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1、注惰对封闭火区气体的影响摘要：封闭火区注惰是常见的灭火方法，惰气的注入必然对区内气体运移产生影响。本章将总结常用的惰气种类及优缺点，并对注惰方式进行分类;从惰气对可燃气体爆炸极限、最小助燃氧浓度、温度作用等方面研究注惰对区内可燃气体的惰化作用;着重研究注入惰气对封闭火区漏风以及气体层运移的影响，推导注入惰气封闭火区气体浓度变化的计算公式，得出注惰诱发次生爆炸的条件;建立描述火区封闭注惰过程中各物理参数动态变化的数学模型，并给出求解该模型的定解条件。关键词：封闭火区，惰气，影响1引言通过对矿井封闭火区气体运移规律的分析可知，瓦斯等可燃性气体随烟气层运移并在运移过程中不断积累，造成封闭火区爆炸危险
2、性的增大;漏风速度在较大的情况下能局部缓解可燃气体浓度但是同时又提高了封闭区内的氧气浓度，起到增大爆炸危险性火势的作用，并且不利于快速熄灭火区恢复生产。惰性气体是一种较为普通的矿井防灭火方法，其作用机理是降低火区空气中氧气和可燃气体的相对浓度液态惰气(C02，N2)还具有冷却炽热烟流和着火带的作用。从而减小火势，防止瓦斯爆炸;注氮可以提高烟雾中作业的能见度，降低火区温度，便于直接灭火作业;向封闭火区适当位置注入惰气，有助于调节火区内风流流动方向，促使烟气流向回风巷，防止进风巷受烟流侵入，又不至于因风量增加加剧着火带的火势。惰气从注惰口以一定的速度注入封闭火区必然对区内气体的运移产生影响。在近年
3、的矿井火灾救灾实践中，出现了封闭火区注入惰气引发此生爆炸的案例。因此，研究注惰对封闭火区气体运移的影响将对矿井火灾防治具有重要意义。2注惰灭火概述在防灭火实践中，对于惰性气体的定义与化学对惰性气体的定义不尽相同。惰气是指不参与燃烧反应的单一或混合的窒息性气体，其中可能含少量氧气。最常用的防灭火惰气是燃气、氮气和二氧化碳，近儿年，有研究表明利用蛋白质泡沫等作为添加剂，与氮气一起注入采空区(或火区)可提高防灭火效果。二氧化碳在防灭火工作中被称为惰气是取其不可燃性。2.1惰气优缺点比较1)二氧化碳(CO2)二氧化碳相对于空气的比重是 1.52，这使得它特别适用于低位置的火区火灾扑救，如下山掘进工作头
4、，倾斜巷道底部的火灾扑救。不过，由于其密度比空气大，不适于高位或平巷的火灾救灾。在实际注惰操作中，二氧化碳是以液态的形式通过管道注入到火区的，这样有时会引起管道冻结现象。二氧化碳作为惰气用来灭火还有一些其他的缺点，如易溶于水，在潮湿，有积水的巷道减弱了它的灭火效果。再者就是，它甚至比瓦斯易被煤和燃烧生成的焦炭所吸附，在炽热的燃料表面易生成一氧化碳，即发生炉煤气反应C+CO22CO，带来新隐患。另外，二氧化碳产生量不大，成本比制氮更高。在建筑火灾中二氧化碳也列入可接受的全淹没灭火剂。和其它惰性气体一样，二氧化碳通过将氧气稀释到巧%以下而达到灭火作用，二氧化碳的灭火浓度至少为30%。在空气中，如此
5、高的二氧化碳浓度是致命的。虽然在15分钟暴露时间内，导致50%的测试动物死亡的二氧化碳致死浓度LC50为65.8%，但是，在空气中致人死亡的二氧化碳最低浓度Lco:为:5分钟内9%或一分钟内10%。全淹没系统中二氧化碳的使用必须满足美国职业安全和健康管理 (OSHA1910.162(b)5)和美国消防协会 (NFPA12)制定的标准。2)氮气(N2)氮气相对空气比重近似，惰化能力小于二氧化碳，但氮气不易分层，不易溶解于水，在流动路线上不易损耗。液氮是井下防灭火中广泛应用的一种惰气，一个20t容量的液氮可以产生16500m3的气态氮，而同样容量的液态二氧化碳只能产生 9000m3气态二氧化碳。所
6、以其相对注入速率大得多。由于液氮的沸点较低，当它通过管道注入到火区后，常预先气化。液氮是制氧的副产品，常比液态二氧化碳便宜。同时，由于其与空气比重相差不大，注氮不易在火区内形成分层，不像二氧化碳那样，受着火带标高和位置的限制，适于不同位置火灾的扑救。液态惰气温度低，比气态惰气具有更好的灭火效果。由于氮气沸点较低，液氮的温度比液态二氧化碳温度低得多，所以灭火效果更好，但只有设法使液氮直接注入着火带才能发挥良好效果。若使用不当。会在其他位置形成一片冰海，不仅不能对着火带起惰化冷却作用，而且会阻塞注氮钻孔而浪费人力、物力和时间。氮气的灭火机理属于物理灭火，即通过吸热和降低空间中氧浓度来达到灭火的目的
7、。对于大多数可燃物而言，只要空气中的氧的体积浓度降到12一14%以下时，燃烧就会终止。通过将一定剂量的氮气注入着火区域，使注入火区的氮气体积在火区的浓度达到35一50%时，将火区中氧含量体积浓度降低为14一10%，实现火区空气的惰化，从而达到灭火的目的。3)燃气火区封闭后，由于燃烧耗氧及生成物的影响，火区内可能形成窒息性空气，由于瓦斯的不断涌出，如果火区不断有新鲜空气的补充，则会形成爆炸性气体。通过煤、燃油完全燃烧后的生成物(含有二氧化碳，氮气和少量水蒸气)可以作为惰气用来灭火。不过应用燃气的灭火缺点是，冷却过程需要大量的水;气体含有少量一氧化碳和氢气，影响正确分析火源的状况;成本较高且对操作
8、和维修燃气发生装置的人员技术水平要求较高，燃气应用曾在我国盛行，后来也被用于波兰、前苏联和捷克斯洛伐克。2.2注惰的方式及分类氮气防灭火技术的关键因素是氮气的制取和输送，即产氮和输氮。国外煤矿防灭火使用的氮气大都是由专门生产氮气或液氮的工厂供给，根据煤矿的需要将液氮储槽、槽车、液化器等设备提供给用户或者将氮气输送管路铺设到煤矿，同时也研制了大型的制氮设备，氮气的来源主要是从空气中分离，分离方法主要有:利用氮和氧的沸点不同分离氮和氧的深冷空分法，这种方法一般用一于大规模地制取氮气;根据固体表面吸附理论，运用变压吸附原理，在常温和定压下，把空气分离的分子筛空分法;利用有机高分子膜对各种气体具有不同
9、的渗透能力而进行空气分离的膜空分法。注惰系统根据注惰装置的安装与运移方式的不同可分为井上固定、井上移动和井下移动三种。注惰方式根据采区开采条件，可分为拉管式、埋管式、钻孔式旁路式。初采工作面一般采用埋管式注惰，在工作面下顺槽内铺设注惰主管路，随着工作面向前推移，依次打开注惰口进行注惰。钻孔注惰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己预先掘出等场合。旁路式注惰是无煤柱开采有复合采空区注惰防灭火时的一种特殊方式。注惰方法按注惰区域的封闭情况可分为封闭式注惰和开放式注惰，按照注惰时间间隔情况可分为连续式注惰和间歇式注惰，按照注惰位置可分为一点式和多点式注惰。此外，按照注惰与工作面开采的
10、关系又可分为随采随注和采前预注(针对工作面上方的采空区)两种方式，一般常用的是连续式随采随注方法3注惰的抑爆作用注惰抑爆是通过向可燃气体一空气混合物中人为加入一定量的惰气介质，如氮气、二氧化碳、燃气等，根据爆炸的链式反应机理在可燃气体中充注惰性气体，惰性气体代替原来的部分可燃气体，使可燃气体在较低的浓度范围，这样在氧化反应中可燃气体的浓度不足，则不能产生足够的自由基，从而使反应链的数目减小，可燃气体的氧化反应速率降低，爆炸反应不易发生。在可燃气体一空气混合物中注入惰气能有效防止爆炸事故的发生，提高生产过程或事故救灾的安全性。3.1矿井可燃气体爆炸条件矿井火灾发生的原因多种多样，但燃烧的发生需要
11、具备三个条件:燃料、供氧和热源，当可燃气体发生火灾时，可燃气体一旦达到爆炸极限内就会发生爆炸。因此，降低可燃气体的浓度，减少封闭火区的供氧是熄灭矿井火灾、预防可燃气体爆炸的重要手段。对于矿井火灾，可燃物是矿井火灾发生的物质基础，在煤矿矿井里，可燃物主要包括煤、坑木、可燃性气体、各种油料和炸药等;可燃物在开始燃烧之前，必须具有一定的温度和足够热量的热源才能引起火灾，矿井内常见的热源有煤的自燃、瓦斯煤尘燃烧爆炸、放炮作业、机械摩擦、电流短路、吸烟、烧焊及其他明火;燃烧是一种剧烈的氧化过程，因此必须有足够的氧气供给才能维持氧化燃烧的持续进行，实验证明，在氧气浓度为3%的空气环境里燃烧不能持续进行，氧
12、气浓度在12%以下时，瓦斯失去爆炸性，氧气浓度在14%以下时，蜡烛就会熄灭。对于煤矿火灾，降低氧气浓度也是防止和扑灭火灾的重要方面。其临界氧浓度(能有效阻止煤自燃发生的最低氧浓度)因煤种、煤质的不同而异，实际生产过程中该参数的确定必须针对具体的煤层进行一系列模拟实验，综合分析得出，不可等同视之。煤矿存在有大量的可燃物，如煤炭坑木、皮带、电缆胶管及杯斯等等，矿井上下凡有人员活动的地方必然有充分高的氧气，如果由于工人操作不慎或其它偶然因素而产生火花，即可引起火灾。3.2注惰对可燃气体爆炸极限的影响3.2.1爆炸极限的概述可燃气体的爆炸极限是可燃气体与氧气在一定内均匀混合，形成预混气，遇着火源发生爆
13、炸的浓度范围，又叫作爆炸浓度极限。可燃性混合物能够发生爆炸的最低浓度和最高浓度，分别称为爆炸下限和爆炸上限，可燃性混合物的爆炸极限范围越宽、爆炸下限越低和爆炸上限越高时，其爆炸危险性越大。当可燃气体的浓度接近于反应当量浓度时，具有最大的爆炸威力。表1是根据实验得出的压强 101.3kPa，温度25条件下的煤矿常见可燃性气体的爆炸界限。可燃气体爆炸极限受初始温度、系统压力、惰性介质含量、存在空间、器壁材质以及点火能量的大小等因素的影响会发生变化:初始温度升高，爆炸下限降低、上限升高，爆炸极限范围增大;压力增大，爆炸极限范围越大;容器、管子直径越小，则爆炸范围就越小;点火能的强度高、热表面的面积大
14、、点火源与混合物的接触时间不等都会使爆炸极限扩大;除上述因素外，混合系接触的封闭外壳的材质、机械杂质、光照、表面活性物质等都可能影响到爆炸极限范围。这是因为爆炸极限越宽则出现爆炸条件的机会就多;爆炸下限越低则可燃物稍有泄漏就会形成爆炸条件;爆炸上限越高则有少量空气渗入容器，就能与容器内的可燃物混合形成爆炸条件。煤矿常见可燃气体的爆炸上下限(25) 表1爆炸极限（%）气体名称化学符号空气中氧气中下限上限下限上限甲烷CH45155.161已烷C2H63.2212.45丙烷C3H82.49.52.352氢气H2474.2494一氧化碳CO12.57515.594硫化氢H2S4.3245.5乙烯C2H
15、42.7528.6380戊烷C5H121.47.8火区内的温度一般很高，因此，实际计算火区内可燃性混合气体爆炸界限时，应根据实测火区内的温度及火区内各种可燃性气体的成分，对表中所列数据按下式进行温度校正:NLT=NL*1-721*(t-25)/106NUT=NU*1+721*(t-25)/106式中，NLT、NuT一一分别为各可燃性气体在t时的爆炸下限和上限;NL、Nu一一分别为各可燃性气体在25时的爆炸下限和上限包含有两种或多种可燃气体的混合气体的爆炸极限可以应用里查特里尔准则来分析。设混合气体中含有n种可燃气体，其爆炸极限分别为Ni(1=1，2n)，其体积百分比浓度分别为Pi，混合气体中可燃气体总浓度为PT，爆炸极限为LT，按里查特里尔准则，则多种可燃气体的混合气体爆炸极限可由下式计算:PT/L=Pl/Ll+P2/L2+P3/L3+Pn/Ln3.2.2注惰对爆炸极限的影响图1至4分别为加入惰性气体(C02、N2对H2，CO和CH4)三种不同可燃气体爆炸性上下限影响CO2，N2加入对H2混合气体爆炸极限的影响 图1从图1至3中可以看到:随惰性气体(Co2、N2)的增大，可燃气体(H2、CO、CH4)爆炸极限逐渐缩小，交汇成一点，即失爆点，并且爆炸上限的下降幅度明显大于下限的增长幅度，说
