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1、第四节惰气防灭火第一页，本课件共有46页氮气防灭火原理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1012时候熄灭，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。第四节第四节 惰气防灭火惰气防灭火第二页，本课件共有46页第四节第四节 惰气防灭火惰气防灭火氮气防灭火的作用主要表现在：当对防灭火区域注入大量
2、的氮气后，使得采空区内的氧气浓度下降；氮气部分地替代氧气进入到煤体裂隙表面，与煤的微观表面进行交换吸附，从而使得煤表面对氧气的吸附量减少，在很大程度上抑制或减缓了遗煤的氧化作用。对于有一定封闭条件的防灭火区域注氮防灭火而言，长期连续地注入氮气后，大量的氮气可使采空区内形成正压，从而使得采空区的漏风量减少，使遗煤处于缺氧环境中而不易氧化。较低温度的氮气在流经煤体时，吸收了部分煤氧化产生的热量，可以减缓煤升温的速度和降低周围介质的温度，使煤的氧化因聚热条件的破坏而延缓或终止。采空区内的可燃、可爆性气体与氮气混合后，随着惰性气体浓度的增加，爆炸范围逐渐缩小（即下限升高、上限下降）。当惰性气体与可燃件
3、气体的混合物比例达到一定值时，混合物的爆炸上限与下限重合，此时混合物失去爆炸能力。这是注氮防止可燃、可爆性气体燃烧与爆炸作用的另一个方面。注氮防灭火的实质是通过控制燃烧所需的氧气量抑制燃烧、窒息火源，达到灭火的目的。注氮防灭火的实质是通过控制燃烧所需的氧气量抑制燃烧、窒息火源，达到灭火的目的。注氮防灭火的实质是通过控制燃烧所需的氧气量抑制燃烧、窒息火源，达到灭火的目的。注氮防灭火的实质是通过控制燃烧所需的氧气量抑制燃烧、窒息火源，达到灭火的目的。第三页，本课件共有46页发展历程国外1953年，英国罗斯林矿用罐装的液氮汽化形成的氮气扑灭了井底车场附近煤层的自然发火。1962年，威尔士的弗恩希尔矿
4、将液氮汽化后注入到密闭区来扑灭火灾。20世纪70年代起，原西德在液氮防治煤自然发火技术方面发展较快，在现场应用取得了良好的效果，在19741979年间，41次将液氮应用到煤矿井下防灭火。而后，英、法、前苏联、印度等国也都采用了这一技术。第四节第四节 惰气防灭火惰气防灭火第四页，本课件共有46页国内20世纪80年代，我国开始了对氮气惰化防灭火技术的研究与试验。1982年，天府矿务局用罐装液氮进行了灭火试验；1989年，抚顺龙凤矿利用井上氧气厂生产的氮气，通过管路输送到综放工作面采空区防止遗煤自燃取得了成功；1992年，西山杜尔坪矿利用移动式变压吸附制氮装置产生的氮气，通过管路输送到井下，有效地防
5、止了近距离煤层群煤的自燃；1995年，兖州兴隆庄矿利用安装在停采线附近的移动式膜分离制氮装置有效地控制了无煤柱开采邻近工作面采空区煤的自燃。1996年，我国已有21个矿区，34个综放工作面采用注氮防灭火技术。进入到21世纪以来，由于制氮装备与技术的不断发展，氮气防灭火技术已经在国有重点煤矿获得了广泛应用，特别已作为综放工作面防治煤自然发火的一项重要技术措施。第四节第四节 惰气防灭火惰气防灭火发展历程第五页，本课件共有46页工艺简单、操作方便、易于掌握。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。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，
6、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。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。第四节第四节 惰气防灭火惰气防灭火氮气防灭火的优缺点优点第六页，本课件共有46页注入到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；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，应辅以其它措施灭火，如用水、注浆、以及凝胶等方法，以防复燃；注氮气防火
7、，氮气有向采面或临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；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。第四节第四节 惰气防灭火惰气防灭火氮气防灭火的优缺点缺点因此，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。的技术及管理措施，扬长避短
8、，充分发挥其优越性。第七页，本课件共有46页以空气作为原料，采用空分技术，即将空气中的氮气和氧气运用不同的方法进行分离而得到较高浓度的氮气。目前，制取氮气主要有深冷空分、变压吸附和膜分离三种方法。在我国煤矿应用的空分制氮技术中，深冷空分是最先使用的方法，但由于其制氮装备庞大，固定资产投资较高，需要较大的固定厂房，因而逐步被变压吸附和膜分离的方法所代替。氮气的制备氮气的制备 利用深冷原理制取氮气的基本过程是：通过压缩、膨胀循环将大气温度降低并使之成为液态，然后根据大气组分沸点不同而将氮氧分离出来，如图。深冷空分设备一般由空气过滤器、空压机、分子筛纯化器、换热器、膨胀机、分馏塔、氮气压缩机、氧气压
9、缩机等八部分组成。（一）深冷空分制氮（一）深冷空分制氮第十页，本课件共有46页 深冷空分式的最大特点是同时制取氧气和氮气，产气量较大，且氮气纯度高.每小时可产氮（或氧）几千到几万m3（目前我国能够达到的最大制氮量为80000 m3/h），纯度可达到99.95%以上。空气经空气过滤器清除尘埃及机械杂质后，由空压机压缩至工作压力，压缩后的气体进入气体纯化系统。纯化系统作用是清除空气中的水份，二氧化碳及乙炔等碳氢化合物，其方法是将气体通过分子筛予以吸附，达到清除的目的。从分子筛纯化器中出来的气体经换热器降温，膨胀机降压后，进入到分馏塔中分馏，从而从中分离出氧气和氮气。从分馏塔出来的低温、低压的氧气和
10、氮气，然后再经压缩机的压缩，使其达到现场应用的要求。深冷空分技术成熟、实用性好、安全可靠。该技术缺点是启动时间长，制氮效率低，耗能大，且设备庞大、无法下井，需要在地面上设制氮厂，然后通过管路将氮气（或液氮）送往井下，一次性投资较大。若制氮厂离井口较远时（如利用制氧厂分离出的氮时），可将氮气加压降温制成液氮，然后用专用运输设备（液氮槽车）运往矿井使用。氮气的制备氮气的制备（一）深冷空分制氮（一）深冷空分制氮第十一页，本课件共有46页 变压吸附制氮基本原理：变压吸附制氮基本原理：是通过分子筛对氧气加压吸附排氮、减压脱附排氧，从而将氮、氧分离。变压吸附是利用吸附剂对吸附介质在不同的压力下，对吸附介质
11、中的不同组份有不同的吸附容量，通过压力的变化进行吸附、解吸，从而获得目标组份的方法。由于过程中压力在不停变化，因此称为变压吸附。目前变压吸附制氮采用碳分子筛（CMS）和沸石分子筛（MS）两种技术。碳分子筛制（CMS）是利用碳分子筛对O2和N2吸附速率不同的原理来分离N2的（35时扩散速率，O2为6.210-5，N2为2.010-6）。氧气在碳分子筛上的扩散速度大于氮气的扩散速度，使得碳分子筛优先吸附氧气，而氮气富集于不吸附相中，从而在吸附塔流出得到产品氮气。沸石分子筛制氮（MS）是利用沸石分子筛对O2和N2吸附容量不同的原理来分离N2的。从目前制氮技术应用来看，碳分子筛技术成为主流技术，沸石分
12、子筛技术由于处理原料气和真空解吸等繁杂步骤应用较少。氮气的制备氮气的制备（二）变压吸附制氮（二）变压吸附制氮第十二页，本课件共有46页 变压吸附制氮是利用碳为基体，碳分子筛作为吸附剂，它具有多孔性，能选择性地吸附空气中的氧分子，从而得到氮气的常温制气方法。为获得连续的氮气，需要多个吸附塔交替工作。带有一定压力的空气送入到焦炭分子筛后，分子直径比氮稍小的氧以较快速度扩散至炭分子筛的微孔内，从而优先被分子筛所吸附，而氮能自由通过分子筛颗粒而排出。气体所走行程越长，氮气的浓度就越高。经过一定的时间后，两个吸附罐进行反向切换，将吸足了氧的吸附罐进行减压脱氧，使分子筛再生，另一个吸附罐在此期间完成吸氧工
13、作。如此往复交替，就能得到纯度在99以上的氮气。变压吸附制氮的工艺流程如图所示。变压吸附制氮装置存在着产氮效率低、单位氮气能耗大、设备体格大、运转和维护费用高等问题。目前，变压吸附制氮装置不仅有地面固定或移动式，还制成了井下移动式注氮设备，这对煤矿井下的注氮防灭火起到很好的作用。除去原料空气中的油和水清除尘埃及机械杂质氮气的制备氮气的制备（二）变压吸附制氮（二）变压吸附制氮第十三页，本课件共有46页 膜分离制氮技术是20世纪80年代高科技研究成果。自1985年美国DOW公司开发的第一台膜分离空分设备投放市场以来，至今已有数千套在世界上运行。国内也从l 987年开始采用国外膜分离技术研制井下移动
14、式膜分离制氮机并取得成功。氮气的制备氮气的制备（三）膜分离制氮（三）膜分离制氮膜分离制氮原理膜分离制氮原理 膜分离法是根据气体的“溶解扩散理论”来分离氧气和氮气的。即氧和氮在膜中的透过，是因为气体首先在膜中溶解，在外界能量的推动下再从另一侧解析。因为氧、氮对分离膜的渗透率不同，在外界能量或化学位能差的作用下，分别在分离膜的两侧得到富集。不同介质流体在压力作用下，通过某种微孔材料表面扩散速率不同，速度快者称“快气”，容易通过膜墙至管壁外富集；速率慢者称“慢气”，在管内逐渐富集，亦有少量渗透到管外。收集不同富集端(管内外)气体得到不同气体产品，达到分离气体的目的。第十四页，本课件共有46页几种常见
15、气体的快、慢分级如图所示，可以看出，O2、N2的快慢差别比较明显，因此可以用膜将它们分离。氮气的制备氮气的制备（三）膜分离制氮（三）膜分离制氮常见气体的相对渗透速率膜分离制氮工艺流程图第十五页，本课件共有46页膜分离制氮装置也分为井上固定式和井下移动式两种。氮气的制备氮气的制备制氮装置制氮装置井下移动式膜分离制氮装置由空压机段、预处理段和膜分离段三部分组成。采用分体式结构，组装在平板车上以耐压胶管连接，组成整个制氮装置。此外配有保护系统、控制和检测装置等。该装置是以螺杆式空气压缩机为动力气源，通过压缩空气预处理段对空气进行除油、除尘、除水、恒温处理后。再由膜分离段中的膜组件对空气进行分离富集而
16、制取氮气的。膜分离制氮系统示意图及其膜组件图片第十六页，本课件共有46页氮气的制备氮气的制备井下移动式膜分离制氮特点井下移动式膜分离制氮特点 体积小，重量轻，安装移动方便；性能可靠，操作简单，故障率低，寿命长；氮气的产量、压力可调，而且产量和纯度有关；例如MD-350型膜分离制氮装置产量和氮气纯度的关系如下图所示；系统简单，运行成本低，经济效益好；氮气压力高，输送距离远；自动化程度高。MD-350型膜分离制氮装置性能曲线第十七页，本课件共有46页深冷空分制取的氮气纯度最高，通常可达到99.95以上，但制氮效率较低，能耗大，设备投资大，需要庞大的厂房，且运行成本较高；变压吸附的主要缺点是碳分子筛
17、在气流的冲击下，极易粉化和饱和，同时分离系数低，能耗大，使用周期短，运转及维护费用高；膜分离制氮的主要特点是整机防爆，体积小，可制成井下移动式，相对所需的管路较少，维护方便，运转费用较低、但当制氮纯度较高时其成本也显著上升，且产氮量有限。氮气的制备氮气的制备三种制氮方式的比较三种制氮方式的比较第十八页，本课件共有46页制氮方法及设备比较按制氮原理分类深冷空分法变压吸附空分法膜分离空分法工作原理将空气液化，根据 氧和氮沸点不同达到分离。加压吸附，降压解吸，利用氧氮吸附能力不同达到分离。根据不同气体分子在膜中的溶解扩散性能的差异来完成分离。主要设施1、空气净化装置2、换热装置3、精馏塔4、压缩机5
18、、透平膨胀机6、输液泵1、吸附剂（碳分子筛）2、压缩机3、真空泵4、干燥器1、压缩机2、除油净化及后冷3、膜组件装置特点工艺流程复杂，设 备较多，投资大。工艺流程简单，设备少，自控阀门较多，投资少。工艺流程简单，设备少，自控阀门少，投资较大。操作特点启动时间长，一般在1540小时，必须连续运转，不能间断运行，短暂停机，恢复工况时间长。启动时间短，一般30min，可连续运行，也可间断运行。启动时间短，一般20min，可连续运行，也可间断运行。维护特点设备结构复杂，加工精度高，维修保养技术难度大，维护保养费用高。设备结构简单，维护保养技术难度低，维护保养费用低。设备结构简单，维护保养技术难度低，维
19、护保养费用较高。第十九页，本课件共有46页按制氮原理分类深冷空分法变压吸附空分法膜分离空分法土建及安装特点占地面积大，厂房和基础要求高，工程造价高。安装周期长，技术难度大，安装费用高。占地面积小，厂房无特殊要求，造价低。安装周期短，安装费用低。占地面积小，厂房无特 殊 要求，造价低。安装周期短，安装费用低。产气成本0.51.0 kW.h/Nm30.320.35kW.h/Nm3。单位产98%纯度氮气的电耗为0.29kW.h/Nm3。安全性在超低温、高压环境下运行可造成碳氢化合物局部聚集，存在爆炸的可能性。常温常压下操作，无爆炸危险性。常温较高压力下操作，不会造成碳氢化合物的局部聚集。可调性气体产
20、品产量、纯度不可调，灵活性差气体产品产量、纯度可调，灵活性好。气体产品产量、纯度可调，灵活性较好。经济适用性气体产品种类多，气体纯度高，适用于大规模制气、用气场合。投资小、能耗低，适用于氮气纯度95%99.9995%的中小规模应用场合。投资较大、能耗低，适用于氮气纯度95%99.9%的中小规模应用场合。膜分离制氮能耗在氮气纯度99%以下和变压吸附制氮能耗相差不大，氮气纯度99.5%以上经济性比变压吸附差。制氮方法及设备比较第二十页，本课件共有46页第二百三十八条第二百三十八条 采用氮气防灭火时，必须遵守下列规定：（一）氮气源稳定可靠。（二）注入的氮气浓度不小于97。（三）至少有1套专用的氮气输
21、送管路系统及其附属安全设施。（四）有能连续监测采空区气体成分变化的监测系统。（五）有固定或移动的温度观测站（点）和监测手段。（六）有专人定期进行检测、分析和整理有关记录、发现问题及时报告处理等规章制度。注氮防灭火工艺注氮防灭火工艺规程规定第二十一页，本课件共有46页1.开放式注氮开放式注氮 开放式注氮即是在需要注氮的区域未封闭的情况下，进行的一种注氮方式。一般在不影响工作面正常工作的情况下，利用大量的氮气使得采空区内氧化带的氧含量降低到能使浮煤发生自燃的浓度以下，从而达到防灭火的目的。开放式注氮适用于推进中的工作面采空区早期自燃的防灭火工作。注氮防灭火工艺注氮防灭火工艺注氮方式注氮方式根据注氮
22、区域空间的封闭与否，注氮方式可分为开放式注氮和封闭式注氮第二十二页，本课件共有46页2.封闭式注氮封闭式注氮 封闭式注氮：为控制火情或防止瓦斯爆炸，将发生火灾或积聚瓦斯的区域先封闭后进行注氮。当封闭的火区内漏风严重或者存在有大量高浓度瓦斯时，可采取封闭式注氮来降低氧含量并抑制瓦斯爆炸。注氮防灭火工艺注氮防灭火工艺注氮方式注氮方式 开放式与封闭式注氮方式，其注氮地点一般离火源或者是高温点较远，覆盖范围较大，利用大流量的注氮来降低该大面积区域的氧气含量，从而达到防灭火的目的。因此，这对那些火源点不明确、无法确定准确位置的火情比较适合。但是对用于一些明确的火情，这两种方法就显得较为笨拙且浪费氮气。煤
23、科总院重庆分院与阜新矿业集团公司合作，研究了新的注氮气防灭火技术目标注氮目标注氮，其内容为：巷道、支架上部或采空区发生煤层自燃或发现有高温点，对该区域暂不进行封闭，而是直接向火源点或高温点打钻孔进行注氮，氮气释放口离火源目标的距离不超过8m，仅通过降低火火源点或高温点附近小范围的氧含量，来达到防灭火的目的。第二十三页，本课件共有46页1.埋管注氮埋管注氮第一种方法是在工作面的进风侧采空区埋设一条注氮管路，埋入一定长度后开始注氮，同时再埋入第二条注氮管路（注氮管口的移动步距通过考察确定），当第二条注氮管口埋入采空区氧化带与冷却带的交界部位时向采空区注氮，同时停止第一条管路的注氮，并又重新埋设注氮
24、管路；如此循环，直至工作面采完为止。第二种方法是沿工作面进风巷铺设注氮干管，每隔一定距离从干管上引出注氮支管，在支管上安装闸阀，以控制氮气的注入量；开始注氮和停止注氮时，埋入采空区的注氮支管长度为多少，须通过实际考察确定。采空区埋管管路每隔一定距离预设氮气释放口，其位置应高于煤层底板2030cm，并采用石块或木垛加以妥善保护，以免孔口堵塞。1工作面注氮干管；2注氮支管；3支管闸阀；4埋管器与防护铜网大屯徐庄煤矿7235工作面埋管示意图注氮防灭火工艺注氮防灭火工艺注氮方法注氮方法第二十四页，本课件共有46页 2.拖管注氮拖管注氮 在工作面的进风侧采空区埋设一定长度（其值由考察确定）的注氮管。它的
25、移动主要利用工作面的液压支架、工作面运输机头机尾，或工作面进风巷的回柱绞车作牵引。拖管注氮能够有效控制注氮地点，提高注氮效果，同时埋管移动周期与工作面推进速度保持同步，使注氮孔始终在采空区氧化自燃带内注入氮气。据经验，埋管距工作面17 m之内，采用回柱绞车能够牵移动埋管。注氮防灭火工艺注氮防灭火工艺注氮方法注氮方法第二十五页，本课件共有46页3.钻孔注氮钻孔注氮 在地面或施注地点附近巷道向井下火区或火灾隐患区域打钻孔，通过钻孔将氮气注入火区，该方式适用于开采工作面有岩石集中巷布置或下区段回风顺槽已预先掘出等场合。西山杜儿坪煤矿钻孔注氮方式如图所示。西山杜儿坪煤矿钻孔注氮示意图注氮防灭火工艺注氮
26、防灭火工艺注氮方法注氮方法西山杜儿坪煤矿为防治煤层自然发火，通过尾巷注氮钻孔进行注氮，有效解决了该区域的自然发火问题。其钻孔方式如下：在尾巷内每隔25m向工作面进风顺槽打水平钻孔，穿透煤柱。钻孔长17m，孔径89mm，钻孔口套入50mm3.5m镀锌管一根，8mm的观测气体用聚乙烯塑料管一根，周边用水泥沙浆封严。第二十六页，本课件共有46页4.插管注氮插管注氮 为处理工作面采空区后部或巷道高冒顶等地点的火灾，可采用向火源点直接插管进行注氮。插管注氮能够迅速降低火源的温度和CO含量，适用于火源及高温煤体面积较大、位置较高、火源较隐蔽的场合。5.密闭注氮密闭注氮 利用密闭墙上预留的注氮管向火区或火灾
27、隐患的区域实施注氮，是封闭式注氮的一种形式。下面以新疆煤业集团六道湾煤矿放顶煤工作面密闭注氮为例介绍密闭注氮灭火过程。注氮防灭火工艺注氮防灭火工艺注氮方法注氮方法第二十七页，本课件共有46页 工作面火灾的威胁来自于相邻采空区，而不是工作面后方采空区，可利用与工作面平行的巷道，在其内向煤柱打钻孔对相邻采空区注氮，这是枣庄柴里煤矿总结出的旁路式注氮工艺。采用该工艺可使相邻采空区内注入的氮气不断地扩散，逐渐充满整个采空区，形成氮气惰化带，同时进入工作面后方的采空区内继续惰化，可使相邻的两个采空区均能被惰化，达到防灭火的目的。注氮防灭火工艺注氮防灭火工艺6.旁路式注氮旁路式注氮第二十八页，本课件共有4
28、6页1.注液氮工艺系统注液氮工艺系统 液氮防灭火，即利用地面氮气厂制成的液态氮进行防灭火工作，且液氮主要用作灭火。液氮在大气压力（101325Pa）下受热汽化成0氮时，其体积将膨胀643倍；汽化成25气态氮时，将膨胀700倍。注液氮有两种方式，一是直接向采空区或火区中注入液氮防灭火，二是先将一是直接向采空区或火区中注入液氮防灭火，二是先将液氮汽化后，再利用气氮防灭火。液氮汽化后，再利用气氮防灭火。直接利用液氮防灭火。液氮可由制氮厂铺设管道送到矿井，也可用专用运输设备液氮槽车将液氮送到使用地点，再将其注入密闭的火区。输氮管道应采取防止冷缩和冷脆的措施，以防管路破裂。直接向防灭火区注洒液氮主要有三
29、种工艺系统：通过集中钻孔和巷道内管路将液氮输到防灭火区。在地面将液氮装入矿车型槽车中，将其送入井下火区附近，再接上较短的管路（镍合金钢管），将液氮直接喷入火区。当防灭火区域接近地表时，可由地面直接向该区域打钻，从地面通过钻孔向防灭火区注液氮。选择注氮口位置时，应注意使其位于漏风风流的入口，借助漏风压差将气化后的氮气带到火源点以及火区各处。最初注氮时强度要大，以镇压火源，然后再逐步降低注氮强度，使火区继续惰化，直至火区完全熄灭并冷却下来。注氮防灭火工艺注氮防灭火工艺（三）注氮工艺系统（三）注氮工艺系统第二十九页，本课件共有46页 液氮气化后防灭火是先将液氮气化，然后再利用氮气防灭火,相对于直接利
30、用液氮防灭火来讲，用得更为普遍。实际应用时有下面两种具体方法：在地面将液氮注入蒸发器，液氮在蒸发器中被加热气化成283K（10）或稍高温度的气态氮，然后通过管道将气氮送到井下，并用于井下防灭火工作。井下防灭火的具体方法和工艺与气氮防灭火相同。气化液氮用的蒸发器有多种形式和规格，常用的有蒸汽加热的蒸发器、丙烷加热的水浴蒸发器和油加热水浴蒸发器等。在地面将液氮装入矿车型槽车中，然后送到井下的使用地点，将液氮注入气体灭火装置的扩散型冷却器中。在冷却器中，氮气与气体灭火装置产生的惰性气体相混合，最后，由喷嘴将含有氮气的混合惰气喷射到火区中。注氮防灭火工艺注氮防灭火工艺（三）注氮工艺系统（三）注氮工艺系
31、统第三十页，本课件共有46页2.注气氮工艺系统注气氮工艺系统 煤矿用氮气一般采取空气作为原料，通过空分制氮设备将分离出来的氮气送至矿井注氮管路，并通过管路不断地送至各注氮地点进行注氮防灭火。如今煤矿上所采用的注氮防灭火系统，仍然以地面固定式为主。但是，随着科技的进步和制氮设备的发展，井下移动式制氮设备的应用使得煤矿井下的防灭火工作更加方便快捷，井下移动式制氮多采用变压吸附和膜分离这两种方式。注氮防灭火工艺注氮防灭火工艺（三）注氮工艺系统（三）注氮工艺系统第三十一页，本课件共有46页 当自然发火危险主要来自回采工作面的后部采空区时，应该采取向本工作面后部采空区注入氮气的防火方法。对采用U型通风方
32、式的采煤工作面，应将注氮管铺设在进风顺槽中，注氮释放口设在采空区氧化带内。如图所示。注氮口埋设及释放口位置注氮防灭火工艺注氮防灭火工艺（三）注氮工艺系统（三）注氮工艺系统（1）回采工作面采空区注氮第三十二页，本课件共有46页注氮管的埋设及氮气释放口的设置应符合以下要求：注氮管路应沿进风顺槽外侧铺设，氮气释放口应高于底板，以90弯拐向采空区，与工作面保持平行，但注氮孔口不可向上，并用石块或木垛等加以保护。氮气释放口之间的距离，应根据采空区“三带”宽度、注氮方式和注氮强度、氮气有效扩散半径、工作面通风量、氮气泄漏量、自然发火期、工作面推进度以及采空区冒落情况等因素综合确定。第一个释放口设在起采线位
33、置，其它释放口间距以30m为宜。当工作面长度为120150m时，采用注氮口间距一般为3050m。注氮管一般采用单管，管道中设置三通。从三通上接上阀门、短管进行注氮。注氮防灭火工艺注氮防灭火工艺（三）注氮工艺系统（三）注氮工艺系统（1）回采工作面采空区注氮第三十三页，本课件共有46页注氮防灭火工艺注氮防灭火工艺（三）注氮工艺系统（三）注氮工艺系统（2）工作面相邻采空区注氮 工作面在生产过程中，当自然发火的危险不是来自其后部采空区，而是其相邻区段的采空区时，则应对其相邻采空区注氮防火，以保证本工作面的安全回采。当本工作面是推进速度比较快的综放或综采工作面、与之相邻的又是综放工作面采空区时，往往就是
34、这种情况。对生产工作面相邻的采空区注氮即前面讲述的旁路式注氮，其方法比较简单，就是在生产工作面与采空区相邻的顺槽中打钻，通过向已封闭的采空区插管来进行注氮。注氮数量的确定原则是：充分惰化靠近生产工作面一侧的采空区，在靠近生产工作面的采空区侧形成一条与工作面推进方向平行的惰化带。第三十四页，本课件共有46页 氮气具有气体共同的性质扩散性。根据气体扩散原理，浓度差是扩散的推动力。而注入到采空区内氮气要达到防灭火的目的，根据规程规定，其浓度应不低于97%，因此，不可避免地将出现采空区氮气向工作面和两巷扩散的现象。这样，由于氮气泄漏导致采空区氮气浓度降低，从而对采空区防火不利；另一方面，泄漏到工作面及
35、两巷的氮气将污染工作面环境，造成人员的窒息或者瓦斯事故的发生。所以，必须做好防止采空区氮气泄漏的安全措施。通常，防止采空区氮气泄漏的方法是对采空区及进、回风巷道特别是进风巷道一侧进行封堵。封堵的材料有聚氨酯、尿酫泡沫树脂以及黄泥等。在工作面后部通往采空区的进、回风巷道中，每前进5m至少应封堵一次。经测试，喷涂尿酫泡沫树脂进行封堵漏风，氮气泄漏量可减少30%40%。此外，均压措施也用来防止氮气泄漏。均压措施是利用开区均压的原理，降低工作面两端（即进、回风侧）压差，从而减少漏风。注氮防灭火工艺注氮防灭火工艺（三）防止氮气泄漏的措施（三）防止氮气泄漏的措施第三十五页，本课件共有46页 注氮管路压力、
36、管路直径、注氮量、注氮位置等注氮参数的合理确定对保证注氮防灭火技术效果具有重要意义，而确定注氮参数的首要条件是正确分析氮气在采空区的运移和浓度分布规律。（一）氮气在采空区内的运移规律（一）氮气在采空区内的运移规律 煤岩体中有许多没有被固体骨架占据的空间，称为空隙空间，包括孔隙、空隙和裂隙，煤也是一种多孔介质。采空区是由冒落的岩石、浮煤以及其间的空隙组成的空隙介质。在采空区中，由从工作面漏入的风流、从煤及煤岩中逸出的瓦斯气体以及浮煤低温氧化自燃过程中产生的气体共同组成了采空区内的风流组分，在这里统称为采空区气体。当采空区内注入氮气时，氮气在采空区内的扩散运动包括对流扩散、紊流扩散和分子扩散，最终
37、构成采空区内的氮气浓度分布规律。注氮技术参数注氮技术参数第三十六页，本课件共有46页 对于通风方式为一源一汇的回采工作面来说，氮气的运移规律比较简单。即氮气从释放口出来后，在注氮压力的作用下，将沿释放口的径向向外扩散，超出氮气压力的影响范围后氮气将沿漏风风流方向移动，最终从回风侧漏出。对于一源一汇的采空区，注氮口往往布置在采空区进风侧氧化带，在氮气的作用下，氮气影响区（主要是氧化带区域）内的氧气浓度下降。在工作面回采方向上，注氮口附近的氧气浓度下降幅度最大；在工作面推进方向上，氧化带内的氧气浓度下降幅度最大，散热带的氧气浓度下降幅度次之，它们之间的比例关系视注氮强度和采空区漏风强度的不同而异；
38、在采空区垂直方向上，顶板处的氧气浓度下降略高于底板处，这是由于氮气密度略低于空气而上浮的效应所致。（一）氮气在采空区内的运移规律（一）氮气在采空区内的运移规律注氮技术参数注氮技术参数第三十七页，本课件共有46页对于通风方式为一源一汇的回采工作面注氮后氮气在采空区流动的规律：注入到采空区的氮气运移从注氮点开始有一个主运动方向，并不断向四周漫延，且在注氮漫延范围内，各点的氮气浓度逐渐增加直至达到最大值，其中以注氮点附近氮气浓度值最大。在抚顺龙凤矿综放开采条件下，采空区氮气浓度分布的实验结果表明，氮气在采空区内大体上可划分为上、中、下三个气相区域：下部为N2CO2区域。这是由于二氧化碳的比重大，而且
39、注氮释放口布置在采空区的下部的缘故；中部为N2CH4区域。说明注入采空区中氮气不仅存在沿主运动方向上的纵向扩散，而且存在沿垂直于氮气主运动方向上的横向扩散；上部为CH4N2区域。说明采空区内的瓦斯有明显的上浮效应。以上结果只是对特定条件下的试验和认识，而对于一般条件下的采空区氮气浓度分布规律还有待于不断的研究和探索，以提高注氮效果。（一）氮气在采空区内的运移规律（一）氮气在采空区内的运移规律注氮技术参数注氮技术参数第三十八页，本课件共有46页 对于多源多汇的工作面采空区，氮气的运移规律比较复杂，主要取决于氮气释放口的位置和采空区漏风风流的状况。有效的注氮和氮气运移的结果使采空区氧化带的范围缩小
40、或前移。采空区氧化带范围的缩小很显然对采空区防灭火具有最直接的作用，而采空区氧化带范围的前移也对采空区防灭火具有极其重大的意义。采空区氧化带的前移，可使采空区遗煤在最适合氧化的环境中所处的时间缩短，这样就有可能在煤自然发火期内将其推入窒息带中，从而避免采空区遗煤的自然发火。（一）氮气在采空区内的运移规律（一）氮气在采空区内的运移规律注氮技术参数注氮技术参数第三十九页，本课件共有46页1.注氮管路压力损失计算注氮管路压力损失计算 输氮管中的沿程摩擦阻力，即压力损失可用下式计算：P=R0.15L=0.01163V1.895L/D1.217 （4-4-1）式中 R0.15当量绝对粗糙度为0.15mm
41、时，每米管路的压力损失（即比摩阻），Pa/m；V管道内氮气的平均流速，m/s；D管路直径，m；L管路长度，m。依据煤矿用氮气防灭火技术规范，地面、井下制氮设备的供氮压力，其管路末端的绝对压力应不低于0.2 MPa。根据以上公式，结合实际注氮管路的实际情况，可以计算出氮气在管路输送过程中的压力损失。再根据注氮区域的压力需求，及时调整氮气出口的压力，使其符合矿井注氮区域的需要。注氮技术参数注氮技术参数（二）各注氮参数计算方法（二）各注氮参数计算方法第四十页，本课件共有46页 2.管路直径计算管路直径计算 管路直径的选择满足以下两个条件：一是在正常时期进行注氮时，管路直径必须满足注氮时的最大流量；二
42、是氮气出口的压力要高于注氮区域的压力，使注氮区域始终处于正压状态。因此，在满足以上两个条件的要求下，注氮管路的直径可按下式进行计算：D=10004Qmax/(V)0.5 式中：D管路最小直径，mm；Q正常时期的最大注氮量，m3/s；V管道内氮气的平均流速，通常10V15m/s，取V12m/s。注氮技术参数注氮技术参数（二）各注氮参数计算方法（二）各注氮参数计算方法第四十一页，本课件共有46页 输氮管路的直径应满足最大输氮流量和压力的要求。供氮压力能否满足要求，煤矿用氮气防灭火技术规范中也对注氮管的直径给出了一个计算公式：式中，P1供氮的绝对压力，MPa；P2管路末端的绝对压力，MPa；其管路末
43、端的绝对压力应不低于0.2 MPa Qmax最大输氮流量，m3/h；D0基准管径，150mm；Li相同直径管路的长度，km；0基准管径的阻力损失系数，0.026；i实际输氮管径的阻力损失系数，对于不同的钢管直径，则有如表的关系。注氮技术参数注氮技术参数 2.管路直径计算管路直径计算钢钢管管径与阻力系数之管管径与阻力系数之间间的关系的关系管径Di/mm7080100150200250300400阻力系数i0.0320.0310.0290.0260.0240.0230.0220.020第四十二页，本课件共有46页 （1）采空区防火耗氮量的计算）采空区防火耗氮量的计算 采空区防火耗氮量，分别按产量、
44、吨煤注氮量、瓦斯含量、采空区氧化带内氧含量计算，最后求出最大值，并按作业场所氧浓度核算。按产量计算 按产量计算的方法，实质上就是由注入氮气充满采煤空间体积，且其氧气浓度降低至惰化指标需要的耗氮量，可按下式计算：式中：QN注氮流量，m3/min；A年产量，吨；T年工作日，取300d；煤的视密度，t/m3；1管路输氮效率，可取0.9；2采空区注氮效率，可取0.55；Cl空气中的氧气含量，可取20.8；C2采空区防火惰化指标，可取氧气含量7。注氮技术参数注氮技术参数 3.注氮量的计算方法注氮量的计算方法第四十三页，本课件共有46页按吨煤注氮量计算按吨煤注氮量计算 此法计算是指综放面（综采面）每采出1
45、吨煤所需的防火注氮量。根据国内外的经验，每吨煤需5 m3的氮气量。可按下式计算：式中：k采煤产量占总产量的比例。按采空区氧化带氧浓度计算按采空区氧化带氧浓度计算 此种计算方法的实质是，将采空区氧化带内的原始氧浓度降到防灭火惰化指标以下，此方法较合理，符合注氮防火的实际情况。可按下式计算：式中：Qv采空区氧化带漏风量，m3/min；C1采空区氧化带内初始氧含量（取平均值），%；C2注氮防火惰化指标，可取7%；C3注入氮气中的氮气纯度，。注氮技术参数注氮技术参数3.注氮量的计算方法注氮量的计算方法（1）采空区防火耗氮量的计算）采空区防火耗氮量的计算第四十四页，本课件共有46页注氮技术参数注氮技术参
46、数3.注氮量的计算方法注氮量的计算方法（1）采空区防火耗氮量的计算）采空区防火耗氮量的计算按瓦斯含量计算：式中：Q综放面（综采面）通风量，m3/min；C综放面（综采面）回风流中的瓦斯浓度，%。将以上四种计算结果取最大值，再结合矿井的具体情况考虑将以上四种计算结果取最大值，再结合矿井的具体情况考虑1.21.5的安全备用系数，即为采空区防灭火时的最大注氮流量。的安全备用系数，即为采空区防灭火时的最大注氮流量。第四十五页，本课件共有46页（2）火区灭火耗氮量计算）火区灭火耗氮量计算 扑救巷道明火所需的耗氮量 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，应迅扑灭。扑救巷道明火所
47、需注氮量至少为巷道空间体积的3倍以上。扑灭采空区火灾所需的耗氮量 扑灭采空区火灾，在灭火工艺上要比处理巷道火灾复杂得多，而且扑灭火灾所需耗氮量也相当多。按漏风量考虑，采空区灭火用注氮强度可按下计算：式中：q注氮强度，m3/h；Q1火区漏风量，m3/h；v火区体积，m3；t注氮时间，h；C1氮气纯度；C2氮气惰化指标，可取97；C3火区氮气浓度。根据上式，当火区内氮气浓度达到惰化指标，即C1=C2时，则氮气补给量与火区的氮气泄漏量持平即可。3.注氮量的计算方法注氮量的计算方法根据国内外经验：灭火注氮量，原则上是最初强度要大，将火势压住，然后逐渐降根据国内外经验：灭火注氮量，原则上是最初强度要大，将火势压住，然后逐渐降低注氮强度。若回风敞口，注氮量不得小于低注氮强度。若回风敞口，注氮量不得小于9.2 m3/min；全封闭时，可控制在；全封闭时，可控制在8 m3/min。第四十六页，本课件共有46页