注氮技术在防灭火中的应用

注氮技术在防灭火中的应用

曾云海李德坤

四川蓉鑫安全工程技术咨询有限公司四川成都610000

摘要：煤矿防灭火对于惰性气体的定义与化学对惰性气体的定义不尽相同。在防灭火的工作实践中，惰气是指不参与燃烧反应的单一或混合的窒息性气体，其中可能含有少量的氧气。最常见的防灭火惰气是氮气和二氧化碳。

关键词：惰性气体防灭火瓦斯

1前言

氮气具有灭火速度快，既能防火，也能灭火，还能抑制瓦斯爆炸，无污染环境和机电设备等优点，因此氮气是煤矿应用惰性气体防灭火的首选气体材料。其缺点是氮气的密度比空气轻，容易流失。因此，在注氮的同时，必须采用堵漏措施相配合，才能取得满意的效果。

2氮气的性质

氮气是一种无色无味无毒无腐蚀，不自燃，也不参与燃烧的气体，氮气的制作原料是空气。标准状态下（21℃，101.325kpa），气体密度0.461kg/cm3,液体密度80.8kg/m3,氮气在101.325Kpa,-195.8℃时变成无色的液体，在-209.9℃时，变成雾状的固体。氮气在水中溶解度很小，很难与其它物质发生化学反应，在震动、热和电火花作用下都较稳定。

3氮气防灭火作用原理

注氮防灭火的实质是向采空区氧化带内或火区内注入一定流量的氮气，使其氧含量降到10%或3%以下，达到防火、灭火和抑制瓦斯爆炸的目的，其作用有：

（1）消除瓦斯爆炸的危险

在煤矿当采空区一旦出现火灾，危害最大的是导致其内混合气体的爆炸。由混合气体爆炸三角形知，混合气体中氧含量低于12%时就有减小爆炸的可能性。但是，混合气体爆炸的界限不仅取决于这种气体在空气中所占的百分比，还有部份决定于混合气体的温度和气压。温度和气压的增高使这个界限扩大，反之缩小。如果混合气体被加热到300℃，氧含量为9%时就能发生爆炸。因而研究表明，将氧气的临界含量控制在5%以下时就不能发生爆炸，否则爆炸就有可能发生。而氧气的含量低于10%时混合气体的爆炸有显著的降低。正是从这一理论出发，向火区注入氮气后使其氧含量降低，而且只要氧含量低于10%时就能大大地减少爆炸的可能性。

（2）减少漏风的作用

采空区漏风是造成自然发火的主要原因之一。对于封闭或半封闭的采空区而言，从理论上讲，注入氮气后增加了其注入空间内混合气体的总量，能够减少封闭区内外之间的压力差，从而起到减少封闭区外部向内部漏风的作用。如果巷道里的密闭墙有裂缝或密闭前有裂缝，当密闭区内为负压时，空气可以通过墙缝或绕过密闭墙而进入密闭区。为了防止密闭漏风，可向密闭前后墙之间的空间连续不断地注入必要流量的氮气，使该空间形成正压，阻止新鲜空气进入密闭区内。

（3）降温作用

对于有内因火灾的采空区来说，其温度大于外界温度。当采用氮气灭火时，无论是采用液氮，还是氮气，其氮气的温度均低于火区的气体温度，加之氮气在注入火区后的流动范围大，对采空区来说都有明显的降温作用。

（4）防止煤的自燃发热和自燃

煤炭自燃的三要素是：煤有自燃倾向性；有连续的供氧条件；热量易于积聚。煤矿生产工作面采空区氧化带内的漏入风量不足以带走煤氧化产生的热量，则煤温就逐渐升高，这时煤处于自燃发热。当温度达到煤的临界温度以上，氧化急剧加快，大量产生热量，又使煤温迅速升高，达到煤的着火温度时便着火燃烧起来，即进入自燃状态。基于此煤氧复合学说，采取向工作面采空区氧化带内注入一定流量的氮气，降低该带内的氧气含量，达到破坏煤炭自燃的一个要素，使其氧含量降到煤自燃临界值以下，就达到了防止煤自燃的目的。

（5）降低燃烧强度

无论是外因火灾，还是内因火灾，当火灾已经发生，向火区内注入一定流量（大于漏风量）的氮气，使该区内的氧含量由21%逐渐降低到10%以下，熊熊大火就逐渐自然熄灭。

4制氮设备

煤矿防灭火目前所选用的制氮设备按空分原理可分为深冷式、变压吸附式和膜分离式。有：地面固定式深冷制氮气设备；矿用地面固定式、地面移动式和井下移动式变压吸附制氮设备或膜分离制氮设备。近几年来，以变压吸附和膜分离制氮设备在煤矿现场应用得最多。

矿用地面或井下固定式制氮设备DT-X/Y型系列（氮气纯度为98%，产气量为100～7000m3/h）煤矿用碳分子筛制氮装置是采用变压吸附碳分子筛制氮新工艺，为煤矿氮气防灭火而研制的新型氮气源设备。具有结构合理，操作简单，维护容易，能耗低等优点。它特别适合于煤层自然发火严重的矿井综采面和综放面氮气防灭火的井下氮源设备，也可作为地面氮源设备使用。

5应用实例及效果

鲁班山北矿2848工作面走向长500m,倾斜长110m，采用后退式采煤法开采。工作面受构造影响，构造带从工作面机头延伸至工作面中上段63m～84m之间，煤厚4.5m～5.0m，溜子坡度为27度。工作面分为上下两盘，现开采的是上两盘煤，共开采时间58天，合计推进191m后就出现了CO，当时通过埋设的束管测得火源点附近的CH4和O2的含量分别为7%和14%，正处于瓦斯爆炸界限之内，而此处的CO含量正以300ppm/d的速度上升，瓦斯随时都有可能发生爆炸，遂对工作面进行了封闭，封闭以后向采空区实施注氮。经过对封闭区进行注氮1个月，化验结果无CO，进行启封回撤，顺利回撤出了综采设备和支架。

６、结论

注氮灭火技术在煤矿防灭火中得到广泛应用，发挥了重要作用。氮气能够有效控制CO上升势趋，为回撤综采设备和支架提供有利条件，能够为矿井挽回巨额经济损失，因此，氮气防灭火技术成为后退式采煤方法的主要防火措施，前景十分广阔。

参考文献：

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