氮气防灭火系统设计与研究

霍宏元

(开滦(集团)蔚州矿业有限责任公司,河北张家口 075700)

氮气防灭火系统设计与研究

霍宏元

(开滦(集团)蔚州矿业有限责任公司,河北张家口 075700)

氮气防灭火技术已在国内外实现了很多成功的案例,但是还存在一些不足。氮气降温的效果差,容易复燃,易流失,氮气停止使用,防灭火的作用也会同时消失。对氮气进行防灭火技术研究,获得更为理想的防灭火效果就显得十分重要。

氮气 防灭火系统 设计

自从氮气灭火技术在煤矿开采中大量的使用，氮气灭火技术就得到了迅速的发展。英、法、美等国多次应用氮气灭火技术，对氮气防灭火技术做出大量的研究。现阶段，氮气防灭火技术已成为煤矿井下防灭火技术的重要手段。

1 概述

目前，我国有一半矿井会发生自燃现象，煤矿的井下火灾有80%以上是由于煤层自燃引起的。随着我国煤矿开采技术的提高，机械设备的广泛使用，开采设备在煤矿井下的大规模使用，提高开采量的同时，煤矿井下自燃问题也会对煤矿资源造设备造成更大的浪费和损毁。

传统灭火的办法已经不能满足现阶段灭火的需要，急需一种更高效、更简单、更安全的防灭火系统保护矿井的安全生产工作。

我国对氮气的防灭火技术已经研究了几十年，全国很多地区都成立了氮气防灭火的小组，对气氮和液氮进行了多种灭火试验工作。其中液氮灭火试验取得了一定的突破，并在煤矿区进行了注氮灭火的试验和注氮工艺系统的试验，并获得了成功。

2 氮气防灭火的机理、特点

2.1 氮气防灭火的机理

氮气是常温常压下的无色、无味、不可燃、抑爆、无毒的惰性气体。一般在常温下，氮气的性质稳定，不容易和其它元素直接发生化合作用，微溶于水。

氮气注入到火区和采空区，可以有效灭火、防火。具体灭火机理为以下几个方面。

(1)窒息作用：可以降低采空区、火区的氧含量，使气体惰化，对煤炭的氧化起到降低或阻止作用。(2)增压作用：氮气可以灌注在任何形状的空间内充满，而采空区充满氮气后，就会形成正压，使空气漏入的机率大大降低或者说从根本上杜绝了空气的进入，形成窒息区域。(3)冷却作用：充满氮气后，采空区或火区的气体温度与周围介质温度会迅速降低，使火源的熄灭速度加快。(4)抑爆作用：采空区或火区充满氮气后，可以使带有爆炸性质的混合气体迅速稀释，使混合气体转变成为无爆炸特性的惰性的混合气体，使爆炸危险得到解除。

2.2 氮气防灭火的特点

如果采空区或者火区存在漏风的通道，就会使氮气发生遗失，失去防灭火作用。氮气做不到泥浆和胶体类物质，能保持长期防灭火的作用。充满氮气虽然能控制火区，可是在对火区温度降低上有一定的困难，火区完全熄灭需要较长的时间。可见，注氮只能是防灭火的一种方式，如果要迅速彻底的扑灭火灾还是要辅助其他的防灭火方式。

3 氮气防灭火系统设计的理论依据

煤矿在开采中，开采周围要留有煤柱，随着工作进程的深入，煤壁四周形成矿压向采空区漏风，一旦停采，工作面切眼漏风不能得到控制，可燃物与供氧条件并存，就会产生自燃，经研究发现，开采区的后方一般存在三个分带。

(1)冷却氧化带：开采工作切眼与后面一段距离，由于工作的需要，必须通风，采空区顶部围岩却已经冒落，未经压实，工作面风会漏入采空区。支架后方的采空区，冒落顶板的间隙较大，过风量也较大，这段距离的残煤就会发生充分的氧化，发生自燃。随着开采工作的推进，不断移动中，氧化时间会很短，所以自燃发生机率不高，这个区域就称冷却氧化带。而冷却氧化带范围和煤层的自然周期、煤的易燃度、顶板围岩的破碎程度等方面都有很大的关系。(2)氧化自燃带：冷却氧化带后方区域，由于冒落岩石的压实，余下空间越来越小，使采空区过风量变小。但此区域供氧充分、漏风量适中、具备聚热的可能条件、有残煤和浮煤自燃的条件。一般矿井下采空区的自燃都是发生在氧化自燃带。(3)缺氧窒息带：氧化自燃带后方到停采线这段区域，顶板冒岩石会完全压实，工作面的切眼漏风量很少，供氧不充分，而残煤和浮煤的氧化条件减少，这段区域基本上不具备自燃的条件，所以称之窒息带。

据实际工作中研究发现：一般通风状态下，冷却氧化带要设置带宽12m，而含氧量〉18%；氧化自燃带设置带宽24m，含氧量10～18%；缺氧窒息带要设置带宽36m，含氧量〈10%。氮气防灭火系统要通过氮气特点结合一定的工作环境下进行氮气防灭火系统的设计。

4 氮气防灭火系统设计

据有关资料，确定防火注氮量可以按照以下公式计算。

由于，实际生产工作中，工作面的漏风量变化大，并不能准确的进行预测，所以不能做为注氮量的设计依据。

经过试验研究发现，工作面的防火注氮量消耗较小，难以确定数量，要根据经验公式计算和对比的方法进行确认，在实际生产中，再进行合理调整。而灭火工作的注氮量消耗就要远远大于防火消耗。有关公式如下：

根据公式计算可以得知，灭火氮量的消耗远远大于防火氮量的消耗，设计中，对灭火工作的氮量消耗要做出正确的判定。一般情况下，实际上很难保持长距离、连续、大量的输送氮气，所以一定要结合实际情况，参考防火氮量消耗，进行氮气防灭火系统的设计。需要使用大量氮气灭火时，要关闭其它防火区的用氮点，要针对灭火区集中使用氮气，而且要准备一定数量的液体氮，使灭火工作更高效。经实践证明：氮气的防灭火系统的设计和研究工作是经济合理的，可以推广使用。

5 结语

氮气防灭火技术已被我国采矿行业广泛使用，以其高效果、低成本、安全的优势，为采矿行业提供了防灭火的有效手段，再配合强化的管理，能够根治火灾。

[1]戚颖敏.我国煤矿火灾防治技术的现代发展与应用[J].煤,2011 (10).

[2]王长元,陈云岫.煤矿氮气防灭火技术有关问题的探讨[J].煤炭工程师,2010(3).

[3]丁录仕.汪氮治理火区技木研究[J].科技信息,2012.

[4]李书军.急倾料易燃特厚煤层放顶煤综采面氮气防灭火技术[J].试验研究,2010(21).

[5]王书庆,徐成林,吕坤.氮气添加剂防灭火技术的研究与应用[J].煤矿安全,2012(12).

霍宏元(1984—),系内蒙古自治区杭锦后旗人,开滦(集团)蔚州矿业有限责任公司郑沟湾矿安全管理科工作,安全助理工程师, 2012年1月毕业于中国矿业大学,函授采矿工程,从事安全管理工作。