注氮对封闭火区燃烧状态及爆炸影响分析研究

王 南

(山西潞安矿业(集团)有限责任公司通风处，山西 长治 046200)

引 言

矿井火灾会产生大量有毒有害气体并造成高温烟流，诱发瓦斯、煤尘爆炸等事故[1-3]。注惰灭火是向火区注入N2、CO2或湿式惰气，以降低火区的氧浓度，使火区缺氧窒息的一种灭火方法。注惰用于扑灭矿井的外因火灾，其机理是减少火区中氧气和可燃气体的相对浓度，另外液态氮气能够冷却炽热烟流和着火带，从而减小火势，扑灭火灾。

邱雁等[4]以化学流体动力学为基本理论基础，对火区注惰过程进行模拟，建立了注惰气体流动的数学模型，得到模拟相关计算方法；段玉龙、周心权等[5-6]对封闭火区注惰抑制矿井火区内瓦斯气体的分布规律进行研究，在巷道中进行不同流量惰气注入的试验，并建立数学模型，对不同注入速度进行了模拟，研究发现，注惰速度大小对火区瓦斯分布有很大的影响，注惰速度不当会引起瓦斯爆炸。

2017年11月15日潞安某矿综采工作面支架后方瓦斯燃烧，引发火灾，发火后，在直接灭火失败后进行火区封闭，11月20日从地面钻孔开始往火区注入液态氮气，并以该矿封闭火区实际气体监测数据进行封闭区火情动态分析，从而掌握注氮后封闭火区燃烧状态及爆炸性。

1 封闭火区燃烧状态指标判定

1.1 单一指标气体浓度变化速率判断指标

单一指标气体浓度变化速率判断指标就是依据相应气体浓度变化进行判断的，通过气体浓度变化速率，来判断燃烧状态。该指标主要包括O2、CO2、CH4、CO等气体的浓度变化，实际应用中常以气体浓度为纵轴，以时间为横轴绘制图形进行分析。

通过对绘制好的图形中曲线进行分析，确定每条曲线代表气体的发展趋势和变化速率，气体百分比浓度的变化速率可由下式计算得出。计算式见式(1)。

(1)

式(1)中：X′，X″为选定时间的初始值和终值；γ′，γ″为与选定时间对应的各组分气体浓度的百分比。

对火情进行分析时经常使用火区内气体浓度变化速率。R<0时，气体浓度变化趋势为减少；R>0时，气体浓度变化趋势为增加。

下面介绍分析火区状况的判断准则[6]：

准则1：对于大多数煤矿，当有惰气注入时，若应用判断准则，需以惰气和甲烷的变化速率代替RCH4；

准则2：当封闭火区内RO2≈RN2时，火区内氧气最多有少量吸附的条件下，可以判断火区没有发生燃烧；

准则3：如果火源消除时，则一氧化碳、二氧化碳和氮气R值相等，并且除了甲烷百分比浓度的变化速率增大外，其余所有气体的R值将减少；

准则4：当O2浓度减少并且CO2、CO浓度增加时，如果其R值的绝对值近似，则火情可能会进一步发展；

准则5：当φ(O2)，φ(CO2)和φ(CO)浓度以稳定速率降低或其速率近似为零时，封闭火区内火情变化不大。

1.2 碳的氧化物比率CO/CO2

碳的氧化物比率作为唯一不被风流等外部因素影响的判定指标，不仅在煤自燃预警方面得到应用，在判断火区燃烧状态方面也得到了广泛应用。

2 封闭火区燃烧状态及爆炸性判断

采用密闭取样管取样和钻孔取样两种相结合的方式对封闭火区内气体进行检测，取样时间和地点满足准则要求，并通过气样可靠性分析排除异常数据，根据回风侧实测数据，并通过单一气体指标和复合气体指标变化趋势研究封闭火区燃烧状态。

2.1 气体变化速率的确定

通过式(1)计算气体百分比浓度的变化速率：R<0时，气体浓度变化趋势为减少；R>0时，气体浓度变化趋势为增加。

在封闭后11月29日到12月5日这7 d内：RO2=-0.091 4，RN2=0.001 3，RCO2=-0.008 4，RCO=-0.129 1，RCH4=0.003 3。在整个火区封闭后12月6日到12月13日这8天内：RO2=-0.025 1，RN2=0.004 6，RCO2=-0.045 3，RCO=-0.180 9，RCH4=-0.015 1。

2.2 火区燃烧状态分析

如图1～图4所示，11月20日从地面钻孔开始往火区注入液态氮气，在这16 d内使火区N2浓度连续增加。CH4浓度前期增高后期降低，封闭并注氮后RO2值从-0.091 4变化为-0.025 1，O2浓度降低到以1%以下，说明注氮取得一定的防灭火效果；而火区封闭9 d后RCO2=-0.008 4，RCO=-0.129 1，表明CO、CO2浓度呈现下降趋势，并由图2可知，在火区封闭9 d后CO浓度趋近于820×10-6，未达到规程要求，当火区持续处于燃烧状态时，则有RCO小于RO2成立。在采取注惰措施后，RCO大于RO2，故可以判断火区火源并没有一直保持燃烧，自燃得到了一定抑制，根据判定准则四，一氧化碳、氧气、二氧化碳浓度从火区封闭开始9 d后就一直呈现下降趋势，所以在火区封闭后，火区内火势无恶化趋势，且碳的氧化物比率CO/CO2数值迅速减少，故判断O2(%)<5%(12月3日)，与O2测量结果一致。

图1 封闭火区内O2和N2浓度变化趋势

图2 封闭火区内碳氧化合物浓度变化趋势

图3 封闭火区碳的氧化物比率变化趋势

图4 封闭火区甲烷浓度变化趋势

通过以上对各种气体变化速率以及碳氧化物比率的分析，说明在采取注氮措施后对自燃抑制效果明显。

2.3 爆炸性分析

从第125页图5可以看出，在火区封闭14 d后氧气浓度持续低于9%，低于可爆氧气浓度下限，火区不具备爆炸危险性，注氮措施成功抑制了瓦斯爆炸。

图5 甲烷和氧气浓度随时间变化曲线

3 结论

通过对封闭火区进行火情分析，计算出火区封闭初期CO、CO2、O2、N2、CH4气体浓度变化速率，利用总结的火区状况的判断准则以及碳的氧化物比率CO/CO2进行了分析，采用措施后，CH4浓度前期增高后期降低，CO、CO2气体浓度从火区封闭开始9天后就一直呈现下降趋势，RO2值从-0.091 4变化为-0.025 1，O2浓度降低到1%以下，火区封闭14 d后氧气浓度持续低于9%，低于可爆氧气浓度下限，结果表明注氮措施对自燃和爆炸抑制效果明显。