閆文剛

（陜西陜煤澄合礦業(yè)有限公司礦山救護大隊, 陜西 渭南 715200）

0 引 言

氮氣作為一種惰性氣體，既可以撲滅明火火災(zāi)，也可以抑制礦井中隱蔽火源的燃燒，因此在高瓦斯礦井中經(jīng)常用注氮防滅火技術(shù)來消除礦井安全隱患。注氮防滅火技術(shù)即通過向采空區(qū)注入氮氣來排除采空區(qū)中所含的空氣，降低采空區(qū)內(nèi)部氧氣的濃度，降低煤炭與氧氣反應(yīng)的速率，從而有效減少采空區(qū)遺煤自燃的事故發(fā)生[1～3]。選擇注氮技術(shù)來防滅火，若注氮工藝參數(shù)不相同，防滅火的效果也不盡相同，小流量注氮工藝可能會導(dǎo)致工作面的氧氣濃度偏低，不利于工作人員的安全生產(chǎn)；注氮量大也有缺陷，可能會造成資源浪費，對注氮機也是一種考驗。因此，在確定注氮工藝參數(shù)時，我們既要考慮到注氮成果，又要考慮礦井實際情況如注氮成本等因素，這樣實施注氮防火工作才會有實際的安全和經(jīng)濟意義[4～6]。

1 1510 輔助巷基本情況

紅旗煤礦1510 輔助系統(tǒng)巷道長度488 m，1510輔助進風(fēng)工作面121 m，該輔助系統(tǒng)在封閉了221 d后啟封。在啟封過程中發(fā)現(xiàn)輔助進風(fēng)閉墻內(nèi)瓦斯為4.49 %、二氧化碳為3.99 %、閉墻內(nèi)溫度為34.2℃；1510 輔助回風(fēng)密閉墻內(nèi)瓦斯?jié)舛葹?%、一氧化碳濃度為0×10-6、氧氣濃度13.8%、閉墻內(nèi)5～6 m 處溫度達到了78℃。啟封45 d 后取樣分析發(fā)現(xiàn)1510輔助進風(fēng)閉墻內(nèi)瓦斯為4.87 %、一氧化碳為6.46×10-6、二氧化碳為6.53 %、閉墻內(nèi)溫度為34℃，氧氣濃度為8.49 %；1510 輔助回風(fēng)閉墻內(nèi)瓦斯為4.37%、一氧化碳為3.87×10-6、二氧化碳為6.56%、閉墻內(nèi)溫度為34℃，氧氣濃度為7.76 %。為防止封閉區(qū)內(nèi)災(zāi)害擴大，相關(guān)部門決定對1510 輔助系統(tǒng)內(nèi)的有害氣體注氮置換。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 氮氣防滅火作用原理

使用氮氣進行防滅火，不僅效率高，而且對現(xiàn)場設(shè)備損失程度小，因此注氮防滅火技術(shù)在國內(nèi)外非常受重視。氮氣防滅火，就是引用先進技術(shù)，向采空區(qū)或火區(qū)里面注入氮氣，達到預(yù)防火災(zāi)或瓦斯爆炸的目的。注氮后可以直接降低采空區(qū)氧氣的濃度，增大采空區(qū)內(nèi)氣體壓力減少工作面向采空區(qū)漏風(fēng)，降低了氧氣與采空區(qū)內(nèi)破碎煤塊的接觸面積，降低采空區(qū)瓦斯?jié)舛?，對于防火作用十分明顯[7-8]，氮氣防滅火的原理見下框，如圖2 所示。

圖2 氮氣防滅火的原理

3 供氮氣技術(shù)參數(shù)的確定

1）注氮量計算：

式中：Q0為采空區(qū)氧化帶內(nèi)漏風(fēng)量，m3/min;C1為采空區(qū)氧化帶內(nèi)平均氧濃度，%；C2為采空區(qū)惰化防火指標(biāo)，其值為煤自燃臨界氧濃度，%；CN為注入氮氣的氮濃度，%；K為備用系數(shù)，取1.2～1.5。

2）供氮壓力計算：

式中：P2為管路末端的絕對壓力，MPa；Qmax為最大輸?shù)髁縨2/h；D0為基準(zhǔn)管徑，150 mm；Di為實際輸?shù)軓?，mm；Li為相同直徑管路的長度，km；λ0為基準(zhǔn)管徑的阻力損失系數(shù)，0.026；λi為實際輸?shù)軓降淖枇p失系數(shù)，對于不同的鋼管至境，則有如下表1 的關(guān)系:

表1 實際輸?shù)軓降淖枇p失系數(shù)表

3）安全通風(fēng)量計算：

式中：Q0為工作場所的安全通風(fēng)量，m3/min；QN為最大氮氣泄漏量，m3/min；CN為泄露氮氣中的氮氣濃度，%；C1為工作面或巷道中原始氮氣濃度，一般取20.8%；C2為工作場所的安全氧濃度指標(biāo)，18.5%。

4 注氮置換方案

4.1 注氮及有毒有害氣體監(jiān)測方式及方法

1）地面注氮站監(jiān)測氮氣輸送壓力及流量，注入氮氣濃度必須大于97%。

2）在1510 進風(fēng)2 號聯(lián)巷口安設(shè)閘閥、流量表及壓力表監(jiān)測、控制進風(fēng)閉墻注氮量；在1510 輔助回風(fēng)閉墻措施閥上安設(shè)流量表，記錄注氮置換排氣量。

3）在1510 輔助回風(fēng)閉墻外3 m 范圍內(nèi)安設(shè)瓦斯、溫度、一氧化碳、氧氣、二氧化碳傳感器。

4）在1510 輔助回風(fēng)與1510 回風(fēng)全風(fēng)壓風(fēng)流混合處下風(fēng)側(cè)10 m 處安設(shè)瓦斯、溫度、一氧化碳、氧氣、二氧化碳傳感器。

5）在1510 回風(fēng)閉墻觀測孔內(nèi)安設(shè)束管采樣管并引至采區(qū)變電所，監(jiān)測1510 回風(fēng)閉墻內(nèi)的氣體濃度變化情況。

4.2 注氮及有毒有害氣體線路

1）注氮線路：地面注氮站→主斜井→輔助運輸巷→1510 進風(fēng)2 號聯(lián)巷→1510 進風(fēng)順槽→連接骨架管→1510 輔助進風(fēng)閉墻4 寸措施孔。

2）有毒有害氣體排放線路：1510 輔助回風(fēng)閉墻4 寸措施孔→1510 輔助回風(fēng)巷→1510 回風(fēng)順槽→東翼回風(fēng)大巷→總回風(fēng)巷→回風(fēng)斜井→地面。

4.3 注氮步驟

第一步：確認1510 輔助進、回風(fēng)管路，壓力表、流量表、各類傳感器等連接到位。

第二步：將束管采樣頭通過6 分觀測孔伸進閉墻內(nèi)1 m，用橡皮泥封堵6 分管口。開啟1510 輔助回風(fēng)密閉墻4 寸措施閥，并立即撤離至采區(qū)變電所。

第三步：在1510 進風(fēng)閉墻4 寸措施閥處于關(guān)閉狀態(tài)的情況下，啟動注氮系統(tǒng)，以0.05 MPa（100 m3/h）的壓力向井下輸送氮氣，使用2 寸球閥排空裝置排空管路內(nèi)的空氣。

第四步：由救護隊在2 寸球閥排空裝置處測定注氮管路內(nèi)的氧氣濃度，當(dāng)氧氣濃度低于3%時，關(guān)閉2 寸球閥排空裝置，同時電話通知調(diào)度室停止注氮系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。注氮系統(tǒng)停止運轉(zhuǎn)后，打開1510 輔助進風(fēng)閉墻上4 寸措施閥，并立即撤離至采區(qū)變電所。

第五步：救護隊員撤離至采區(qū)變電所后，電話通知調(diào)度室啟動注氮系統(tǒng)，以0.05 MPa（100 m3/h）的壓力，向井下輸送氮氣。

第六步：通過閉墻內(nèi)束管監(jiān)測瓦斯、一氧化碳、二氧化碳濃度呈下降趨勢時，使用1510 進風(fēng)聯(lián)巷處閘閥減小注氮量。

第七步：通過閉墻內(nèi)束管監(jiān)測閉墻內(nèi)氧氣濃度降至5%以下，一氧化碳濃度降至10×10-6以下時，并保持穩(wěn)定30 min 后，做好停止注氮準(zhǔn)備工作。

第八步：停止注氮時，同時關(guān)閉1510 輔助進、回風(fēng)閉墻上4 寸措施閥，隨后打開1510 輔助進風(fēng)2 寸球閥排空氮氣，并電話通知礦調(diào)度下達注氮結(jié)束命令，停止注氮。

5 注氮實施效果

1）對1510 輔助系統(tǒng)內(nèi)的有害氣體總共進行了34 h 注氮，共注入氮氣11 000 m3。通過注氮，閉墻內(nèi)氧氣、瓦斯、一氧化碳、二氧化碳濃度穩(wěn)定后均出現(xiàn)了下降現(xiàn)象，數(shù)據(jù)如圖3、圖4 所示：

圖3 1510 輔助系統(tǒng)進風(fēng)閉墻注氮前后數(shù)據(jù)對比

圖4 1510 輔助系統(tǒng)進風(fēng)閉墻注氮前后數(shù)據(jù)對比

瓦斯?jié)舛茸兓治觯和咚箽怏w分子量為16，氮氣分子量為28，瓦斯比氮氣輕，穩(wěn)定狀態(tài)下處于巷道的頂部。通過注入氮氣，瓦斯?jié)舛扔?.02%下降至2.48%，下降率為38.3%。

氧氣濃度變化分析：氧氣分子量為32，氮氣分子量為28，氧氣比氮氣重，穩(wěn)定狀態(tài)下處于巷道的中上部。通過注入氮氣，瓦斯?jié)舛扔?.64%下降至4.31%，下降率為43.6%。

二氧化碳濃度變化分析：二氧化碳分子量為44，氮氣分子量為28，二氧化碳比氮氣重，穩(wěn)定狀態(tài)下處于巷道的底部。通過注入氮氣，二氧化碳濃度由6.47%下降至5.32%，下降率為17.8%。

一氧化碳濃度變化分析：一氧化碳分子量為28，氮氣分子量為28，一氧化碳與氮氣一樣重，穩(wěn)定狀態(tài)下處于巷道的中部。通過注入氮氣，一氧化碳濃度由8.9×10-6下降至2.25×10-6，下降率為74.7%。

結(jié)論：注氮置換有毒有害氣體時，與氮氣分子量越靠近的氣體置換效果越好（如一氧化碳、氧氣），與氮氣分子量相差較遠的氣體注氮置換效果較差，但比重小氣體（瓦斯）卻比比重大氣體（二氧化碳）置換效果好。

2）注氮過程中在回風(fēng)閉墻內(nèi)監(jiān)測氧氣、瓦斯、一氧化碳、二氧化碳濃度隨著注氮量的增加均呈現(xiàn)出下降趨勢，具體數(shù)據(jù)如圖5 所示。

圖5 1510 輔助系統(tǒng)注氮量與氣體濃度關(guān)系曲線圖

結(jié)論：在注氮過程中，進風(fēng)側(cè)動壓注氮，回風(fēng)側(cè)依靠進風(fēng)側(cè)壓力傳遞向外擴散氣體，因此在回風(fēng)側(cè)出現(xiàn)氣體“擁堵”現(xiàn)象，表現(xiàn)為回風(fēng)閉墻處氣體在注氮后一定時間內(nèi)濃度有上升現(xiàn)象，與氮氣分子量相當(dāng)?shù)难鯕庾顬槊黠@；在注氮過程中，注入的氮氣一方面將密閉空間內(nèi)的有毒有害氣體排出，另一方面氮氣與有毒有害氣體進行了混合，因此氣體濃度隨著注氮量非線性變化。

6 結(jié) 語

通過總結(jié)1501 輔助系統(tǒng)火區(qū)注氮防滅火實戰(zhàn)經(jīng)驗，確定注氮技術(shù)的參數(shù)，使得注氮防滅火技術(shù)在同類型火區(qū)應(yīng)用時更加具有可借鑒和可操作的經(jīng)驗。注氮防滅火技術(shù)可以為煤層自燃的前期起到預(yù)防效果，也可以快速控制火災(zāi)，這種有效的方法應(yīng)用在礦井火區(qū)里，能有效提高礦井抵抗火災(zāi)的應(yīng)變能力，意義重大，前景廣闊。