摘要：針對(duì)保德煤礦8號(hào)煤層Ⅱ類自燃特性，結(jié)合保德煤礦生產(chǎn)實(shí)際，設(shè)計(jì)選用地面灌漿防滅火系統(tǒng)，漿液灌入采空區(qū)以后，固體物沉淀，充填于浮煤縫隙之間，包裹煤體，杜絕漏風(fēng)，防止氧化，達(dá)到防滅火的目的。本次設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容包括灌漿系統(tǒng)的選擇、漿材的配置及質(zhì)量、灌漿量的計(jì)算、灌漿管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)、灌漿站主要設(shè)施、灌漿方法的確定等。

關(guān)鍵詞：防滅火；灌漿系統(tǒng)；灌漿量；灌漿管道；灌漿站；灌漿方法

保德煤礦是神東煤炭集團(tuán)所屬的大型石炭二疊紀(jì)出口煤配煤基地，井田南北走向長(zhǎng)平均12.3km，東西傾向?qū)捚骄?.7km，井田面積55.9km²，煤層傾角3°～9°，總體上為平緩的單斜構(gòu)造形態(tài)。區(qū)內(nèi)可采煤層共4層，分別為二疊系山西組8號(hào)煤層（目前正開采）和石炭系太原組10、11、13號(hào)煤層，其中8、10號(hào)煤層全區(qū)可采，10、13號(hào)煤層局部可采。礦井屬高瓦斯礦井，8#煤層屬Ⅱ類自燃煤層，自然發(fā)火期為105～262天，且煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。

1、灌漿系統(tǒng)的選擇

我國(guó)目前使用的灌漿系統(tǒng)，分為集中灌漿和分散灌漿兩大類。

集中灌漿存在以下優(yōu)點(diǎn)：一是工作集中，便于管理；二是人員少，效率高；三是便于掌握泥漿的濃度和質(zhì)量；四是占地較少。集中灌漿存在的缺點(diǎn)是初期投資大，建設(shè)時(shí)間長(zhǎng)。

集中灌漿適用的條件：煤層埋藏較深，礦井灌漿量大且采區(qū)生產(chǎn)集中的礦井。

由于保德煤礦8#煤層平均厚度為6.83m，灌漿量較大，生產(chǎn)相對(duì)集中，本設(shè)計(jì)采用集中灌漿系統(tǒng)，在劉家堰工業(yè)場(chǎng)地建立一個(gè)集中灌漿站為全礦井服務(wù)。

2、漿材的配置及質(zhì)量

漿材必須滿足下列要求：

（1）不含助燃和可燃材料。

（2）粒度直徑不能大于2mm，細(xì)小粒子（粒度小于1mm）要占75%。

（3）主要物理性能指標(biāo)：比重2.4～2.8；塑性指數(shù)9～14；膠體混合物25～30%；含砂量25～30%。

（4）易脫水又要具有一定穩(wěn)定性。

根據(jù)以上要求，保德煤礦防滅火灌漿材料可選擇為黃土。

3、灌漿量計(jì)算

以保德煤礦81504綜放工作面為例進(jìn)行計(jì)算。

（1）日灌漿所需土量

灌漿所需土量主要根據(jù)灌漿區(qū)容積、采煤方法及地質(zhì)情況等因素確定。

Q_t1=K×M×L×H×C=0.03×7.4×6.7×250x0.948=352.5

式中：Q_t1-日灌漿所需土量，m³/d；

M-煤層采高，m，81504綜放工作面采高取7.4m；

L-工作面日推進(jìn)度，m，81504綜放工作面取6.7m；

H-灌漿區(qū)的傾斜長(zhǎng)度，m，取250m；

C-采煤回收率，%，81504綜放工作面采煤回收率取94.8%；

K-灌漿系數(shù)；即漿液的固體材料體積與需要灌漿采空區(qū)體積之比。反映頂板冒落巖石的松散系數(shù)，泥漿收縮系數(shù)和跑漿系數(shù)等綜合影響，視現(xiàn)場(chǎng)具體情況而定，一般取值3%-12%，無自然發(fā)火情況取3%即可；利用灌漿鉆孔對(duì)上覆采空區(qū)灌漿時(shí)，灌漿系數(shù)最大不得超過30%。保德煤礦井下采空區(qū)無自然發(fā)火情況，灌漿系數(shù)取3%。

（2）日灌漿實(shí)際所需土量

Q_t2=α×Q_t1=1.1×352.5=387.8

式中：Q_t2-日實(shí)際灌漿所需土量，m³/d；

α-取土系數(shù)（考慮土中雜質(zhì)和開采運(yùn)輸損失，取α=1.1）。

（3）日制備漿液所需水量

Q_t1=Q_t2×δ=387.8×3=1163.4

式中：Q_t1-日制備漿液所需水量，m³/d；

Q_t2-日灌漿實(shí)際所需土量，m³/d；

δ-土水比的倒數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況選取，一般在2-5之間，保德煤礦地面灌漿土水比為1：3。

（4）日實(shí)際灌漿所需水量

Q_t2=K_w×Q_s1=1163.4×1.1=1279.7

式中：K_w-沖洗管路防止堵塞用水量的備用系數(shù)，一般取1.10-1.25；

Q_s1-日制備漿液所需水量，m³/d；

Q_t2-日實(shí)際灌漿所需水量，m³/d。

（5）日灌漿量

每日的灌漿量可按下式計(jì)算：

M-泥漿制成率，如表1所示。

（6）每小時(shí)灌漿量Q_jh

4、灌漿管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）灌漿管道系統(tǒng)布置

灌漿管路有“L”和“Z”布置形式，如圖1所示，各自的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

①L形：優(yōu)點(diǎn)：能量集中，充分利用自然壓力，管路有較大的灌漿能力；安裝維護(hù)管理簡(jiǎn)單。

缺點(diǎn)：井深時(shí)壓力過大，易崩管。

②Z形：與L形相反。

所以灌將管路采用“L”形布置，能使能量集中，充分利用自然壓力，管路有較大的灌漿能力。

（2）灌漿路線

地面灌漿站→立風(fēng)井→回風(fēng)大巷→回風(fēng)順槽→工作面。

（3）輸送倍線計(jì)算

保德煤礦劉家堰地面工業(yè)廣場(chǎng)至81504綜放工作面的高差為373m，漿液自地面管路的入口至灌漿區(qū)最不利點(diǎn)管路的出口管線總長(zhǎng)度為4234m，至灌漿區(qū)最有利點(diǎn)管路的出口管線總長(zhǎng)度為1800m，則81504采空區(qū)灌漿管的倍線為：

式中：L-漿液自地面管路的入口至灌漿區(qū)管路的出口管線總長(zhǎng)度，m；

H-漿液入出口之間的高差，m。

理論上合理的灌漿倍線比在3-8之間灌漿效果較好，8 1504綜放工作面灌漿倍線比在4.83-11.35之間，由此可知，81504綜放工作面可以選取地面灌漿系統(tǒng)。

（4）干管管徑計(jì)算

根據(jù)泥漿流速確定，對(duì)泥漿流速的要求是：能夠保證泥漿中固體顆粒在輸送過程中能夠順利流動(dòng)而不要沉淀在管中，以致發(fā)生堵管事故。

臨界流速：保證泥漿中固體顆粒在輸送過程中能夠順利流動(dòng)而不沉淀或生堵管的最小平均流速。他與土壤的質(zhì)量、含砂量、比重、土水比等因素有關(guān)，可通過查表得出。

根據(jù)臨界流速計(jì)算管徑后再反過來驗(yàn)算實(shí)際流速，使之略大于臨界流速以保證泥漿的輸送和獲得最經(jīng)濟(jì)的管徑。

①直徑計(jì)算

②查表選擇直徑d

根據(jù)上表，選擇外徑為168mm的熱軋無縫鋼管。

③校驗(yàn)實(shí)際流速

綜上，實(shí)際流速滿足需要。

（5）管壁計(jì)算

①垂直巷道

②水平巷道

因此，上面選取的管徑合理。

（6）管材確定

地面灌漿管一般采用鑄鐵管，井下根據(jù)灌漿壓力確定：當(dāng)灌漿壓力大于16個(gè)大氣壓時(shí)，選用無縫鋼管。

壓力P=0.11×1.283×310=43.75kg/cm²=4.4Mpa，壓力大于16個(gè)大氣壓，選用無縫鋼管。

綜上，最終選擇D168×7的無縫鋼管。

5、灌漿站主要設(shè)施

由于礦井灌漿量大，采用機(jī)械取土，建立集中灌漿站、泥漿攪拌池制備泥漿。地面制漿站由制漿車間、值班室和土棚三部分組成，制漿車間和值班室為地上式，土棚設(shè)有防雨棚。灌漿站主要設(shè)備見表3。

6、灌漿方法的確定

我國(guó)煤礦采用的預(yù)防性灌漿的方法多種多樣，大體可分為：采前灌漿、隨采隨灌、采后灌漿等三種類型。

隨采隨灌即隨著回采工作面的推進(jìn)，同時(shí)向采空區(qū)灌漿。其作用一是防止遺漏在采空區(qū)內(nèi)的浮煤自燃；二是膠結(jié)頂板冒落的矸石，形成再生頂板，為下分層開采創(chuàng)造條件。另外，它還具有防塵、降溫的作用。隨采隨灌的方法根據(jù)采區(qū)巷道布置方式不同，頂板巖石冒落情況不同又多種多樣。如埋管灌漿、插管灌漿、灑漿、打鉆灌漿等。

因回風(fēng)巷道埋管灌漿工藝最為簡(jiǎn)單，使用方便，本設(shè)計(jì)利用隨采隨灌的方式進(jìn)行踏步式埋管灌漿，即隨著回采工作面推進(jìn)向采空區(qū)內(nèi)埋設(shè)管道進(jìn)行灌漿（出漿口距工作面的距離應(yīng)不小于30m，由高位向低位灌漿），以充填采空區(qū)空隙，覆蓋采空區(qū)遺煤，防止采空區(qū)發(fā)生自燃。注漿步距確定為50m，工作面灌漿方法如圖2所示。