采空區(qū)注氮防滅火技術(shù)研究

楊 韜

（華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)一礦，山西 陽(yáng)泉 045008）

引言

近年來(lái)我國(guó)所發(fā)生的火災(zāi)事故中，因采空區(qū)遺煤自燃而發(fā)生的災(zāi)害事故占很大比例[1-2]。礦井地下采空區(qū)可能發(fā)生重大火災(zāi)主要原因具有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)：一是發(fā)生火災(zāi)原因來(lái)源及其位置難以確定。傳統(tǒng)的空氣混合滅火噴射處理方法，如采用水和二氧化碳混合空氣滅火噴射、灌漿和三相混合空氣噴射泡沫等都無(wú)法及時(shí)滅火，效果不佳。如果采取的防火防護(hù)措施不合理，很可能造成波及自然界的重大火災(zāi)事故。氮?dú)饣瘜W(xué)氣體指它是一種比普通氣體空氣密度高、無(wú)色無(wú)味、無(wú)毒、無(wú)味并且可用于自燃、無(wú)助燃的有機(jī)化學(xué)氣體。氮?dú)庾詣?dòng)高速噴射傳統(tǒng)礦井氮?dú)鉁缁鹌鳎搰娚浼夹g(shù)可以充分利用傳統(tǒng)礦井滅火氮?dú)獗旧淼母咚賴娚渥詣?dòng)特性，在大型礦井煙氣滅火中非常具有理想的滅火效果。

1 采場(chǎng)自燃發(fā)火范圍的確定

根據(jù)采礦工作面采空區(qū)的不同漏風(fēng)狀態(tài)，將采風(fēng)區(qū)分為幾種不同的區(qū)域位置。在距離工作面周圍近的采空區(qū)里，頂板巖石不僅松散而且形成堆積，形成較大的孔縫，漏風(fēng)強(qiáng)度也變得極高，浮煤與空氣的接觸時(shí)間相對(duì)較短，沒有儲(chǔ)備熱條件，產(chǎn)生自燃這一情況可能性極小，這個(gè)區(qū)域稱為冷卻區(qū)。在底層遠(yuǎn)離采空工作區(qū)開采空間內(nèi)的采空區(qū)時(shí)，落下的漏風(fēng)巖塊逐漸受到壓實(shí)，漏風(fēng)量非常小，漏風(fēng)巖塊中的大量氧氣離子濃度逐漸降低可達(dá)到由于底層浮煤的快速氧化或其他物理物質(zhì)吸附而變得不足以完全支持浮煤燃燒的最大程度。該反應(yīng)區(qū)域不可能存在空氣氧化和水解蓄熱反應(yīng)條件，即使浮煤自燃，也會(huì)因缺氧而窒息，巖石的熱傳導(dǎo)會(huì)分散自燃所積累的熱量，因此該區(qū)域稱為窒息區(qū)。冷卻區(qū)和窒息區(qū)之間的區(qū)域稱為自燃區(qū)。該區(qū)落石逐漸壓實(shí)，漏風(fēng)孔隙中等?？諝庑孤┚哂邢蜓趸瘏^(qū)供氧的條件。同時(shí)，風(fēng)阻大，氣流滿足采空區(qū)氧化蓄熱升溫條件。殘煤在氧化自燃區(qū)氧化生熱，結(jié)果導(dǎo)致有可能發(fā)生自燃的情況出現(xiàn)。

采空區(qū)出現(xiàn)自燃情況能夠用采空區(qū)發(fā)生漏風(fēng)的氧氣濃度來(lái)進(jìn)行確定。工作面煤樣裝入點(diǎn)火燃燒試驗(yàn)裝置。向試驗(yàn)裝備中注入一定量的氮?dú)?，并且改變裝備中進(jìn)氣氧氣的濃度，直到發(fā)生燃燒的火焰完全的沒有。測(cè)量滅火用煤樣的最大氧濃度。對(duì)試驗(yàn)方法進(jìn)行改變，直接向裝備內(nèi)進(jìn)行供風(fēng)，進(jìn)而調(diào)整風(fēng)流量，對(duì)不支持燃燒的滅火漏風(fēng)的風(fēng)速進(jìn)行測(cè)定。

2 采空區(qū)注氮防滅火注氮參數(shù)確定

在確定采空區(qū)注氮量之前，必須明確防火和注氮的目的。根據(jù)工作面生產(chǎn)條件的不同，采空區(qū)注氮的目的可分為防火、滅火和抑爆。防火注氮采空區(qū)的氧氣濃度需要低于工作面煤發(fā)生自燃的臨界的氧氣含量。使用氣相色譜法對(duì)煤發(fā)生自燃的氧氣濃度值進(jìn)行測(cè)定。采空區(qū)內(nèi)注入氮惰化進(jìn)行滅火的氧氣濃度不能高于3%%；采空區(qū)內(nèi)注入氮惰化抑制自燃的氧氣濃度不應(yīng)高于13%。

注氮?dú)怏w設(shè)備的主要參數(shù)選擇包括了：注氮?dú)怏w的純度、流量、壓力和注氮設(shè)備電機(jī)啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間。注氮氮?dú)庠O(shè)備的正常運(yùn)行必須非常穩(wěn)定可靠，以便于確?，F(xiàn)有氮?dú)庠O(shè)備供應(yīng)的穩(wěn)定質(zhì)量和運(yùn)行連續(xù)性。然而氮?dú)獾募兌葎t不能低于97%。

注氮方式的選擇：采空區(qū)的氮?dú)庾⑷胛恢脩?yīng)能將氮?dú)庾⑷氩煽諈^(qū)的氧化區(qū)。注氮方式可采用尾巷注氮、拖管注氮等，注氮地點(diǎn)與其有相連的巷道都必須保證有一定的通風(fēng)量，避免人員出現(xiàn)窒息危險(xiǎn)情況的發(fā)生。

3 注氮防滅火的相關(guān)措施

3.1 對(duì)工作面的通風(fēng)量進(jìn)行把控

工作面的漏風(fēng)率隨工作面技術(shù)條件變化較大，一般為17%～37%。若對(duì)工作面上的通風(fēng)量進(jìn)行降低，則有助于工作面上漏風(fēng)量地有效降低。注氮量與工作面上的漏風(fēng)量在一定程度上呈現(xiàn)正相關(guān)。采空區(qū)漏風(fēng)量的大小，對(duì)注氮滅火效果起著關(guān)鍵作用。

3.2 選擇合適的工作面布置方式

一般在開采極易發(fā)生自燃的煤層時(shí)，為了采空區(qū)不會(huì)發(fā)生不可控的漏風(fēng)情況，需在其工作面進(jìn)行后退式的開采方式。在工作面通風(fēng)的選擇上，W 型通風(fēng)方式的通風(fēng)壓差相比于U 型通風(fēng)方式，在一樣的通風(fēng)量條件下小5/8，有助于對(duì)采風(fēng)區(qū)的漏風(fēng)控制。在頂煤的工作面通風(fēng)上，一般使用一進(jìn)二回W 型通風(fēng)的方式，有助于減小采空區(qū)漏風(fēng)壓差，對(duì)采空區(qū)的漏風(fēng)范圍相應(yīng)減少。

3.3 工作面支架布置方式改良

工作面方向漏風(fēng)的功率主要取決于沿兩個(gè)工作面方向的氣流阻力和沿工作面漏風(fēng)流速的漏風(fēng)壓力。在進(jìn)風(fēng)工作面板的進(jìn)口側(cè)、出口側(cè)，氣流的流速和風(fēng)壓都可以轉(zhuǎn)化為進(jìn)風(fēng)采空區(qū)的最大漏風(fēng)電流功率，其電壓值變化不可完全忽略。在渦流回風(fēng)側(cè)，工作面積、氣流速比和壓力主要作用在渦流回風(fēng)出口和巷道上煤壁上，采空區(qū)側(cè)將形成渦流回風(fēng)區(qū)。由于氣流方向射流的影響和采空區(qū)的大孔隙率，不同場(chǎng)景情況的設(shè)置對(duì)采空區(qū)的漏風(fēng)量的影響都是非常大的。工作面的支持布置是流線型的，沒有棱角，工作面的上下順槽和支架的布置方面都得到了平滑的過渡。工作面上的漏風(fēng)量主要決定于工作面上風(fēng)的阻力，采空區(qū)的漏風(fēng)將會(huì)得到一個(gè)相對(duì)大的改良。

3.4 封閉漏風(fēng)通道實(shí)現(xiàn)采空區(qū)的均壓

在較容易發(fā)生自燃的煤層中，采空區(qū)上、下隅角的主要漏風(fēng)通道可通過石墻、充填材料、高水材料、水泡沫幕墻等方式來(lái)進(jìn)行一個(gè)封堵，則可使采空區(qū)的漏風(fēng)阻力得到很大程度的增強(qiáng)。充填段所起到的屏蔽作用將采空區(qū)的鼓吹作用得到阻止，減少了采空區(qū)的漏風(fēng)作用，進(jìn)而使采空區(qū)得到一個(gè)壓力平衡的情況。

3.5 采空區(qū)防火惰化指標(biāo)

防止減緩綜放采空區(qū)殘煤自燃的一個(gè)關(guān)鍵手段是及時(shí)控制減緩綜放采空區(qū)內(nèi)的自然氧化，使有機(jī)氧含量不得低于自然氧化煤的自燃臨界極限值，以利于保證綜放采空?qǐng)龅貐^(qū)內(nèi)自燃?xì)埫旱淖匀谎趸匀紶顟B(tài)及時(shí)減緩或不發(fā)生氧化。根據(jù)其對(duì)煤的氣態(tài)氧化和化學(xué)自燃效應(yīng)理論，甲烷、二氧化碳和有機(jī)氮?dú)夥謩e是三種惰性有機(jī)氣體，可以有效抑制其對(duì)煤的化學(xué)氧化，而根據(jù)采空區(qū)含氧量可以判斷本次注氮注射效果。因此，以下氮氧化物含量主要作為檢測(cè)惰化性的指標(biāo)。根據(jù)國(guó)家有關(guān)調(diào)查資料，當(dāng)室內(nèi)空氣中的二氧含量濃度低于7%～10%時(shí)，煤在這種氧化條件下不易發(fā)生氧化。同時(shí)在注射脫氮后采空區(qū)的氮氧含量一般不應(yīng)超過7%。因此，惰化指數(shù)通常按7%計(jì)算。

4 注氮操作要求

為了有效保證現(xiàn)場(chǎng)注氮利用效果和提高氮?dú)饩C合利用率，有效準(zhǔn)確控制現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)火采空區(qū)和采空區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)瓦斯?jié)B漏指標(biāo)，必須及時(shí)采取各種相應(yīng)措施有效堵住現(xiàn)場(chǎng)巷道封閉采空區(qū)、封閉通道采空區(qū)和現(xiàn)場(chǎng)工作區(qū)地面封閉采空區(qū)的瓦斯?jié)B漏。輸?shù)艢夤艿纼?nèi)部應(yīng)設(shè)置三通排氣閥，保證水泵輸送液氮排氣管道平直穩(wěn)定。避免出現(xiàn)浮動(dòng)燃煤板有埋壓褶皺的現(xiàn)象，加強(qiáng)軟管的維護(hù)管理，避免注氮時(shí)漏氣。嚴(yán)格檢查連接管道內(nèi)及連接管道兩端分岔處的管道閥門，防止隨意轉(zhuǎn)動(dòng)開關(guān)管道閥門。在準(zhǔn)備進(jìn)行各種制氮設(shè)備工藝操作過程中，技術(shù)人員應(yīng)嚴(yán)格按照制氮工藝規(guī)范要求認(rèn)真負(fù)責(zé)進(jìn)行制氮操作。當(dāng)無(wú)線設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，應(yīng)及時(shí)檢查自動(dòng)上網(wǎng)報(bào)告是否設(shè)備存在異常情況。注氮期間，確保室內(nèi)氮?dú)馀欧艥舛炔淮笥?7%。否則，關(guān)閉自動(dòng)卸油排氣閥，不要注入氮?dú)?。注入氮?dú)馓幚砉ぷ鹘Y(jié)束后，及時(shí)自動(dòng)停止關(guān)閉采空區(qū)出口地下管道內(nèi)的注入含氮空氣閘閥，避免管道含氮?dú)怏w空氣直接排出進(jìn)入采空區(qū)，影響下次管道注氮?dú)馓幚砉ぷ餍Ч?/p>

5 注氮注意事項(xiàng)

為避免氮?dú)庑孤?，?yīng)采取相應(yīng)措施。例如，在采空區(qū)的上下角放置擋風(fēng)玻璃。

注氮時(shí)，應(yīng)在人工注水含氮排水管道的出入口處預(yù)先設(shè)置含氮?dú)怏w含量檢測(cè)排水孔或注氮閥門。注氮?jiǎng)偣ぷ鏖_始時(shí)，關(guān)閉整個(gè)注氮排氣管路上的排氣閥門，檢查管路是否發(fā)生漏氣。如及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道漏氣，應(yīng)立即進(jìn)水處理，保持室內(nèi)注水液氮排水管道清潔，清除注水管道內(nèi)任何雜物和管道積水。當(dāng)排氣管道中天然氧氣排放濃度小于3%時(shí)，可向管道采空區(qū)域中注入少量氮?dú)狻?/p>

6 結(jié)語(yǔ)

合理的采空區(qū)注氮純度和注氮量、可靠的注氮連續(xù)性和采空區(qū)氧氣檢測(cè)技術(shù)是注氮滅火的技術(shù)關(guān)鍵。采空區(qū)注氮氧化技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)是準(zhǔn)確的區(qū)分所在采空區(qū)空氣氧化在較高溫的地點(diǎn)的氧化范圍和空氣氧化在采空區(qū)的氧化分布區(qū)域范圍。注氮工藝流程簡(jiǎn)單，成本低。是一種控制煤氣采空區(qū)自然煙氣發(fā)火的有效控制措施，值得廣泛推廣應(yīng)用。