氮氣防滅火系統設計與研究

霍宏元

(開灤(集團)蔚州礦業(yè)有限責任公司,河北張家口 075700)

氮氣防滅火系統設計與研究

霍宏元

(開灤(集團)蔚州礦業(yè)有限責任公司,河北張家口 075700)

氮氣防滅火技術已在國內外實現了很多成功的案例,但是還存在一些不足。氮氣降溫的效果差,容易復燃,易流失,氮氣停止使用,防滅火的作用也會同時消失。對氮氣進行防滅火技術研究,獲得更為理想的防滅火效果就顯得十分重要。

氮氣 防滅火系統 設計

自從氮氣滅火技術在煤礦開采中大量的使用，氮氣滅火技術就得到了迅速的發(fā)展。英、法、美等國多次應用氮氣滅火技術，對氮氣防滅火技術做出大量的研究。現階段，氮氣防滅火技術已成為煤礦井下防滅火技術的重要手段。

1 概述

目前，我國有一半礦井會發(fā)生自燃現象，煤礦的井下火災有80%以上是由于煤層自燃引起的。隨著我國煤礦開采技術的提高，機械設備的廣泛使用，開采設備在煤礦井下的大規(guī)模使用，提高開采量的同時，煤礦井下自燃問題也會對煤礦資源造設備造成更大的浪費和損毀。

傳統滅火的辦法已經不能滿足現階段滅火的需要，急需一種更高效、更簡單、更安全的防滅火系統保護礦井的安全生產工作。

我國對氮氣的防滅火技術已經研究了幾十年，全國很多地區(qū)都成立了氮氣防滅火的小組，對氣氮和液氮進行了多種滅火試驗工作。其中液氮滅火試驗取得了一定的突破，并在煤礦區(qū)進行了注氮滅火的試驗和注氮工藝系統的試驗，并獲得了成功。

2 氮氣防滅火的機理、特點

2.1 氮氣防滅火的機理

氮氣是常溫常壓下的無色、無味、不可燃、抑爆、無毒的惰性氣體。一般在常溫下，氮氣的性質穩(wěn)定，不容易和其它元素直接發(fā)生化合作用，微溶于水。

氮氣注入到火區(qū)和采空區(qū)，可以有效滅火、防火。具體滅火機理為以下幾個方面。

(1)窒息作用：可以降低采空區(qū)、火區(qū)的氧含量，使氣體惰化，對煤炭的氧化起到降低或阻止作用。(2)增壓作用：氮氣可以灌注在任何形狀的空間內充滿，而采空區(qū)充滿氮氣后，就會形成正壓，使空氣漏入的機率大大降低或者說從根本上杜絕了空氣的進入，形成窒息區(qū)域。(3)冷卻作用：充滿氮氣后，采空區(qū)或火區(qū)的氣體溫度與周圍介質溫度會迅速降低，使火源的熄滅速度加快。(4)抑爆作用：采空區(qū)或火區(qū)充滿氮氣后，可以使帶有爆炸性質的混合氣體迅速稀釋，使混合氣體轉變成為無爆炸特性的惰性的混合氣體，使爆炸危險得到解除。

2.2 氮氣防滅火的特點

如果采空區(qū)或者火區(qū)存在漏風的通道，就會使氮氣發(fā)生遺失，失去防滅火作用。氮氣做不到泥漿和膠體類物質，能保持長期防滅火的作用。充滿氮氣雖然能控制火區(qū)，可是在對火區(qū)溫度降低上有一定的困難，火區(qū)完全熄滅需要較長的時間。可見，注氮只能是防滅火的一種方式，如果要迅速徹底的撲滅火災還是要輔助其他的防滅火方式。

3 氮氣防滅火系統設計的理論依據

煤礦在開采中，開采周圍要留有煤柱，隨著工作進程的深入，煤壁四周形成礦壓向采空區(qū)漏風，一旦停采，工作面切眼漏風不能得到控制，可燃物與供氧條件并存，就會產生自燃，經研究發(fā)現，開采區(qū)的后方一般存在三個分帶。

(1)冷卻氧化帶：開采工作切眼與后面一段距離，由于工作的需要，必須通風，采空區(qū)頂部圍巖卻已經冒落，未經壓實，工作面風會漏入采空區(qū)。支架后方的采空區(qū)，冒落頂板的間隙較大，過風量也較大，這段距離的殘煤就會發(fā)生充分的氧化，發(fā)生自燃。隨著開采工作的推進，不斷移動中，氧化時間會很短，所以自燃發(fā)生機率不高，這個區(qū)域就稱冷卻氧化帶。而冷卻氧化帶范圍和煤層的自然周期、煤的易燃度、頂板圍巖的破碎程度等方面都有很大的關系。(2)氧化自燃帶：冷卻氧化帶后方區(qū)域，由于冒落巖石的壓實，余下空間越來越小，使采空區(qū)過風量變小。但此區(qū)域供氧充分、漏風量適中、具備聚熱的可能條件、有殘煤和浮煤自燃的條件。一般礦井下采空區(qū)的自燃都是發(fā)生在氧化自燃帶。(3)缺氧窒息帶：氧化自燃帶后方到停采線這段區(qū)域，頂板冒巖石會完全壓實，工作面的切眼漏風量很少，供氧不充分，而殘煤和浮煤的氧化條件減少，這段區(qū)域基本上不具備自燃的條件，所以稱之窒息帶。

據實際工作中研究發(fā)現：一般通風狀態(tài)下，冷卻氧化帶要設置帶寬12m，而含氧量〉18%；氧化自燃帶設置帶寬24m，含氧量10～18%；缺氧窒息帶要設置帶寬36m，含氧量〈10%。氮氣防滅火系統要通過氮氣特點結合一定的工作環(huán)境下進行氮氣防滅火系統的設計。

4 氮氣防滅火系統設計

據有關資料，確定防火注氮量可以按照以下公式計算。

由于，實際生產工作中，工作面的漏風量變化大，并不能準確的進行預測，所以不能做為注氮量的設計依據。

經過試驗研究發(fā)現，工作面的防火注氮量消耗較小，難以確定數量，要根據經驗公式計算和對比的方法進行確認，在實際生產中，再進行合理調整。而滅火工作的注氮量消耗就要遠遠大于防火消耗。有關公式如下：

根據公式計算可以得知，滅火氮量的消耗遠遠大于防火氮量的消耗，設計中，對滅火工作的氮量消耗要做出正確的判定。一般情況下，實際上很難保持長距離、連續(xù)、大量的輸送氮氣，所以一定要結合實際情況，參考防火氮量消耗，進行氮氣防滅火系統的設計。需要使用大量氮氣滅火時，要關閉其它防火區(qū)的用氮點，要針對滅火區(qū)集中使用氮氣，而且要準備一定數量的液體氮，使滅火工作更高效。經實踐證明：氮氣的防滅火系統的設計和研究工作是經濟合理的，可以推廣使用。

5 結語

氮氣防滅火技術已被我國采礦行業(yè)廣泛使用，以其高效果、低成本、安全的優(yōu)勢，為采礦行業(yè)提供了防滅火的有效手段，再配合強化的管理，能夠根治火災。

[1]戚穎敏.我國煤礦火災防治技術的現代發(fā)展與應用[J].煤,2011 (10).

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[3]丁錄仕.汪氮治理火區(qū)技木研究[J].科技信息,2012.

[4]李書軍.急傾料易燃特厚煤層放頂煤綜采面氮氣防滅火技術[J].試驗研究,2010(21).

[5]王書慶,徐成林,呂坤.氮氣添加劑防滅火技術的研究與應用[J].煤礦安全,2012(12).

霍宏元(1984—),系內蒙古自治區(qū)杭錦后旗人,開灤(集團)蔚州礦業(yè)有限責任公司鄭溝灣礦安全管理科工作,安全助理工程師, 2012年1月畢業(yè)于中國礦業(yè)大學,函授采礦工程,從事安全管理工作。