煤礦液氮防滅火技術及發展趨勢研究

黃永軍

（內蒙古珠江投資有限公司青春塔煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 010308）

煤礦資源作為一種重要的能源資源，其在經濟社會發展中發揮著不可替代的作用，但是，煤礦開采常常面臨著復雜的開采條件，嚴重影響了煤礦的安全生產。在煤礦開采中，火災事故頻發，傳統的防滅火技術主要是通過灌漿、凝膠與泡沫等手段，雖然可以起到一定的防滅火作用，但是存在技術的局限性，比如火區環境的污染、防火范圍的有限性等。而液氮防滅火技術是當前煤礦生產中應用極為廣泛的技術，其具有安全性與可靠性、操作簡單等優勢，可以取得理想的防滅火效果。

1 煤礦中液氮防滅火技術應用的現實意義

近年來，經濟社會的快速發展，使得生產生活中對于煤炭資源的需求逐年增加，各個煤礦企業逐步加大了煤礦開采的力度與強度。但是，煤礦開采過程中，火災事故頻發，成為阻礙煤礦企業長期發展的重要因素。隨著煤礦開采深度的加大，煤礦開采所面臨的環境越發具有復雜性與多變性，火災控制、防滅火越發具有一定的難度與技術性要求。在一些煤礦企業，逐步應用了液氮防滅火技術，此種技術在煤礦防滅火中的應用能夠實現良好的防滅火效果，有效維持了煤礦企業正常的開采活動，有利于煤礦的安全生產，推動了整個煤礦行業的可持續發展。

2 煤礦液氮防滅火技術

2.1 液氮防滅火技術應用的原則

在煤礦開采過程中，液氮防滅火技術需要遵循以下原則：如果火區與礦井口的距離相對較近，此時，在液氮的輸送過程中，往往要采用管路輸送的方式，但是在輸送過程中要保障管路具有良好的抗低溫能力；如果火區與礦井口的距離相對較遠，在輸送過程中采用礦車型小貯罐運輸的方式；如果火源與地表的埋藏相對較淺，直接在地表打鉆孔來保障液氮的注入即可。

2.2 制取氮氣

在煤礦開采過程中應用液氮防滅火技術時，其最為關鍵的是氮氣的制取，礦井開采建設過程中所用到的氮氣，其最為直接的獲取途徑是空氣中氣體成分分離以后所獲得的，因此，為保障良好的防滅火效果，煤礦企業需要根據自身的實際情況，選擇最為合適的制氮設備。當前，制氮設備主要包含了地面固定式、地面移動式、井下移動式等。但是，變壓吸附與膜分離制氮設備是當前應用最為廣泛的設備，在未來將具有廣闊的市場前景。

3 液氮防滅火技術的類型

在煤礦開采過程中，由于不同的礦井環境存在著灌注環境等的差異，其液氮防滅火技術主要包含了三種。

3.1 開放式灌注液氮

開放式灌注液氮在應用的過程中，主要在向采空區灌注液氮時遵循從工作面后方灌注的方式。應用此種灌注方式，能夠實現對采空區氧氣濃度的科學控制，使得采空區域內的氧氣濃度可以處于10%的安全范圍以內。此外，在應用此種灌注方式時，由于會出現部分的回流液氮，所以有關人員還需要盡量實現對工作面氧氣濃度的控制，避免回流液氮對其造成的不利影響。因此，氧氣濃度的控制是開放式液氮灌注的關鍵技術要點。

3.2 封閉式灌注液氮

封閉式灌注液氮主要是在封閉區域內進行的，該種灌注方式在當前的煤礦防滅火中應用極為廣泛，可以取得良好的防火、滅火效果。與開放式相比，封閉式灌注中所消耗的液氮量更小。在應用封閉式灌注液氮時，其液氮運輸多以貯液槽車為主，當液氮運輸至火區周圍時，利用管路來實現注氮管與槽車良好的連接，為保證其連接效果，一般在連接中所使用的管路材料為金屬軟管，并要保障其管路長度超過50m。當連接結束以后，打開閘閥，在槽車耐壓力順風向的作用下，可以直接將液氮注入火區，進而能夠起到良好的防火與滅火效果。通常情況下，灌注液氮的過程中，也可以利用均壓氣室等措施，能夠實現更為理想的防滅火效果。

3.3 目標式灌注液氮

目標式灌注液氮的方式主要是將液氮直接注入火源點附近，這種注入方式在一定程度上是一種源頭上的防滅火措施，能夠科學進行火源點氧氣含量、溫度等的控制。

在液氮防滅火技術下，液氮灌注形態有時也存在著一定的差異性，根據這種差異，液氮防滅火技術主要包含了直注式與汽化式兩種。前者是指在火區直接進行液氮的注入，當將一定量的液氮注入火區以后，其本身會使得火區出現在蒸發吸熱的現象，進而對火區起到了良好的降溫、冷卻作用，具有明顯的防滅火效果。而后者主要是在液氮注入火區之前，首先將液氮加以必要的汽化處理，使之成為低溫氮氣以后再將其注入火區，與直注式相比，其降溫效果并不明顯，但是由于其氮氣的輸送主要是由管路來完成的，其操作相對簡單。

此外，在液氮防滅火技術下，可控溫式液氮防滅火技術的應用也較為普遍。在煤礦開采過程中，礦井中存在的各種管路，比如灌漿管路、瓦斯抽采管路、防塵管路等，這些管路都與工作面直接相連接，這就使得在液氮防滅火技術下，可以直接應用這些已有的管路來實現液氮的輸送與灌注等。但是，由于在灌注過程中，必須保證其灌注作業的連續性，因此為實現良好的防滅火效果，對于管路性能、質量等有著極高的要求。如果這些管路為普通管路，其在液氮的輸送過程中易出現冷縮、冷裂等，進而使得工作面支架也會受其應用，出現凍壞等現象。而如果液氮溫度可以與常態氮氣的溫度保持一致，液氮防滅火技術應用的效果就會大大降低，而可控溫式液氮防滅火可以在技術應用中實現液氮溫度的控制，有效保障了防滅火工作的順利開展。

4 煤礦液氮防滅火技術要點

4.1 注氮工藝參數選擇

在煤礦防滅火技術下，其一般多采用埋管操作方式，這種方式能夠達到理想的防滅火效果。具體的實施過程中，要將注氮管埋設于井下巷道。而由于注氮的對象主要是火區與采空區，經由鉆孔方式，可以充分發揮注氮管的作用，保障注氮工作的順利實施。比如，以采空區的注氮管路埋設為例，其在管道的埋設過程中，在間隔一定的距離內，還需要做好釋放口的預設，各個釋放口的位置需要在煤層底板的一定距離內，這種釋放口的預設使得煤礦底板的石塊、木垛等可以為對注氮管的順利運行等起到一定的保護作用，有效降低了孔口堵塞等問題的出現。在煤礦火區內的防滅火工作中，需要將其中的氧氣質量分數控制在10%以內，以避免火區內爆炸事故的發生，將火區氣體氧質量分數控制在1%～2%，從而實現良好的防滅火目標。

4.2 安全技術措施

在煤礦液氮防滅火技術的應用中，由于防滅火工作本身具有一定的危險性，因此，必須在防滅火過程中做好相應的安全技術處理，主要從以下方面來實施：（1）預防措施。在煤礦工作面，必須預防采空區著火現象的發生，有關工作人員要根據煤礦開采的實際情況，及時制定預測預報措施，比如，在工作面回風平巷內設置一氧化碳傳感器，該傳感器的存在可以實時監測采煤工作面、回風流等的一氧化碳氣體濃度，進而實現良好的監測預防控制。（2）應急措施。在煤礦工作面的回采過程中，有關人員要及時加強對采空區域內發火等的監測，如果在監測過程中發現一氧化碳的濃度超過了安全的范圍，就需要立即組織人員撤退，切斷有關的電源設備等，并及時應用液氮防滅火技術實現防滅火，如果在該技術的應用中，火勢依舊得不到有效的控制，此時需要及時封閉工作面加以注氮。（3）堵漏措施。注氮技術實施之前，為保障技術應用效果，有關人員需要及時做好堵漏處理，在工作面上下隅角砌筑隔離墻等位置，做好堵漏處理，避免漏風等對造成的不利影響。

5 煤礦液氮防滅火技術發展趨勢

5.1 加強應用基礎研究

近年來，隨著煤礦開采工作的順利進行，液氮防滅火技術在很多煤礦得到了普遍的應用，但是，其技術發展還不成熟，基礎理論有限，因此，在未來液氮防滅火技術的發展中，需要逐步加強基礎理論的研究，用基礎理論來指導與推動技術的應用，比如，做好液氮降溫防火滅火基礎規律、液氮在采空區傳熱傳質機理、液氮汽化擴散規律等的分析與研究，使得在液氮防滅火技術下，這些基礎理論可以為技術的實際應用起到重要的指導作用。

5.2 不斷突破關鍵技術

在煤礦開采工程中，液氮防滅火技術的應用需要有關人員要保證技術應用的針對性，使得該技術在特定的狀態下能夠發揮其最好的防滅火作用。未來，液氮防滅火技術需要逐步突破關鍵技術，比如液氮可控溫汽化技術難題，逐步建立液氮立體化隔離帶，加強有關設備的研究與投入，使得相關設備更符合技術應用的實際需求，進而達到理想的防滅火處理效果。

5.3 實現礦井液氮防滅火系統的安全高效運行

液氮防滅火技術在應用于煤礦火災處理的過程中時，由于液氮在特定的狀態下會逐步氣化，在氣化狀態下時，液氮會處于爆發沸騰的狀態下，甚至有時會對人體產生一定的危害，因此，各個煤礦企業需要逐步構建礦井液氮防滅火系統，提高系統的安全性。

6 結束語

近年來，液氮防滅火技術是煤礦火災事故預防與處理中應用最為廣泛的一種技術，其本身具有一定的技術優勢，在實際的應用中，要結合煤礦開采的實際情況，使得其能夠在火區取得理想的應用效果。但是，液氮防滅火技術的發展尚不成熟，未來還具有廣闊的發展與應用前景。