高效注氮防灭火技术的研究与应用

刘志强

(开滦(集团)蔚州矿业有限责任公司 生产技术部，河北 蔚县 075713)

高效注氮防灭火技术的研究与应用

刘志强

(开滦(集团)蔚州矿业有限责任公司 生产技术部，河北 蔚县 075713)

根据注氮防灭火技术存在的不足，结合阻化细水雾防灭火技术的特点，开展了高效注氮防灭火技术的研究，构建了高效注氮防灭火系统，确立了工艺流程及技术指标。将研究成果运用于蔚州崔家寨矿和单侯矿，对矿区的安全生产、自燃火灾的防治以及防灭火工作具有积极的指导作用，也为其他矿区防灭火工作提供参考。

高效注氮；防灭火技术；研究

TechnologyofHigh-efficiencyNitrogen-injectionFirePreventionandExtinguishmentandItsApplication

20世纪50—80年代，国内外已开始广泛研究并使用氮气进行矿井防灭火[1]。由于注入到防灭火区域的常规氮气不易滞留[2]，不能“长期”覆盖在可燃物或已燃物的表面上，其隔氧性较差；注氮虽然能迅速窒息火灾，但其降温能力弱，火区完全熄灭时间较长[3]，不能有效地消除高温点。

针对蔚州矿区高含水煤层易疏水引起煤自然发火及常规氮气防灭火和常规阻化细水雾防灭火技术的缺点，提出高效注氮防灭火技术并开展研究。高效注氮防灭火技术是指通过雾化装置将低温阻化液雾化成细微液滴，混合至氮气风流中送入防灭火区域进行火灾防治。该技术可直接利用矿井现有的氮气管路、输水管路，占据空间小，操作简单，能连续工作，并具有降温、惰化、阻化、雾化多重作用，突破了常规氮气易随风逸散、降温效果有限、灭火周期长的技术瓶颈，具有广泛的实用性。

1 高效注氮防灭火特性

1.1 高效注氮防灭火基础特性模拟试验

1.1.1 试验系统及原理

(1)试验系统 制冷箱体内的液体通过软管连接自吸式水泵，水泵通过软管连接有液体流量计，流量计出口为φ15mm铁管并与雾化喷头液体入口连接，铁管上安装有液体压力表。同时，氮气瓶通过软管连接气体流量计，气体流量计通过另一路铁管连接雾化喷头气体入口，铁管上安装有气体流量计。雾化喷头伸入并密封在注氮管内。试验系统示意如图1所示。

图1 试验平台平面示意

(2)试验原理 把降温至-10～-5℃的MgCl2溶液由自吸泵抽到阻化液管中，经流量计、压力表与另一管道中的氮气分别通入雾化喷头的液体入口和气体入口，液体压力和气体压力分别由调压阀控制， MgCl2溶液与氮气在雾化喷头内迅速混合、膨胀、破碎，形成粒径10～1000μm的液滴，并沿注氮管喷射出。试验主要是研究高效注氮所形成的雾化氮气中液滴粒径等基础特性。

1.1.2 测定参数

经过多次试验分析得出了氮气雾化所用阻化液的最佳温度范围为-10～-5℃；根据试验所使用的雾化喷头，测定其最佳雾化压力为气体0.30MPa、液体0.30MPa，并且此时具有较好的液滴均匀度(DR=0.963)和适宜的液滴数量中径和体积中径(NMD=177.8μm，VMD=184.6μm)；与环境温差40℃条件下，低温阻化液滴的生存时间是常温清水液滴生存时间的1.53倍，低温阻化液可以有效地延长水分在作用区域的保留时间。

2 高效注氮防灭火系统及工艺

2.1系统设计

2.1.1 系统组成分析

高效注氮系统能够实现氮气雾化、煤体阻化、火区惰化、高温点降温，并能将雾化氮气长距离输送至火区深部，雾化氮气所含的阻化液液滴能够随风流在多孔介质内传热传质，其中雾化系统和制冷系统是主要组成部分，决定了高效注氮系统的火区惰化、降温效果，同时压力流量的控制决定了氮气雾化效果。

2.1.2 系统部件的设计

(1)氮气雾化系统 根据空气雾化的原理及雾化氮气进入注氮管时的射流特性设计了高效注氮雾化喷头，可实现阻化液与氮气有效雾化和雾化氮气的高效输送。高效注氮雾化喷头如图2所示。

1—雾化喷头；2—阻化液管；3—氮气管；4—雾化喷嘴气体入口；5—雾化喷嘴液体入口；6—液体通道；7—气体通道；8—导气孔；9—注氮管；10—喷水孔；11—喷雾口；12—空气帽；13—螺纹；14—螺帽；15—喷气孔图2 高效注氮雾化喷头

(2)制冷系统 高效注氮用水量0.5m3/h，最低温度需达到-10～-5℃，制冷系统所需的制冷能力为22kW。制冷机内安设0.12～0.2m3以上的制冷箱，制冷箱内铺设一系列换热铜管及板式换热器，供阻化液管及氮气管连接以降低阻化液及氮气温度。

(3)流量压力控制系统 使用气体流量计监测氮气流量，使用气体调压阀调节氮气压力；使用液体流量计监测阻化液流量，使用液体调压阀调节阻化液的压力。

(4)管路 根据氮气和阻化液所需的流量，应配制φ75～100mm的氮气管和φ20～25mm的阻化液管，并在阻化液管上安装过滤网，同时因阻化液对管路具有腐蚀作用，在氮气管和阻化液管之间安装有三通阀门，在高效注氮实施后可利用氮气冲洗管道内残余阻化液，防止腐蚀管道及雾化喷头等设备。

2.2 高效注氮防灭火工艺

高效注氮防灭火工艺，是在阻化液储罐内配制好一定浓度的一种或多种混合的无机盐类阻化剂水溶液，经制冷机降温和氮气最后通过两相雾化喷头雾化，形成低温氮气阻化细水雾，通过注氮管送入防灭火区域进行火灾防治。

2.3 工艺流程

高效注氮工艺实施前，将注氮管通入防灭火区域一定距离，也可直接利用现有的防灭火注氮管，将雾化喷头连接至注氮管，保证密封性。

其工艺流程为：阻化液箱→水泵→制冷机→液体流量压力控制→雾化喷头，制氮机→气体流量压力控制→雾化喷头，雾化喷头→注氮管→防灭火区域深部，此种系统尤其适用于矿井火区封闭或火源点距离远的情况，高效注氮可长距离输送至防灭火区域。

2.4 技术指标

(1)阻化液配制成质量浓度10%～30%的MgCl2，NaCl，CaCl2等一种或多种混合的无机盐类阻化剂水溶液。

(2)氮气压力0.3～0.6MPa，阻化液压力0.3～0.6MPa，并保证阻化液压力略高于氮气压力。

(3)单个注氮管的氮气流量500m3/h，液体流量0.5～1m3/h。

(4)水雾液滴体积中间直径VMD不应大于300μm且不应小于20μm。

(5)阻化液出口温度-10～-5℃。

3 高效防灭火技术的工程应用

3.1 崔家寨矿高效注氮治理采空区自燃

3.1.1 工作面简介

E13513工作面在初期使用均压通风防治小煤窑漏风，均压通风有效减小了小煤窑与工作面的漏风，对防止自然发火起到了很大作用。由于E13513面5号密闭和7号密闭受煤壁裂隙发育和小煤窑巷道顶板冒落影响，给密闭施工质量带来较大影响，存在漏风，再加之工作面安装后期，由于运送支架等大件设备，回风侧调压风门时关时开，使均压通风系统运行处于不正常状态。9月12日开始，E13513工作面回风巷CO浓度一直在持续上升，从密闭处检测发现CO气体浓度高达10-3以上，可知小煤窑存在自然发火现象，立即采取了高效注氮防灭火技术进行小煤窑火灾治理，E13513工作面高效注氮如图3所示。

图3 E13513工作面高效注氮防灭火示意

3.1.2 技术指标

(1)阻化液配制成质量浓度15%的MgCl2的无机盐类阻化剂水溶液。

(2)氮气压力0.3MPa，阻化液压力0.3MPa，并保证阻化液压力略高于氮气压力。

(3)单个注氮管的氮气流量500m3/h，液体流量0.75m3/h。

(4)阻化液出口温度-10～-5℃。

3.1.3 效果分析

高效注氮实施后，回风巷CO气体浓度很快降到了24×10-6以下。E13513回风巷CO气体浓度数据见图4。

图4 高效注氮防灭火效果

从图4可知，高效注氮防灭火技术对于治理小煤窑漏风具有明显的效果。工作面回风流中CO气体浓度一直稳定在10-5左右。

3.2 单侯矿高效注氮治理巷道自然发火

3.2.1 6205N工作面自然发火情况

随着6205N工作面的推进，原6205N回风巷喷涂区域逐渐进入采空区，喷涂的复合浆体堵漏风效果减弱，6103N采空区向6205N采空区漏风增加，导致6205N工作面上隅角CO时有超限。2010年8月13日在6205N采空区发现冒烟，回风流中CO含量达10-3以上，发现冒烟初期采取采空区注水的方法进行灭火。2010年9月10号在6205N采空区再次发现温度异常，巷道内CO超限严重，迅速采取高效注氮防灭火措施。6205N工作面布置如图5所示。

图5 6205N工作面示意

3.2.2 工艺流程

设备布置在6205N轨道巷中，设备连接顺序如下：阻化液箱→水泵→制冷机→液体流量压力控制→雾化喷嘴；制氮机→气体流量压力控制→雾化喷嘴→注氮管→6205N采空区。

3.2.3应用效果

6205N回风巷气体监测数据见图6。

图6 6205N回风巷气体监测数据表

由图6可知，采取高效注氮防灭火措施是合理有效的，6205N回风巷的CO浓度及温度均降低至正常水平，消除了6205N工作面采空区自然发火，发挥了重要的安全保障作用，确保了单侯煤矿生产期间的安全回采。

4 结论

(1)高效注氮选用质量浓度15%的氯化镁阻化剂水溶液配制形成阻化液，氮气雾化时，阻化液最佳温度为-10～-5℃，最佳压力为0.3MPa，氮气最佳温度为0～2℃，压力为0.3MPa，低温阻化液可以有效地延长水分在作用区域的保留时间。

(2)构建了现场高效注氮防灭火系统，确立了工艺流程及技术指标。高效注氮防灭火技术在崔家寨E13513工作面应用，快速治理了采空区后方小煤窑自然发火，在单侯矿6205N工作面应用，有效防治了采空区漏风引起的自然发火。

(3)实际应用过程中还要考虑氮气随输送管路的温度变化情况，可在管路末端观测温度情况，以便随时调整注氮温度。

(4)在实际应用过程中还应在氮气进入雾化喷嘴前对氮气进行过滤，防止氮气流中杂质堵塞雾化喷嘴。

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[责任编辑：施红霞]

2013-11-20

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.040

刘志强(1981-)，男，河北徐水人，工程师，副所长，从事矿井通风安全工作。

刘志强.高效注氮防灭火技术的研究与应用[J].煤矿开采，2014，19(4)：133-135，138.

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1006-6225(2014)04-0133-03