注氮對封閉火區燃燒狀態及爆炸影響分析研究

王 南

(山西潞安礦業(集團)有限責任公司通風處，山西 長治 046200)

引 言

礦井火災會產生大量有毒有害氣體并造成高溫煙流，誘發瓦斯、煤塵爆炸等事故[1-3]。注惰滅火是向火區注入N2、CO2或濕式惰氣，以降低火區的氧濃度，使火區缺氧窒息的一種滅火方法。注惰用于撲滅礦井的外因火災，其機理是減少火區中氧氣和可燃氣體的相對濃度，另外液態氮氣能夠冷卻熾熱煙流和著火帶，從而減小火勢，撲滅火災。

邱雁等[4]以化學流體動力學為基本理論基礎，對火區注惰過程進行模擬，建立了注惰氣體流動的數學模型，得到模擬相關計算方法；段玉龍、周心權等[5-6]對封閉火區注惰抑制礦井火區內瓦斯氣體的分布規律進行研究，在巷道中進行不同流量惰氣注入的試驗，并建立數學模型，對不同注入速度進行了模擬，研究發現，注惰速度大小對火區瓦斯分布有很大的影響，注惰速度不當會引起瓦斯爆炸。

2017年11月15日潞安某礦綜采工作面支架后方瓦斯燃燒，引發火災，發火后，在直接滅火失敗后進行火區封閉，11月20日從地面鉆孔開始往火區注入液態氮氣，并以該礦封閉火區實際氣體監測數據進行封閉區火情動態分析，從而掌握注氮后封閉火區燃燒狀態及爆炸性。

1 封閉火區燃燒狀態指標判定

1.1 單一指標氣體濃度變化速率判斷指標

單一指標氣體濃度變化速率判斷指標就是依據相應氣體濃度變化進行判斷的，通過氣體濃度變化速率，來判斷燃燒狀態。該指標主要包括O2、CO2、CH4、CO等氣體的濃度變化，實際應用中常以氣體濃度為縱軸，以時間為橫軸繪制圖形進行分析。

通過對繪制好的圖形中曲線進行分析，確定每條曲線代表氣體的發展趨勢和變化速率，氣體百分比濃度的變化速率可由下式計算得出。計算式見式(1)。

(1)

式(1)中：X′，X″為選定時間的初始值和終值；γ′，γ″為與選定時間對應的各組分氣體濃度的百分比。

對火情進行分析時經常使用火區內氣體濃度變化速率。R<0時，氣體濃度變化趨勢為減少；R>0時，氣體濃度變化趨勢為增加。

下面介紹分析火區狀況的判斷準則[6]：

準則1：對于大多數煤礦，當有惰氣注入時，若應用判斷準則，需以惰氣和甲烷的變化速率代替RCH4；

準則2：當封閉火區內RO2≈RN2時，火區內氧氣最多有少量吸附的條件下，可以判斷火區沒有發生燃燒；

準則3：如果火源消除時，則一氧化碳、二氧化碳和氮氣R值相等，并且除了甲烷百分比濃度的變化速率增大外，其余所有氣體的R值將減少；

準則4：當O2濃度減少并且CO2、CO濃度增加時，如果其R值的絕對值近似，則火情可能會進一步發展；

準則5：當φ(O2)，φ(CO2)和φ(CO)濃度以穩定速率降低或其速率近似為零時，封閉火區內火情變化不大。

1.2 碳的氧化物比率CO/CO2

碳的氧化物比率作為唯一不被風流等外部因素影響的判定指標，不僅在煤自燃預警方面得到應用，在判斷火區燃燒狀態方面也得到了廣泛應用。

2 封閉火區燃燒狀態及爆炸性判斷

采用密閉取樣管取樣和鉆孔取樣兩種相結合的方式對封閉火區內氣體進行檢測，取樣時間和地點滿足準則要求，并通過氣樣可靠性分析排除異常數據，根據回風側實測數據，并通過單一氣體指標和復合氣體指標變化趨勢研究封閉火區燃燒狀態。

2.1 氣體變化速率的確定

通過式(1)計算氣體百分比濃度的變化速率：R<0時，氣體濃度變化趨勢為減少；R>0時，氣體濃度變化趨勢為增加。

在封閉后11月29日到12月5日這7 d內：RO2=-0.091 4，RN2=0.001 3，RCO2=-0.008 4，RCO=-0.129 1，RCH4=0.003 3。在整個火區封閉后12月6日到12月13日這8天內：RO2=-0.025 1，RN2=0.004 6，RCO2=-0.045 3，RCO=-0.180 9，RCH4=-0.015 1。

2.2 火區燃燒狀態分析

如圖1～圖4所示，11月20日從地面鉆孔開始往火區注入液態氮氣，在這16 d內使火區N2濃度連續增加。CH4濃度前期增高后期降低，封閉并注氮后RO2值從-0.091 4變化為-0.025 1，O2濃度降低到以1%以下，說明注氮取得一定的防滅火效果；而火區封閉9 d后RCO2=-0.008 4，RCO=-0.129 1，表明CO、CO2濃度呈現下降趨勢，并由圖2可知，在火區封閉9 d后CO濃度趨近于820×10-6，未達到規程要求，當火區持續處于燃燒狀態時，則有RCO小于RO2成立。在采取注惰措施后，RCO大于RO2，故可以判斷火區火源并沒有一直保持燃燒，自燃得到了一定抑制，根據判定準則四，一氧化碳、氧氣、二氧化碳濃度從火區封閉開始9 d后就一直呈現下降趨勢，所以在火區封閉后，火區內火勢無惡化趨勢，且碳的氧化物比率CO/CO2數值迅速減少，故判斷O2(%)<5%(12月3日)，與O2測量結果一致。

圖1 封閉火區內O2和N2濃度變化趨勢

圖2 封閉火區內碳氧化合物濃度變化趨勢

圖3 封閉火區碳的氧化物比率變化趨勢

圖4 封閉火區甲烷濃度變化趨勢

通過以上對各種氣體變化速率以及碳氧化物比率的分析，說明在采取注氮措施后對自燃抑制效果明顯。

2.3 爆炸性分析

從第125頁圖5可以看出，在火區封閉14 d后氧氣濃度持續低于9%，低于可爆氧氣濃度下限，火區不具備爆炸危險性，注氮措施成功抑制了瓦斯爆炸。

圖5 甲烷和氧氣濃度隨時間變化曲線

3 結論

通過對封閉火區進行火情分析，計算出火區封閉初期CO、CO2、O2、N2、CH4氣體濃度變化速率，利用總結的火區狀況的判斷準則以及碳的氧化物比率CO/CO2進行了分析，采用措施后，CH4濃度前期增高后期降低，CO、CO2氣體濃度從火區封閉開始9天后就一直呈現下降趨勢，RO2值從-0.091 4變化為-0.025 1，O2濃度降低到1%以下，火區封閉14 d后氧氣濃度持續低于9%，低于可爆氧氣濃度下限，結果表明注氮措施對自燃和爆炸抑制效果明顯。