煤礦液氮防滅火技術(shù)及發(fā)展趨勢研究

黃永軍

（內(nèi)蒙古珠江投資有限公司青春塔煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010308）

煤礦資源作為一種重要的能源資源，其在經(jīng)濟社會發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的作用，但是，煤礦開采常常面臨著復雜的開采條件，嚴重影響了煤礦的安全生產(chǎn)。在煤礦開采中，火災事故頻發(fā)，傳統(tǒng)的防滅火技術(shù)主要是通過灌漿、凝膠與泡沫等手段，雖然可以起到一定的防滅火作用，但是存在技術(shù)的局限性，比如火區(qū)環(huán)境的污染、防火范圍的有限性等。而液氮防滅火技術(shù)是當前煤礦生產(chǎn)中應用極為廣泛的技術(shù)，其具有安全性與可靠性、操作簡單等優(yōu)勢，可以取得理想的防滅火效果。

1 煤礦中液氮防滅火技術(shù)應用的現(xiàn)實意義

近年來，經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，使得生產(chǎn)生活中對于煤炭資源的需求逐年增加，各個煤礦企業(yè)逐步加大了煤礦開采的力度與強度。但是，煤礦開采過程中，火災事故頻發(fā)，成為阻礙煤礦企業(yè)長期發(fā)展的重要因素。隨著煤礦開采深度的加大，煤礦開采所面臨的環(huán)境越發(fā)具有復雜性與多變性，火災控制、防滅火越發(fā)具有一定的難度與技術(shù)性要求。在一些煤礦企業(yè)，逐步應用了液氮防滅火技術(shù)，此種技術(shù)在煤礦防滅火中的應用能夠?qū)崿F(xiàn)良好的防滅火效果，有效維持了煤礦企業(yè)正常的開采活動，有利于煤礦的安全生產(chǎn)，推動了整個煤礦行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 煤礦液氮防滅火技術(shù)

2.1 液氮防滅火技術(shù)應用的原則

在煤礦開采過程中，液氮防滅火技術(shù)需要遵循以下原則：如果火區(qū)與礦井口的距離相對較近，此時，在液氮的輸送過程中，往往要采用管路輸送的方式，但是在輸送過程中要保障管路具有良好的抗低溫能力；如果火區(qū)與礦井口的距離相對較遠，在輸送過程中采用礦車型小貯罐運輸?shù)姆绞剑蝗绻鹪磁c地表的埋藏相對較淺，直接在地表打鉆孔來保障液氮的注入即可。

2.2 制取氮氣

在煤礦開采過程中應用液氮防滅火技術(shù)時，其最為關(guān)鍵的是氮氣的制取，礦井開采建設(shè)過程中所用到的氮氣，其最為直接的獲取途徑是空氣中氣體成分分離以后所獲得的，因此，為保障良好的防滅火效果，煤礦企業(yè)需要根據(jù)自身的實際情況，選擇最為合適的制氮設(shè)備。當前，制氮設(shè)備主要包含了地面固定式、地面移動式、井下移動式等。但是，變壓吸附與膜分離制氮設(shè)備是當前應用最為廣泛的設(shè)備，在未來將具有廣闊的市場前景。

3 液氮防滅火技術(shù)的類型

在煤礦開采過程中，由于不同的礦井環(huán)境存在著灌注環(huán)境等的差異，其液氮防滅火技術(shù)主要包含了三種。

3.1 開放式灌注液氮

開放式灌注液氮在應用的過程中，主要在向采空區(qū)灌注液氮時遵循從工作面后方灌注的方式。應用此種灌注方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對采空區(qū)氧氣濃度的科學控制，使得采空區(qū)域內(nèi)的氧氣濃度可以處于10%的安全范圍以內(nèi)。此外，在應用此種灌注方式時，由于會出現(xiàn)部分的回流液氮，所以有關(guān)人員還需要盡量實現(xiàn)對工作面氧氣濃度的控制，避免回流液氮對其造成的不利影響。因此，氧氣濃度的控制是開放式液氮灌注的關(guān)鍵技術(shù)要點。

3.2 封閉式灌注液氮

封閉式灌注液氮主要是在封閉區(qū)域內(nèi)進行的，該種灌注方式在當前的煤礦防滅火中應用極為廣泛，可以取得良好的防火、滅火效果。與開放式相比，封閉式灌注中所消耗的液氮量更小。在應用封閉式灌注液氮時，其液氮運輸多以貯液槽車為主，當液氮運輸至火區(qū)周圍時，利用管路來實現(xiàn)注氮管與槽車良好的連接，為保證其連接效果，一般在連接中所使用的管路材料為金屬軟管，并要保障其管路長度超過50m。當連接結(jié)束以后，打開閘閥，在槽車耐壓力順風向的作用下，可以直接將液氮注入火區(qū)，進而能夠起到良好的防火與滅火效果。通常情況下，灌注液氮的過程中，也可以利用均壓氣室等措施，能夠?qū)崿F(xiàn)更為理想的防滅火效果。

3.3 目標式灌注液氮

目標式灌注液氮的方式主要是將液氮直接注入火源點附近，這種注入方式在一定程度上是一種源頭上的防滅火措施，能夠科學進行火源點氧氣含量、溫度等的控制。

在液氮防滅火技術(shù)下，液氮灌注形態(tài)有時也存在著一定的差異性，根據(jù)這種差異，液氮防滅火技術(shù)主要包含了直注式與汽化式兩種。前者是指在火區(qū)直接進行液氮的注入，當將一定量的液氮注入火區(qū)以后，其本身會使得火區(qū)出現(xiàn)在蒸發(fā)吸熱的現(xiàn)象，進而對火區(qū)起到了良好的降溫、冷卻作用，具有明顯的防滅火效果。而后者主要是在液氮注入火區(qū)之前，首先將液氮加以必要的汽化處理，使之成為低溫氮氣以后再將其注入火區(qū)，與直注式相比，其降溫效果并不明顯，但是由于其氮氣的輸送主要是由管路來完成的，其操作相對簡單。

此外，在液氮防滅火技術(shù)下，可控溫式液氮防滅火技術(shù)的應用也較為普遍。在煤礦開采過程中，礦井中存在的各種管路，比如灌漿管路、瓦斯抽采管路、防塵管路等，這些管路都與工作面直接相連接，這就使得在液氮防滅火技術(shù)下，可以直接應用這些已有的管路來實現(xiàn)液氮的輸送與灌注等。但是，由于在灌注過程中，必須保證其灌注作業(yè)的連續(xù)性，因此為實現(xiàn)良好的防滅火效果，對于管路性能、質(zhì)量等有著極高的要求。如果這些管路為普通管路，其在液氮的輸送過程中易出現(xiàn)冷縮、冷裂等，進而使得工作面支架也會受其應用，出現(xiàn)凍壞等現(xiàn)象。而如果液氮溫度可以與常態(tài)氮氣的溫度保持一致，液氮防滅火技術(shù)應用的效果就會大大降低，而可控溫式液氮防滅火可以在技術(shù)應用中實現(xiàn)液氮溫度的控制，有效保障了防滅火工作的順利開展。

4 煤礦液氮防滅火技術(shù)要點

4.1 注氮工藝參數(shù)選擇

在煤礦防滅火技術(shù)下，其一般多采用埋管操作方式，這種方式能夠達到理想的防滅火效果。具體的實施過程中，要將注氮管埋設(shè)于井下巷道。而由于注氮的對象主要是火區(qū)與采空區(qū)，經(jīng)由鉆孔方式，可以充分發(fā)揮注氮管的作用，保障注氮工作的順利實施。比如，以采空區(qū)的注氮管路埋設(shè)為例，其在管道的埋設(shè)過程中，在間隔一定的距離內(nèi)，還需要做好釋放口的預設(shè)，各個釋放口的位置需要在煤層底板的一定距離內(nèi)，這種釋放口的預設(shè)使得煤礦底板的石塊、木垛等可以為對注氮管的順利運行等起到一定的保護作用，有效降低了孔口堵塞等問題的出現(xiàn)。在煤礦火區(qū)內(nèi)的防滅火工作中，需要將其中的氧氣質(zhì)量分數(shù)控制在10%以內(nèi)，以避免火區(qū)內(nèi)爆炸事故的發(fā)生，將火區(qū)氣體氧質(zhì)量分數(shù)控制在1%～2%，從而實現(xiàn)良好的防滅火目標。

4.2 安全技術(shù)措施

在煤礦液氮防滅火技術(shù)的應用中，由于防滅火工作本身具有一定的危險性，因此，必須在防滅火過程中做好相應的安全技術(shù)處理，主要從以下方面來實施：（1）預防措施。在煤礦工作面，必須預防采空區(qū)著火現(xiàn)象的發(fā)生，有關(guān)工作人員要根據(jù)煤礦開采的實際情況，及時制定預測預報措施，比如，在工作面回風平巷內(nèi)設(shè)置一氧化碳傳感器，該傳感器的存在可以實時監(jiān)測采煤工作面、回風流等的一氧化碳氣體濃度，進而實現(xiàn)良好的監(jiān)測預防控制。（2）應急措施。在煤礦工作面的回采過程中，有關(guān)人員要及時加強對采空區(qū)域內(nèi)發(fā)火等的監(jiān)測，如果在監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)一氧化碳的濃度超過了安全的范圍，就需要立即組織人員撤退，切斷有關(guān)的電源設(shè)備等，并及時應用液氮防滅火技術(shù)實現(xiàn)防滅火，如果在該技術(shù)的應用中，火勢依舊得不到有效的控制，此時需要及時封閉工作面加以注氮。（3）堵漏措施。注氮技術(shù)實施之前，為保障技術(shù)應用效果，有關(guān)人員需要及時做好堵漏處理，在工作面上下隅角砌筑隔離墻等位置，做好堵漏處理，避免漏風等對造成的不利影響。

5 煤礦液氮防滅火技術(shù)發(fā)展趨勢

5.1 加強應用基礎(chǔ)研究

近年來，隨著煤礦開采工作的順利進行，液氮防滅火技術(shù)在很多煤礦得到了普遍的應用，但是，其技術(shù)發(fā)展還不成熟，基礎(chǔ)理論有限，因此，在未來液氮防滅火技術(shù)的發(fā)展中，需要逐步加強基礎(chǔ)理論的研究，用基礎(chǔ)理論來指導與推動技術(shù)的應用，比如，做好液氮降溫防火滅火基礎(chǔ)規(guī)律、液氮在采空區(qū)傳熱傳質(zhì)機理、液氮汽化擴散規(guī)律等的分析與研究，使得在液氮防滅火技術(shù)下，這些基礎(chǔ)理論可以為技術(shù)的實際應用起到重要的指導作用。

5.2 不斷突破關(guān)鍵技術(shù)

在煤礦開采工程中，液氮防滅火技術(shù)的應用需要有關(guān)人員要保證技術(shù)應用的針對性，使得該技術(shù)在特定的狀態(tài)下能夠發(fā)揮其最好的防滅火作用。未來，液氮防滅火技術(shù)需要逐步突破關(guān)鍵技術(shù)，比如液氮可控溫汽化技術(shù)難題，逐步建立液氮立體化隔離帶，加強有關(guān)設(shè)備的研究與投入，使得相關(guān)設(shè)備更符合技術(shù)應用的實際需求，進而達到理想的防滅火處理效果。

5.3 實現(xiàn)礦井液氮防滅火系統(tǒng)的安全高效運行

液氮防滅火技術(shù)在應用于煤礦火災處理的過程中時，由于液氮在特定的狀態(tài)下會逐步氣化，在氣化狀態(tài)下時，液氮會處于爆發(fā)沸騰的狀態(tài)下，甚至有時會對人體產(chǎn)生一定的危害，因此，各個煤礦企業(yè)需要逐步構(gòu)建礦井液氮防滅火系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的安全性。

6 結(jié)束語

近年來，液氮防滅火技術(shù)是煤礦火災事故預防與處理中應用最為廣泛的一種技術(shù)，其本身具有一定的技術(shù)優(yōu)勢，在實際的應用中，要結(jié)合煤礦開采的實際情況，使得其能夠在火區(qū)取得理想的應用效果。但是，液氮防滅火技術(shù)的發(fā)展尚不成熟，未來還具有廣闊的發(fā)展與應用前景。