液氮防滅火特性實驗分析研究

葉正亮

（中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安 710054）

近年來，煤礦防滅火技術的發展和現場管理水平的提高在一定程度上減少了礦井火災的發生和帶來的危害，但礦井火災對煤礦安全生產的威脅仍然很大[1-3]。為了預防礦井火災和快速撲滅井下火區，液氮防滅火技術開始被一些學者和技術人員應用到煤礦火災防治領域[4-5]。液氮防滅火具有惰化、降溫雙重效果，能夠短時間內降溫和惰化高溫煤體和火區，具有其他防滅火技術不可比擬的優點。但液氮對煤體的惰化特性以及采空區降溫規律尚沒有進行系統的研究，不能實現對煤層自燃的針對性防治[6]。通過實驗對液氮防滅火特性進行分析研究，為向煤礦井下高效率輸送液氮奠定基礎，實現液氮的高效率防滅火的目標。

1 液氮防滅火原理

液氮在-196 ℃時為無色無味液體，性質比較穩定，但其沸點很低，很容易氣化，具有驅氧惰化、冷卻降溫等多種作用的綜合防滅火效果。液氮防滅火原理主要表現為驅氧惰化和冷卻降溫兩個方面。

1.1 驅氧惰化

采空區或高溫火區注入液氮，液氮遇熱后會很快的氣化膨脹，增加了采空區或高溫火區的氣體總量，使采空區或高溫火區內氣壓升高，從而導致采空區或高溫火區內的高氧氣體排出，減少向采空區或火區的漏風，使火區O2含量降低，從而達到惰化效果。

1.2 冷卻降溫

液氮氣化時，會從周圍環境吸收大量的熱量，在一定程度上降低周圍環境的溫度。液氮通過管道灌注到采空區或高溫火區內，高溫煤體或火區的熱量會被液氮氣化吸收，使高溫煤體或火區的溫度冷卻下降到著火點以下，從而達到冷卻降溫防滅火的效果。

2 液氮惰化前后煤樣氧化特性及指標性氣體實驗

煤自燃過程中產生CO已經是毋庸置疑的事實，國內外相關研究機構在研究煤自燃過程特性參數時，采用了不同類型的煤自然發火實驗臺。通過大量的實驗證明，不同性質的煤在自燃的過程中出現CO 的起始溫度不同，有的煤樣甚至在常溫狀態下就出現CO，隨著煤體溫度的升高其CO 產生速率相應增加。為了對受液氮影響煤的氧化特性及指標性氣體進行分析研究，在實驗室條件下，分別對液氮惰化前后煤樣進行程序升溫氧化實驗，分析液氮蒸汽惰化前后同一煤種的兩個煤樣在程序升溫過程中CO 氣體產生的最低溫度，以及氣體生成量和煤溫之間的變化關系，以此對比分析研究液氮蒸汽惰化前后煤樣的氧化特性。

2.1 實驗過程

實驗選取50 g 煤樣，煤樣粒徑小于0.15 mm，在實驗室條件下，通入流量為100 mL/min 的干燥空氣對其進行程序升溫氧化實驗。程序升溫軟件打開后，可根據實際實驗需要設置升溫速率，實驗每隔10 ℃取樣分析一次。

通過實驗室程序升溫實驗，可以得出測試原煤樣和受液氮惰化后的煤樣隨溫度的升高氣體變化規律。測試原煤樣和受液氮惰化后的煤樣隨溫度變化產生CO 的變化曲線如圖1。

圖1 測試煤樣氧化升溫過程CO 隨溫度的變化關系

2.2 結果分析

根據實驗所得數據以及圖1 可知，原煤樣在測試溫度范圍內CO 在30 ℃時即開始出現，CO 濃度隨煤溫的增加基本上呈指數增加的趨勢；在溫度為30～50 ℃時，煤炭氧化所產生的CO 釋放量隨溫度的上升速率較緩，但CO 釋放量倍率上升較大；當溫度達到60 ℃時，煤層氧化的速度加劇，CO 釋放量急劇增加，氧化速率迅速上升。這一時期是煤炭自燃的預測預報與防治的主要時期。而受液氮惰化后的煤樣產生CO 氣體的溫度出現在40 ℃，經液氮惰化后的煤樣與原煤樣相比，CO 的出現溫度有了明顯的“延滯”效應，表明受液氮惰化后煤樣的自燃活性降低。

實驗現象表明煤樣經液氮惰化吸附液氮蒸汽后，煤樣的氧化性減弱。在低溫氧化階段，由于液氮蒸汽的加入導致煤樣與氧氣的氧化反應速率下降，隨著溫度的升高，煤樣吸附的液氮蒸汽開始逐漸脫附，煤樣產生CO 速率開始上升。當煤樣溫度達到180 ℃以上時，受液氮惰化的煤樣與原煤樣產生CO 速率基本上一致。這一過程表明，煤樣經液氮惰化后，能夠一定程度上抑制煤的氧化，在低溫階段降低了煤的氧化性。

3 封閉空間破碎松散煤體內液氮防滅火實驗

為了研究液氮在封閉空間破碎松散煤體中的惰化降溫防滅火效果，通過建立一個模擬實驗裝置系統進行液氮在破碎松散煤體內防滅火實驗，隨著注液氮時間和注氮量的變化，得出封閉空間松散煤體內設置的各測點溫度和氧氣濃度的變化，分析破碎松散煤體內的氣體濃度場和溫度場的分布情況，研究液氮在封閉空間破碎松散煤體中的降溫惰化防滅火效果。

3.1 模擬實驗

該模擬實驗裝置系統主要由液氮自增壓流量控制裝置、溫度采集裝置、氣體進樣分析裝置、封閉空間松散煤體實驗裝置組成。其中松散煤體實驗臺中松散煤體在有機玻璃罩內自由堆積，松散煤體堆積最高高度為50 cm，煤塊粒徑在0.5～1 cm 之間。在松散煤體中部垂直方向分別布置4 個溫度采樣器和氣體采樣頭，在松散煤體中部水平方向右側分別布置2 個溫度采樣器和氣體采樣頭。測點1#坐標為（0，-10）、測點2#坐標為（0，0）、測點3#坐標為（10，0）、測點4#坐標為（0，10）、測點5#坐標為（0，-20）、測點6#坐標為（20，0）。連接好實驗系統管路，檢查氣路的氣密性，通過預埋管路對封閉空間內松散煤體灌注液氮進行實驗。設置灌注液氮流量為1.0 L/min，每60 s 分析一次松散煤體實驗臺設置的各測點溫度變化情況，每15 s 分析一次松散煤體實驗臺設置的各測點氧氣濃度變化情況。模擬實驗裝置系統如圖2。

圖2 模擬實驗裝置系統

3.2 實驗結果分析

在上述實驗條件下，可以得到封閉空間松散煤體注液氮期間，封閉空間松散煤體內設置的各測點溫度和氧氣濃度的變化曲線如圖3、圖4。

圖3 測點溫度隨注液氮時間變化曲線圖

圖4 測點氧氣濃度隨注液氮時間變化曲線圖

從圖3 中可以得到，1#、2#、3#、5#測點溫度隨注液氮時間的增加下降幅度較快，且2#測點的溫度下降幅度大于1#和3#測點，垂直方向上的最下部5#測點溫度的下降速率隨著時間的增加逐漸增大，而最上部4#和水平方向的6#測點溫度隨時間變化較小。這說明了液氮釋放口垂直下方測點的溫度下降速率大于水平方向測點的溫度下降速率，而液氮釋放口垂直上方的測點溫度下降速率最慢。

從圖4 中可以得到，松散煤體實驗臺密閉空間內各測點的氧氣濃度隨著灌注液氮時間的增加逐漸減少，靠近注氮口的1#、2#、3#測點以及位于注氮口下部的5#測點氧氣濃度下降速度較快。總體來看，在松散煤體實驗臺密閉空間內各測點氧氣濃度變化主要發生在注液氮初期階段，在灌注液氮60 s 后，各測點氧氣濃度下降趨于平緩，各測點氧氣濃度基本上小于3%，逐漸趨于零。

封閉空間松散煤體內灌注液氮后，松散煤體內溫度場向下運移速率比水平方向快，向上運移速率最慢。這是因為松散煤體內液氮出口處溫度較低，低溫液氮密度相對周圍空氣較大，具有液態流體的沉降效應，其在松散煤體內的擴散屬于重氣云團擴散，因此注氮口垂直方向中下部的溫度下降幅度比水平方向的溫度下降幅度明顯。隨著液氮氣化吸熱，液氮蒸汽變得與周圍空氣密度相近，測點的溫度變化幅度會隨著時間的增加而減小甚至趨于平緩。而封閉空氣松散煤體內各測點的氧氣濃度在液氮灌注初期就變化較大，且液氮釋放口附近測點的氧氣濃度下降較快，封閉空間內的氧氣濃度能夠在短時間內降低，達到較好的惰化效果。

4 結論

通過實驗室對受液氮蒸汽惰化的煤樣進行程序升溫實驗以及構建液氮防滅火模擬實驗裝置系統，研究分析了液氮對煤體的惰化和降溫特性，得到了以下結論：

（1）煤樣受液氮蒸汽惰化影響后，與原煤樣相比，升溫氧化過程中CO 氣體出現的溫度有了明顯的“延滯”效應，煤樣的自燃活性降低，說明液氮惰化在一定程度上抑制了煤的氧化，降低了煤的氧化性。

（2）封閉空間松散煤體內灌注液氮后，由于低溫液氮具有液態流體的沉降效應，從而使液氮擴散后松散煤體內溫度場向下運移速率比水平方向快，向上運移速率最慢。而松散煤體內各測點的氧氣濃度在液氮灌注初期就變化較大，且液氮釋放口附近測點的氧氣濃度下降較快。通過實驗說明灌注液氮對封閉空間松散煤體溫度降低效果較好，并且短時間內降低了封閉空間內的氧氣濃度，能夠很好地起到降溫惰化防滅火效果。