浅谈液氮防灭火技术在煤矿安全中的应用
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【摘 要】液氮防灭火技术由于具有抑爆、窒息、降温冷却、安全可靠、操作简单等优点，作为一项先进的防灭火技术已在国外得到了广泛应用。文章介绍了液氮防灭火的原理及两种主要工艺——直接注入液氮技术和将液氮汽化再注入防灭火区进行灭火，并且就如何选择液氮技术工艺做了探讨。
【关键词】液氮；防灭火；煤矿安全；直接注入液氮；液氮汽化
1 前言
目前，就全球范围来讲，煤炭作为能源的支柱产业，其作用仍相当巨大。煤矿井下火灾是煤矿的主要灾害之一，而自然发火率又占矿井火灾的90%以上，严重威胁着矿井的安全生产。随着科技的进步，煤矿防灭火技术工艺也得到了的不断扩展，液氮技术由于具有抑爆、窒息、降温冷却、安全可靠、操作简单等优点，作为一项先进的防灭火技术已在国外得到了广泛应用。目前，液氮防灭火技术由于受到成本、产能、运输等客观条件的制约，在我国煤矿大规模推广应用方面受到了一定限制，但液氮技术作为煤矿预防处理井下大型火灾事故的一项重要技术手段，对于保障我国煤矿安全生产必将起到重要的促进作用。下面就简要介绍一下液氮防灭火技术。
2 液氮防灭火原理
液氮在防灭火方面主要有三个方面的作用，即冷却降温作用、窒息作用和抑爆作用。
2.1 冷却降温作用
直接喷注液氮或低温N2灭火时，液氮气化吸收大量的热，可以使高温煤体以及高温燃烧煤体的温度迅速下降到着火点以下，达到防灭火的目的。
2.2 窒息作用
在封闭区内充入N2排出原有体积内的空气，降低O2含量，致使火源缺氧而窒息。标准压力下，液氮气化至273K时其体积膨胀643倍。N2会充满整个火源空间，使空间内O2的含量急剧下降，甚至使O2的浓度下降到几乎为0，从而达到预防火灾的效果。
2.3 抑爆作用
冲入N2可冲淡可燃气体与O2的含量并形成惰化气，从而使混合气体失去可爆性。
3 液氮防灭火工艺
液氮贮存于固定式低温设备中。当矿井出现火灾时，将其运至井口，再根据矿井及火区的实际生产技术条件，以相应方式送到发火区。
液氮贮备采用固定式与移动式2种设备，其中固定式贮液设备主要用于地面；移动式贮液设备主要有低温汽车型液氮槽车和矿车型液氮槽车，汽车型槽车用于地面贮液和运液，矿车型槽车用于井下贮、运。相关设备技术性能见表1。
表1 液氮贮运设备性能表
另外，液氮的运输也分为向火区注液氮与向火区注气氮2种运输方式。其中，1种是地面、井下均用贮液槽车。从贮液地点至井口用3.5m3或4m3的贮液低温槽车；从井口至火区采用300L的矿用低温液氮小槽。另外1种就是在地面，从贮液地点至井口用3m3或4m3贮液槽车，从井口至火区用专用无缝钢管。后者在地面，用3m3或4m3的贮液低温槽车将液氮送到井口，从井口至火区用直径50～200mm的无缝钢管输送汽化器汽化的气氮。运输过程全部采用槽车时，要在地面井口处换装。为减少换装损失，可采用低温液氮泵，以缩短换装时间。需要强调的是，液氮汽化过程中，从井口通过管路向火区注入气氮，首先必须在井口附近汽化，汽化主要用汽化器。常用的有空气汽化器、热水汽化器以及喷火浴汽化器。
3.1 直接注入液氮技术
该技术工艺主要特点是当井下出现明火且封闭后或采空区出现自燃隐患情况，直接向防灭火区注入液氮，其应用技术条件大致为：（1）若防灭火区接近地表，直接通过地面施打钻孔，向火区注入液氮；（2）采用集中钻孔与巷道内管路连接，将液氮送至火区；（3）在地面换装入矿车型贮槽中，运到火区附近，再接短管路，将液氮注入火区。直接向防灭火区注液氮技术工艺流程示意图如图1。
另外，在灭火注氮时，采用火区全封闭液氮直接注入法。较普遍的是用贮液槽车将液氮运到火区附近。用长度>50m的金属软管或其他管路把密闭墙上预留的注氮管与槽车连接起来，打开闸阀，利用槽车设计的耐压力，顺风向火区注入液氮。为节省氮量，提高灭火效果可与均压气室措施联合使用。向火区注氮，采空区内空间承受充氮增加气体体积的能力，应由火区密闭设置的调压管进行调节。应始终使其内保持正压状态。根据相关经验，密闭墙内外的压差应在30～100Pa以内。
3.2 将液氮汽化再注入防灭火区
该项技术工艺主要流程是在地面先将液氮汽化为气氮，再通过井巷内管路输至火区处进行注入，其示意图如图2。
另外，该项技术也用于预防性注氮，较普遍应用的是汽化管路输送埋管充气法。这种方法是现将地面液氮站的液氮汽化，由管路将N2送入工作面。对于长壁式工作面的采空区，工作面推进距离开切眼25m时，在放顶前，沿进风道在采空区预铺1条管径为100mm，长12m的专用钢管。埋入采空区内5～9m，左右，放顶后即可注氮，且随工作面的推进，用回柱绞车牵引外移。采用联合布置工作面，可利用联络巷的密闭插管，定期向采空区注氮。一般是在靠近工作面进风巷的密闭注入。
4 选择液氮技术工艺的原则
（1）若火区距井口较近，应优先考虑采用管路输送液氮防灭火技术工艺，需要强调的是，用于输送液氮的管路必须是抗低温的专用无缝钢管。
（2）若火区距井口较远，不宜采用管路输送液氮。因为长距离输送液氮，液氮蒸发吸收外部热量而使自身温度下降，应考虑矿车型小贮罐运送液氮。
（3）若火源距地表埋藏较浅，应采用直接在地表施打钻孔注入液氮方式。
（4）若影响井巷的提运时，不能使用管路输送液氮方式。
5 结束语
液氮技术作为煤矿预防处理井下大型火灾事故的一项重要技术手段，对于保障我国煤矿安全生产必将起到重要的促进作用。目前，该技术在我国已经有很多成功应用的例子，例如在神华宁夏煤业公司的羊场湾煤矿、汝箕沟煤矿、金凤煤矿等都已经获得成功。
参考文献：
[1]王德明.矿井火灾学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008.
[2]韦道景.液氮技术应用于矿井防灭火[J].煤炭技术，2002（1）.