氮气在煤矿防灭火中的应用
煤矿氮气防灭火系统如何应用
煤矿氮气防灭火系统如何应用氮气作为一种典型的惰性气体，因其自身的不活跃特性而被广泛应用在井下火灾防治工程中，作用的实质是借助其惰性特质，在注入采空区后，随着自身的扩散，充滞到破碎煤体周边，构成气固相互交叉的混合体，从而降低破碎煤体四周的氧气浓度，降低煤炭的氧化速率。
此外，注入氮气还能够起到良好的热吸附效果，对控制范围内的煤体温度起到降低效果。
1、氮气防灭火方式的选择氮气防灭火方式主要有单纯注氮灭火、以防火为主的连续注氮和有发火征兆的间歇注氮三种。
（1）单纯灭火注氮由于平时不注氮，可节省大量氮气，费用低，但这种方式仅适用于发火次数少的矿井。
（2）连续注氮防火效果可靠性大，适用于火区下采煤和发火特别严重的工作面，但所需氮气量大，注氮成本高。
（3）有发火征兆时，间歇注氮这种方式防、灭兼顾，平时不注氮，当工作面有发火征兆时才开始注氮，采用间歇注氮，既可以保证工作面安全回采，又可以节省大量的费用，设备投资少，注氮成本低，但它要求火灾监测及预报系统必须可靠。
2、氮气防灭火系统的选择目前国内煤矿氮气防灭火系统主要有三种方式：地面集中式、地面移动式和井下移动式。
（1）对于自燃发火频繁，且火灾范围大的矿井，可根据地表与火区的距离远近采取地面固定式制氮装置，管道或者直接从地表打钻输送氮气的工艺系统；（2）对于矿区范围大，火灾频繁，地表与井下工作面距离近的矿井，可采取地面移动式制氮装置，管道输送氮气的工艺系统；（3）对于井田范围大，风井多，井口距离火区较远，且火区多而分散，输氮管路长的矿井，可采取井下移动式制氮装置的工艺系统。
3、灭火注氮量扑灭采空区火灾和巷道火灾所需氮气量的多少，主要取决于发火区域的几何形状、空间大小、漏风量、火源范围和燃烧时间的长短等诸多因素。
（1）扑灭巷道火灾巷道火灾绝大部分是外因火灾，火势发展快，危险性大，易酿成恶性事故，因此必须采取有效措施迅速扑灭。
对于巷道火灾，可按巷道空间量及漏风量计算，根据国内经验，扑灭巷道火灾所需氮气量为巷道空间量的1.33~3倍，用氮气灭火抑爆的实际氮气用量为火区封闭空间的3倍。
氮气及其添加剂在易燃厚煤层防灭火中的应用
氮气及其添加剂在易燃厚煤层防灭火中的应用背景在煤矿采掘过程中，会产生大量的煤尘和瓦斯。
煤尘和瓦斯的积聚易引发煤矿火灾和瓦斯爆炸等事故。
在这些事故中，易燃厚煤层的火灾和爆炸最为危险和严重。
如何有效地防范和控制易燃厚煤层的火灾和爆炸，成为了煤矿安全管理中的重要课题。
氮气及其添加剂是一种比较常见的灭火工具，可以有效地控制煤矿火灾发生和蔓延。
本文将介绍氮气及其添加剂在易燃厚煤层防灭火中的应用。
氮气介绍氮气（N2）是一种无色、无味、无毒、惰性气体，在空气中占比例最大，约为78%。
氮气具有不易燃、不易爆、不支持燃烧等特点，在灭火方面有着广泛的应用。
氮气灭火原理氮气灭火的原理是将氮气注入到火灾区域内，排除火灾区域内的氧气，使火焰失去燃烧条件，从而达到灭火的目的。
在易燃厚煤层的火灾中，火灾发生的原因是煤尘在空气中形成爆炸性混合物，遇到火花或明火即可引发火灾。
氮气在火灾区域内充当惰性气体，降低氧气浓度，从而控制火焰的蔓延和熄灭火灾。
氮气添加剂介绍添加剂可使氮气的灭火效果更加优良。
目前常用的氮气添加剂有二氧化碳、惰性气体、二硫化碳等。
二氧化碳二氧化碳（CO2）是一种常见的氮气添加剂，其在自然界中的含量约为0.04%。
二氧化碳可以增加氮气的灭火效果，使灭火时的环境扰动更小、平衡时间更短、火灾区域内的烟雾更少，有助于灭火人员准确判断和消除火源。
惰性气体惰性气体也是常用的氮气添加剂，比如说氩气（Ar）、氦气（He）、氖气（Ne）等。
这些气体在化学反应中基本不参与，可提高灭火的效率和效果。
惰性气体还可以作为定量气体注入到矿井中，进行风流模拟，为下一步的灭火实验提供条件和参考。
二硫化碳二硫化碳（CS2）是一种常用的氮气添加剂，它可以与氧气反应，生成二氧化硫，使氧气浓度下降。
二硫化碳具有良好的灭火效果，但是在使用过程中需要注意安全，因为二硫化碳有毒、易燃和易爆。
氮气及其添加剂在易燃厚煤层防灭火中的应用氮气及其添加剂在易燃厚煤层防灭火中的应用，主要有两种：一种是在发生火灾之前，采取预防措施，减少煤尘和瓦斯的积聚；另一种是在火灾发生后，采取灭火措施，控制火灾的发展。
氮气在煤矿防灭火中的应用
氮气在煤矿防灭火中的应用煤矿是我国能源工业的基础和重要支柱之一，但在煤矿开采过程中，就会产生大量的瓦斯并形成瓦斯事故，给煤矿安全生产带来隐患和挑战。
煤矿瓦斯事故是由于瓦斯和空气混合物在一定浓度下遇到火源引起爆炸或窒息所致。
传统的防火灭火方法主要采用水、泡沫等削减瓦斯燃烧条件和灭火的措施，但这些方法在应对大面积煤层突出和井下环境恶劣的情况下，效果不稳定，泡沫产生的碳气体会增加爆炸风险，水又会让井下环境变得潮湿，有可能产生二次火灾，因此不得不寻找一种新的防灭火材料，氮气便是这种新型材料之一。
氮气的性质和特点氮气，化学式为N2，是一种无色、无味和非可燃性气体，主要是由空气经过氧化铜结构催化剂或氧气分离获得的。
氮气的主要性质如下：1.稳定性高：氮气有稳定的化学性质，在大气中绝大多数的化学物质和所有的微生物都不能与之反应。
2.不可燃性：氮气不会燃烧，也不会支持燃烧。
当氮气占据空气的一部分时，能够减低空气中火源的燃烧温度，减缓燃烧的速度。
3.密度小：氮气的密度小于空气，可以漂浮在空气之上，且与空气混合均匀，能够有效减缓火灾燃烧的速度。
因此，使用氮气来防火灭火可以减轻火势减缓火势的速度，从而保证安全。
氮气在煤矿防灭火中的应用氮气原理氮气防灭火技术是利用氮气在一定浓度下能够减缓火源燃烧的速度和降低火源的温度，从而达到防止火势蔓延和减小灭火安全距离的效果。
氮气的优点在煤矿中尤为明显，煤层埋深大，煤层厚度大，并且存在井下环境恶劣等特殊条件，使得氮气的防灭火技术在煤矿中具有重要的应用价值。
氮气特点1.节能、环保：氮气不污染环境，对温室效应和臭氧层破坏无害。
2.零消耗：可重复使用，不会消耗氧气和氮气。
氮气防灭火的技术路线具体来说，煤矿氮气防灭火技术路线如下：1.瓦斯抽放工作规范化、机械化和自动化程度高，瓦斯浓度得到有效控制。
2.安装氮气分离机组和氮气储罐，利用原矿空气分离出氮气。
3.将氮气输送到煤矿井下通过消防装置进行分布和供给。
氮气防灭火技术在特厚易燃煤层多分层综放工作面中的应用
氮气 防灭火 的特 点 为 ：
１ ） 氮气 比空气略轻 ， 可 以充满封 闭范围内的所 有空间， 特别有利于综放面采空 区上部和巷道 冒顶
区 的防灭火 。
矿井划分两个水平 ， 其 中 ＋１ ０ ５ ０水平 为上、 下 山开
拓方式 ， ＋ ９ ３ ０水平为大巷开拓方式 。全矿井共划
分十个采区， 其 中一、 二采 区已回采结束 ， 目前 回采
采区三采区， 接续采区为八采区。主扇为 Ｂ Ｄ—Ｉ Ｉ一
８一Ｎ ｏ ２ ８型 轴流 式通 风机 ， 配 ２× ３ １ ５ ｋ Ｗ 电机 ， 并 安
２ ） 通过管道输送 ， 输送方便。
３ ） 灭火过程中不损坏井巷及设 备 ， 使灾后恢复
工 作 简单 。
装 ２台变频调速装置 ， 矿井风量为 ４ １ ０ ０ ｍ ／ ｍ ｉ ｎ 。主 采煤层煤 ６— ２ 层平均厚度 ２ １ ． ９ ｍ， 倾角 ２ ７ 。 ， 煤层裂
出 口压 力 ０ ． ６ Ｍ Ｐ ａ 。
择 了氮气防灭火技术 ， 确定 了合理的注氮方法及参 数， 有效防治了综放面 自然发火。
５ ４
甘
肃
科
技
第２ ９卷
ห้องสมุดไป่ตู้
井下制氮机输氮管路 的敷设路线为 ： 井下制氮 硐室一９ ３ ０大巷 （ ｑ Ａ Ｏ ８ ｍ）一 采 区轨道 上山一工作 面运输顺槽一采空区埋管 （ ８ ９ ｍ ｍ Ｘ ｌ Ｏ ｍ ｍ厚壁地质 管） 。
中图分类号 ： Ｔ Ｄ ８ ２ ３ ． ２ １ ２
１ 概述
华亭煤业集团陈家沟煤矿位于华亭煤 田西部 ， 核定生产能力 １ ． ５ Ｍ Ｔ ／ ａ 。矿井采用斜井 ＋ 立井混合 开拓方式 ， 布置有主 、 副两条斜井和一条 回风立井。
煤矿氮气防灭火技术优缺点分析
煤矿氮气防灭火技术优缺点分析注氮是实现可燃物对氧气的一种隔绝和屏蔽，即消除燃烧三要素中的氧气这一要素。
所有的有火焰的燃烧都会在氧气浓度低于10%~12%时熄灭，低温干馏性的燃烧在氧气浓度低于2%时熄灭。
用惰气防灭火和阻止瓦斯爆炸的过程称为惰化，惰化后的火区因氧气不足而不能燃烧和爆炸。
氮气防灭火技术就是指将氮气送入防灭火区，使该区域内空气惰化，使氧气浓度小于煤自然发火的临界氧浓度，从而防止煤氧化自燃，或使已经形成的火区窒息的防灭火技术。
（1）氮气防灭火技术的优点①工艺简单、操作方便、易于掌握。
②不污染防灭火区域，对封闭区域内的设备损害小，恢复生产快③较好的稀释抑爆作用。
注入氮气可快速、有效稀释防灭火区域的氧气，降低氧气和可燃气体的浓度，可使防灭火区域内达到缺氧状态，并使可燃气体失去爆炸性，从而充分惰化防灭火区域，保证防灭火区域的安全④有效抑制防灭火区域的漏风。
由于氮气均为正压注入，因此，当大量注入到防灭火区域后，使得该区域的气压升高，处于正压状态，从而有效抑制了防灭火区域的漏风。
（2）氮气防灭火技术的缺点事物都有其两面性，氮气防灭火也有一定的局限性，其缺点表现为：①注入防灭火区域的氮气不易在防治区域滞留，不如注浆注砂能“长期”覆盖在可燃物或已燃物的表面上，其隔氧性较差。
②注氮能迅速窒息火灾，但火区完全灭火时间相当长，不能有效地消除高温点，因此，在注惰气灭火的同时，应辅以其他措施灭火，如用水、注浆以及凝胶等方法，以防复燃。
③注氮气防火，氮气有向采面或邻近采空区泄漏的可能性，而当注氮气灭火时，当密闭不严或者存在有漏风通道时，氮气可能通过密闭等漏风通道泄漏。
因此，注氮气防灭火的同时，需相应采取堵漏措施，使氮气泄漏量控制在最低限度内。
④氮气本身无毒，但具有窒息性，浓度较高时对人体有害。
据试验，井下作业场所氧含量下限值为19%，所以氮气泄漏的工作地点氧含量不得低于其下限值。
因此，矿井在应用氮气防灭火技术时，要根据自身情况，因地制宜，采取合理的技术及管理措施，扬长避短，充分发挥其优越性。
井下注氮防灭火安全技术措施
井下注氮防灭火安全技术措施在煤矿、金属矿山以及其它井下行业中，火灾和爆炸是一直存在的风险，对井下人员的生命安全和生产设备的正常运转都会造成巨大的影响。
为了减少井下火灾和爆炸的风险，企业采用了井下注氮防灭火技术，但是在使用中还需要采取相应的安全措施。
注氮防灭火技术原理注氮防灭火是借助于将空气中的氧气含量降低到以下混合物而实现的：•空气氧浓度小于10%时，不能支持燃烧，并且稀薄空气中的热量能被快速传递，从而冷却燃烧源，使其达到灭火效果。
•空气氧浓度小于5%时，几乎不能支持人类的呼吸机能，如果呼吸纯的氮气，将会窒息而死亡。
由于井下矿井存在瓦斯等可燃气体，而由于煤矿采掘过程中煤层变形后瓦斯更容易从煤层中逸出，使得瓦斯爆炸成为矿井中发展缺乏有效防范措施的突出危险因素之一。
因此，注氮灭火技术的应用，对控制并降低井下瓦斯EXP发生的可能性、减少煤矿火灾事故发生等方面具有重要意义。
注氮防灭火技术措施安全通道的建立在进行注氮防灭火技术操作过程中，应当建立统一的救援通道，以便于出现瓦斯爆炸等紧急情况时可以及时撤退，保证人员的生命安全。
推进风向采用注氮调节空气氧含量的同时，要保持矿井推进风向的畅通，及时开启矿井消防水管道泵站等设备，使得井下空气不断流动，消除瓦斯积聚和热点。
设备隔离在注氮操作过程中，对井下的设备也要进行相应的隔离，避免矿井设备因为高浓度氮气的影响产生故障从而出现的危险。
管道安全保证因为注氮操作需要使用管道进行输送，所以矿井管道的安全保证也是至关重要的。
管道的安装最好采用一次性无接头缠绕管道，这样可以避免矿井中瓦斯和火源的可能性。
在管道上设置监测仪器，检查管道是否有泄漏和破坏的可能性，及时提醒并解决相关安全隐患。
安全保护措施为了确保操作人员的安全，对于涉及到注氮操作的人员应当采取以下措施：•人员穿戴专门的防护用品，如增压面罩等，在操作中不能脱离。
•在操作之前要对井下环境进行详细检查，确保环境安全和可靠性。
氮气在煤矿防灭火中的应用.doc
氮气在煤矿防灭火中的应用煤矿防灭火对于惰性气体的定义与化学对惰性气体的定义不尽相同。
在防灭火的工作实践中，惰气是指不参与燃烧反应的单一或混合的窒息性气体，其中可能含有少量的氧气。
最常见的防灭火惰气是燃气、氮气和二氧化碳。
一、氮气的性质众所周知，氮气的原料是空气。
氮气是一种无色无味无毒无腐蚀，不自燃，也不参与燃烧的气体，标准状态下（21℃，101.325kpa），气体密度为0.461kg/cm3,液体密度为80.8kg/m3,氮气在101.325Kpa,-195.8℃时变成无色的液体，在-209.9℃时，变成雾状的固体。
氮气在水中溶解度很小，很难与其它物质发生化学反应，在震动、热和电火花作用下都较稳定。
二、氮气防灭火作用原理注氮防灭火的实质是向采空区氧化带内或火区内注入一定流量的氮气，使其氧含量降到10%或3%以下，达到防火、灭火和抑制瓦斯爆炸的目的，其作用有：1、消除瓦斯爆炸的危险在煤矿当采空区一旦出现火灾，危害最大的是导致其内混合气体的爆炸。
由混合气体爆炸三角形知，混合气体中氧含量低于12%时就有减小爆炸的可能性。
但是，混合气体爆炸的界限不仅取决于这种气体在空气中所占的百分比，还部份地决定于混合气体的温度和气压。
温度和气压的增高使这个界限扩大，反之缩小。
如果混合气体被加热到300℃，氧含量为9%时就能发生爆炸。
因而国内的研究表明，将氧气的临界含量控制在5%以下时几乎能防止任何爆炸，否则爆炸还有可能发生。
而氧气的含量低于10%时混合气体的爆炸有显著的降低。
正是从这一理论出发，向火区注入氮气后使其氧含量降低，而且只要氧含量低于10%时就能大大地减少爆炸的可能性。
2、减少漏风的作用采空区漏风是造成自然发火的主要原因之一。
对于封闭或半封闭的采空区而言，从理论上讲，注入氮气后增加了其注入空间内混合气体的总量，能够减少封闭区内外之间的压力差，从而起到减少封闭区外部向内部漏风的作用。
如果巷道里的密闭墙有裂缝或密闭强有裂缝，当密闭区内为负压时，空气可以通过墙缝或绕过密闭墙而进入密闭区。
煤矿氮气防灭火技术适用范围
煤矿氮气防灭火技术适用范围矿井火灾是煤矿重大灾害之一，一方面矿井火灾对安全生产带来巨大威胁，不仅烧掉大量的煤炭资源、材料和生产设备，而且还影响矿井正常的生产秩序。
同时还产生大量的热能、有毒气体，威胁矿井员工的生命安全。
氮气防灭火技术是煤矿常用的一种防灭火技术。
由于氮气分子结构稳定，在常温常压下很难与其他物质发生化学反应，所以是一种良好的惰性气体。
在封闭空间内，随着氮气浓度的增加，氧气浓度必然下降。
当氧气浓度降到5%~10%时，可有效地抑制煤的自燃氧化的进行，当氧气浓度降到3%以下时，可有效地抑制煤的阴燃和复燃。
采空区注氮防灭火技术，适用于综采放顶煤等采空区垮落高度和空间体积大、采用黄泥灌浆和注阻化剂等常规防灭火技术措施难以奏效，以及因近水平开采或俯采的采空区无法进行注浆、注阻化剂等防灭火工作的情况。
特别是对综采放顶煤和俯采的采空区，由于氮气比空气轻，进入采空区后，可以向上浮动充满整个采空区的裂隙和空隙中，达到良好的防灭火效果。
另外，根据以往的经验，采空区自燃火灾往往发生在顶板或垮落区内较高的位置，采用注浆、注阻化剂等常规的防灭火措施时，这些防灭火材料往往不能到达发火的区域，起不到有效的防灭火作用。
煤矿火灾防治复杂多变，若采用氮气防灭火技术取得的效果不理想，可以尝试使用其它防灭火技术，例如徐州吉安矿业科技有限公司联合中国矿业大学研发的普瑞特防灭火新技术。
普瑞特防灭火新技术集氮气、凝胶、三相泡沫、阻化剂等防灭火技术优点于一体，生成的凝胶以泡沫为载体向火区的中、高位火点堆积扩散，所到之处凝胶均能有效覆盖黏附浮煤裂隙，对火区煤体吸热降温并持久保持煤体湿润冷却，同时有效封堵漏风通道；材料添加剂中含有的阻化剂能长久对煤体阻化，防治煤体氧化升温；泡沫中的水固结在凝胶体内，避免泡沫易溃浆的缺点；泡沫中的氮气缓慢释放，避免了单独注氮时氮气容易散失的缺点，持久保持火区的惰化。
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氮气在煤矿防灭火中的应用
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煤矿防灭火对于惰性气体的定义与化学对惰性气体的定义不尽相同。
在防灭火的工作实践中，惰气是指不参与燃烧反应的单一或混合的窒息性气体，其中可能含有少量的氧气。
最常见的防灭火惰气是燃气、氮气和二氧化碳。
一、氮气的性质
众所周知，氮气的原料是空气。
氮气是一种无色无味无毒无腐蚀，不自燃，也不参与燃烧的气体，标准状态下（21℃，101.325kpa），气体密度为
0.461kg/cm³,液体密度为80.8kg/m³,氮气在
101.325Kpa,-195.8℃时变成无色的液体，在-209.9℃时，变成雾状的固体。
氮气在水中溶解度很小，很难与其它物质发生化学反应，在震动、热和电火花作用下都较稳定。
二、氮气防灭火作用原理
注氮防灭火的实质是向采空区氧化带内或火区内注入一定流量的氮气，使其氧含量降到10%或3%以下，达到防火、灭火和抑制瓦斯爆炸的目的，其作用有：
1、消除瓦斯爆炸的危险
在煤矿当采空区一旦出现火灾，危害最大的是导致其内混合气体的爆炸。
由混合气体爆炸三角形知，混合气体中氧含量低于12%时就有减小爆炸的可能性。
但是，混合气体爆炸的界限不仅取决于这种气体
在空气中所占的百分比，还部份地决定于混合气体的温度和气压。
温度和气压的增高使这个界限扩大，反之缩小。
如果混合气体被加热到300℃，氧含量为9%时就能发生爆炸。
因而国内的研究表明，将氧气的临界含量控制在5%以下时几乎能防止任何爆炸，否则爆炸还有可能发生。
而氧气的含量低于10%时混合气体的爆炸有显著的降低。
正是从这一理论出发，向火区注入氮气后使其氧含量降低，而且只要氧含量低于10%时就能大大地减少爆炸的可能性。
2、减少漏风的作用
采空区漏风是造成自然发火的主要原因之一。
对于封闭或半封闭的采空区而言，从理论上讲，注入氮气后增加了其注入空间内混合气体的总量，能够减少封闭区内外之间的压力差，从而起到减少封闭区外部向内部漏风的作用。
如果巷道里的密闭墙有裂缝或密闭强有裂缝，当密闭区内为负压时，空气可以通过墙缝或绕过密闭墙而进入密闭区。
为了防止密闭漏风，可向密闭前后墙之间的空间连续不断地注入必要流量的氮气，使该空间形成正压，阻止新鲜空气进入密闭区内。
3、降温作用
对于有内因火灾的采空区来说，其温度大于外界温度。
当采用氮气灭火时，无论是采用液氮，还是氮气，其氮气的温度均低于火区的气体温度，加之氮气在注入火区后的流动范围大，对采空区来说都有显的降温作用。
4、防止煤的自燃发热和自燃
煤炭自燃的三要素是：煤有自燃倾向性；有连续的供氧条件；热量易于积聚。
煤矿生产工作面采空区氧化带内的漏入风量不足以带走煤氧化产生的热量，
则煤温就逐渐升高，这时煤处于自燃发热。
当温度达到煤的临界温度以上，氧化急聚加快，大量产生热量，又使煤温迅速升高，达到煤的着火温度时便着火燃烧起来，即进入自燃状态。
基于此煤氧复合学说，采取向工作面采空区氧化带内注入一定流量的氮气，降低该带内的氧气含量，达到破坏煤炭自燃的一个要素，使其氧含量降到煤自燃临界值以下，就达到了防止煤自燃的目的。
5、降低燃烧强度
无论是外因火灾，还是内因火灾，当火灾已经发生，向火区内注入一定流量（大于漏风量）的氮气，使该区内的氧含量由21%逐渐降低到10%以下，熊熊大火就逐渐处于自熄。
三、优缺点
国内外煤矿应用氮气防灭火的实践表明：氮气具有灭火速度快，既能防火，也能灭火，还能抑制瓦斯爆炸，无污染环境和机电设备等优点。
其缺点是氮气的密度比空气轻，容易流失。
因此，在注氮的同时，必须采用堵漏措施相配合，才能取得满意的效果。
四、制氮设备
我国煤矿防灭火目前所选用的制氮设备有：地面固定式深冷制氮气设备；矿用地面固定式、地面移动式和井下移动式变压吸附制氮设备，以及矿用地面固定式、地面移动式和井下移动式膜分离制氮设备。
按空分原理可分为深冷式、变压吸附式和膜分离式。
近几年来，尤以变压吸附和膜分离制氮设备在煤矿现场应用得最多。
为满足煤矿选择氮气源设备的需要，煤炭科学研
究总院重庆分院与温州瑞气空分设备有限公司合作，共同研制开发出KGZD系列（氮气纯度为98%，产气量为200—2000m3/h）矿用地面固定式制氮设备、KYZD系列（氮气纯度为98%，产气量为200—1200m³/h）矿用地面移动式制氮设备和JXZD系列（氮气纯度为98%，产气量为200—800m³/h）矿用井下移动式制氮设备。
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