采空区注氮防灭火技术研究

杨 韬

（华阳新材料科技集团一矿，山西 阳泉 045008）

引言

近年来我国所发生的火灾事故中，因采空区遗煤自燃而发生的灾害事故占很大比例[1-2]。矿井地下采空区可能发生重大火灾主要原因具有以下几个主要特点：一是发生火灾原因来源及其位置难以确定。传统的空气混合灭火喷射处理方法，如采用水和二氧化碳混合空气灭火喷射、灌浆和三相混合空气喷射泡沫等都无法及时灭火，效果不佳。如果采取的防火防护措施不合理，很可能造成波及自然界的重大火灾事故。氮气化学气体指它是一种比普通气体空气密度高、无色无味、无毒、无味并且可用于自燃、无助燃的有机化学气体。氮气自动高速喷射传统矿井氮气灭火器，该喷射技术可以充分利用传统矿井灭火氮气本身的高速喷射自动特性，在大型矿井烟气灭火中非常具有理想的灭火效果。

1 采场自燃发火范围的确定

根据采矿工作面采空区的不同漏风状态，将采风区分为几种不同的区域位置。在距离工作面周围近的采空区里，顶板岩石不仅松散而且形成堆积，形成较大的孔缝，漏风强度也变得极高，浮煤与空气的接触时间相对较短，没有储备热条件，产生自燃这一情况可能性极小，这个区域称为冷却区。在底层远离采空工作区开采空间内的采空区时，落下的漏风岩块逐渐受到压实，漏风量非常小，漏风岩块中的大量氧气离子浓度逐渐降低可达到由于底层浮煤的快速氧化或其他物理物质吸附而变得不足以完全支持浮煤燃烧的最大程度。该反应区域不可能存在空气氧化和水解蓄热反应条件，即使浮煤自燃，也会因缺氧而窒息，岩石的热传导会分散自燃所积累的热量，因此该区域称为窒息区。冷却区和窒息区之间的区域称为自燃区。该区落石逐渐压实，漏风孔隙中等。空气泄漏具有向氧化区供氧的条件。同时，风阻大，气流满足采空区氧化蓄热升温条件。残煤在氧化自燃区氧化生热，结果导致有可能发生自燃的情况出现。

采空区出现自燃情况能够用采空区发生漏风的氧气浓度来进行确定。工作面煤样装入点火燃烧试验装置。向试验装备中注入一定量的氮气，并且改变装备中进气氧气的浓度，直到发生燃烧的火焰完全的没有。测量灭火用煤样的最大氧浓度。对试验方法进行改变，直接向装备内进行供风，进而调整风流量，对不支持燃烧的灭火漏风的风速进行测定。

2 采空区注氮防灭火注氮参数确定

在确定采空区注氮量之前，必须明确防火和注氮的目的。根据工作面生产条件的不同，采空区注氮的目的可分为防火、灭火和抑爆。防火注氮采空区的氧气浓度需要低于工作面煤发生自燃的临界的氧气含量。使用气相色谱法对煤发生自燃的氧气浓度值进行测定。采空区内注入氮惰化进行灭火的氧气浓度不能高于3%%；采空区内注入氮惰化抑制自燃的氧气浓度不应高于13%。

注氮气体设备的主要参数选择包括了：注氮气体的纯度、流量、压力和注氮设备电机启动持续时间。注氮氮气设备的正常运行必须非常稳定可靠，以便于确保现有氮气设备供应的稳定质量和运行连续性。然而氮气的纯度则不能低于97%。

注氮方式的选择：采空区的氮气注入位置应能将氮气注入采空区的氧化区。注氮方式可采用尾巷注氮、拖管注氮等，注氮地点与其有相连的巷道都必须保证有一定的通风量，避免人员出现窒息危险情况的发生。

3 注氮防灭火的相关措施

3.1 对工作面的通风量进行把控

工作面的漏风率随工作面技术条件变化较大，一般为17%～37%。若对工作面上的通风量进行降低，则有助于工作面上漏风量地有效降低。注氮量与工作面上的漏风量在一定程度上呈现正相关。采空区漏风量的大小，对注氮灭火效果起着关键作用。

3.2 选择合适的工作面布置方式

一般在开采极易发生自燃的煤层时，为了采空区不会发生不可控的漏风情况，需在其工作面进行后退式的开采方式。在工作面通风的选择上，W 型通风方式的通风压差相比于U 型通风方式，在一样的通风量条件下小5/8，有助于对采风区的漏风控制。在顶煤的工作面通风上，一般使用一进二回W 型通风的方式，有助于减小采空区漏风压差，对采空区的漏风范围相应减少。

3.3 工作面支架布置方式改良

工作面方向漏风的功率主要取决于沿两个工作面方向的气流阻力和沿工作面漏风流速的漏风压力。在进风工作面板的进口侧、出口侧，气流的流速和风压都可以转化为进风采空区的最大漏风电流功率，其电压值变化不可完全忽略。在涡流回风侧，工作面积、气流速比和压力主要作用在涡流回风出口和巷道上煤壁上，采空区侧将形成涡流回风区。由于气流方向射流的影响和采空区的大孔隙率，不同场景情况的设置对采空区的漏风量的影响都是非常大的。工作面的支持布置是流线型的，没有棱角，工作面的上下顺槽和支架的布置方面都得到了平滑的过渡。工作面上的漏风量主要决定于工作面上风的阻力，采空区的漏风将会得到一个相对大的改良。

3.4 封闭漏风通道实现采空区的均压

在较容易发生自燃的煤层中，采空区上、下隅角的主要漏风通道可通过石墙、充填材料、高水材料、水泡沫幕墙等方式来进行一个封堵，则可使采空区的漏风阻力得到很大程度的增强。充填段所起到的屏蔽作用将采空区的鼓吹作用得到阻止，减少了采空区的漏风作用，进而使采空区得到一个压力平衡的情况。

3.5 采空区防火惰化指标

防止减缓综放采空区残煤自燃的一个关键手段是及时控制减缓综放采空区内的自然氧化，使有机氧含量不得低于自然氧化煤的自燃临界极限值，以利于保证综放采空场地区内自燃残煤的自然氧化自燃状态及时减缓或不发生氧化。根据其对煤的气态氧化和化学自燃效应理论，甲烷、二氧化碳和有机氮气分别是三种惰性有机气体，可以有效抑制其对煤的化学氧化，而根据采空区含氧量可以判断本次注氮注射效果。因此，以下氮氧化物含量主要作为检测惰化性的指标。根据国家有关调查资料，当室内空气中的二氧含量浓度低于7%～10%时，煤在这种氧化条件下不易发生氧化。同时在注射脱氮后采空区的氮氧含量一般不应超过7%。因此，惰化指数通常按7%计算。

4 注氮操作要求

为了有效保证现场注氮利用效果和提高氮气综合利用率，有效准确控制现场点火采空区和采空区的现场瓦斯渗漏指标，必须及时采取各种相应措施有效堵住现场巷道封闭采空区、封闭通道采空区和现场工作区地面封闭采空区的瓦斯渗漏。输氮排气管道内部应设置三通排气阀，保证水泵输送液氮排气管道平直稳定。避免出现浮动燃煤板有埋压褶皱的现象，加强软管的维护管理，避免注氮时漏气。严格检查连接管道内及连接管道两端分岔处的管道阀门，防止随意转动开关管道阀门。在准备进行各种制氮设备工艺操作过程中，技术人员应严格按照制氮工艺规范要求认真负责进行制氮操作。当无线设备出现异常时，应及时检查自动上网报告是否设备存在异常情况。注氮期间，确保室内氮气排放浓度不大于97%。否则，关闭自动卸油排气阀，不要注入氮气。注入氮气处理工作结束后，及时自动停止关闭采空区出口地下管道内的注入含氮空气闸阀，避免管道含氮气体空气直接排出进入采空区，影响下次管道注氮气处理工作效果。

5 注氮注意事项

为避免氮气泄漏，应采取相应措施。例如，在采空区的上下角放置挡风玻璃。

注氮时，应在人工注水含氮排水管道的出入口处预先设置含氮气体含量检测排水孔或注氮阀门。注氮刚工作开始时，关闭整个注氮排气管路上的排气阀门，检查管路是否发生漏气。如及时发现管道漏气，应立即进水处理，保持室内注水液氮排水管道清洁，清除注水管道内任何杂物和管道积水。当排气管道中天然氧气排放浓度小于3%时，可向管道采空区域中注入少量氮气。

6 结语

合理的采空区注氮纯度和注氮量、可靠的注氮连续性和采空区氧气检测技术是注氮灭火的技术关键。采空区注氮氧化技术的一个关键特点是准确的区分所在采空区空气氧化在较高温的地点的氧化范围和空气氧化在采空区的氧化分布区域范围。注氮工艺流程简单，成本低。是一种控制煤气采空区自然烟气发火的有效控制措施，值得广泛推广应用。