氮气在煤矿防灭火中的应用

1、氮气在煤矿防灭火中的应用煤矿防灭火对于惰性气体的定义与化学对惰性气体的定义不尽相同。 在防灭火的工作实践中，惰气是指不参与燃烧反应的单一或混合的窒 息性气体，其中可能含有少量的氧气。最常见的防灭火惰气是燃气、 氮气和二氧化碳。一、氮气的性质 众所周知，氮气的原料是空气。氮气是一种无色无味无毒无腐蚀，不自燃，也不参与燃烧的气体，标准状态下(21C, 101.325kpa),气体 密度为 0.461kg/cm3,液体密度为 80.8kg/m3,氮气在 101.325Kpa,-195.8C 时变成无色的液体，在-209.9C时，变成雾状的固体。氮气在水中溶解 度很小，很难与其它物质发生化学反应，在震

2、动、热和电火花作用下 都较稳定。二、氮气防灭火作用原理 注氮防灭火的实质是向采空区氧化带内或火区内注入一定流量的氮气， 使其氧含量降到 10%或 3%以下，达到防火、灭火和抑制瓦斯爆炸的目 的，其作用有：1 、消除瓦斯爆炸的危险 在煤矿当采空区一旦出现火灾，危害最大的是导致其内混合气体的爆 炸。由混合气体爆炸三角形知，混合气体中氧含量低于12%时就有减小爆炸的可能性。但是，混合气体爆炸的界限不仅取决于这种气体在 空气中所占的百分比，还部份地决定于混合气体的温度和气压。温度和气压的增高使这个界限扩大，反之缩小。如果混合气体被加热到300C，氧含量为9%时就能发生爆炸。因而国内的研究表明，将氧气

3、的临界含量控制在 5%以下时几乎能防止任何爆炸，否则爆炸还有可能 发生。而氧气的含量低于 10%时混合气体的爆炸有显著的降低。正是 从这一理论出发，向火区注入氮气后使其氧含量降低，而且只要氧含 量低于 10%时就能大大地减少爆炸的可能性。2、减少漏风的作用 采空区漏风是造成自然发火的主要原因之一。对于封闭或半封闭的采 空区而言，从理论上讲，注入氮气后增加了其注入空间内混合气体的 总量，能够减少封闭区内外之间的压力差，从而起到减少封闭区外部 向内部漏风的作用。如果巷道里的密闭墙有裂缝或密闭强有裂缝，当密闭区内为负压时， 空气可以通过墙缝或绕过密闭墙而进入密闭区。为了防止密闭漏风， 可向密闭前后墙

4、之间的空间连续不断地注入必要流量的氮气，使该空 间形成正压，阻止新鲜空气进入密闭区内。3、降温作用 对于有内因火灾的采空区来说，其温度大于外界温度。当采用氮气灭 火时，无论是采用液氮，还是氮气，其氮气的温度均低于火区的气体 温度，加之氮气在注入火区后的流动范围大，对采空区来说都有显的 降温作用。4、防止煤的自燃发热和自燃 煤炭自燃的三要素是：煤有自燃倾向性；有连续的供氧条件；热量易 于积聚。煤矿生产工作面采空区氧化带内的漏入风量不足以带走煤氧 化产生的热量，则煤温就逐渐升高，这时煤处于自燃发热。当温度达 到煤的临界温度以上，氧化急聚加快，大量产生热量，又使煤温迅速 升高，达到煤的着火温度时便着

5、火燃烧起来，即进入自燃状态。基于 此煤氧复合学说， 采取向工作面采空区氧化带内注入一定流量的氮气， 降低该带内的氧气含量，达到破坏煤炭自燃的一个要素，使其氧含量 降到煤自燃临界值以下，就达到了防止煤自燃的目的。5、降低燃烧强度 无论是外因火灾，还是内因火灾，当火灾已经发生，向火区内注入一 定流量（大于漏风量）的氮气，使该区内的氧含量由 21%逐渐降低到 10%以下，熊熊大火就逐渐处于自熄。三、氮气防灭火优缺点 国内外煤矿应用氮气防灭火的实践表明：氮气具有灭火速度快，既能 防火，也能灭火，还能抑制瓦斯爆炸， 无污染环境和机电设备等优点。 其缺点是氮气的密度比空气轻，容易流失。因此，在注氮的同时，

6、必 须采用堵漏措施相配合，才能取得满意的效果。四、制氮设备我国煤矿防灭火目前所选用的制氮设备有：地面固定式深冷制氮气设 备；矿用地面固定式、地面移动式和井下移动式变压吸附制氮设备， 以及矿用地面固定式、地面移动式和井下移动式膜分离制氮设备。按 空分原理可分为深冷式、变压吸附式和膜分离式。近几年来，尤以变 压吸附和膜分离制氮设备在煤矿现场应用得最多。为满足煤矿选择氮气源设备的需要，煤炭科学研究总院重庆分院与温州瑞气空分设备有限公司合作，共同研制开发出KGZD系列（氮气纯度 为98%，产气量为2002000m3/h）矿用地面固定式制氮设备、 KYZD 系列（氮气纯度为98%，产气量为2001200

7、m3/h ）矿用地面移动式 制氮设备和JXZD系列（氮气纯度为98%,产气量为200800m3/h）矿 用井下移动式制氮设备。从 1998年至今,已有淮南局,淮北局,临沂局,靖远局,华亭局,华 管会,国投新集等局矿先后选用了瑞气公司生产的变压吸附制氮设备, 为保障煤矿的安全生产发挥了重要作用。五、应用实例及效果“八五 ”以来,综采放顶煤开采技术在我国条件适宜的矿井得到广范应用, 因此,氮气防灭火技术成为该采煤方法的主要防灭火措施。目前已有50 余个局矿建立了氮气防灭火系统,而变压吸附制氮设备已在近 30 余个局矿中应用,为煤矿安全生产发挥了重要作用。 煤矿注氮防灭火抑爆的应用实例较多,现只举三

8、例。例一：1991 年 10 月,某矿放顶煤工作面采空区发生自燃发火, 封闭工作面后采用黄泥灌浆灭火1个月无明显效果，采用氮气灭火后，使火区CO含 量降为0, O2含量降为1.5%气体温度降到18C，当即打开密闭恢复 生产。氮气灭火的效果可以通过 换行 两次灭火对比得出：第以次采用 掘消火道打钻灌黄泥浆灭火 1 个月，火区达开后又复燃，第二次氮气 灭火11d，火区打开后再也没有复燃。例二：1993 年 6 月，某矿 19110 综采工作面撤架刚结束时，已撤支架的运输 顺槽发生自燃，立即对采空区用板闭封闭后实施注氮，当时通过埋设 的束管测得火源点附近的2#测点CH4和02的含量分别为7%和14%, 正处于瓦斯爆炸界限之内，而此处的 C0含量正以300ppm/d的速度上 升,瓦斯随时都有可能发生爆炸,在注氮气 4h 后,将此处的 02 含量 降到 10%,抑制了火区的瓦斯爆炸,注氮 10d 后,彻底扑灭了火区。 例三：1989年 2 月 20 日,某矿 3402工作面的掘进巷内发生瓦斯连续爆炸, 次日派人前去处理和排放瓦斯,在恢复通风时又发生了爆炸,当场死 亡 2 人伤 9 人,另 3 名救护队员在灾区内遇难。因火灾高温、烟雾和 还有继续爆炸的危险,未能及时将遇难者抢救出来。救灾会议拟定了 11个方案，试行