氮气防灭火技术在煤矿的应用

氮气防灭火技术在煤矿的应用

张国彬

重庆能投渝新能源有限公司南桐救护大队400802

摘要：事故是煤矿安全生产过程中不可忽视问题，而煤矿事故发生群死群伤往往是“一通三防”事故，特别是有自燃发火煤层的矿井，煤矿防灭火工作非常高重要，井下防灭火技术措施必须完善，为了防止煤炭自燃、瓦斯爆炸给我们带来毁灭性的打击，氮气防灭火技术在煤矿井下广泛应用，在煤矿安全生产中起到极其重要的作用。

关健词：氮气防灭火技术；煤矿；应用

1引言

煤矿从事采掘活动时，在开采有自燃发火煤层时，由于通风管理问题，或回采推进时间超出煤层自燃发火期，为了防止或已经出现煤炭氧化、自燃征兆，采取防止煤炭氧化、自燃的措施。就是向采空区氧化带内或火区内采取的防灭火注氮技术，使其氧气含量下降到5%以下，阻止煤炭氧化、自燃、抑制瓦斯爆炸的目的。

2产氮原理

碳分离制氮机是以压缩空气为原料，利用一种叫作碳分子筛的吸附剂对氮、氧的选择性吸附，把空气中的氮分离出来。碳分子筛对氮、氧的分离作用主要是基于氮、氧分子在分子筛表面的扩散速率不同。较小直径的氧分子扩散较快，较多地进入分子筛固相;较大直径的氮分子扩散较慢，较少进入分子筛固相。这样，氮在气相中得到富集。一段时间后，分子筛对氧的吸附达到一定程度，通过减压，被碳分子筛吸附的气体被释放出来，分子筛也就完成了再生。这是基于分子筛在不同压力下对吸附气体的吸附量不同的特点。变压吸附制氮设备通常使用二个并联的吸附器，交替进行加压吸附和减压再生，操作循环周期约2分钟；源源不断含量在97%—99.999%的氮气通过管通输送到用气地点。

3.煤炭自燃造成的危害

3.1内因火灾特点

（1）煤炭氧化或自燃（内因火灾），煤炭自燃是一个复杂的过程，受着多种因素的影响，我国煤层发火期最短的为1．5～3个月，长者可达15个月以上。但煤炭自燃必须具备以下三个条件：（1）煤有自燃倾向性，且以破碎状态存在；（2）有连续的供氧条件；（3）有积聚氧化热的环境。

（2）断层附近、采煤工作面进风巷、回风巷和停采线附近、遗留的煤柱、破裂的煤壁、巷道的高冒处、密闭内、溜煤（矸）眼、煤仓、联络巷及浮煤堆积的地方是自燃发火高发地区。由于受井下环境的限制，给我们查明火源带来极大难度，导致防灭火工作开展难度增大。

3.2影响煤炭自燃的主要因素

（1）煤的化学成分；（2）煤的物理性质；（3）煤层的地质条件；（4）开拓开采条件；（5）矿井通风条件。

3.3煤炭自燃带来的危害及经济损失

（1）煤炭发生自燃，产生有毒有害气体，造成人员中毒或死亡。

（2）如果采空区瓦斯聚积，引起瓦斯爆炸，摧毁井巷设施，造成成矿井停产或使大的经济损失。

（3）造成大量煤炭资源被烧毁和火区封闭冻结大量煤炭资源；有自燃发火引起瓦斯爆炸造成人员伤亡重特大灾害事故案例。

4氮气防灭火技术的在井下应用

4.1氮气的特点

（1）氮气比空气略轻，可以充满封闭范围内的所有空间，特别有利于采空区上部和巷道冒顶区的防灭火。

（2）通过管道输送，不需用水，输送方便安全。

（3）灭火过程中不损坏井巷设备，使灾后恢复工作简单。

（4）氮气在常温、常压下是无色、无味、无毒的不可燃气体，对振动、热、电火花等都是稳定的无腐蚀作用，也不轻易与金属化合。

（5）经济成本低，以压缩空气为原料。

（6）氮气纯度调整方便，氮气纯度只受氮气排气量的影响，普通制氮纯度在95%－99.999%之任意调节；

（7）设备自动化程度高，产气快，可实现无人操作；启动、关机只需按一下按钮，开机10－20分钟内可产氮气；PSA设备可24小时运转，无须专人看管；设备工艺流程简单，设备结构外形小，占地面积少，装置适应性强；输出高纯度的氮气比市场的液态氮及钢瓶氮的纯度更纯净、更稳定。

4.2开放式注氮方式防灭火技术

在采空区发火初期，在正常进行采煤作业的情况下，为了防止煤炭氧化加剧，利用钻孔或在工作面进回风巷安设管道，向采空区氧化带注入氮气，达到阻滞煤炭氧化，同时减小压差减少采空区漏风，使采空氧化带变为窒息带，保证采煤工作面不停采不封闭的正常生产局面。

案例1：2015年，南桐煤矿7403采煤工作由于顶板破碎，工作面回采速度较慢，造成采空区煤炭氧化上隅角出现高温，为了阻止煤炭氧化发生自燃，该矿井采取向氧化带打钻孔，实施注氮措施，顺利实现不停面，不封闭的安全生产条件。这就是开放式注氮取得的效果。

从案例1可以看出，回采工作面采空区氧化带在氧化初期，采取开放式向氧化带注氮阻止煤炭氧化，可以实现不封闭工作面，边回采边向氧化带注氮，不影响生产。

4.3封闭式注氮防灭火技术

封闭注氮灭火技术，主要用于煤炭已经自燃，火势无法控制，救援人员难以接近，火灾引起瓦斯连续爆炸等，只能采取封闭才能控制火势发展，这种情况下在安全地点进行封闭，然后远距离向火区或爆炸区域进行注氮气，使火灾快速熄灭和抑制瓦斯爆炸，保证救援人员安全和缩短火区封闭时间。

案例2：2015年3月9日，鱼田堡煤矿3404F段采空发生自燃火灾事故，采取封闭注氮灭火技术，一周内将火区控制住，30多天达到启封条件。

案例3：2004年1月，东林煤矿2409二段工作面采空区自燃，对工作进行封闭注水，采取综合灭火措施，封三个月后达到进启封条件，矿井制定启封措施启封火区，工人清理淤泥修护巷道，逐恢复通风，启封后救护队按照《煤矿安全规程》规定进行值班观察，启封的第三天中班火区复燃，出现CO和烟雾，矿井又采取重新封闭措施。

案例4：2004年1月，东林煤矿2409二段工作面采空区自燃，对工作进行封闭注水，采取综合灭火措施，封三个月后达到进启封条件，矿井制定启封措施启封火区，工人清理淤泥修护巷道，逐恢复通风，启封后救护队按照《煤矿安全规程》规定进行值班观察，启封的第三天中班火区复燃，出现CO和烟雾，矿井又采取重新封闭措施。

从案例2、案例3和案例4中可以看出，封闭式注氮大大缩短了封闭时间，恢复生产容易；从案例五中可以看出，采用传统的火区封闭到启封，少则三个多月，多则半年以上，而且启封后清理巷道工作量大，恢复生产困难。封闭式注氮还可以减少和防止向火区内漏风。

4.4封闭式注氮的抑爆作用

火区封闭后向火区注入氮气，一是可以达到加快火区内氧气量的快速下降，同时起到阻止瓦斯快速积聚和作用；二是向封闭的火区注入氮气，可以减少由于压差引起的向火区漏风，起到阻止火区漏风造成向火区供氧的作用。有实践案例说明发生瓦斯连爆炸，采取封闭式注氮抑爆的成功案例，如案例六。

案例六：2008年2月4日，重庆某矿业公司一矿井+770N8号边界石门打煤层抽放钻孔引起火灾事故。该工作地点与一采煤工作相邻，由于采煤工作面放炮，+770N8号边界石门属警戒范围，需要撤出+770N8号边界石门打钻地点的工人，打钻工人被撤到放炮警戒线外；放炮结束后，打钻工返回+770N8号边界石门准备再作业时，发现钻孔有烟雾，立即向矿调度室汇报了情况，矿调度室汇通知救护队，救护队出动1个小队赶赴事故现场，救护队到达现场时，烟雾较大，能见度较小，队员到达着火点后，未能及时采取有效方法扑灭火灾，只向矿调度室请示，请求调派救护力量增援，由于距离较远，增援小队到达时，救护队员已经无法再接近火源了，已经失去了直灭火的时机，救护队用干粉、泡沫等试图通过局扇风筒输送到着火点，达到控制火势的目的，从而想创造直接灭火的战机，结果失败。同时，由于瓦斯积聚，该巷道发生了第一次瓦爆炸，为了确保救援人员安全，人员撤离到了安全地点，未造成人员伤亡；随着第一次瓦斯爆炸后，由于通风系统被破坏，造成瓦斯积聚，瓦斯发生连续爆炸，对火区只好采取远距离进行封闭。随后又召请南桐矿业公司救护大队2个小队增援，同时采取了向火区注氮气的措施。由于所采取的封闭措施不力，只对通往火灾区的通道采用防爆墙封闭，并没有建造永久密闭设施，虽然向火区不断注入氮气，但连续爆炸仍未停止；我救护队向事故矿井提出建议，建议在进风侧先建造一道永久密闭墙，然后观察24小时，当进风侧密闭建好后观察，火区内瓦斯连续爆炸停止，回风侧CO快速下降，然后在再回风侧建造永久密闭墙。连续不断向封闭的火区内注氮气，火区漏风减少，火区内O2含量和CO含量开始下降，火区内瓦斯停止爆炸。

5.氮气防灭火技术与传统灭火方法的区别

5.1氮气防灭火技术

氮气防灭火装备主要有碳分离制氮机和膜分离两种。是以压缩空气为原料。碳分离制氮机是利用一种叫作碳分子筛的吸附剂对氮、氧的选择性吸附，把空气中的氮分离出来。变压吸附法通常使用两塔并联，交替进行加压吸附和解压再生，从而获得连续的氮气气源。氮气就这样通过管道安全输送到需要的地点，达到降低空气中的氧气含量，不但能够防止煤炭氧化，还能抑制瓦斯爆炸。氮气对巷道、支架、电器设备没有破坏作用，恢复生产简单快捷。

氮气在防灭火中的应用的主要优点：一是制气设备稳定，性能可靠，制气原料成本低；二是可实现远距离管道输送气体，确保救援人员安全；三是设备操作简单，易掌握；三是灭火产生的损失小，对巷道、支架、设备没有损坏；四是恢复生产快等优点。

5.2传统灭火方法

（1）传灭火装备如果CO2发生装置、惰泡等，化们本身产生的气体对人体有毒，设备产气也同时产生CO，温度高，设备可靠性差。

（2）如果用传统的注浆、注水灭火，对巷道、支架、设备损坏严重，给恢复生产带来困难。特别是矿井下部工作面，如果用水淹灭火，排水费用也是相当高的，巷道清理维护时间长也不经济。

（3）传统灭火方法：一是时间长，影响生产部署；二是火区注水、注浆对巷道、支架、设备损坏严重；三是注水后排水困难，巷道维护量大，恢复生产时间长；四是投资大量人力物力，不经济。

6.结论

从上述案例证明，氮气防灭火技术在煤矿广泛应用，在处理井下火灾、瓦斯、防止煤炭自燃等方面起到了极其重要的作用。井下回采工作面采空区如果煤炭发生氧化、自燃，采取向氧化带打钻孔或埋管道，采用开放式防灭火注氮技术和封闭式防灭火技术，向氧化带注氮气阻止煤炭氧化自燃，可以实现不停产；对于已经发生自燃的采空区，采用封闭式注氮灭火技术，可以使火灾快速熄灭，起到快速消灭隐患作用；对于火灾引起的爆炸事故，采用封闭式注氮也是有很好抑爆作用。实践证明，使用注氮防灭火技术，比传统的先封闭后注水、注浆时间缩短很多，而且封闭区域注氮对巷道、支架、电器设备没有任何损坏；如果注水、注浆，对巷道支护、电器设备损坏大，巷道清理维护量也大，启封时排水也困难。所以，氮气防灭火技术在有自燃发火的矿井推广使用，既经济又安全。

参考文献：

[1]国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程[M].煤炭工业出版社,2016.

[2]张华,李春生,程高福.非煤矿山救护队透水事故应急救援[J].安徽冶金科技职业学院学报,2016,26(2).

[3]史国安.煤矿通风与安全技术的应用探析[J].河北企业,2014(1):104-104.

[4]李军.氮气防灭火技术在火区治理中的应用[J].煤炭与化工,2015,38(12):119.

[5]郭雪鹏,GUOXuepeng.氮气防灭火技术应用分析[J].能源与节能,2017(11):171-172.