ZHJ-10井下移動(dòng)注膠系統(tǒng)(煤峪口)設(shè)計(jì)

井下移動(dòng)式防滅火注膠系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明西安森蘭科貿(mào)有限責(zé)任公司西安科技大學(xué)礦山應(yīng)用技術(shù)研究所井下移動(dòng)式防滅火注膠系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明煤層自燃火災(zāi)嚴(yán)重影響著礦井的安全生產(chǎn)。在發(fā)現(xiàn)煤層自燃高溫點(diǎn)時(shí)，采用常規(guī)的注水、灌漿和噴阻化劑時(shí)，由于重力作用，漿液流往低處，不能在高處積存、滲流范圍很小，難以撲滅高處大面積火源；漿液往低處流，沖出水溝，不能有效降低塊煤內(nèi)部溫度，停止注漿后，風(fēng)流滲透流暢，復(fù)燃很快，且用水或灌漿控制火勢(shì)時(shí)，將迅速產(chǎn)生大量水蒸汽，反而會(huì)促進(jìn)煤層自燃火勢(shì)發(fā)展，惡化工作環(huán)境，并有產(chǎn)生水煤汽爆炸的危險(xiǎn)。采用注氮、注惰性泡沫滅火時(shí)，需封閉性嚴(yán)，且氣體熱容小，能帶走高溫區(qū)的熱量有限，滅火周期很長(zhǎng)，火區(qū)復(fù)燃概率高。膠體防滅火技術(shù)集堵漏、降溫于一體，防滅火效果佳，已成為煤層自燃火災(zāi)治理的主要技術(shù)手段之一。1膠體防滅火技術(shù)簡(jiǎn)介以硅膠為主體的“凝膠”、“膠體泥漿”和“粉煤灰凝膠”由基料、促凝劑、增強(qiáng)劑（黃土或粉煤灰等）和溶劑（水）按一定比例混合而成?！俺砘z體”和“復(fù)合膠體”則是由有機(jī)高分子材料、水和粉煤灰（或黃土）構(gòu)成。1.1膠體防滅火材料的性能1）固水性:純膠體中90%以上是水,易于流動(dòng)的水被固結(jié)起來(lái),使水的滅火作用得以充分發(fā)揮。2）吸熱降溫性:成膠過(guò)程是吸熱反應(yīng),煤溫上升使膠體中的水汽化,也將吸收大量的熱。3）滲透和堵漏性:成膠材料是易于流動(dòng)的液體,滲透到煤層縫隙中后形成膠體，堵住漏風(fēng)通道。4）阻化性:促凝劑和基料本身都是阻化劑,兩者反應(yīng)生成的材料也是阻化劑,膠體具有通用阻化劑的性能,對(duì)高硫礦仍有良好的防滅火性能。5）熱穩(wěn)定性:在1000多度的高溫下膠體不熔化、不破裂,仍能保持完好，只是慢失水干裂,但殘?jiān)?增強(qiáng)劑和SiO2)仍充填著煤體孔隙。6）充填性能:增強(qiáng)劑用量增加, 膠體耐壓性增強(qiáng),高濃度的膠體泥漿和粉煤灰凝膠可充填高冒空頂區(qū)。7）在井下正常情況下（T90%）,膠體可長(zhǎng)期保存在煤層中（現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)十三個(gè)月仍完好），防止煤層自然發(fā)火或火區(qū)復(fù)燃。8）成膠時(shí)間可以控制,便于針對(duì)不同發(fā)火情況和現(xiàn)場(chǎng)使用工藝對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，最短成膠時(shí)間25秒,慢的可控制在數(shù)十小時(shí)。9）材料來(lái)源廣泛,成本低廉,工藝簡(jiǎn)單。與灌漿系統(tǒng)相配合的大流量壓注膠體泥漿工藝可用于撲滅大面積煤層自燃火災(zāi)。稠化膠體與復(fù)合膠體除具有上述膠體特性外，還有如下特性：1）添加劑用量極少，僅為千分之幾或萬(wàn)分之幾，在滅火中使用，可使固體滅火材料在井下的運(yùn)輸量大幅度減少。2）膠體有粘彈性，它能緊密充填于煤層間隙，即使煤層壓裂破碎也不會(huì)產(chǎn)生漏風(fēng)裂隙，可對(duì)移架、礦壓等造成的新裂隙進(jìn)行二次封堵。3）膠體具有觸變性且受熱粘度降低。在進(jìn)行輸送時(shí)，其粘度較低，運(yùn)輸阻力不大，而進(jìn)入煤層靜止后，其粘度增大，可滯留在煤層中，吸熱堵漏；材料受熱粘度降低，使其在煤層中向高溫點(diǎn)的流動(dòng)變得容易，而從高溫點(diǎn)向外流相對(duì)較困難，有利于滅火。1.2膠體防滅火技術(shù)的特色1）滅火速度快：由于膠體獨(dú)特的滅火性能,其滅火速度很快,通常巷道小范圍的火僅需幾小時(shí)即可撲滅,工作面后方大范圍的火也只需幾天即可撲滅。2）安全性好：膠體在松散煤體內(nèi)膠凝固化、堵塞漏風(fēng)通道,故有害氣體消失快；在高溫下，膠體不會(huì)產(chǎn)生大量水蒸汽,不存在水煤氣爆炸和水蒸汽傷人危險(xiǎn)。3）火區(qū)啟封時(shí)間短：注膠滅火工程實(shí)施完，不需等待（煤礦安全規(guī)程規(guī)定各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到啟封條件后還需觀察穩(wěn)定一個(gè)月才能啟封）,即可啟封火區(qū)。4）火區(qū)復(fù)燃性低：高溫區(qū)內(nèi)只要有膠體滲透到的地點(diǎn)都不會(huì)復(fù)燃。1.3膠體防滅火系統(tǒng)膠體防滅火系統(tǒng)的工藝流程見(jiàn)圖1。圖1 井上、井下配合的管路大量流注膠工藝圖1）系統(tǒng)可用粉煤灰灌漿材料，實(shí)現(xiàn)灌漿材料就地取材；2）系統(tǒng)能制備各種濃度漿液（水土比最高可達(dá)1:1），以適應(yīng)不同情況的灌漿；3）通過(guò)在高濃度漿液中加入懸浮劑，使高濃度漿液能夠通過(guò)膠體防滅火系統(tǒng)順利地輸送到用漿地點(diǎn)，且不會(huì)堵塞管路；4）僅需變換外加劑，即可通過(guò)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大流量地壓注凝膠、復(fù)合膠體和固化充填材料等多種新型防滅火材料，提高系統(tǒng)的利用率。圖2 稠化膠體膠體防滅火系統(tǒng)的功能如下：1）灌注高濃度粉煤灰漿液（稠化膠體）稠化膠體由粉煤灰、水和稠化懸浮劑組成（見(jiàn)圖2）。在地面灌漿池內(nèi)的粉煤灰漿液中按0.1%的比例加入JXF1930稠化懸浮劑，即可形成稠化膠體，每立方膠體材料的外加劑成本約910元。它能夠?qū)崿F(xiàn)高濃度粉煤灰漿液（最高水灰比可達(dá)1:2），的遠(yuǎn)距離管路輸送。圖3 凝膠加入懸浮劑的漿液具有保水性、滲透性、懸浮性和致密性，在使用過(guò)程中漿液不離析，流動(dòng)性好，而且漿液與管壁的摩擦阻力減小，便于泵送和管路運(yùn)輸。較好的保水性和致密性能，又可在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)覆裹煤體。稠化膠體成本低主要用于停采線、切眼、采空區(qū)等大面積區(qū)域的灌漿防滅火。2）灌注凝膠或粉煤灰凝膠凝膠（圖3）由基料、促凝劑、增強(qiáng)劑(砂土或粉煤灰等)和水按一定比例混合而成?；虾痛倌齽┛傆昧繛?013%，增強(qiáng)劑為050%，每立方膠體材料外加劑的成本約60100元。主要用于煤層頂部火災(zāi)、空洞及兩道密閉間的充填堵漏。在地面灌漿池內(nèi)的粉煤灰漿液或清水中按比例加入凝膠基料（液態(tài)水玻璃），在井下用漿地點(diǎn)附近通過(guò)ZM-5/1.8G煤礦用注漿機(jī)將促凝劑（碳酸氫氨或碳酸氫鈉）按比例加入灌漿管網(wǎng)內(nèi)，即可實(shí)現(xiàn)大流量的壓注凝膠或粉煤灰凝膠?；现饕刂颇z體強(qiáng)度，添加量越多，膠體強(qiáng)度越大，其常用比例為6%（防火用）至15%（充填用）；促凝劑主要控制成膠時(shí)間，添加量越多，成膠時(shí)間越短，其常用比例約為2%至3%（成膠時(shí)間1min）。圖4 復(fù)合膠體3）灌注復(fù)合膠體復(fù)合膠體（圖4）由膠凝劑、水和漿料（粉煤灰、黃土等）構(gòu)成。膠凝劑（FCJ12）用量0.06%，成本約1012元/m3。膠體成本低，有一定的可堆積性，具有粘彈性，主要用于井下動(dòng)壓帶和大范圍火區(qū)的防治。將粉煤灰漿液（灰水比在2:3以上）輸送至井下用漿地點(diǎn)，在井下用漿地點(diǎn)附近通過(guò)ZM-5/1.8G煤礦用注漿機(jī)將膠凝劑FCJ12按比例加入灌漿管網(wǎng)內(nèi)，即可實(shí)現(xiàn)大流量的壓注復(fù)合膠體。2膠體防滅火系統(tǒng)的類型膠體防滅火系統(tǒng)類型主要分為：地面固定式；地面移動(dòng)式；井下移動(dòng)式三種。上述膠體防滅火系統(tǒng)都有其使用所必須的條件及應(yīng)用時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)：1）地面固定式膠體防滅火系統(tǒng)須滿足條件：投資較大的地面固定設(shè)施（廠房、基礎(chǔ)、場(chǎng)地及交通條件等）；水、電穩(wěn)定、充足；灌漿管路的輸漿倍線應(yīng)能滿足要求。優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；自動(dòng)化程度高；注膠流量大；黃土、粉煤灰等用量較大的防滅火材料通過(guò)管道輸送至井下，大大減輕了防滅火材料的井下運(yùn)輸量；井下僅需運(yùn)送和添加用量較少的促凝劑或膠凝劑，工作量極小。缺點(diǎn)：需鋪設(shè)較長(zhǎng)的灌漿管路，一旦堵塞，處理難度大。2）地面移動(dòng)式膠體防滅火系統(tǒng)其優(yōu)勢(shì)在于其有良好的移動(dòng)性，可在水、電、制漿料具備的情況下，機(jī)動(dòng)地改變灌漿站位置，以解決灌漿倍線不能滿足要求的問(wèn)題，不需固定設(shè)施。但需在地面尋找合適的場(chǎng)地，且水、電和制漿料易于到位。3）井下移動(dòng)式膠體防滅火系統(tǒng)系統(tǒng)投資小、井下移動(dòng)方便、滅火時(shí)反應(yīng)快，井下的水、電都很方便，系統(tǒng)安裝所需的空間也很小。其主要缺點(diǎn)是井下運(yùn)輸制漿原料較為不便。在井下建立多功能膠體防滅火系統(tǒng)，使其能夠粉煤灰實(shí)現(xiàn)高濃度漿液的制備及管路輸送，提高灌漿效率。通過(guò)向灌漿系統(tǒng)中加入少量外加劑，實(shí)現(xiàn)壓注凝膠、復(fù)合膠體和固化充填材料等功能，有針對(duì)性地處理各種不同情況下的浮煤自燃。3井下移動(dòng)式膠體防滅火系統(tǒng)的構(gòu)成井下移動(dòng)式膠體防滅火系統(tǒng)由連續(xù)式定量制漿系統(tǒng)、漿液過(guò)濾系統(tǒng)、漿液壓注系統(tǒng)、輸漿管網(wǎng)系統(tǒng)和外加劑添加系統(tǒng)構(gòu)成。膠體防滅火系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工藝流程見(jiàn)圖5。功能一：灌漿。本系統(tǒng)每小時(shí)最多可將6m3的制漿料（土、灰）制成一定濃度的漿液，經(jīng)過(guò)濾后通過(guò)管路進(jìn)入注漿地點(diǎn)，達(dá)到防滅火目的。功能二：灌注稠化膠體。通過(guò)懸浮劑添加裝置加入一定比例“（稠化膠體）懸浮劑”，使?jié){液成為稠化膠體，使用渣漿泵輸送至灌漿管網(wǎng)，到達(dá)用漿地點(diǎn)。功能三：灌注復(fù)合膠體。在注漿地點(diǎn)附近，使用“ZM-5/1.8G煤礦用注漿機(jī)”向管路內(nèi)漿液加入“（復(fù)合膠體）膠凝劑”，形成復(fù)合膠體泥漿注入火區(qū)。功能四：壓注高分子膠體。使用“ZM-5/1.8G煤礦用注漿機(jī)”以每小時(shí)5 m3以下的流量用水和“（高分子膠體）滅火劑”制成高分子膠體并以一定壓力注入火區(qū)。功能五：灌注凝膠。本系統(tǒng)可配制并壓注小于17m3/h的水玻璃凝膠。3.1連續(xù)式定量制漿系統(tǒng)該系統(tǒng)的主要目的是將加入粉煤灰料箱里的粉煤灰按照設(shè)備要求的用量均勻送入連續(xù)式制漿部分，然后由制漿部分根據(jù)需要的漿液濃度配比相應(yīng)的水量，并攪拌制成合格的漿液。本系統(tǒng)可根據(jù)要求制備不同濃度和不同流量的漿液。3.2漿液過(guò)濾系統(tǒng)其主要功能是把制成的不同濃度的漿液進(jìn)行過(guò)濾，漿液中大于3mm的固體顆粒物會(huì)被濾出使其不能進(jìn)入注漿管路，以保證注漿管路不因固體顆粒的沉淀而發(fā)生堵塞。3.3漿液壓注系統(tǒng)本系統(tǒng)可將制成的合格膠體以小于4Mpa的壓力輸送至井下2000米內(nèi)任何用膠地點(diǎn)。3.4外加劑添加系統(tǒng)該系統(tǒng)主要是為了實(shí)現(xiàn)利用注膠管網(wǎng)壓注凝膠、復(fù)合膠體、稠化膠體和固化充填材料等多種新型防滅火材料而設(shè)置的。根據(jù)各種材料添加比例的要求，由專門的添加設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)各種外加劑向注膠管網(wǎng)內(nèi)的添加。4井下移動(dòng)式膠體防滅火系統(tǒng)的布置及工藝本系統(tǒng)所有設(shè)備、儀表、管路等全部置于井下，所使用的防滅火材料、制漿原料等也要從地面運(yùn)至井下。由于井下的巷道空間較為狹窄，所以設(shè)備、材料、操作人員在井下應(yīng)有一個(gè)合理的安排。見(jiàn)圖6。4.1材料的運(yùn)輸及貯存灌漿注膠材料可在使用時(shí)運(yùn)至井下，也可貯存于井下適宜的地點(diǎn)。制漿料（粉煤灰）由井上（盡可能過(guò)篩或使用較好的粉煤灰）用礦車運(yùn)至井下灰倉(cāng)，可在平時(shí)運(yùn)輸間隙運(yùn)輸并貯存一定量?；希ㄋＡВ┎捎眉s300公斤的筒裝水玻璃用平板車運(yùn)至井下水玻璃箱處，使用手搖抽液泵從筒中抽至水玻璃箱存貯，使用時(shí)打開(kāi)閥門即可放出。懸浮劑和膠凝劑在需要注膠時(shí)由操作工人從地面帶至井下使用地點(diǎn)。粉煤灰貯存?zhèn)}設(shè)在井下設(shè)備峒室內(nèi)，存貯量根據(jù)情況3050方不等，注膠時(shí)應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充粉煤灰至井下灰倉(cāng)。水玻璃貯存箱（鐵箱）也設(shè)在井下設(shè)備峒室內(nèi)，存貯量根據(jù)情況1020方不等，平時(shí)貯滿，注膠時(shí)及時(shí)補(bǔ)充。4.2設(shè)備的放置礦用移動(dòng)式防注漿裝置、泥漿泵、控制開(kāi)關(guān)及其它儀表等放置在離注膠地點(diǎn)1500米以內(nèi)的水、電較為方便的設(shè)備峒室內(nèi)，按安裝要求進(jìn)行安裝和連接，并連接鋪設(shè)備的注漿管路。煤礦用注漿機(jī)放置于離注膠地點(diǎn)150米以內(nèi)的巷道內(nèi)，按要求連接水、電。見(jiàn)圖6。井巷及峒室的安排：見(jiàn)圖6。注膠地點(diǎn)礦用移動(dòng)防滅火注膠裝置人工粉煤灰水懸浮劑添加機(jī)流量計(jì)泥漿泵水玻璃煤礦用注漿機(jī)圖5 井下移動(dòng)式防滅火注膠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、流程框圖煤礦用注漿機(jī)，7.5KW置于離注膠地點(diǎn)150米內(nèi)注膠地點(diǎn)礦用移動(dòng)式注漿裝置，5.5KW泥漿泵，15KW礦用移動(dòng)式注漿裝置礦車配電開(kāi)關(guān)泥漿泵，15KW1500m150m圖6 井下移動(dòng)式防滅火注膠系統(tǒng)注膠工藝流程圖4.3注膠工藝1）注凝膠：把水玻璃箱出口管路與泥漿泵進(jìn)口管連接（不可斷開(kāi)與“礦用移動(dòng)式防注漿裝置”的管路連接），打開(kāi)水、水玻璃箱的出口閥門，開(kāi)啟泥漿泵，調(diào)整水和水玻璃的流量達(dá)到配比。在注膠地點(diǎn)附近用“煤礦用注漿機(jī)”按比例（自動(dòng)）要求加入化肥（碳酸氫氨或碳酸氫鈉），膠體通過(guò)鉆孔或預(yù)埋管路注入火區(qū)或采空區(qū)。2）注稠化膠體：關(guān)閉水玻璃的出口閥門，把粉煤灰從“礦用移動(dòng)式防注漿裝置”的加料箱中加入，打開(kāi)供水閥門，“礦用移動(dòng)式防注漿裝置”把水與粉煤灰按一定比例混合、攪拌制成一定濃度漿液，過(guò)濾部分把漿液中的大顆粒固體濾出。從本設(shè)備的添加劑料箱加入懸浮劑與漿液混合后由泥漿泵壓入火區(qū)或采空區(qū)。3）注復(fù)合膠體泥漿：關(guān)閉水玻璃的出口閥門，把粉煤灰從“礦用移動(dòng)式防注漿裝置”的加料箱中加入，打開(kāi)供水閥門，“礦用移動(dòng)式防注漿裝置”把水與粉煤灰按一定比例混合、攪拌制成一定濃度漿液，過(guò)濾部分把漿液中的大顆粒固體濾出。從本設(shè)備的添加劑料箱加入懸浮劑與漿液混合后由泥漿泵壓入注漿管路，膠體到達(dá)注膠地點(diǎn)附近時(shí)，用“煤礦用注漿機(jī)”按比例（自動(dòng)）要求加入膠凝劑，膠體通過(guò)鉆孔或預(yù)埋管路注入火區(qū)或采空區(qū)。4.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)1）制漿原料：粉煤灰；2）動(dòng)力電：設(shè)備動(dòng)力大于28kw； 3）供水：大于10m3/h，水壓大于0.4Mpa，要求水中無(wú)不溶性雜物；4）輸漿管路：2寸管路，小于1500m；5）水土比：1:1；6）懸浮劑添加量(大于0.1%)：525kg/h；7）膠凝劑量(大于0.06%)：1236kg/h；8）基料使用量：0.8t/h；9）制漿料使用量：4、6 m3/h；10）注漿（或稠化膠體）量：10 m3/h；11）最大注凝膠（或復(fù)合膠體）量：17 m3/h。4.5選用的主要設(shè)備及技術(shù)參數(shù)1）礦用移動(dòng)式防滅火注漿裝置型號(hào)：ZHJ-10/1.8 數(shù)量：1臺(tái)制膠量：10m3/h；濾漿能力：10m3/h；粉煤灰用量：4.0m3/h；功率：5.5kw。添加劑添加量：525kg/h；濾漿粒度：3mm；可使用粉煤灰原材料制成所需濃度的復(fù)合膠體。2）煤礦用泥漿泵型號(hào)：2NB（BW）200/4-15最大流量：200L/min；壓力：4Mpa；往復(fù)次數(shù)：145次/min；行程：85mm；功率：15KW； 3）煤礦用注漿機(jī)型號(hào)：ZM-5/1.8G 數(shù)量：1