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摘要：针对保德煤矿8号煤层Ⅱ类自燃特性，结合保德煤矿生产实际，设计选用地面灌浆防灭火系统，浆液灌入采空区以后，固体物沉淀，充填于浮煤缝隙之间，包裹煤体，杜绝漏风，防止氧化，达到防灭火的目的。本次设计研究的主要内容包括灌浆系统的选择、浆材的配置及质量、灌浆量的计算、灌浆管道系统设计、灌浆站主要设施、灌浆方法的确定等。
关键词：防灭火；灌浆系统；灌浆量；灌浆管道；灌浆站；灌浆方法
保德煤矿是神东煤炭集团所属的大型石炭二疊纪出口煤配煤基地，井田南北走向长平均12.3km，东西倾向宽平均5.7km，井田面积55.9km2，煤层倾角3°～9°，总体上为平缓的单斜构造形态。区内可采煤层共4层，分别为二叠系山西组8号煤层（目前正开采）和石炭系太原组10、11、13号煤层，其中8、10号煤层全区可采，10、13号煤层局部可采。矿井属高瓦斯矿井，8#煤层属Ⅱ类自燃煤层，自然发火期为105～262天，且煤尘具有爆炸危险性。
1、灌浆系统的选择
我国目前使用的灌浆系统，分为集中灌浆和分散灌浆两大类。
集中灌浆存在以下优点：一是工作集中，便于管理；二是人员少，效率高；三是便于掌握泥浆的浓度和质量；四是占地较少。集中灌浆存在的缺点是初期投资大，建设时间长。
集中灌浆适用的条件：煤层埋藏较深，矿井灌浆量大且采区生产集中的矿井。
由于保德煤矿8#煤层平均厚度为6.83m，灌浆量较大，生产相对集中，本设计采用集中灌浆系统，在刘家堰工业场地建立一个集中灌浆站为全矿井服务。
2、浆材的配置及质量
浆材必须满足下列要求：
（1）不含助燃和可燃材料。
（2）粒度直径不能大于2mm，细小粒子（粒度小于1mm）要占75%。
（3）主要物理性能指标：比重2.4～2.8；塑性指数9～14；胶体混合物25～30%；含砂量25～30%。
（4）易脱水又要具有一定稳定性。
根据以上要求，保德煤矿防灭火灌浆材料可选择为黄土。
3、灌浆量计算
以保德煤矿81504综放工作面为例进行计算。
（1）日灌浆所需土量
灌浆所需土量主要根据灌浆区容积、采煤方法及地质情况等因素确定。
Qt1=K×M×L×H×C=0.03×7.4×6.7×250x0.948=352.5
式中：Qt1-日灌浆所需土量，m3/d；
M-煤层采高，m，81504综放工作面采高取7.4m；
L-工作面日推进度，m，81504综放工作面取6.7m；
H-灌浆区的倾斜长度，m，取250m；
C-采煤回收率，%，81504综放工作面采煤回收率取94.8%；
K-灌浆系数；即浆液的固体材料体积与需要灌浆采空区体积之比。反映顶板冒落岩石的松散系数，泥浆收缩系数和跑浆系数等综合影响，视现场具体情况而定，一般取值3%-12%，无自然发火情况取3%即可；利用灌浆钻孔对上覆采空区灌浆时，灌浆系数最大不得超过30%。保德煤矿井下采空区无自然发火情况，灌浆系数取3%。
（2）日灌浆实际所需土量
Qt2=α×Qt1=1.1×352.5=387.8
式中：Qt2-日实际灌浆所需土量，m3/d；
α-取土系数（考虑土中杂质和开采运输损失，取α=1.1）。
（3）日制备浆液所需水量
Qt1=Qt2×δ=387.8×3=1163.4
式中：Qt1-日制备浆液所需水量，m3/d；
Qt2-日灌浆实际所需土量，m3/d；
δ-土水比的倒数，根据实际情况选取，一般在2-5之间，保德煤矿地面灌浆土水比为1：3。
（4）日实际灌浆所需水量
Qt2=Kw×Qs1=1163.4×1.1=1279.7
式中：Kw-冲洗管路防止堵塞用水量的备用系数，一般取1.10-1.25；
Qs1-日制备浆液所需水量，m3/d；
Qt2-日实际灌浆所需水量，m3/d。
（5）日灌浆量
每日的灌浆量可按下式计算：
M-泥浆制成率，如表1所示。
（6）每小时灌浆量Qjh
4、灌浆管道系统设计
（1）灌浆管道系统布置
灌浆管路有“L”和“Z”布置形式，如图1所示，各自的优缺点如下：
①L形：优点：能量集中，充分利用自然压力，管路有较大的灌浆能力；安装维护管理简单。
缺点：井深时压力过大，易崩管。
②Z形：与L形相反。
所以灌将管路采用“L”形布置，能使能量集中，充分利用自然压力，管路有较大的灌浆能力。
（2）灌浆路线
地面灌浆站→立风井→回风大巷→回风顺槽→工作面。
（3）输送倍线计算
保德煤矿刘家堰地面工业广场至81504综放工作面的高差为373m，浆液自地面管路的入口至灌浆区最不利点管路的出口管线总长度为4234m，至灌浆区最有利点管路的出口管线总长度为1800m，则81504采空区灌浆管的倍线为： 式中：L-浆液自地面管路的入口至灌浆区管路的出口管线总长度，m；
H-浆液入出口之间的高差，m。
理论上合理的灌浆倍线比在3-8之间灌浆效果较好，8 1504综放工作面灌浆倍线比在4.83-11.35之間，由此可知，81504综放工作面可以选取地面灌浆系统。
（4）干管管径计算
根据泥浆流速确定，对泥浆流速的要求是：能够保证泥浆中固体颗粒在输送过程中能够顺利流动而不要沉淀在管中，以致发生堵管事故。
临界流速：保证泥浆中固体颗粒在输送过程中能够顺利流动而不沉淀或生堵管的最小平均流速。他与土壤的质量、含砂量、比重、土水比等因素有关，可通过查表得出。
根据临界流速计算管径后再反过来验算实际流速，使之略大于临界流速以保证泥浆的输送和获得最经济的管径。
①直径计算
②查表选择直径d
根据上表，选择外径为168mm的热轧无缝钢管。
③校验实际流速
综上，实际流速满足需要。
（5）管壁计算
①垂直巷道
②水平巷道
因此，上面选取的管径合理。
（6）管材确定
地面灌浆管一般采用铸铁管，井下根据灌浆压力确定：当灌浆压力大于16个大气压时，选用无缝钢管。
压力P=0.11×1.283×310=43.75kg/cm2=4.4Mpa，压力大于16个大气压，选用无缝钢管。
综上，最终选择D168×7的无缝钢管。
5、灌浆站主要设施
由于矿井灌浆量大，采用机械取土，建立集中灌浆站、泥浆搅拌池制备泥浆。地面制浆站由制浆车间、值班室和土棚三部分组成，制浆车间和值班室为地上式，土棚设有防雨棚。灌浆站主要设备见表3。
6、灌浆方法的确定
我国煤矿采用的预防性灌浆的方法多种多样，大体可分为：采前灌浆、随采随灌、采后灌浆等三种类型。
随采随灌即随着回采工作面的推进，同时向采空区灌浆。其作用一是防止遗漏在采空区内的浮煤自燃；二是胶结顶板冒落的矸石，形成再生顶板，为下分层开采创造条件。另外，它还具有防尘、降温的作用。随采随灌的方法根据采区巷道布置方式不同，顶板岩石冒落情况不同又多种多样。如埋管灌浆、插管灌浆、洒浆、打钻灌浆等。
因回风巷道埋管灌浆工艺最为简单，使用方便，本设计利用随采随灌的方式进行踏步式埋管灌浆，即随着回采工作面推进向采空区内埋设管道进行灌浆（出浆口距工作面的距离应不小于30m，由高位向低位灌浆），以充填采空区空隙，覆盖采空区遗煤，防止采空区发生自燃。注浆步距确定为50m，工作面灌浆方法如图2所示。
关键词：防灭火；灌浆系统；灌浆量；灌浆管道；灌浆站；灌浆方法
保德煤矿是神东煤炭集团所属的大型石炭二疊纪出口煤配煤基地，井田南北走向长平均12.3km，东西倾向宽平均5.7km，井田面积55.9km2，煤层倾角3°～9°，总体上为平缓的单斜构造形态。区内可采煤层共4层，分别为二叠系山西组8号煤层（目前正开采）和石炭系太原组10、11、13号煤层，其中8、10号煤层全区可采，10、13号煤层局部可采。矿井属高瓦斯矿井，8#煤层属Ⅱ类自燃煤层，自然发火期为105～262天，且煤尘具有爆炸危险性。
1、灌浆系统的选择
我国目前使用的灌浆系统，分为集中灌浆和分散灌浆两大类。
集中灌浆存在以下优点：一是工作集中，便于管理；二是人员少，效率高；三是便于掌握泥浆的浓度和质量；四是占地较少。集中灌浆存在的缺点是初期投资大，建设时间长。
集中灌浆适用的条件：煤层埋藏较深，矿井灌浆量大且采区生产集中的矿井。
由于保德煤矿8#煤层平均厚度为6.83m，灌浆量较大，生产相对集中，本设计采用集中灌浆系统，在刘家堰工业场地建立一个集中灌浆站为全矿井服务。
2、浆材的配置及质量
浆材必须满足下列要求：
（1）不含助燃和可燃材料。
（2）粒度直径不能大于2mm，细小粒子（粒度小于1mm）要占75%。
（3）主要物理性能指标：比重2.4～2.8；塑性指数9～14；胶体混合物25～30%；含砂量25～30%。
（4）易脱水又要具有一定稳定性。
根据以上要求，保德煤矿防灭火灌浆材料可选择为黄土。
3、灌浆量计算
以保德煤矿81504综放工作面为例进行计算。
（1）日灌浆所需土量
灌浆所需土量主要根据灌浆区容积、采煤方法及地质情况等因素确定。
Qt1=K×M×L×H×C=0.03×7.4×6.7×250x0.948=352.5
式中：Qt1-日灌浆所需土量，m3/d；
M-煤层采高，m，81504综放工作面采高取7.4m；
L-工作面日推进度，m，81504综放工作面取6.7m；
H-灌浆区的倾斜长度，m，取250m；
C-采煤回收率，%，81504综放工作面采煤回收率取94.8%；
K-灌浆系数；即浆液的固体材料体积与需要灌浆采空区体积之比。反映顶板冒落岩石的松散系数，泥浆收缩系数和跑浆系数等综合影响，视现场具体情况而定，一般取值3%-12%，无自然发火情况取3%即可；利用灌浆钻孔对上覆采空区灌浆时，灌浆系数最大不得超过30%。保德煤矿井下采空区无自然发火情况，灌浆系数取3%。
（2）日灌浆实际所需土量
Qt2=α×Qt1=1.1×352.5=387.8
式中：Qt2-日实际灌浆所需土量，m3/d；
α-取土系数（考虑土中杂质和开采运输损失，取α=1.1）。
（3）日制备浆液所需水量
Qt1=Qt2×δ=387.8×3=1163.4
式中：Qt1-日制备浆液所需水量，m3/d；
Qt2-日灌浆实际所需土量，m3/d；
δ-土水比的倒数，根据实际情况选取，一般在2-5之间，保德煤矿地面灌浆土水比为1：3。
（4）日实际灌浆所需水量
Qt2=Kw×Qs1=1163.4×1.1=1279.7
式中：Kw-冲洗管路防止堵塞用水量的备用系数，一般取1.10-1.25；
Qs1-日制备浆液所需水量，m3/d；
Qt2-日实际灌浆所需水量，m3/d。
（5）日灌浆量
每日的灌浆量可按下式计算：
M-泥浆制成率，如表1所示。
（6）每小时灌浆量Qjh
4、灌浆管道系统设计
（1）灌浆管道系统布置
灌浆管路有“L”和“Z”布置形式，如图1所示，各自的优缺点如下：
①L形：优点：能量集中，充分利用自然压力，管路有较大的灌浆能力；安装维护管理简单。
缺点：井深时压力过大，易崩管。
②Z形：与L形相反。
所以灌将管路采用“L”形布置，能使能量集中，充分利用自然压力，管路有较大的灌浆能力。
（2）灌浆路线
地面灌浆站→立风井→回风大巷→回风顺槽→工作面。
（3）输送倍线计算
保德煤矿刘家堰地面工业广场至81504综放工作面的高差为373m，浆液自地面管路的入口至灌浆区最不利点管路的出口管线总长度为4234m，至灌浆区最有利点管路的出口管线总长度为1800m，则81504采空区灌浆管的倍线为： 式中：L-浆液自地面管路的入口至灌浆区管路的出口管线总长度，m；
H-浆液入出口之间的高差，m。
理论上合理的灌浆倍线比在3-8之间灌浆效果较好，8 1504综放工作面灌浆倍线比在4.83-11.35之間，由此可知，81504综放工作面可以选取地面灌浆系统。
（4）干管管径计算
根据泥浆流速确定，对泥浆流速的要求是：能够保证泥浆中固体颗粒在输送过程中能够顺利流动而不要沉淀在管中，以致发生堵管事故。
临界流速：保证泥浆中固体颗粒在输送过程中能够顺利流动而不沉淀或生堵管的最小平均流速。他与土壤的质量、含砂量、比重、土水比等因素有关，可通过查表得出。
根据临界流速计算管径后再反过来验算实际流速，使之略大于临界流速以保证泥浆的输送和获得最经济的管径。
①直径计算
②查表选择直径d
根据上表，选择外径为168mm的热轧无缝钢管。
③校验实际流速
综上，实际流速满足需要。
（5）管壁计算
①垂直巷道
②水平巷道
因此，上面选取的管径合理。
（6）管材确定
地面灌浆管一般采用铸铁管，井下根据灌浆压力确定：当灌浆压力大于16个大气压时，选用无缝钢管。
压力P=0.11×1.283×310=43.75kg/cm2=4.4Mpa，压力大于16个大气压，选用无缝钢管。
综上，最终选择D168×7的无缝钢管。
5、灌浆站主要设施
由于矿井灌浆量大，采用机械取土，建立集中灌浆站、泥浆搅拌池制备泥浆。地面制浆站由制浆车间、值班室和土棚三部分组成，制浆车间和值班室为地上式，土棚设有防雨棚。灌浆站主要设备见表3。
6、灌浆方法的确定
我国煤矿采用的预防性灌浆的方法多种多样，大体可分为：采前灌浆、随采随灌、采后灌浆等三种类型。
随采随灌即随着回采工作面的推进，同时向采空区灌浆。其作用一是防止遗漏在采空区内的浮煤自燃；二是胶结顶板冒落的矸石，形成再生顶板，为下分层开采创造条件。另外，它还具有防尘、降温的作用。随采随灌的方法根据采区巷道布置方式不同，顶板岩石冒落情况不同又多种多样。如埋管灌浆、插管灌浆、洒浆、打钻灌浆等。
因回风巷道埋管灌浆工艺最为简单，使用方便，本设计利用随采随灌的方式进行踏步式埋管灌浆，即随着回采工作面推进向采空区内埋设管道进行灌浆（出浆口距工作面的距离应不小于30m，由高位向低位灌浆），以充填采空区空隙，覆盖采空区遗煤，防止采空区发生自燃。注浆步距确定为50m，工作面灌浆方法如图2所示。