氮气灭火系统

氮气防灭火概况：

氮气防灭火现已有地面固定式、地面移动式和井下移动式变压吸附制氮装置和膜分离制氮装置，为我国煤矿安全生产发挥了重要作用。

2原则：

1） 对于自燃发火频繁，且火灾范围大的矿井，可根据地表与火区的距离

远近采取地面固定式制氮装置，管道或者直接从地表打钻输送氮气的工艺系统；

2） 对于矿区范围大，火灾频繁，地表与井下工作面距离近的矿井，可采

取地面移动式制氮装置，管道输送氮气的工艺系统；

3） 对于井田范围大，风井多，井口距离火区较远，且火区多而分散，输

氮管路长的矿井，可采取井下移动式制氮装置的工艺系统。

3注氮工艺：

1） 注氮系统：

地面固定式和地面移动式制氮设备生产的氮气，经井上下输氮管路送达采空区或火区。该系统优点：制氮设备产氮能力大，灭火速度快。缺点：需专门铺设一趟输氮管路。

井下移动式制氮设备安置于距需要防火或灭火区域的就近处，经供电、供水、管路连接，便可开机生产氮气，经输氮管将氮气送达防灭火区内。该系统优点：不需铺设专用输氮管路。缺点：制氮设备产氮能力较小。

2） 注氮工艺

根据矿井具体情况，可选择适当的注氮工艺

A 埋管注氮――在工作面进风侧沿采空区埋设一趟注氮管路。当埋入一定深度后开始注氮，同时埋入第二趟注氮管路（注氮管口的移动步距通过考察确定。）当第二趟注氮管口埋入采空区氧化带与冷却带的交界部位时向采空区注氮，同时停止第一趟管路注氮，并又重新埋设注氮管路，如此循环，直至工作面采完为止。

B 拖管注氮――在工作面进风侧沿采空区埋设一定长度（其值由考察确定）的厚型钢管作为注氮管，它的移动主要利用工作面的液压支架，或工作面输送机头、机尾，或工作面回风巷的回柱绞车牵引。注氮管路随工作面的推进而移动，使其始终埋入采空区内的一定深度，

C 钻孔注氮――在地面向井下火灾或火灾隐患区域打钻孔，通过钻孔套管（全套管）将氮气注入防灭火区。利用工作面消火道，或与工作面相邻的巷道，向采空区或火灾隐患区域打钻孔注氮。

D 插管注氮――工作面开切眼或停采线，或巷道高冒顶火灾，可采用向火源点直接插管的注氮方式进行注氮。

E 密闭注氮――利用密闭墙上预留的注氮管向火灾或火灾隐患区域实施注氮。

F 旁路式注氮――利用采用改进风巷的工作面，可利用与工作面平行的巷道，在其内向煤柱打钻孔，将氮气注入采空区。

3）注氮方式与防灭火方法

注氮方式：分为开放式和封闭式注氮。在不影响工作面的正常生产和人身安全时，可采用开放式注氮。火灾及其隐患影响工作面的正常生产，或突

然性外因火灾，或瓦斯积聚区域达到爆炸界限时，可采用封闭式注氮。 注氮防灭火方法：

A 连续式注氮――工作面开采初期和停采撤架期间，或因地质原因，或因机电设备原因造成工作面推移缓慢，宜采用连续式注氮。

B 间歇式注氮――工作面正常回采期间，可采用间歇式注氮。

C 注氮地点――应尽可能选在进风侧，或靠近火源。工作面注氮防火，注氮管口应处于采空区氧化带内。

D 注氮抑制瓦斯爆炸――注氮惰化瓦斯积聚区域，或扑灭瓦斯积聚区的火灾，密闭墙必须建防爆墙，同时密闭墙的构筑顺序严格按照要求执行。注氮同时，应分析灾区气体成分的变化，并用空气－甲烷混合物的爆炸三角形进行失爆性的判定。

4）堵漏措施

建议采用煤炭科学研究总院重庆分院的以铝酸钠为促凝剂的凝胶和粉煤灰凝胶，设备选用KBJ 系列。

4注氮气体监测

为便于采空区取气体分析，在铺设注氮管的同时，采空区应同时预埋束管监测探头，其数量视取气样点数而定。在注氮管或支管分叉处必须设置观测点（测定流量、压力、浓度及温度）。为了考察注氮的流向及分布，可借助施放SP 6示踪气体加以检测。

5注氮防灭火效果考察

为保证注氮防灭火的有效性，必须对注氮的区域采取局部均压或区域性均

压，并采取严格的堵漏措施以及有效的火灾监测，使防灭火区的漏风量降到最低限度。

注氮防灭火期间，应对其效果进行考察，其内容包括：工作面采空区注氮防火，注氮后采空区“三带”变化；注氮量、注氮扩散半径、注氮口的移动步距等参数；采空区煤自燃发火指标。

参数计算

1. 注氮防灭火惰化指标

1）注氮防火惰化，即注氮后采空区内氧气浓度不得大于7％；

2）注氮灭火惰化，即火灾区内氧气浓度不大于3％；

3）注氮抑制瓦斯爆炸，其采空区氧气浓度指标小于12％。

2. 注氮量

确定注氮量主要根据防灭火区的空间大小及自燃程度确定。目前还没有统一的计算公式。可以按综放面（综采面）的产量、吨煤注氮量、瓦斯量、氧化带内氧浓度进行计算。

1）按产量计算

计算公式如下：

Q N =⎛C 1⎫⨯ -1⎪ ⎪1440ρtn 1n 2⎝C 2⎭A

式中：Q N ――注氮流量，m 3/min；

A ――年产量，t ；

t ――年工作日，取300d ；

ρ――煤的密度，t/m3；

n 1――管路输氮效率，％；

n 2――采空区注氮效率，％；

C 1――空气中的氧浓度，取20.8％；

C 2――采空区防火惰化指标，取7％。

2）按吨煤注氮量计算

Q N =5AK 1440⨯24⨯60

Q N ――注氮流量，m 3/min；

A ――年产量，t ；

K ――工作面回采率。

3）按瓦斯量计算

Q N =Q c ⨯C 10-C

Q N ――注氮流量，m 3/min；

Q C ――综放面（综采面）通风量，m 3/min；

C ――综放面（综采面）回风流中的瓦斯浓度。

4）按采空区氧化带氧浓度计算

Q N =(C 1-C 2) ⨯Q V C N +C 2-1

Q N ――注氮流量，m 3/min；

Q V ――采空区氧化带的漏风量，m 3/min；

C 1――采空区氧化带内原始氧浓度，取平均值；

C 2――注氮防火指标，取7％；

C N ――注入氮气中氮气的纯度。

将以上计算结果取最大值，再结合煤矿具体情况考虑1. 2～1.5的安全备用稀疏，即为采空区防灭火的最大注氮量。

在设计中，应根据注氮量的计算，参照对比国内实际经验，并结合矿井具体情况确定井下防灭火注氮量。要能满足井下所有猜枚工作面正常防火需要和井下一般灭火需要。

根据国内外经验：

① 防火注氮量一般为5 m3/min（氮气）；

② 灭火注氮量，原则上最初强度要大，将火势压住，然后逐渐降低强度。若回风敞口，单位时间注氮量不能小于9.25 m3/min；全封闭时，可控制在8 m3/min；

煤科总院重庆分院根据多年注氮防灭火经验，灭火注氮量为500～600 m3/h。注氮同时必须加强均压和堵漏，控制火区漏风；并探明火源位置，向火源点范围连续注入。

这个推进度大大的超过了采空区内残留的煤炭自燃的时间要求，因此，设计不需要考虑在工作面正常回采时的注氮防火，只是在工作面开采初期和停采撤架期间，或因地质原因，或因机电设备原因造成工作面推移缓慢，对此，根据国内的最新的资料，以及对相邻或相近的矿井进行参考，设立井上固定式井田面积比较大，回风井筒较少，而且随着开采的进行，设计地面固定式、移动式从经济、技术上说并不合理，设计推荐井下移动式膜

分离制氮设备。

⑴ 注氮防灭火方法的选择

① 本矿井机械化程度比较高，采用长壁式的采煤方式，巷道布置简单，年推进度为1200m ，有较大的防火安全性。虽然矿井的煤层自燃发火期为2～3个月，但是2个月工作面的推进度平均为200m ，相对于采空区0～100m 的危险区来说，防灭火的安全系数很高，因此，本设计不考虑在回采过程中对工作面采空区采用间歇式注氮。

② 由于工作面采用长壁式采煤方法，工作面走向长度为180m ，工作面搬家时需要时间比较多，有可能在此期间引起采空区内煤炭度过潜伏期（低温氧化阶段），从而引起煤炭的自燃，因此，在工作面搬家期间，有必要对可能发生的自燃进行预防性的注氮。

③ 随着矿井开采的推进，巷道的距离不断加长，若采用

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。

一、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。

二、 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：

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。因而国内的研究表明，将氧气的临界含量控制在5%以下时几乎能防止任何爆炸，否则爆炸还有可能发生。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、 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。

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，对采空区来说都有显的降温作用。

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。

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。

三、 优缺点

国内外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。

四、 制氮设备

我国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。

为满足煤矿选择氮气源设备的需要，煤炭科学研究总院重庆分院与温州瑞气空分设备有限公司合作，共同研制开发出KGZD 系列（氮气纯度为98%，产气量为200—2000m 3/h）矿用地面固定式制氮设备、KYZD 系列（氮气纯度为98%，产气量为200—1200m 3/h）矿用地面移动式制氮设备和JXZD 系列（氮气纯度为98%，产气量为200—800m 3/h）矿用井下移动式制氮设备。 从1998年至今，已有淮南局，淮北局，临沂局，靖远局，华亭局，华管会，国投新集等局矿先后选用了瑞气公司生产的变压吸附制氮设备，为保障煤矿的安全生产发挥了重要作用。

五、 应用实例及效果

“八五”以来，综采放顶煤开采技术在我国条件适宜的矿井得到广范应用，因此，氮气防灭火技术成为该采煤方法的主要防灭火措施。目前已有50余个

局矿建立了氮气防灭火系统，而变压吸附制氮设备已在近30余个局矿中应用，为煤矿安全生产发挥了重要作用。

煤矿注氮防灭火抑爆的应用实例较多，现只举三例。

1、 1991年10月，某矿放顶煤工作面采空区发生自燃发火，封闭工作面后采用黄泥灌浆灭火1个月无明显效果，采用氮气灭火后，使火区CO 含量降为0，O2含量降为1.5%,气体温度降到18℃，当即打开密闭恢复生产。氮气灭火的效果可以通过两次灭火对比得出：第以次采用掘消火道打钻灌黄泥浆灭火1个月，火区达开后又复燃，第二次氮气灭火11d ，火区打开后再也没有复燃。

2、 1993年6月，某矿19110综采工作面撤架刚结束时，已撤支架的运输顺槽发生自燃，立即对采空区用板闭封闭后实施注氮，当时通过埋设的束管测得火源点附近的2#测点CH4和O2的含量分别为7%和14%，正处于瓦斯爆炸界限之内，而此处的CO 含量正以300ppm/d的速度上升，瓦斯随时都有可能发生爆炸，在注氮气4h 后，将此处的O2含量降到10%，抑制了火区的瓦斯爆炸，注氮10d 后，彻底扑灭了火区。

1989年2月20日，某矿3402工作面的掘进巷内发生瓦斯连续爆炸，次日派人前去处理和排放瓦斯，在恢复通风时又发生了爆炸，当场死亡2人伤9人，另3名救护队员在灾区内遇难。因火灾高温、烟雾和还有继续爆炸的危险，未能及时将遇难者抢救出来。救灾会议拟定了11个方案，试行了6个均未获成功，已时隔8d 遇难者还是无法撤出来。于是决定采用液氮灭火技术处理，6小时共注氮2900m3, 约为火区体积的3倍，火势被迅速扑灭，

同时又消除了瓦斯爆炸危险，于是救护队员进入灾区抬出了遇难者。然后清理巷道，仅有几天时间就恢复了生产，更重要的是撤出了遇难者。