葉正亮

（中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054）

近年來，煤礦防滅火技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)場管理水平的提高在一定程度上減少了礦井火災(zāi)的發(fā)生和帶來的危害，但礦井火災(zāi)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的威脅仍然很大[1-3]。為了預(yù)防礦井火災(zāi)和快速撲滅井下火區(qū)，液氮防滅火技術(shù)開始被一些學(xué)者和技術(shù)人員應(yīng)用到煤礦火災(zāi)防治領(lǐng)域[4-5]。液氮防滅火具有惰化、降溫雙重效果，能夠短時(shí)間內(nèi)降溫和惰化高溫煤體和火區(qū)，具有其他防滅火技術(shù)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。但液氮對(duì)煤體的惰化特性以及采空區(qū)降溫規(guī)律尚沒有進(jìn)行系統(tǒng)的研究，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層自燃的針對(duì)性防治[6]。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)液氮防滅火特性進(jìn)行分析研究，為向煤礦井下高效率輸送液氮奠定基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)液氮的高效率防滅火的目標(biāo)。

1 液氮防滅火原理

液氮在-196 ℃時(shí)為無色無味液體，性質(zhì)比較穩(wěn)定，但其沸點(diǎn)很低，很容易氣化，具有驅(qū)氧惰化、冷卻降溫等多種作用的綜合防滅火效果。液氮防滅火原理主要表現(xiàn)為驅(qū)氧惰化和冷卻降溫兩個(gè)方面。

1.1 驅(qū)氧惰化

采空區(qū)或高溫火區(qū)注入液氮，液氮遇熱后會(huì)很快的氣化膨脹，增加了采空區(qū)或高溫火區(qū)的氣體總量，使采空區(qū)或高溫火區(qū)內(nèi)氣壓升高，從而導(dǎo)致采空區(qū)或高溫火區(qū)內(nèi)的高氧氣體排出，減少向采空區(qū)或火區(qū)的漏風(fēng)，使火區(qū)O2含量降低，從而達(dá)到惰化效果。

1.2 冷卻降溫

液氮?dú)饣瘯r(shí)，會(huì)從周圍環(huán)境吸收大量的熱量，在一定程度上降低周圍環(huán)境的溫度。液氮通過管道灌注到采空區(qū)或高溫火區(qū)內(nèi)，高溫煤體或火區(qū)的熱量會(huì)被液氮?dú)饣眨垢邷孛后w或火區(qū)的溫度冷卻下降到著火點(diǎn)以下，從而達(dá)到冷卻降溫防滅火的效果。

2 液氮惰化前后煤樣氧化特性及指標(biāo)性氣體實(shí)驗(yàn)

煤自燃過程中產(chǎn)生CO已經(jīng)是毋庸置疑的事實(shí)，國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)在研究煤自燃過程特性參數(shù)時(shí)，采用了不同類型的煤自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)臺(tái)。通過大量的實(shí)驗(yàn)證明，不同性質(zhì)的煤在自燃的過程中出現(xiàn)CO 的起始溫度不同，有的煤樣甚至在常溫狀態(tài)下就出現(xiàn)CO，隨著煤體溫度的升高其CO 產(chǎn)生速率相應(yīng)增加。為了對(duì)受液氮影響煤的氧化特性及指標(biāo)性氣體進(jìn)行分析研究，在實(shí)驗(yàn)室條件下，分別對(duì)液氮惰化前后煤樣進(jìn)行程序升溫氧化實(shí)驗(yàn)，分析液氮蒸汽惰化前后同一煤種的兩個(gè)煤樣在程序升溫過程中CO 氣體產(chǎn)生的最低溫度，以及氣體生成量和煤溫之間的變化關(guān)系，以此對(duì)比分析研究液氮蒸汽惰化前后煤樣的氧化特性。

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)選取50 g 煤樣，煤樣粒徑小于0.15 mm，在實(shí)驗(yàn)室條件下，通入流量為100 mL/min 的干燥空氣對(duì)其進(jìn)行程序升溫氧化實(shí)驗(yàn)。程序升溫軟件打開后，可根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)需要設(shè)置升溫速率，實(shí)驗(yàn)每隔10 ℃取樣分析一次。

通過實(shí)驗(yàn)室程序升溫實(shí)驗(yàn)，可以得出測試原煤樣和受液氮惰化后的煤樣隨溫度的升高氣體變化規(guī)律。測試原煤樣和受液氮惰化后的煤樣隨溫度變化產(chǎn)生CO 的變化曲線如圖1。

圖1 測試煤樣氧化升溫過程CO 隨溫度的變化關(guān)系

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)以及圖1 可知，原煤樣在測試溫度范圍內(nèi)CO 在30 ℃時(shí)即開始出現(xiàn)，CO 濃度隨煤溫的增加基本上呈指數(shù)增加的趨勢；在溫度為30～50 ℃時(shí)，煤炭氧化所產(chǎn)生的CO 釋放量隨溫度的上升速率較緩，但CO 釋放量倍率上升較大；當(dāng)溫度達(dá)到60 ℃時(shí)，煤層氧化的速度加劇，CO 釋放量急劇增加，氧化速率迅速上升。這一時(shí)期是煤炭自燃的預(yù)測預(yù)報(bào)與防治的主要時(shí)期。而受液氮惰化后的煤樣產(chǎn)生CO 氣體的溫度出現(xiàn)在40 ℃，經(jīng)液氮惰化后的煤樣與原煤樣相比，CO 的出現(xiàn)溫度有了明顯的“延滯”效應(yīng)，表明受液氮惰化后煤樣的自燃活性降低。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明煤樣經(jīng)液氮惰化吸附液氮蒸汽后，煤樣的氧化性減弱。在低溫氧化階段，由于液氮蒸汽的加入導(dǎo)致煤樣與氧氣的氧化反應(yīng)速率下降，隨著溫度的升高，煤樣吸附的液氮蒸汽開始逐漸脫附，煤樣產(chǎn)生CO 速率開始上升。當(dāng)煤樣溫度達(dá)到180 ℃以上時(shí)，受液氮惰化的煤樣與原煤樣產(chǎn)生CO 速率基本上一致。這一過程表明，煤樣經(jīng)液氮惰化后，能夠一定程度上抑制煤的氧化，在低溫階段降低了煤的氧化性。

3 封閉空間破碎松散煤體內(nèi)液氮防滅火實(shí)驗(yàn)

為了研究液氮在封閉空間破碎松散煤體中的惰化降溫防滅火效果，通過建立一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)進(jìn)行液氮在破碎松散煤體內(nèi)防滅火實(shí)驗(yàn)，隨著注液氮時(shí)間和注氮量的變化，得出封閉空間松散煤體內(nèi)設(shè)置的各測點(diǎn)溫度和氧氣濃度的變化，分析破碎松散煤體內(nèi)的氣體濃度場和溫度場的分布情況，研究液氮在封閉空間破碎松散煤體中的降溫惰化防滅火效果。

3.1 模擬實(shí)驗(yàn)

該模擬實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)主要由液氮自增壓流量控制裝置、溫度采集裝置、氣體進(jìn)樣分析裝置、封閉空間松散煤體實(shí)驗(yàn)裝置組成。其中松散煤體實(shí)驗(yàn)臺(tái)中松散煤體在有機(jī)玻璃罩內(nèi)自由堆積，松散煤體堆積最高高度為50 cm，煤塊粒徑在0.5～1 cm 之間。在松散煤體中部垂直方向分別布置4 個(gè)溫度采樣器和氣體采樣頭，在松散煤體中部水平方向右側(cè)分別布置2 個(gè)溫度采樣器和氣體采樣頭。測點(diǎn)1#坐標(biāo)為（0，-10）、測點(diǎn)2#坐標(biāo)為（0，0）、測點(diǎn)3#坐標(biāo)為（10，0）、測點(diǎn)4#坐標(biāo)為（0，10）、測點(diǎn)5#坐標(biāo)為（0，-20）、測點(diǎn)6#坐標(biāo)為（20，0）。連接好實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)管路，檢查氣路的氣密性，通過預(yù)埋管路對(duì)封閉空間內(nèi)松散煤體灌注液氮進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。設(shè)置灌注液氮流量為1.0 L/min，每60 s 分析一次松散煤體實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)置的各測點(diǎn)溫度變化情況，每15 s 分析一次松散煤體實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)置的各測點(diǎn)氧氣濃度變化情況。模擬實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)如圖2。

圖2 模擬實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在上述實(shí)驗(yàn)條件下，可以得到封閉空間松散煤體注液氮期間，封閉空間松散煤體內(nèi)設(shè)置的各測點(diǎn)溫度和氧氣濃度的變化曲線如圖3、圖4。

圖3 測點(diǎn)溫度隨注液氮時(shí)間變化曲線圖

圖4 測點(diǎn)氧氣濃度隨注液氮時(shí)間變化曲線圖

從圖3 中可以得到，1#、2#、3#、5#測點(diǎn)溫度隨注液氮時(shí)間的增加下降幅度較快，且2#測點(diǎn)的溫度下降幅度大于1#和3#測點(diǎn)，垂直方向上的最下部5#測點(diǎn)溫度的下降速率隨著時(shí)間的增加逐漸增大，而最上部4#和水平方向的6#測點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化較小。這說明了液氮釋放口垂直下方測點(diǎn)的溫度下降速率大于水平方向測點(diǎn)的溫度下降速率，而液氮釋放口垂直上方的測點(diǎn)溫度下降速率最慢。

從圖4 中可以得到，松散煤體實(shí)驗(yàn)臺(tái)密閉空間內(nèi)各測點(diǎn)的氧氣濃度隨著灌注液氮時(shí)間的增加逐漸減少，靠近注氮口的1#、2#、3#測點(diǎn)以及位于注氮口下部的5#測點(diǎn)氧氣濃度下降速度較快?？傮w來看，在松散煤體實(shí)驗(yàn)臺(tái)密閉空間內(nèi)各測點(diǎn)氧氣濃度變化主要發(fā)生在注液氮初期階段，在灌注液氮60 s 后，各測點(diǎn)氧氣濃度下降趨于平緩，各測點(diǎn)氧氣濃度基本上小于3%，逐漸趨于零。

封閉空間松散煤體內(nèi)灌注液氮后，松散煤體內(nèi)溫度場向下運(yùn)移速率比水平方向快，向上運(yùn)移速率最慢。這是因?yàn)樗缮⒚后w內(nèi)液氮出口處溫度較低，低溫液氮密度相對(duì)周圍空氣較大，具有液態(tài)流體的沉降效應(yīng)，其在松散煤體內(nèi)的擴(kuò)散屬于重氣云團(tuán)擴(kuò)散，因此注氮口垂直方向中下部的溫度下降幅度比水平方向的溫度下降幅度明顯。隨著液氮?dú)饣鼰?，液氮蒸汽變得與周圍空氣密度相近，測點(diǎn)的溫度變化幅度會(huì)隨著時(shí)間的增加而減小甚至趨于平緩。而封閉空氣松散煤體內(nèi)各測點(diǎn)的氧氣濃度在液氮灌注初期就變化較大，且液氮釋放口附近測點(diǎn)的氧氣濃度下降較快，封閉空間內(nèi)的氧氣濃度能夠在短時(shí)間內(nèi)降低，達(dá)到較好的惰化效果。

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)室對(duì)受液氮蒸汽惰化的煤樣進(jìn)行程序升溫實(shí)驗(yàn)以及構(gòu)建液氮防滅火模擬實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)，研究分析了液氮對(duì)煤體的惰化和降溫特性，得到了以下結(jié)論：

（1）煤樣受液氮蒸汽惰化影響后，與原煤樣相比，升溫氧化過程中CO 氣體出現(xiàn)的溫度有了明顯的“延滯”效應(yīng)，煤樣的自燃活性降低，說明液氮惰化在一定程度上抑制了煤的氧化，降低了煤的氧化性。

（2）封閉空間松散煤體內(nèi)灌注液氮后，由于低溫液氮具有液態(tài)流體的沉降效應(yīng)，從而使液氮擴(kuò)散后松散煤體內(nèi)溫度場向下運(yùn)移速率比水平方向快，向上運(yùn)移速率最慢。而松散煤體內(nèi)各測點(diǎn)的氧氣濃度在液氮灌注初期就變化較大，且液氮釋放口附近測點(diǎn)的氧氣濃度下降較快。通過實(shí)驗(yàn)說明灌注液氮對(duì)封閉空間松散煤體溫度降低效果較好，并且短時(shí)間內(nèi)降低了封閉空間內(nèi)的氧氣濃度，能夠很好地起到降溫惰化防滅火效果。