摘 要：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。
关键词：惰性气体 防灭火 瓦斯
1 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（21℃，101.325kpa），气体密度为0.461kg/cm3,液体密度为80.8kg/m3,氮气在101.325Kpa,-195.8℃时变成无色的液体，在-209.9℃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，在震动、热和电火花作用下都较稳定。
2 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：
2.1 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，还有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300℃，氧含量为9%时就能发生爆炸。因而研究表明，将氧气的临界含量控制在5%以下时就不能发生爆炸，否则爆炸就有可能发生。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。
2.2 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。
2.3 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，对采空区来说都有明显的降温作用。
2.4 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。
2.5 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。
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3 优缺点
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，必须采用堵漏措施相配合，才能取得满意的效果。
4 制氮设备
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。
DT-X/Y-700/8型系列煤矿用碳分子筛制氮装置是采用变压吸附碳分子筛制氮新工艺，为煤矿氮气防灭火而研制的新型氮气源设备。具有结构合理，操作简单，维护容易，能耗低等优点。它特别适合于煤层自然发火严重的矿井综采面和综放面氮气防灭火的井下氮源设备，也可作为地面氮源设备使用。矿用地面或井下固定式制氮设备DT-X/Y型系列（氮气纯度为98%，产气量为100—7000m3/h）煤矿用碳分子筛制氮装置矿用制氮设备。
鲁班山矿区均选用了DT-X/Y-700/8型系列煤矿用碳分子筛制氮吸附制氮设备（氮气纯度为98%，产气量为700m3/h），为保障鲁班山矿区井的安全生产发挥了重要作用。
5 应用实例及效果
今年以来，氮气防灭火在鲁班山矿区得到广范应用，为鲁班山矿区综采工作面顺利回采和回撤发挥了重要作用。因此，氮气防灭火技术成为采煤方法的主要防灭火措施。目前鲁班山矿区建立了一套完整的氮气防灭火系统，为鲁班山矿区安全生产发挥了重要作用。
鲁班山矿区注氮防灭火抑爆的应用实例如下。
5.1 鲁班山矿区1381-1工作面于2012年5月5日早班瓦检员查到工作面下隅角一氧化碳达到120ppm,向矿调度室汇报，5月5日大班通风系统安排通风队和救护队分别对工作面下隅角、下段、中段、上隅角取样化验，化验结果为下隅角挡风帘内一氧化碳达到180ppm，1-2#架支架顶部CO上升到800PPm；立即安排对工作面布置6个点进行检查，并观察CO和瓦斯变化情况，并立即组织对1381-1工作面下段采取进行打孔注水、注浆，并对工作面尾部放水巷两道密闭进行喷浆堵漏，进行质量处理，同时，矿总工程师杨大奎立即牵头，生产部通风科、安监处、救护队参加现埸调查一氧化碳的来源，于5月7日中班16：30分调查到工作面下段一氧化碳上升到1.5万ppm左右，工作面回风巷一氧化碳80ppm，立即对工作面回风区域进行警戒，成立治灾办，召开专题会进行处理。采空区发生煤炭高度氧化，为防止燃出明火带来严重的安全危协，矿决定立即将工作面进行封闭，并采用注入氮气灭火，使火区CO含量在24小时后降为100ppm，O2含量降为1.5%,气体温度降到26℃。氮气灭火的效果可以得出：效果明显，火区熄灭快，采用封闭工作面注入氮气技术不易复燃，启封时间段，减少了生产影响。
5.2 1381-1工作面开采为8#煤层，煤厚3.5m～4.5m，平均4.0m，平均走向长362m，倾斜长161m，煤层倾角19°～21°，平均倾角20°；可采储量为34.3万t，采用后退式采煤法开采。构造带处于工作面机头延伸至工作面下段25m之间，于2010年10月30日开始开采，2011年5月6封闭，共开采时间为181天；合计推进264m就出现了CO。根据当时瓦斯和CO上升变化情况分析，随时都奶可能燃出明火，有可能发生瓦斯爆炸，立即对工作面进行了封闭，将工作面封闭以后采用向采空区实施注氮。经过对封闭区进行注氮40天，化验结果为无CO，连续稳定一段时间后进行启封回撤，启封第二个班就又出现了CO，连续注氮将CO稳定在24ppm以内，顺利回撤出了综采设备和支架。
6 应用前景及经济效益
经过鲁班山矿区1318、2824、2836、2848、28714等综采工作面煤层自燃发火分析，采空区内氧化发火所采取的注氮灭火技术，取得较好的效果，为鲁班山矿区防灭火工作发挥了主要作用。注氮灭火技术在鲁班山矿区得到广泛的应用，为鲁班山矿区综采工作面的顺利回撤发挥了重要作用，1318、1835、2848、28714综采工作面注氮回撤成功说明，氮气有效控制着CO上升势趋，为矿区挽回经济损失达3000多万元。因此，氮气防灭火技术成为后退式采煤方法的主要防火措施，前景十分广泛。
经过鲁班山矿区综采工作面进行注氮灭火实验，大大减小了煤层自燃发火的安全风险性和缩短治灾灭火的时间。为下一步综采工作面按替提前生产和抑制煤层自然发火积累了宝贵经验，创造价值上千万元。
论文作者:刘文涌
论文发表刊物:《科技中国》2018年4期
论文发表时间:2018/8/10
标签：氮气论文; 工作面论文; 采空区论文; 矿区论文; 气体论文; 氧化碳论文; 鲁班论文; 《科技中国》2018年4期论文;