煤矿液氮防灭火技术及发展趋势研究

2020-03-11黄永军

工程技术研究 2020年6期

黄永军

（内蒙古珠江投资有限公司青春塔煤矿，内蒙古鄂尔多斯 010308）

煤矿资源作为一种重要的能源资源，其在经济社会发展中发挥着不可替代的作用，但是，煤矿开采常常面临着复杂的开采条件，严重影响了煤矿的安全生产。在煤矿开采中，火灾事故频发，传统的防灭火技术主要是通过灌浆、凝胶与泡沫等手段，虽然可以起到一定的防灭火作用，但是存在技术的局限性，比如火区环境的污染、防火范围的有限性等。而液氮防灭火技术是当前煤矿生产中应用极为广泛的技术，其具有安全性与可靠性、操作简单等优势，可以取得理想的防灭火效果。

1 煤矿中液氮防灭火技术应用的现实意义

近年来，经济社会的快速发展，使得生产生活中对于煤炭资源的需求逐年增加，各个煤矿企业逐步加大了煤矿开采的力度与强度。但是，煤矿开采过程中，火灾事故频发，成为阻碍煤矿企业长期发展的重要因素。随着煤矿开采深度的加大，煤矿开采所面临的环境越发具有复杂性与多变性，火灾控制、防灭火越发具有一定的难度与技术性要求。在一些煤矿企业，逐步应用了液氮防灭火技术，此种技术在煤矿防灭火中的应用能够实现良好的防灭火效果，有效维持了煤矿企业正常的开采活动，有利于煤矿的安全生产，推动了整个煤矿行业的可持续发展。

2 煤矿液氮防灭火技术

2.1 液氮防灭火技术应用的原则

在煤矿开采过程中，液氮防灭火技术需要遵循以下原则：如果火区与矿井口的距离相对较近，此时，在液氮的输送过程中，往往要采用管路输送的方式，但是在输送过程中要保障管路具有良好的抗低温能力；如果火区与矿井口的距离相对较远，在输送过程中采用矿车型小贮罐运输的方式；如果火源与地表的埋藏相对较浅，直接在地表打钻孔来保障液氮的注入即可。

2.2 制取氮气

在煤矿开采过程中应用液氮防灭火技术时，其最为关键的是氮气的制取，矿井开采建设过程中所用到的氮气，其最为直接的获取途径是空气中气体成分分离以后所获得的，因此，为保障良好的防灭火效果，煤矿企业需要根据自身的实际情况，选择最为合适的制氮设备。当前，制氮设备主要包含了地面固定式、地面移动式、井下移动式等。但是，变压吸附与膜分离制氮设备是当前应用最为广泛的设备，在未来将具有广阔的市场前景。

3 液氮防灭火技术的类型

在煤矿开采过程中，由于不同的矿井环境存在着灌注环境等的差异，其液氮防灭火技术主要包含了三种。

3.1 开放式灌注液氮

开放式灌注液氮在应用的过程中，主要在向采空区灌注液氮时遵循从工作面后方灌注的方式。应用此种灌注方式，能够实现对采空区氧气浓度的科学控制，使得采空区域内的氧气浓度可以处于10%的安全范围以内。此外，在应用此种灌注方式时，由于会出现部分的回流液氮，所以有关人员还需要尽量实现对工作面氧气浓度的控制，避免回流液氮对其造成的不利影响。因此，氧气浓度的控制是开放式液氮灌注的关键技术要点。

3.2 封闭式灌注液氮

封闭式灌注液氮主要是在封闭区域内进行的，该种灌注方式在当前的煤矿防灭火中应用极为广泛，可以取得良好的防火、灭火效果。与开放式相比，封闭式灌注中所消耗的液氮量更小。在应用封闭式灌注液氮时，其液氮运输多以贮液槽车为主，当液氮运输至火区周围时，利用管路来实现注氮管与槽车良好的连接，为保证其连接效果，一般在连接中所使用的管路材料为金属软管，并要保障其管路长度超过50m。当连接结束以后，打开闸阀，在槽车耐压力顺风向的作用下，可以直接将液氮注入火区，进而能够起到良好的防火与灭火效果。通常情况下，灌注液氮的过程中，也可以利用均压气室等措施，能够实现更为理想的防灭火效果。

3.3 目标式灌注液氮

目标式灌注液氮的方式主要是将液氮直接注入火源点附近，这种注入方式在一定程度上是一种源头上的防灭火措施，能够科学进行火源点氧气含量、温度等的控制。

在液氮防灭火技术下，液氮灌注形态有时也存在着一定的差异性，根据这种差异，液氮防灭火技术主要包含了直注式与汽化式两种。前者是指在火区直接进行液氮的注入，当将一定量的液氮注入火区以后，其本身会使得火区出现在蒸发吸热的现象，进而对火区起到了良好的降温、冷却作用，具有明显的防灭火效果。而后者主要是在液氮注入火区之前，首先将液氮加以必要的汽化处理，使之成为低温氮气以后再将其注入火区，与直注式相比，其降温效果并不明显，但是由于其氮气的输送主要是由管路来完成的，其操作相对简单。

此外，在液氮防灭火技术下，可控温式液氮防灭火技术的应用也较为普遍。在煤矿开采过程中，矿井中存在的各种管路，比如灌浆管路、瓦斯抽采管路、防尘管路等，这些管路都与工作面直接相连接，这就使得在液氮防灭火技术下，可以直接应用这些已有的管路来实现液氮的输送与灌注等。但是，由于在灌注过程中，必须保证其灌注作业的连续性，因此为实现良好的防灭火效果，对于管路性能、质量等有着极高的要求。如果这些管路为普通管路，其在液氮的输送过程中易出现冷缩、冷裂等，进而使得工作面支架也会受其应用，出现冻坏等现象。而如果液氮温度可以与常态氮气的温度保持一致，液氮防灭火技术应用的效果就会大大降低，而可控温式液氮防灭火可以在技术应用中实现液氮温度的控制，有效保障了防灭火工作的顺利开展。

4 煤矿液氮防灭火技术要点

4.1 注氮工艺参数选择

在煤矿防灭火技术下，其一般多采用埋管操作方式，这种方式能够达到理想的防灭火效果。具体的实施过程中，要将注氮管埋设于井下巷道。而由于注氮的对象主要是火区与采空区，经由钻孔方式，可以充分发挥注氮管的作用，保障注氮工作的顺利实施。比如，以采空区的注氮管路埋设为例，其在管道的埋设过程中，在间隔一定的距离内，还需要做好释放口的预设，各个释放口的位置需要在煤层底板的一定距离内，这种释放口的预设使得煤矿底板的石块、木垛等可以为对注氮管的顺利运行等起到一定的保护作用，有效降低了孔口堵塞等问题的出现。在煤矿火区内的防灭火工作中，需要将其中的氧气质量分数控制在10%以内，以避免火区内爆炸事故的发生，将火区气体氧质量分数控制在1%～2%，从而实现良好的防灭火目标。

4.2 安全技术措施

在煤矿液氮防灭火技术的应用中，由于防灭火工作本身具有一定的危险性，因此，必须在防灭火过程中做好相应的安全技术处理，主要从以下方面来实施：（1）预防措施。在煤矿工作面，必须预防采空区着火现象的发生，有关工作人员要根据煤矿开采的实际情况，及时制定预测预报措施，比如，在工作面回风平巷内设置一氧化碳传感器，该传感器的存在可以实时监测采煤工作面、回风流等的一氧化碳气体浓度，进而实现良好的监测预防控制。（2）应急措施。在煤矿工作面的回采过程中，有关人员要及时加强对采空区域内发火等的监测，如果在监测过程中发现一氧化碳的浓度超过了安全的范围，就需要立即组织人员撤退，切断有关的电源设备等，并及时应用液氮防灭火技术实现防灭火，如果在该技术的应用中，火势依旧得不到有效的控制，此时需要及时封闭工作面加以注氮。（3）堵漏措施。注氮技术实施之前，为保障技术应用效果，有关人员需要及时做好堵漏处理，在工作面上下隅角砌筑隔离墙等位置，做好堵漏处理，避免漏风等对造成的不利影响。

5 煤矿液氮防灭火技术发展趋势

5.1 加强应用基础研究

近年来，随着煤矿开采工作的顺利进行，液氮防灭火技术在很多煤矿得到了普遍的应用，但是，其技术发展还不成熟，基础理论有限，因此，在未来液氮防灭火技术的发展中，需要逐步加强基础理论的研究，用基础理论来指导与推动技术的应用，比如，做好液氮降温防火灭火基础规律、液氮在采空区传热传质机理、液氮汽化扩散规律等的分析与研究，使得在液氮防灭火技术下，这些基础理论可以为技术的实际应用起到重要的指导作用。

5.2 不断突破关键技术

在煤矿开采工程中，液氮防灭火技术的应用需要有关人员要保证技术应用的针对性，使得该技术在特定的状态下能够发挥其最好的防灭火作用。未来，液氮防灭火技术需要逐步突破关键技术，比如液氮可控温汽化技术难题，逐步建立液氮立体化隔离带，加强有关设备的研究与投入，使得相关设备更符合技术应用的实际需求，进而达到理想的防灭火处理效果。