谈煤矿中的氮气防灭火

谈煤矿中的氮气防灭火

张旭

张旭（贵州省金沙县煤矿安全生产监督管理局551800）

［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燃气、氮气和二氧化碳。

［关键词］氮气自燃

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燃气、氮气和二氧化碳。下面，我就氮气防灭火做些分析。

1性质分析

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，标准状态下（21℃，101.325kpa），气体密度为0.461kg/cm3，液体密度为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。

2设备分析

根据矿井的开拓布置、采区接替及矿井所需注氮量情况，结合国内采用注氮防灭火矿井的设计生产情况，考虑到矿井注氮实际效果及一定的安全系数，确定一般矿井初期选用KGZD-1200型地面固定式制氮装置两套，考虑矿井后期发展，预留1套设备安装位置。制氮装置主要技术参数如下：制氮量Q=1200m3/h；输出压力P=0.6MPa；氮气纯度≥98%；装机容量N=32kW；额定电压V=380V；所需空气源流量60m3/min，压力0.8MPa；所需冷却水流量约6.5m3/h，压力0.3MPa。

3参数分析

第一、阻化剂溶液的浓度和密度。通常情况下工业氯化钙浓度在10-20%时，阻化效果较好，生产中应根据实际情况进行调整。阻化剂溶液的密度应由实测取得，一般情况下，10-20%氯化钙溶液的密度为1.05t/m3-1.11t/m3。第二、原煤吸药液量。原煤的吸药液量应由实测取得，设计取平均10kg/t。第三、工作面一次喷洒量。一般在准备班的放顶前进行，工作面一次喷洒量包括底板浮煤和护顶煤的喷洒量。设计计算工作面一次喷洒量为1000kg。生产中可根据实际喷洒情况确定。第四、巷道或煤壁的喷洒量与钻孔压注量。该参数可在生产中实际测定。第五、喷洒压注设备。选用3D-5/50型阻化剂喷射泵及其相应的配套器材设备。

4通风分析

在输氮管路沿途或工作面，假设主干管2400m3/h的氮气，分支管2400m3/h的氮气，全部泄漏，能否造成泄漏区域缺氧，按空气中氧含量为20%的要求，经计算，此时主干巷道的安全风量应为13.4m3/s，分支巷道、采区工作面的安全风量应为6.7m3/s，而本设计管路途径主干巷道风量均大于13.4m3/s，分支巷道、采区工作面风量均大于6.7m3/s。尽管如此，矿井生产中要制定输氮管路的安全施工、管理措施、制定注氮作业规程，同时应严格要求加以落实。

5注氮工艺

煤矿工作面注氮方法一般为埋管注氮、钻孔(插管)注氮和密闭注氮三种。埋管注氮，即在工作面的进风巷沿采空区埋设一趟注氮管路(无缝钢管)，管路的出口端1m的长度钻上无数小孔，防止管路出口被堵塞，当埋入一定深度后开始注氮(一般为20～40m)。同时又埋入第二趟注氮管路(注氮管口的移动步距通过考察确定)，当第二趟注氮管口埋入采空区氧化带与冷却带的交接部位时向采空区注氮，同时停止第一趟管路的注氮，并又重新埋设另一越注氮管路，两趟管路交替注氮，如此循环。钻孔(插管)注氮是在地面或井下，向采空区或火灾隐患区域打钻孔并下套管，通过钻孔注氮。密闭注氮是将注氮管直接接到密闭墙上预留的注氮管向火区或火灾隐患的区域实施注氮。

6原理分析

6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，还部份地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。因而国内的研究表明，将氧气的临界含量控制在5%以下时几乎能防止任何爆炸，否则爆炸还有可能发生。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。

6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强有裂缝，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。

6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，对采空区来说都有显的降温作用。

6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，这时煤处于自然发热。当温度达到煤的临界温度以上，氧化急聚加快，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。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。

6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，熊熊大火就逐渐处于自熄。

总之，国内外煤矿应用氮气防灭火的实践表明，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。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。