氮气防灭火系统设计与研究
【摘 要】 氮气防灭火技术已在国内外实现了很多成功的案例，但是还存在一些不足。氮气降温的效果差，容易复燃，易流失，氮气停止使用，防灭火的作用也会同时消失。对氮气进行防灭火技术研究，获得更为理想的防灭火效果就显得十分重要。
【关键词】 氮气 防灭火系统 设计
自从氮气灭火技术在煤矿开采中大量的使用，氮气灭火技术就得到了迅速的发展。英、法、美等国多次应用氮气灭火技术，对氮气防灭火技术做出大量的研究。现阶段，氮气防灭火技术已成为煤矿井下防灭火技术的重要手段。
1 概述
目前，我国有一半矿井会发生自燃现象，煤矿的井下火灾有80%以上是由于煤层自燃引起的。随着我国煤矿开采技术的提高，机械设备的广泛使用，开采设备在煤矿井下的大规模使用，提高开采量的同时，煤矿井下自燃问题也会对煤矿资源造设备造成更大的浪费和损毁。
传统灭火的办法已经不能满足现阶段灭火的需要，急需一种更高效、更简单、更安全的防灭火系统保护矿井的安全生产工作。
我国对氮气的防灭火技术已经研究了几十年，全国很多地区都成立了氮气防灭火的小组，对气氮和液氮进行了多种灭火试验工作。其中液氮灭火试验取得了一定的突破，并在煤矿区进行了注氮灭火的试验和注氮工艺系统的试验，并获得了成功。
2 氮气防灭火的机理、特点
2.1 氮气防灭火的机理
氮气是常温常压下的无色、无味、不可燃、抑爆、无毒的惰性气体。一般在常温下，氮气的性质稳定，不容易和其它元素直接发生化合作用，微溶于水。
氮气注入到火区和采空区，可以有效灭火、防火。具体灭火机理为以下几个方面。
（1）窒息作用：可以降低采空区、火区的氧含量，使气体惰化，对煤炭的氧化起到降低或阻止作用。（2）增压作用：氮气可以灌注在任何形状的空间内充满，而采空区充满氮气后，就会形成正压，使空气漏入的机率大大降低或者说从根本上杜绝了空气的进入，形成窒息区域。（3）冷却作用：充满氮气后，采空区或火区的气体温度与周围介质温度会迅速降低，使火源的熄灭速度加快。（4）抑爆作用：采空区或火区充满氮气后，可以使带有爆炸性质的混合气体迅速稀释，使混合气体转变成为无爆炸特性的惰性的混合气体，使爆炸危险得到解除。
2.2 氮气防灭火的特点
如果采空区或者火区存在漏风的通道，就会使氮气发生遗失，失去防灭火作用。氮气做不到泥浆和胶体类物质，能保持长期防灭火的作用。充满氮气虽然能控制火区，可是在对火区温度降低上有一定的困难，火区完全熄灭需要较长的时间。可见，注氮只能是防灭火的一种方式，如果要迅速彻底的扑灭火灾还是要辅助其他的防灭火方式。
3 氮气防灭火系统设计的理论依据
煤矿在开采中，开采周围要留有煤柱，随着工作进程的深入，煤壁四周形成矿压向采空区漏风，一旦停采，工作面切眼漏风不能得到控制，可燃物与供氧条件并存，就会产生自燃，经研究发现，开采区的后方一般存在三个分带。
（1）冷却氧化带：开采工作切眼与后面一段距离，由于工作的需要，必须通风，采空区顶部围岩却已经冒落，未经压实，工作面风会漏入采空区。支架后方的采空区，冒落顶板的间隙较大，过风量也较大，这段距离的残煤就会发生充分的氧化，发生自燃。随着开采工作的推进，不断移动中，氧化时间会很短，所以自燃发生机率不高，这个区域就称冷却氧化带。而冷却氧化带范围和煤层的自然周期、煤的易燃度、顶板围岩的破碎程度等方面都有很大的关系。（2）氧化自燃带：冷却氧化带后方区域，由于冒落岩石的压实，余下空间越来越小，使采空区过风量变小。但此区域供氧充分、漏风量适中、具备聚热的可能条件、有残煤和浮煤自燃的条件。一般矿井下采空区的自燃都是发生在氧化自燃带。（3）缺氧窒息带：氧化自燃带后方到停采线这段区域，顶板冒岩石会完全压实，工作面的切眼漏风量很少，供氧不充分，而残煤和浮煤的氧化条件减少，这段区域基本上不具备自燃的条件，所以称之窒息带。
据实际工作中研究发现：一般通风状态下，冷却氧化带要设置带宽12m，而含氧量>18%；氧化自燃带设置带宽24m，含氧量10～18%；缺氧窒息带要设置带宽36m，含氧量
4 氮气防灭火系统设计
据有关资料，确定防火注氮量可以按照以下公式计算。
qN2=
qN=工作面的连续注氮量，/min
c=回风顺槽含量，%
q=工作面供风量/min
由于，实际生产工作中，工作面的漏风量变化大，并不能准确的进行预测，所以不能做为注氮量的设计依据。
经过试验研究发现，工作面的防火注氮量消耗较小，难以确定数量，要根据经验公式计算和对比的方法进行确认，在实际生产中，再进行合理调整。而灭火工作的注氮量消耗就要远远大于防火消耗。有关公式如下：
=0.06143C
=采空区的灭火最小注氮量/min
=火区入风量/min
C=回风巷浓度，%
0.06143=火区的安全系数
根据公式计算可以得知，灭火氮量的消耗远远大于防火氮量的消耗，设计中，对灭火工作的氮量消耗要做出正确的判定。一般情况下，实际上很难保持长距离、连续、大量的输送氮气，所以一定要结合实际情况，参考防火氮量消耗，进行氮气防灭火系统的设计。需要使用大量氮气灭火时，要关闭其它防火区的用氮点，要针对灭火区集中使用氮气，而且要准备一定数量的液体氮，使灭火工作更高效。经实践证明：氮气的防灭火系统的设计和研究工作是经济合理的，可以推广使用。
5 结语
氮气防灭火技术已被我国采矿行业广泛使用，以其高效果、低成本、安全的优势，为采矿行业提供了防灭火的有效手段，再配合强化的管理，能够根治火灾。
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