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1、MDZ-60地面固定式灌 浆 注 胶 防 灭 火 系 统设计方案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2006年5月12地面固定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
2、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
3、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
4、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
5、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（T90%），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
6、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。胶体性能固水；降温；堵漏；阻化；充填；有效期长；成胶时间可控；灭火安全；速度快产品名称（稠化胶体）悬浮剂（复合胶体）胶凝剂（高分子胶体）灭火剂型号JXF1930FCJ12MCJ1
7、2胶体外观主要用途及性能特点增加浆液的粘稠度、保水性和渗透性；使稀泥浆达到稠泥浆的防灭火效果；解决浆液管路输送过程中的沉淀堵管问题。实现浆液的液固转化；指定地点停留，充分发挥胶体的降温和堵漏风作用；有粘弹性，可对移架造成的新裂隙进行二次封堵。实现水的液固转化；堵塞煤层缝隙，包裹高温煤体，隔绝氧气，降低煤温，扑灭火源。用量0.1%0.06%0.8%使用方法均匀撒入浆液中；通过专用设备加入。在注浆点附近，通过煤矿用注浆机将其加入灌浆管路。在灭火地点附近，通过煤矿用注浆机，将其与水混合后注入火区。适用环境仰采工作面采空区；沿空巷道邻近采空区；开切眼和停采线灌浆。俯采工作面采空区；沿空巷道邻近侧采空区
8、；巷邦及巷道顶；开切眼和停采线灌浆灭火。火灾快速控制和熄灭；小范围区域的防火。性能对比用水灭火胶体灭火技术指标外观：白色固体；粒度：0.2mm；容重：0.80g/cm3；包装：25kg50g；储存：阴凉干燥处；保质期：2年。2胶体防灭火系统的类型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。系统名称地面固定式注胶防灭火系统地面移动式注胶防灭火系统井下移动式注胶防灭火系统型号MDZ-60MYZ-30ZMJ-15工艺流程地面：系统将水、黄土等用量大的材料，以及需添加的胶体外加剂按比例混合好后，通过灌浆管路输送至井下防灭火地点；井
9、下：将胶凝剂等用量小且易运输的材料，通过煤矿用注浆机，加入浆管内与浆液混合后，注入防灭火区域。系统将水、黄土等材料，以及需添加的外加剂按比例混合好后，通过管道输送至地面注胶灭火钻孔内或井下防灭火地点；利用ZM-5/1.8G煤矿用注浆机，将FCJ12胶凝剂等材料按比例加入浆管内与浆液混合后，注入防灭火区域。井下：系统将水、粉煤灰等材料按比例混合好后，通过管道输送至防灭火地点，用煤矿用注浆机，将胶凝剂按比例加入浆管内与浆液混合后，注入防灭火区域。优点控制范围广；运行稳定、流量大；井下材料运输量极小；井下人员工作量极小。移动灵活，适应性强；灌浆站位置可机动地改变；灌浆倍线小；不需固定设施。系统投资小
10、；灭火时反应快；系统所需空间小。缺点投资大，管路长，需小量注胶的地点，不易操控。需在地面寻找合适的场地，且水、电和制浆料易于到位。井下原料运输量较大。系统主要设备定量送料机、胶体制备机、滤浆机、渣浆泵、排污泵、监控系统、煤矿用注浆机。制滤浆机、悬浮剂添加机、渣浆泵、煤矿用注浆机、控制柜等。泥浆泵、煤矿用注浆机、矿用移动式防灭火注浆装置。3 MDZ-60地面固定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40m3的制浆料（土、灰）送入制滤机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：灌注稠化胶体。通过加入一定比例的JXF1930稠化悬浮剂，使
11、浆液成为稠化胶体，然后通过渣浆泵输送至灌浆管网，到达用浆地点。功能三：灌注复合胶体。在注浆地点附近，使用“ZM-5/1.8G（N）煤矿用注浆机”向输浆管路的浆液内加入FCJ12复合胶体胶凝剂，形成复合胶体泥浆注入火区。功能四：压注高分子胶体。使用“ZM-5/1.8G（N）煤矿用注浆机”以每小时5 m3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MDZ-60地面固定式胶体防灭火系统由浆料储存场地、浆料输送、连续式定量制浆、过滤搅拌、计量、输浆及管网系统和外加剂添加等部分构成，见图1和图2。图1 地面固定式灌浆注胶防灭火系统流程框图图2 地面固定式灌浆注胶
12、防灭火系统工艺流程图3.3系统布置本系统主要设备、仪表、控制柜等都应以固定形式安装在注浆站内，注浆站应建有一定面积的厂房，主要制、滤浆设备及控制系统等需安装于厂房内。所使用的防灭火材料也应放置于厂房内，制浆原料等置于厂房外，但应有雨蓬防雨。从灌浆站至井下的灌浆管路最好通过钻孔进行连接。“煤矿用注浆机”置于井下靠近灌浆点附近（不超出150m）做为胶凝剂的添加设备，也可做为突发火区和小范围高温点的前期控制和灭火装备。材料的运输及贮存：制浆料（黄土、粉煤灰）由采土场（尽可能过筛或使用较好的黄土（粉煤灰）用货车运至运至灌浆站土场（可提前贮存一定量，约500方），用推土机或铲车将黄土（粉煤灰）装入制浆机
13、的主料箱内。基料（水玻璃）可使用罐车（每车510方不等）运至灌浆站并放入基料池（基料池内严禁有水或进水），使用时打开阀门即可放出。悬浮剂购入后放置于灌浆站材料库中，灌浆时取出使用，材料库严禁进水并保持阴凉干燥。胶凝剂在注胶时由井下操作工人从地面运至井下使用地点（每班使用量很少）。注浆站的布置：本地面灌浆站须建在供水、供电、交通运输及能满足灌浆倍线要求的地方。现以宁煤集团羊场湾煤矿为例，见图3。图3 地面固定式灌浆注胶防灭火系统平面布置示意图供水：附近有稳定流量（大于50m3/h）的供水水源，如：高位水仓、稳定水原井、河流边、井下返水点等附近。如果灌浆站位置不能满足这些条件则需在灌浆站附近新建储
14、水仓，由水源处间断或连续小流量向水仓供水，以保证灌浆时所需水量。供电：根据所选用的设备不同，其供电功率相差较大，选用110KW渣浆泵时供电功率为180KW，建议在现场允许的条件下架设独立变压器为系统单独供电。交通运输：灌浆站应建设在交通便利、场地较为宽阔的地方，以保证设备、人员、原料运输的畅通。灌浆倍线：灌浆倍线是指灌浆管路出、入口之间的灌浆管路长度与垂直高差的比值，不同浆液浓度所需的倍线值不同。本系统中加入悬浮剂的1：1的灰浆的灌浆倍线不应大于15，否则就应考虑使用钻孔以缩短灌浆管路长度或加压提升浆液理论垂直高度。当使用较长地面管路时应充分考滤地形条件对管路产生的影响而选用合理的设备进行输送
15、。3.4应用工艺1）灌浆：打开供水阀门，根据计划注浆的流量和浓度调整水量；通水一段时间后使用装载机（推土机）把黄土（粉煤灰）从土场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（粉煤灰）均匀送上输送机，输送机把黄土（粉煤灰）送入胶体制备机；水也在胶体制备机的进料口位置加入，制浆机把水与黄土（粉煤灰）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；2）灌注稠化胶体（+悬浮剂）：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（推土机）把黄土（粉煤灰）从土场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（粉煤灰）均匀送上输送机，输送机把
16、黄土（粉煤灰）送入制浆机；水也在制浆机的进料口位置加入，制浆机把水与黄土（粉煤灰）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，由渣浆泵（泥浆泵）送至井下注胶地点（灌浆站附近有钻孔可不使用泵送，由滤浆机出口管路直接自流入钻孔）。3）灌注复合胶体（胶凝剂）：关闭水玻璃的出口阀门。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（推土机）把黄土（粉煤灰）从土场加入到定量送料机料箱
17、内，定量送料机会按已设定的输送量把黄土（粉煤灰）均匀送上输送机，输送机把黄土（粉煤灰）送入制浆机；水也在制浆机的进料口位置加入，制浆机把水与黄土（粉煤灰）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，由渣浆泵（泥浆泵）送至井下注胶地点（灌浆站附近有钻孔可不使用泵送，由滤浆机出口管路直接自流入钻孔）。浆液到达注胶地点附近时，用“煤矿用注浆机”按比例（自动）要求加入胶凝剂，胶体通过钻孔或预埋管路注入火区
18、或采空区。胶凝剂会使浆液在一定时间内（1分钟左右）发生胶凝反应，形成类似豆腐状无流动性固体，在压力做用下通过裂隙缓慢移动，失去部分水后完全失去流动性。4）压注高分子胶体：在井下安装好“煤矿用注浆机”（离用胶地点距离小于30m），把“胶体灭火剂”加入胶凝剂料箱，按使用现场的要求调节“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。3.5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110kw； 3）供水：大于50m3/h，水压大于0.4Mpa，要求水中无不溶性杂物；4）水灰比：31:1；5）制浆料用量：4kw；电压：380V。将黄土（粉煤灰）等制浆料送至胶体制备机内。
19、3）胶体制备机型号：ZLJ-60 数量：1台制胶量：60m3/h；功率：18.5kw；电压：380V。将粉煤灰或土与水混合，连续制、滤成符合浓度和粒径要求的浆液。4）滤浆机型号：LJ-60C 数量：1台最大滤浆量：60m3/h；功率：7.5kw；电压：380V。将胶体制备机制成的浆液过滤成符合浓度和粒径要求的浆液。5）渣浆泵型号：4/3C-AH 数量：1台流量：80m3/h；功率：22kw；扬程：30m；电压：380V。6）清水泵型号：IS80-50-200 数量：1台流量：60m3/h；功率：15kw；扬程：50m；电压：380V。7）排污泵型号：WQ15-30-2.2 数量：1台流量： 1
20、5m3/h；功率：2.2kw；扬程：30m；电压：380V。8）控制系统数量：1套监控胶体防灭火系统中设备的运行；电气控制和电气保护机构，系统操作和主要灌浆注胶参数的统计和显示，灌浆注胶数据的收集和发送。9）煤矿用注浆机型号：ZM-5/1.8G 数量：1台流量：5m3/h；功率：7.5kw；压力：1.8Mpa；电压：380/660V。可单独使用，也可与系统配套用，实现浆液到达使用地点时的液固转化。3.7注浆站土建灌浆车间：18m12m8m(长宽高)，8t手动吊车；土场雨棚：面积300m2，20m15m6m(长宽高)；设备基础：混凝土结构约50 m3。3.8系统资金概算总经费：约380万元。其中
21、：1）土建：60万元；2）灌浆管路：40万元（规格114mm*6mm；长4.0km）；3）装载机：25万元（型号：LW521F轮式装载机；载重：5T）；4）输变电设备、设施及系统电力配套：15万元（功率：300KW）；5）系统安装费：25万元；6）设计费：15万元；7）系统设备：195.8万元（见下表）。MDZ-60地面固定式灌浆注胶防灭火系统设备价格清单序号名 称规格型号数量功率(kw)生产厂家单价(万元)小计(万元)备注1定量送料机ZSL-401台15西安森兰21.021.02皮带输送机DT751套48.08.03胶体制备机ZLJ-601台18.5西安森兰68.068.04滤浆机LJ-60C1台7.5西安森兰32.032.05渣浆泵4/3C-AH1台22石家庄泵业4.84.86清水泵IS80-50-2001台15上海0.80.87排污泵WQ15-30-2.21台2.2宝鸡0.40.48监控系统ZK-601套西安森兰35.035.09煤矿用注浆机ZM-5/1.8G1台7.5西安森兰13.813.810其它附件12.0小 计195.8