煤矿液氮防灭火技术及发展趋势研究

黄永军

（内蒙古珠江投资有限公司青春塔煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 010308）

煤矿资源作为一种重要的能源资源，其在经济社会发展中发挥着不可替代的作用，但是，煤矿开采常常面临着复杂的开采条件，严重影响了煤矿的安全生产。在煤矿开采中，火灾事故频发，传统的防灭火技术主要是通过灌浆、凝胶与泡沫等手段，虽然可以起到一定的防灭火作用，但是存在技术的局限性，比如火区环境的污染、防火范围的有限性等。而液氮防灭火技术是当前煤矿生产中应用极为广泛的技术，其具有安全性与可靠性、操作简单等优势，可以取得理想的防灭火效果。

1 煤矿中液氮防灭火技术应用的现实意义

近年来，经济社会的快速发展，使得生产生活中对于煤炭资源的需求逐年增加，各个煤矿企业逐步加大了煤矿开采的力度与强度。但是，煤矿开采过程中，火灾事故频发，成为阻碍煤矿企业长期发展的重要因素。随着煤矿开采深度的加大，煤矿开采所面临的环境越发具有复杂性与多变性，火灾控制、防灭火越发具有一定的难度与技术性要求。在一些煤矿企业，逐步应用了液氮防灭火技术，此种技术在煤矿防灭火中的应用能够实现良好的防灭火效果，有效维持了煤矿企业正常的开采活动，有利于煤矿的安全生产，推动了整个煤矿行业的可持续发展。

2 煤矿液氮防灭火技术

2.1 液氮防灭火技术应用的原则

在煤矿开采过程中，液氮防灭火技术需要遵循以下原则：如果火区与矿井口的距离相对较近，此时，在液氮的输送过程中，往往要采用管路输送的方式，但是在输送过程中要保障管路具有良好的抗低温能力；如果火区与矿井口的距离相对较远，在输送过程中采用矿车型小贮罐运输的方式；如果火源与地表的埋藏相对较浅，直接在地表打钻孔来保障液氮的注入即可。

2.2 制取氮气

在煤矿开采过程中应用液氮防灭火技术时，其最为关键的是氮气的制取，矿井开采建设过程中所用到的氮气，其最为直接的获取途径是空气中气体成分分离以后所获得的，因此，为保障良好的防灭火效果，煤矿企业需要根据自身的实际情况，选择最为合适的制氮设备。当前，制氮设备主要包含了地面固定式、地面移动式、井下移动式等。但是，变压吸附与膜分离制氮设备是当前应用最为广泛的设备，在未来将具有广阔的市场前景。

3 液氮防灭火技术的类型

在煤矿开采过程中，由于不同的矿井环境存在着灌注环境等的差异，其液氮防灭火技术主要包含了三种。

3.1 开放式灌注液氮

开放式灌注液氮在应用的过程中，主要在向采空区灌注液氮时遵循从工作面后方灌注的方式。应用此种灌注方式，能够实现对采空区氧气浓度的科学控制，使得采空区域内的氧气浓度可以处于10%的安全范围以内。此外，在应用此种灌注方式时，由于会出现部分的回流液氮，所以有关人员还需要尽量实现对工作面氧气浓度的控制，避免回流液氮对其造成的不利影响。因此，氧气浓度的控制是开放式液氮灌注的关键技术要点。

3.2 封闭式灌注液氮

封闭式灌注液氮主要是在封闭区域内进行的，该种灌注方式在当前的煤矿防灭火中应用极为广泛，可以取得良好的防火、灭火效果。与开放式相比，封闭式灌注中所消耗的液氮量更小。在应用封闭式灌注液氮时，其液氮运输多以贮液槽车为主，当液氮运输至火区周围时，利用管路来实现注氮管与槽车良好的连接，为保证其连接效果，一般在连接中所使用的管路材料为金属软管，并要保障其管路长度超过50m。当连接结束以后，打开闸阀，在槽车耐压力顺风向的作用下，可以直接将液氮注入火区，进而能够起到良好的防火与灭火效果。通常情况下，灌注液氮的过程中，也可以利用均压气室等措施，能够实现更为理想的防灭火效果。

3.3 目标式灌注液氮

目标式灌注液氮的方式主要是将液氮直接注入火源点附近，这种注入方式在一定程度上是一种源头上的防灭火措施，能够科学进行火源点氧气含量、温度等的控制。

在液氮防灭火技术下，液氮灌注形态有时也存在着一定的差异性，根据这种差异，液氮防灭火技术主要包含了直注式与汽化式两种。前者是指在火区直接进行液氮的注入，当将一定量的液氮注入火区以后，其本身会使得火区出现在蒸发吸热的现象，进而对火区起到了良好的降温、冷却作用，具有明显的防灭火效果。而后者主要是在液氮注入火区之前，首先将液氮加以必要的汽化处理，使之成为低温氮气以后再将其注入火区，与直注式相比，其降温效果并不明显，但是由于其氮气的输送主要是由管路来完成的，其操作相对简单。

此外，在液氮防灭火技术下，可控温式液氮防灭火技术的应用也较为普遍。在煤矿开采过程中，矿井中存在的各种管路，比如灌浆管路、瓦斯抽采管路、防尘管路等，这些管路都与工作面直接相连接，这就使得在液氮防灭火技术下，可以直接应用这些已有的管路来实现液氮的输送与灌注等。但是，由于在灌注过程中，必须保证其灌注作业的连续性，因此为实现良好的防灭火效果，对于管路性能、质量等有着极高的要求。如果这些管路为普通管路，其在液氮的输送过程中易出现冷缩、冷裂等，进而使得工作面支架也会受其应用，出现冻坏等现象。而如果液氮温度可以与常态氮气的温度保持一致，液氮防灭火技术应用的效果就会大大降低，而可控温式液氮防灭火可以在技术应用中实现液氮温度的控制，有效保障了防灭火工作的顺利开展。

4 煤矿液氮防灭火技术要点

4.1 注氮工艺参数选择

在煤矿防灭火技术下，其一般多采用埋管操作方式，这种方式能够达到理想的防灭火效果。具体的实施过程中，要将注氮管埋设于井下巷道。而由于注氮的对象主要是火区与采空区，经由钻孔方式，可以充分发挥注氮管的作用，保障注氮工作的顺利实施。比如，以采空区的注氮管路埋设为例，其在管道的埋设过程中，在间隔一定的距离内，还需要做好释放口的预设，各个释放口的位置需要在煤层底板的一定距离内，这种释放口的预设使得煤矿底板的石块、木垛等可以为对注氮管的顺利运行等起到一定的保护作用，有效降低了孔口堵塞等问题的出现。在煤矿火区内的防灭火工作中，需要将其中的氧气质量分数控制在10%以内，以避免火区内爆炸事故的发生，将火区气体氧质量分数控制在1%～2%，从而实现良好的防灭火目标。

4.2 安全技术措施

在煤矿液氮防灭火技术的应用中，由于防灭火工作本身具有一定的危险性，因此，必须在防灭火过程中做好相应的安全技术处理，主要从以下方面来实施：（1）预防措施。在煤矿工作面，必须预防采空区着火现象的发生，有关工作人员要根据煤矿开采的实际情况，及时制定预测预报措施，比如，在工作面回风平巷内设置一氧化碳传感器，该传感器的存在可以实时监测采煤工作面、回风流等的一氧化碳气体浓度，进而实现良好的监测预防控制。（2）应急措施。在煤矿工作面的回采过程中，有关人员要及时加强对采空区域内发火等的监测，如果在监测过程中发现一氧化碳的浓度超过了安全的范围，就需要立即组织人员撤退，切断有关的电源设备等，并及时应用液氮防灭火技术实现防灭火，如果在该技术的应用中，火势依旧得不到有效的控制，此时需要及时封闭工作面加以注氮。（3）堵漏措施。注氮技术实施之前，为保障技术应用效果，有关人员需要及时做好堵漏处理，在工作面上下隅角砌筑隔离墙等位置，做好堵漏处理，避免漏风等对造成的不利影响。

5 煤矿液氮防灭火技术发展趋势

5.1 加强应用基础研究

近年来，随着煤矿开采工作的顺利进行，液氮防灭火技术在很多煤矿得到了普遍的应用，但是，其技术发展还不成熟，基础理论有限，因此，在未来液氮防灭火技术的发展中，需要逐步加强基础理论的研究，用基础理论来指导与推动技术的应用，比如，做好液氮降温防火灭火基础规律、液氮在采空区传热传质机理、液氮汽化扩散规律等的分析与研究，使得在液氮防灭火技术下，这些基础理论可以为技术的实际应用起到重要的指导作用。

5.2 不断突破关键技术

在煤矿开采工程中，液氮防灭火技术的应用需要有关人员要保证技术应用的针对性，使得该技术在特定的状态下能够发挥其最好的防灭火作用。未来，液氮防灭火技术需要逐步突破关键技术，比如液氮可控温汽化技术难题，逐步建立液氮立体化隔离带，加强有关设备的研究与投入，使得相关设备更符合技术应用的实际需求，进而达到理想的防灭火处理效果。

5.3 实现矿井液氮防灭火系统的安全高效运行

液氮防灭火技术在应用于煤矿火灾处理的过程中时，由于液氮在特定的状态下会逐步气化，在气化状态下时，液氮会处于爆发沸腾的状态下，甚至有时会对人体产生一定的危害，因此，各个煤矿企业需要逐步构建矿井液氮防灭火系统，提高系统的安全性。

6 结束语

近年来，液氮防灭火技术是煤矿火灾事故预防与处理中应用最为广泛的一种技术，其本身具有一定的技术优势，在实际的应用中，要结合煤矿开采的实际情况，使得其能够在火区取得理想的应用效果。但是，液氮防灭火技术的发展尚不成熟，未来还具有广阔的发展与应用前景。