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1、井下移动式防灭火注胶系统设计说明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井下移动式防灭火注胶系统设计说明煤层自燃火灾严重影响着矿井的安全生产。在发现煤层自燃高温点时，采用常规的注水、灌浆和喷阻化剂时，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
2、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胶体防灭火技术简介以硅胶为主体的“凝胶”、“胶体泥浆”和“粉煤灰凝胶”由基料、促凝剂、增强剂（黄土或粉煤灰等）和溶剂（水）按一定比例混合而成。“稠化胶体”和“复合胶体”则是由有机高分子材料、水和粉煤灰（或黄土）构成。1.1胶体防灭火材料的性能1）固水性:纯胶体中90%以上是水,易于流动的水被固结起来,使水的灭火作用得以充分发挥。2）吸热降温性:成胶过程是吸热反应,煤温上升使胶体中的水汽化,也将吸收大量的热。3）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。4）阻化
3、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,对高硫矿仍有良好的防灭火性能。5）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,但残渣(增强剂和SiO2)仍充填着煤体孔隙。6）充填性能:增强剂用量增加, 胶体耐压性增强,高浓度的胶体泥浆和粉煤灰凝胶可充填高冒空顶区。7）在井下正常情况下（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）成胶时间可以控制,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，最短成胶时间25秒,慢的可控制在数十小时。9）材料来源广泛,成本低廉,工
4、艺简单。与灌浆系统相配合的大流量压注胶体泥浆工艺可用于扑灭大面积煤层自燃火灾。稠化胶体与复合胶体除具有上述胶体特性外，还有如下特性：1）添加剂用量极少，仅为千分之几或万分之几，在灭火中使用，可使固体灭火材料在井下的运输量大幅度减少。2）胶体有粘弹性，它能紧密充填于煤层间隙，即使煤层压裂破碎也不会产生漏风裂隙，可对移架、矿压等造成的新裂隙进行二次封堵。3）胶体具有触变性且受热粘度降低。在进行输送时，其粘度较低，运输阻力不大，而进入煤层静止后，其粘度增大，可滞留在煤层中，吸热堵漏；材料受热粘度降低，使其在煤层中向高温点的流动变得容易，而从高温点向外流相对较困难，有利于灭火。1.2胶体防灭火技术的特
5、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，不需等待（煤矿安全规程规定各项指标达到启封条件后还需观察稳定一个月才能启封）,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。1.3胶体防灭火系统胶体防灭火系统的工艺流程见图1。图1 井上、井下配合的管路大量流注胶工艺图1）系统可用粉煤灰灌浆材料，实现灌浆材
6、料就地取材；2）系统能制备各种浓度浆液（水土比最高可达1:1），以适应不同情况的灌浆；3）通过在高浓度浆液中加入悬浮剂，使高浓度浆液能够通过胶体防灭火系统顺利地输送到用浆地点，且不会堵塞管路；4）仅需变换外加剂，即可通过该系统实现大流量地压注凝胶、复合胶体和固化充填材料等多种新型防灭火材料，提高系统的利用率。图2 稠化胶体胶体防灭火系统的功能如下：1）灌注高浓度粉煤灰浆液（稠化胶体）稠化胶体由粉煤灰、水和稠化悬浮剂组成（见图2）。在地面灌浆池内的粉煤灰浆液中按0.1%的比例加入JXF1930稠化悬浮剂，即可形成稠化胶体，每立方胶体材料的外加剂成本约910元。它能够实现高浓度粉煤灰浆液（最高水灰
7、比可达1:2），的远距离管路输送。图3 凝胶加入悬浮剂的浆液具有保水性、渗透性、悬浮性和致密性，在使用过程中浆液不离析，流动性好，而且浆液与管壁的摩擦阻力减小，便于泵送和管路运输。较好的保水性和致密性能，又可在较长时间内覆裹煤体。稠化胶体成本低主要用于停采线、切眼、采空区等大面积区域的灌浆防灭火。2）灌注凝胶或粉煤灰凝胶凝胶（图3）由基料、促凝剂、增强剂(砂土或粉煤灰等)和水按一定比例混合而成。基料和促凝剂总用量为1013%，增强剂为050%，每立方胶体材料外加剂的成本约60100元。主要用于煤层顶部火灾、空洞及两道密闭间的充填堵漏。在地面灌浆池内的粉煤灰浆液或清水中按比例加入凝胶基料（液态水
8、玻璃），在井下用浆地点附近通过ZM-5/1.8G煤矿用注浆机将促凝剂（碳酸氢氨或碳酸氢钠）按比例加入灌浆管网内，即可实现大流量的压注凝胶或粉煤灰凝胶。基料主要控制胶体强度，添加量越多，胶体强度越大，其常用比例为6%（防火用）至15%（充填用）；促凝剂主要控制成胶时间，添加量越多，成胶时间越短，其常用比例约为2%至3%（成胶时间1min）。图4 复合胶体3）灌注复合胶体复合胶体（图4）由胶凝剂、水和浆料（粉煤灰、黄土等）构成。胶凝剂（FCJ12）用量0.06%，成本约1012元/m3。胶体成本低，有一定的可堆积性，具有粘弹性，主要用于井下动压带和大范围火区的防治。将粉煤灰浆液（灰水比在2:3以上
9、）输送至井下用浆地点，在井下用浆地点附近通过ZM-5/1.8G煤矿用注浆机将胶凝剂FCJ12按比例加入灌浆管网内，即可实现大流量的压注复合胶体。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。上述胶体防灭火系统都有其使用所必须的条件及应用时的优缺点：1）地面固定式胶体防灭火系统须满足条件：投资较大的地面固定设施（厂房、基础、场地及交通条件等）；水、电稳定、充足；灌浆管路的输浆倍线应能满足要求。优点：系统运行稳定；自动化程度高；注胶流量大；黄土、粉煤灰等用量较大的防灭火材料通过管道输送至井下，大大减轻了防灭火材料的井下运输量；井下仅需运送和添加用量较少的
10、促凝剂或胶凝剂，工作量极小。缺点：需铺设较长的灌浆管路，一旦堵塞，处理难度大。2）地面移动式胶体防灭火系统其优势在于其有良好的移动性，可在水、电、制浆料具备的情况下，机动地改变灌浆站位置，以解决灌浆倍线不能满足要求的问题，不需固定设施。但需在地面寻找合适的场地，且水、电和制浆料易于到位。3）井下移动式胶体防灭火系统系统投资小、井下移动方便、灭火时反应快，井下的水、电都很方便，系统安装所需的空间也很小。其主要缺点是井下运输制浆原料较为不便。在井下建立多功能胶体防灭火系统，使其能够粉煤灰实现高浓度浆液的制备及管路输送，提高灌浆效率。通过向灌浆系统中加入少量外加剂，实现压注凝胶、复合胶体和固化充填材
11、料等功能，有针对性地处理各种不同情况下的浮煤自燃。3井下移动式胶体防灭火系统的构成井下移动式胶体防灭火系统由连续式定量制浆系统、浆液过滤系统、浆液压注系统、输浆管网系统和外加剂添加系统构成。胶体防灭火系统的结构、工艺流程见图5。功能一：灌浆。本系统每小时最多可将6m3的制浆料（土、灰）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。通过悬浮剂添加装置加入一定比例“（稠化胶体）悬浮剂”，使浆液成为稠化胶体，使用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煤矿用注浆机”向管路内浆液加入“（复合胶体）胶凝剂
12、”，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煤矿用注浆机”以每小时5 m3以下的流量用水和“（高分子胶体）灭火剂”制成高分子胶体并以一定压力注入火区。功能五：灌注凝胶。本系统可配制并压注小于17m3/h的水玻璃凝胶。3.1连续式定量制浆系统该系统的主要目的是将加入粉煤灰料箱里的粉煤灰按照设备要求的用量均匀送入连续式制浆部分，然后由制浆部分根据需要的浆液浓度配比相应的水量，并搅拌制成合格的浆液。本系统可根据要求制备不同浓度和不同流量的浆液。3.2浆液过滤系统其主要功能是把制成的不同浓度的浆液进行过滤，浆液中大于3mm的固体颗粒物会被滤出使其不能进入注浆管路，以保
13、证注浆管路不因固体颗粒的沉淀而发生堵塞。3.3浆液压注系统本系统可将制成的合格胶体以小于4Mpa的压力输送至井下2000米内任何用胶地点。3.4外加剂添加系统该系统主要是为了实现利用注胶管网压注凝胶、复合胶体、稠化胶体和固化充填材料等多种新型防灭火材料而设置的。根据各种材料添加比例的要求，由专门的添加设备来实现各种外加剂向注胶管网内的添加。4井下移动式胶体防灭火系统的布置及工艺本系统所有设备、仪表、管路等全部置于井下，所使用的防灭火材料、制浆原料等也要从地面运至井下。由于井下的巷道空间较为狭窄，所以设备、材料、操作人员在井下应有一个合理的安排。见图6。4.1材料的运输及贮存灌浆注胶材料可在使用
14、时运至井下，也可贮存于井下适宜的地点。制浆料（粉煤灰）由井上（尽可能过筛或使用较好的粉煤灰）用矿车运至井下灰仓，可在平时运输间隙运输并贮存一定量。基料（水玻璃）采用约300公斤的筒装水玻璃用平板车运至井下水玻璃箱处，使用手摇抽液泵从筒中抽至水玻璃箱存贮，使用时打开阀门即可放出。悬浮剂和胶凝剂在需要注胶时由操作工人从地面带至井下使用地点。粉煤灰贮存仓设在井下设备峒室内，存贮量根据情况3050方不等，注胶时应及时补充粉煤灰至井下灰仓。水玻璃贮存箱（铁箱）也设在井下设备峒室内，存贮量根据情况1020方不等，平时贮满，注胶时及时补充。4.2设备的放置矿用移动式防注浆装置、泥浆泵、控制开关及其它仪表等放
15、置在离注胶地点1500米以内的水、电较为方便的设备峒室内，按安装要求进行安装和连接，并连接铺设备的注浆管路。煤矿用注浆机放置于离注胶地点150米以内的巷道内，按要求连接水、电。见图6。井巷及峒室的安排：见图6。注胶地点矿用移动防灭火注胶装置人工粉煤灰水悬浮剂添加机流量计泥浆泵水玻璃煤矿用注浆机图5 井下移动式防灭火注胶系统结构、流程框图煤矿用注浆机，7.5KW置于离注胶地点150米内注胶地点矿用移动式注浆装置，5.5KW泥浆泵，15KW矿用移动式注浆装置矿车配电开关泥浆泵，15KW1500m150m图6 井下移动式防灭火注胶系统注胶工艺流程图4.3注胶工艺1）注凝胶：把水玻璃箱出口管路与泥浆泵进口管连接（不可断开与“矿用移动式防注浆装置”的管路连接），打开水、水玻璃箱的出口阀门，开启泥浆泵，调整水和水玻璃的流量达到配比。在注胶地点附近用“煤矿用注浆机”按比例（自动）要求加入化肥（碳酸氢氨或碳酸氢钠），胶体通过钻孔或预埋管路注入火区或采空区。2）注稠化胶体：关闭水玻璃的出口阀门，把粉煤灰从“矿
