氮氣在煤礦防滅火中的應用

氮氣在煤礦防滅火中的應用
煤礦防滅火對于惰性氣體的定義與化學對惰性氣體的定義不盡相同。在防滅火的工作實踐中，惰氣是指不參與燃燒反應的單一或混合的窒息性氣體，其中可能含有少量的氧氣。最常見的防滅火惰氣是燃氣、氮氣和二氧化碳。

一、氮氣的性質(zhì)
眾所周知，氮氣的原料是空氣。氮氣是一種無色無味無毒無腐蝕，不自燃，也不參與燃燒的氣體，標準狀態(tài)下（21℃，101.325kpa），氣體密度為0.461kg/cm3,液體密度為80.8kg/m3,氮氣在101.325Kpa,-195.8℃時變成無色的液體，在-209.9℃時，變成霧狀的固體。氮氣在水中溶解度很小，很難與其它物質(zhì)發(fā)生化學反應，在震動、熱和電火花作用下都較穩(wěn)定。

二、氮氣防滅火作用原理

注氮防滅火的實質(zhì)是向采空區(qū)氧化帶內(nèi)或火區(qū)內(nèi)注入一定流量的氮氣，使其氧含量降到10%或3%以下，達到防火、滅火和抑制瓦斯爆炸的目的，其作用有：

1、消除瓦斯爆炸的危險
在煤礦當采空區(qū)一旦出現(xiàn)火災，危害最大的是導致其內(nèi)混合氣體的爆炸。由混合氣體爆炸三角形知，混合氣體中氧含量低于12%時就有減小爆炸的可能性。但是，混合氣體爆炸的界限不僅取決于這種氣體在空氣中所占的百分比，還部份地決定于混合氣體的溫度和氣壓。溫度和氣壓的增高使這個界限擴大，反之縮小。如果混合氣體被加熱到300℃，氧含量為9%時就能發(fā)生爆炸。因而國內(nèi)的研究表明，將氧氣的臨界含量控制在5%以下時幾乎能防止任何爆炸，否則爆炸還有可能發(fā)生。而氧氣的含量低于10%時混合氣體的爆炸有顯著的降低。正是從這一理論出發(fā)，向火區(qū)注入氮氣后使其氧含量降低，而且只要氧含量低于10%時就能大大地減少爆炸的可能性。

2、減少漏風的作用
采空區(qū)漏風是造成自然發(fā)火的主要原因之一。對于封閉或半封閉的采空區(qū)而言，從理論上講，注入氮氣后增加了其注入空間內(nèi)混合氣體的總量，能夠減少封閉區(qū)內(nèi)外之間的壓力差，從而起到減少封閉區(qū)外部向內(nèi)部漏風的作用。
如果巷道里的密閉墻有裂縫或密閉強有裂縫，當密閉區(qū)內(nèi)為負壓時，空氣可以通過墻縫或繞過密閉墻而進入密閉區(qū)。為了防止密閉漏風，可向密閉前后墻之間的空間連續(xù)不斷地注入必要流量的氮氣，使該空間形成正壓，阻止新鮮空氣進入密閉區(qū)內(nèi)。

3、降溫作用
對于有內(nèi)因火災的采空區(qū)來說，其溫度大于外界溫度。當采用氮氣滅火時，無論是采用液氮，還是氮氣，其氮氣的溫度均低于火區(qū)的氣體溫度，加之氮氣在注入火區(qū)后的流動范圍大，對采空區(qū)來說都有顯的降溫作用。

4、防止煤的自燃發(fā)熱和自燃
煤炭自燃的三要素是：煤有自燃傾向性；有連續(xù)的供氧條件；熱量易于積聚。煤礦生產(chǎn)工作面采空區(qū)氧化帶內(nèi)的漏入風量不足以帶走煤氧化產(chǎn)生的熱量，則煤溫就逐漸升高，這時煤處于自燃發(fā)熱。當溫度達到煤的臨界溫度以上，氧化急聚加快，大量產(chǎn)生熱量，又使煤溫迅速升高，達到煤的著火溫度時便著火燃燒起來，即進入自燃狀態(tài)?；诖嗣貉鯊秃蠈W說，采取向工作面采空區(qū)氧化帶內(nèi)注入一定流量的氮氣，降低該帶內(nèi)的氧氣含量，達到破壞煤炭自燃的一個要素，使其氧含量降到煤自燃臨界值以下，就達到了防止煤自燃的目的。
5、降低燃燒強度
無論是外因火災，還是內(nèi)因火災，當火災已經(jīng)發(fā)生，向火區(qū)內(nèi)注入一定流量（大于漏風量）的氮氣，使該區(qū)內(nèi)的氧含量由21%逐漸降低到10%以下，熊熊大火就逐漸處于自熄。

三、優(yōu)缺點
國內(nèi)外煤礦應用氮氣防滅火的實踐表明：氮氣具有滅火速度快，既能防火，也能滅火，還能抑制瓦斯爆炸，無污染環(huán)境和機電設(shè)備等優(yōu)點。其缺點是氮氣的密度比空氣輕，容易流失。因此，在注氮的同時，必須采用堵漏措施相配合，才能取得滿意的效果。

四、制氮設(shè)備
我國煤礦防滅火目前所選用的制氮設(shè)備有：地面固定式深冷制氮氣設(shè)備；礦用地面固定式、地面移動式和井下移動式變壓吸附制氮設(shè)備，以及礦用地面固定式、地面移動式和井下移動式膜分離制氮設(shè)備。按空分原理可分為深冷式、變壓吸附式和膜分離式。近幾年來，尤以變壓吸附和膜分離制氮設(shè)備在煤礦現(xiàn)場應用得最多。

為滿足煤礦選擇氮氣源設(shè)備的需要，煤炭科學研究總院重慶分院與溫州瑞氣空分設(shè)備有限公司合作，共同研制開發(fā)出KGZD系列（氮氣純度為98%，產(chǎn)氣量為200―2000m3/h）礦用地面固定式制氮設(shè)備、KYZD系列（氮氣純度為98%，產(chǎn)氣量為200―1200m3/h）礦用地面移動式制氮設(shè)備和JXZD系列（氮氣純度為98%，產(chǎn)氣量為200―800m3/h）礦用井下移動式制氮設(shè)備。
從1998年至今，已有淮南局，淮北局，臨沂局，靖遠局，華亭局，華管會，國投新集等局礦先后選用了瑞氣公司生產(chǎn)的變壓吸附制氮設(shè)備，為保障煤礦的安全生產(chǎn)發(fā)揮了重要作用。

五、應用實例及效果

“八五”以來，綜采放頂煤開采技術(shù)在我國條件適宜的礦井得到廣范應用，因此，氮氣防滅火技術(shù)成為該采煤方法的主要防滅火措施。目前已有50余個局礦建立了氮氣防滅火系統(tǒng)，而變壓吸附制氮設(shè)備已在近30余個局礦中應用，為煤礦安全生產(chǎn)發(fā)揮了重要作用。
煤礦注氮防滅火抑爆的應用實例較多，現(xiàn)只舉三例。

1、1991年10月，某礦放頂煤工作面采空區(qū)發(fā)生自燃發(fā)火，封閉工作面后采用黃泥灌漿滅火1個月無明顯效果，采用氮氣滅火后，使火區(qū)CO含量降為0，O2含量降為1.5%,氣體溫度降到18℃，當即打開密閉恢復生產(chǎn)。氮氣滅火的效果可以通過兩次滅火對比得出：第以次采用掘消火道打鉆灌黃泥漿滅火1個月，火區(qū)達開后又復燃，第二次氮氣滅火11d，火區(qū)打開后再也沒有復燃。

2、1993年6月，某礦19110綜采工作面撤架剛結(jié)束時，已撤支架的運輸順槽發(fā)生自燃，立即對采空區(qū)用板閉封閉后實施注氮，當時通過埋設(shè)的束管測得火源點附近的2#測點CH4和O2的含量分別為7%和14%，正處于瓦斯爆炸界限之內(nèi)，而此處的CO含量正以300ppm/d的速度上升，瓦斯隨時都有可能發(fā)生爆炸，在注氮氣4h后，將此處的O2含量降到10%，抑制了火區(qū)的瓦斯爆炸，注氮10d后，徹底撲滅了火區(qū)。
1989年2月20日，某礦3402工作面的掘進巷內(nèi)發(fā)生瓦斯連續(xù)爆炸，次日派人前去處理和排放瓦斯，在恢復通風時又發(fā)生了爆炸，當場死亡2人傷9人，另3名救護隊員在災區(qū)內(nèi)遇難。因火災高溫、煙霧和還有繼續(xù)爆炸的危險，未能及時將遇難者搶救出來。救災會議擬定了11個方案，試行了6個均未獲成功，已時隔8d遇難者還是無法撤出來。于是決定采用液氮滅火技術(shù)處理，6小時共注氮2900m3,約為火區(qū)體積的3倍，火勢被迅速撲滅，同時又消除了瓦斯爆炸危險，于是救護隊員進入災區(qū)抬出了遇難者。然后清理巷道，僅有幾天時間就恢復了生產(chǎn)，更重要的是撤出了遇難者。