆机尾部流入滤浆装置,经过滤浆装置的过滤,合格浆液流入浆液缓冲池,浆液自流或经渣浆泵的输送进入注浆管路。
        b.排渣:在系统正常运行时,切断联合制浆机送料装置的电源,继续通水运行联合制浆机10分钟后,停水关闭联合制浆机电源,待制浆机滚筒完全静止。反向启动联合制浆机滚筒,制浆机即进入排渣状态,残渣会从滚筒尾部进入滤浆装置,残渣经过滤浆装置落入渣坑,等积攒到一定程度由装载机一并运走,一般每个班清渣两次,如砂土质量比较高含杂质少,可一班清渣一次。
11、多功能灌浆防灭火系统设计参数
        a.制浆原料:黄土;b.动力:系统设备总功率约110kW;
        c.供水:55m3/h,水压大于0.1MPa,要求水中无不溶性杂物;
        d.土水比:1:1~1:3;
        e.制浆料用量:<25m3/h;
        f.注浆量:70 m3/h;
12、多功能灌浆防灭火系统功能
        功能一:灌浆。本系统每小时最多可将23.3m3/h的制浆料(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:必要时,可灌注稠化胶体。通过加入一定比例的稠化浮分子,使浆液成为稠化胶体,然后通过灌浆管网,到达用浆地点。浮分子同时还具有降低浆液阻力和悬浮固体颗粒的作用,能增加浆液的输送距离和有效防止堵管的发生
13、灌浆防灭火管路
(1)灌浆管路选择及布置
        主斜井工业场地安装地面灌浆站,按最大灌浆量70 m3/h计算,灌浆管路选用1趟D159×10无缝钢管,灌浆管路由地面灌浆站沿主斜井敷设至井下主运输大巷,并沿主运输大巷经工作面顺槽至采空区、顺槽联络巷密闭、回撤通道联络巷密闭等需要灌浆的地点。
        井下灌浆管路布置随回采工作面布置、灌浆地点的变化随时调整。
        经计算,主斜井管路选用D159×10型无缝钢管,主运大巷选用D133×8型无缝钢管,工作面顺槽选用D114×6型无缝钢管,所有管路均采用法兰连接,干管分支处设置闸阀,管路低洼处设置放水管和闸阀。
(2)灌浆管路系统验算
        a.管路系统配置
        本矿井灌浆系统管路由地面灌浆站至最远采空区总长约7000m,垂高约112m,灌浆倍线为62.5,远大于常用的灌浆倍线值,因此必须考虑机械加压的方式以改善灌浆效果。
        鉴于本矿井采用的是灌注泥浆,为防止浆液在管路中沉淀或堵塞,由矿方根据实际情况在适当位置设置管道加压泵(要求防爆注浆泵注量为70 m3/h,配防爆型电机)。
        b.灌浆系统管网验算
        临界速度校验
        根据灌浆管路直径、砂水比及密度,结合泥浆的输送实验数据,泥浆在管路中的临界流速约为1.23m/s。
        为防止砂浆、胶体在管路中沉淀或堵塞,设计中管内泥浆的实际流速均大于临界流速,以保证泥浆在管路中正常流动。生产中应根据实际情况调整砂浆比,以达到最佳的灌浆效果。
        D133×8灌浆管路实际最小流速:
       

        式中:δ-管壁厚度,mm;
        d-管路内直径,cm;
        P-管路最大工作压力,kPa;
        Rc-许用压力;
        af-因管壁不均匀的附加厚度,无缝钢管可取2.0mm;
        b-考虑管路磨损的附加厚度,一般取1.5mm;
        对于D159mm灌浆管路:δ=6.8 mm
        对于D133mm灌浆管路:δ=6.3 mm
        对于D108mm灌浆管路:δ=5.6 mm
        根据上述公式,灌浆管路选用D159×10、D133×8、D108×6型无缝钢管,所选注浆管路壁厚均满足要求。
        为了保证灌浆管路畅通,每次灌浆完毕,须用清水将管道内冲洗,冲洗时间不小于30min。同时,在灌浆管路的最低点设置放水闸门,每次冲洗后,应将管内的泥水放掉,以免沉积阻塞管路。
14、灌浆的疏水
        根据矿井的实际生产经验,灌浆后的疏水主要利用工作面下顺槽排水沟自流排出,同时设计在工作面下顺槽配备了污水泵等设备,在不能自流排出的地点利用污水泵排出。灌浆封闭采空区后的部分污水存留在采空区内。
参考文献:
[1]刘玉山.在岩浆浸入煤层中采煤提高煤质的有效途径.煤质技术.2005(6)
[2]张金山 王浩 宫玉成 李晨《煤》2013年 第4期
作者简介:
王海宁(1983-),男,陕西省延安市延川县人,2001.9-2005.7 就读于辽宁工程技术大学机械工程及自动化专业,05年7月招聘于神东分公司,并开始在神东设计院工作,从事煤矿井下及地面机械设备布置及安装设计工作。于2006年12月评为机电助理工程师,于2010年12月评审为工程师。

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