氮氣在煤礦防滅火中的應用

煤礦防滅火對於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

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，很難與其它物質發生化學反應，在震動、熱和電火花作用下都較穩定。

二、 氮氣防滅火作用原理

注氮防滅火的實質是向采空區氧化帶內或火區內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、滅火和抑製瓦斯爆炸的目的，其作用有：

1、 消除瓦斯爆炸的危險

在煤礦當采空區一旦出現火災，危害最大的是導致其內混合氣體的爆炸。由混合氣體爆炸三角形知，混合氣體中氧含量低於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於這種氣體在空氣中所占的百分比，還部份地決定於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%時就能發生爆炸。因而國內的研究表明，將氧氣的臨界含量控製在5%以下時幾乎能防止任何爆炸，否則爆炸還有可能發生。而氧氣的含量低於10%時混合氣體的爆炸有顯著的降低。正是從這一理論出發，向火區注入氮氣後使其氧含量降低，而且隻要氧含量低於10%時就能大大地減少爆炸的可能性。

2、 減少漏風的作用

采空區漏風是造成自然發火的主要原因之一。對於封閉或半封閉的采空區而言，從理論上講，注入氮氣後增加了其注入空間內混合氣體的總量，能夠減少封閉區內外之間的壓力差，從而起到減少封閉區外部向內部漏風的作用。

如果巷道裏的密閉牆有裂縫或密閉強有裂縫，當密閉區內為負壓時，空氣可以通過牆縫或繞過密閉牆而進入密閉區。為了防止密閉漏風，可向密閉前後牆之間的空間連續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內。

3、 降溫作用

對於有內因火災的采空區來說，其溫度大於外界溫度。當采用氮氣滅火時，無論是采用液氮，還是氮氣，其氮氣的溫度均低於火區的氣體溫度，加之氮氣在注入火區後的流動範圍大，對采空區來說都有顯的降溫作用。

4、 防止煤的自燃發熱和自燃

煤炭自燃的三要素是：煤有自燃傾向性；有連續的供氧條件；熱量易於積聚。煤礦生產工作麵采空區氧化帶內的漏入風量不足以帶走煤氧化產生的熱量，則煤溫就逐漸升高，這時煤處於自燃發熱。當溫度達到煤的臨界溫度以上，氧化急聚加快，大量產生熱量，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。基於此煤氧複合學說，采取向工作麵采空區氧化帶內注入一定流量的氮氣，降低該帶內的氧氣含量，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，還是內因火災，當火災已經發生，向火區內注入一定流量（大於漏風量）的氮氣，使該區內的氧含量由21%逐漸降低到10%以下，熊熊大火就逐漸處於自熄。

三、 氮氣防滅火優缺點

國內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，還能抑製瓦斯爆炸，無汙染環境和機電設備等優點。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、 製氮設備

我國煤礦防滅火目前所選用的製氮設備有：地麵固定式深冷製氮氣設備；礦用地麵固定式、地麵移動式和井下移動式變壓吸附製氮設備，以及礦用地麵固定式、地麵移動式和井下移動式膜分離製氮設備。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製氮設備在煤礦現場應用得最多。

為滿足煤礦選擇氮氣源設備的需要，煤炭科學研究總院重慶分院與溫州瑞氣空分設備有限公司合作，共同研製開發出KGZD係列（氮氣純度為98%，產氣量為200—2000m3/h）礦用地麵固定式製氮設備、KYZD係列（氮氣純度為98%，產氣量為200—1200m3/h）礦用地麵移動式製氮設備和JXZD係列（氮氣純度為98%，產氣量為200—800m3/h）礦用井下移動式製氮設備。

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，國投新集等局礦先後選用了瑞氣公司生產的變壓吸附製氮設備，為保障煤礦的安全生產發揮了重要作用。

五、 應用實例及效果

“八五”以來，綜采放頂煤開采技術在我國條件適宜的礦井得到廣範應用，因此，氮氣防滅火技術成為該采煤方法的主要防滅火措施。目前已有50餘個局礦建立了氮氣防滅火係統，而變壓吸附製氮設備已在近30餘個局礦中應用，為煤礦安全生產發揮了重要作用。

煤礦注氮防滅火抑爆的應用實例較多，現隻舉三例。

例一：

1991年10月，某礦放頂煤工作麵采空區發生自燃發火，封閉工作麵後采用黃泥灌漿滅火1個月無明顯效果，采用氮氣滅火後，使火區CO含量降為0，O2含量降為1.5%,氣體溫度降到18℃，當即打開密閉恢複生產。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鑽灌黃泥漿滅火1個月，火區達開後又複燃，第二次氮氣滅火11d，火區打開後再也沒有複燃。

例二：

1993年6月，某礦19110綜采工作麵撤架剛結束時，已撤支架的運輸順槽發生自燃，立即對采空區用板閉封閉後實施注氮，當時通過埋設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%，正處於瓦斯爆炸界限之內，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生爆炸，在注氮氣4h後，將此處的O2含量降到10%，抑製了火區的瓦斯爆炸，注氮10d後，徹底撲滅了火區。

例三：

1989年2月20日，某礦3402工作麵的掘進巷內發生瓦斯連續爆炸，次日派人前去處理和排放瓦斯，在恢複通風時又發生了爆炸，當場死亡2人傷9人，另3名救護隊員在災區內遇難。因火災高溫、煙霧和還有繼續爆炸的危險，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。於是決定采用液氮滅火技術處理，6小時共注氮2900m3,約為火區體積的3倍，火勢被迅速撲滅，同時又消除了瓦斯爆炸危險，於是救護隊員進入災區抬出了遇難者。然後清理巷道，僅有幾天時間就恢複了生產，更重要的是撤出了遇難者。