煤自燃注惰滅火降溫特征的實(shí)驗(yàn)研究

吳兵 李鶴松 何越 郭懂宇 于英杰

摘 ?要：實(shí)驗(yàn)以木城澗無煙煤為研究對(duì)象，使用CO2和N2作為注惰防滅火氣體，開展注惰滅火降溫過程的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)設(shè)置空白對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組，在實(shí)驗(yàn)爐內(nèi)對(duì)升溫后的煤樣進(jìn)行注惰，最后對(duì)降溫過程中的溫度和氣體參數(shù)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果闡明：在降溫程序中，煤樣降溫效果與N2濃度成正相關(guān)，且N2高于30%后降溫效果顯著;另一方面，相同濃度的CO2降溫效果優(yōu)于N2，10%CO2實(shí)驗(yàn)組抑制降溫過程CO產(chǎn)生效果遠(yuǎn)優(yōu)于N2——即相同濃度下的CO2防滅火效果要好于N2。

關(guān)鍵詞：煤自燃;注惰滅火;程序降溫

中圖分類號(hào)：TD75 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

礦井火災(zāi)發(fā)生后，在直接滅火無效時(shí)，常采用對(duì)火區(qū)進(jìn)行封閉的方法對(duì)火勢(shì)進(jìn)行控制。封閉一段時(shí)間，滅火成功，之后為恢復(fù)生產(chǎn)，往往要對(duì)火區(qū)進(jìn)行啟封。啟封會(huì)導(dǎo)致正常空氣進(jìn)入，使火區(qū)氧氣含量增加，熱平衡被打破，很有可能引發(fā)火區(qū)自然復(fù)燃，甚至引發(fā)瓦斯爆炸。我國曾多次出現(xiàn)啟封失敗導(dǎo)致事故的情況，不得不對(duì)火區(qū)再次進(jìn)行封閉。

惰性氣體滅火這種常見的物理滅火方法，具有良好的抑爆效果。由于惰性氣體具有擴(kuò)散性和流動(dòng)性，不僅能夠撲滅明火火災(zāi)，還能繞過障礙物抵達(dá)所有自燃點(diǎn)，能夠抑制復(fù)燃的發(fā)生。煤礦大多采用注惰滅火技術(shù)，主要包括N2和CO2。

目前的現(xiàn)場研究多針對(duì)煤礦火區(qū)的抑制煤自燃的研究主要包括以下內(nèi)容。徐精彩[6]基于大量煤自燃事故的研究建立了煤自燃極限參數(shù)預(yù)測模型。任慧、孫繼平，等[7]人將礦井火災(zāi)圖像與溫度、煙霧、CO等多個(gè)反映火災(zāi)情況的指標(biāo)相聯(lián)系起來，對(duì)火區(qū)進(jìn)行綜合判斷。周福寶[8]結(jié)合煤自燃的內(nèi)因、煤自燃傾向性和自燃指標(biāo)氣體CO、CO2、O2、C2H2、C2H2提出了一種基于BP網(wǎng)絡(luò)的多參數(shù)火區(qū)復(fù)燃預(yù)測方法，并建立了預(yù)測模型。孫若山、王海燕等[9]從氣體信息采集和火區(qū)燃燒狀態(tài)的判斷技術(shù)2個(gè)方面提出了相關(guān)準(zhǔn)則，為礦井火區(qū)治理中正確分析判斷火區(qū)狀態(tài)和啟封條件提供參考。目前的研究中，對(duì)于降溫過程中的礦井火區(qū)各項(xiàng)指標(biāo)和趨勢(shì)的變化仍有局限性。前人對(duì)煤自燃實(shí)驗(yàn)的研究大多集中于氧化升溫及防滅火措施對(duì)于煤自燃的影響，對(duì)于使用注惰滅火，煤滅火降溫過程，各項(xiàng)參數(shù)的變化趨勢(shì)未做深入研究。該文對(duì)滅火燃燒注惰滅火特征進(jìn)行研究，首先，煤樣升溫至設(shè)定溫度，通入不同濃度和種類的惰性氣體，模擬礦井火災(zāi)的滅火過程，直至將煤樣溫度降至室溫，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。此期間對(duì)各實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)生的氣體、溫度等參數(shù)進(jìn)行分析比對(duì)，研究其變化趨勢(shì)，得出不同種類、濃度惰性氣體滅煤火的特點(diǎn)，從而對(duì)礦井火災(zāi)治理提出有效建議。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為中國礦業(yè)大學(xué)（北京）自主搭建的程序降溫檢測系統(tǒng)，分為進(jìn)氣系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)（控溫爐）、溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及束管監(jiān)測系統(tǒng)。

在注惰滅火過程中，進(jìn)氣系統(tǒng)使用N2氣瓶和CO2氣瓶，并與空氣壓縮機(jī)一起，用混氣罐將注入燃燒爐的氣體進(jìn)行預(yù)混，以便配置實(shí)驗(yàn)計(jì)劃所設(shè)置的一定濃度的惰氣。

溫度控制系統(tǒng)、溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括高溫電爐機(jī)柜、熱電偶和上位機(jī)客戶端。實(shí)驗(yàn)通過上位機(jī)客戶端對(duì)系統(tǒng)溫度變化速率和溫度節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，程序通過高溫電爐機(jī)柜輸出熱量到預(yù)熱管和加熱棒，按照設(shè)定的溫度使罐內(nèi)達(dá)到預(yù)設(shè)溫度;反應(yīng)爐通過數(shù)根K型熱電偶溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行采集和監(jiān)測如圖1所示，1#和2#熱電偶分別監(jiān)測加熱棒和預(yù)熱管溫度，3#和9#熱電偶分別測量進(jìn)氣口和出氣口溫度，4～8#熱電偶對(duì)煤體的不同位置進(jìn)行測量，間距55 mm，其中4號(hào)熱電偶所測為煤樣最接近加熱棒處的溫度，即實(shí)驗(yàn)中煤樣的最高溫度。上位機(jī)客戶端設(shè)置程序輸入高溫電爐機(jī)柜，后傳輸至加熱裝置，熱電偶采集溫度數(shù)據(jù)后輸回電爐機(jī)柜，反饋至PC客戶端，如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)使用紅外氣體分析儀器，使用JSG6型束管監(jiān)測系統(tǒng)，可對(duì)實(shí)驗(yàn)氣體體積分?jǐn)?shù)每秒進(jìn)行分析測定一次。該方法提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，節(jié)約了物力人力。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了充分研究利用氮?dú)夂投趸紲缑夯鸬牟町悾容^不同濃度N2的滅火效果，該實(shí)驗(yàn)設(shè)置了一個(gè)空白對(duì)照組和6個(gè)實(shí)驗(yàn)組。

空白對(duì)照組：100%空氣。

實(shí)驗(yàn)組。

10%N2+90%空氣

20%N2+80%空氣

30%N2+70%空氣

40%N2+60%空氣

50%N2+50%空氣

10%CO2+90%空氣

實(shí)驗(yàn)按照如下步驟進(jìn)行（以10%N2實(shí)驗(yàn)組為例）。1）將煤樣放入煤樣罐，設(shè)定程序升溫至400 ℃，關(guān)閉升溫系統(tǒng)，停止升溫，保持溫度監(jiān)測和氣體分析系統(tǒng)的正常工作。2）根據(jù)之前的計(jì)算，按照表1實(shí)驗(yàn)降溫過程實(shí)驗(yàn)參數(shù)，快速調(diào)節(jié)注入爐體的空氣氣體流速至360 mL/min，打開N2氣瓶，將轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)至31.29%，打開混氣罐中N2氣瓶和空氣壓縮機(jī)的閥門，CO2氣瓶的閥門保持關(guān)閉，開始注入體積分?jǐn)?shù)為10%N2的惰性氣體。3）持續(xù)關(guān)注注惰氣體系統(tǒng)各個(gè)部件的狀態(tài)，監(jiān)測氣體變化和溫度變化，并記錄時(shí)間。當(dāng)煤溫下降到室溫（15 ℃）后，首先記錄溫度從400 ℃降至15 ℃的時(shí)間，然后保存全過程氣體相關(guān)數(shù)據(jù)和溫度相關(guān)數(shù)據(jù)，關(guān)閉控溫系統(tǒng)開關(guān)，關(guān)閉氣瓶等各項(xiàng)進(jìn)氣系統(tǒng)開關(guān)，再依次關(guān)閉氣體監(jiān)測采集系統(tǒng)開關(guān)，最后保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，清理實(shí)驗(yàn)爐內(nèi)的殘煤，干燥瓶和冷卻瓶等。一組實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

降溫過程實(shí)驗(yàn)組相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表1。

各實(shí)驗(yàn)組載氣氣體組分構(gòu)成及體積分?jǐn)?shù)見表2。

20%N2，30%N2，40%N2，50%N2，10%CO2的注惰滅火降溫實(shí)驗(yàn)組條件和步驟與10%N2實(shí)驗(yàn)組一致，按照之前的計(jì)算，僅改變第（2）步中的注氣流量和種類即可，其他步驟不變。

將煤樣升溫至400 ℃后，開始實(shí)驗(yàn)的模擬滅火，即降溫過程，由于注入惰氣的氣體分子量與空氣的差異，實(shí)驗(yàn)所使用的轉(zhuǎn)子流量計(jì)通入不同氣體時(shí)，讀數(shù)是有誤差的，結(jié)合空氣流量校對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

方便起見，以下將10%N2+90%空氣，20%N2+80%空氣，30%N2+70%空氣，40%N2+60%空氣，50%N2+50%空氣，10%CO2+90%空氣實(shí)驗(yàn)組簡稱為10%N2，20%N2，30%N2，40%N2，50%N2，10%CO2實(shí)驗(yàn)組。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

降溫過程中煤樣的溫度變化：通過溫度控制和監(jiān)測系統(tǒng)，采集到煤樣從400 ℃降溫開始到降至室溫15 ℃的溫度隨時(shí)間變化，并將空白對(duì)照組中10%N2，20%N2，30%N2，40%N2，50%N2，10%CO2這7個(gè)實(shí)驗(yàn)組的溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)放置在一起進(jìn)行對(duì)比分析，其曲線如圖2所示。

由圖2可以得出：在正常降溫的情況下，僅提供正常組分的空氣，不注入惰氣，煤樣溫度由400 ℃降至室溫，需要850 min，降溫趨勢(shì)先快后慢，呈指數(shù)式下降，降溫速率不斷變慢，在最初降溫的0～250 min，400 ℃降至200 ℃時(shí)速率較快，速率接近1 ℃/min，而250 min后，由200 ℃降至室溫時(shí)，降溫速率逐漸變緩，最終用時(shí)850 min煤樣溫度才降到終點(diǎn)。

而使用一定濃度的N2降溫，將煤樣溫度由初始400 ℃降至室溫，10%N2實(shí)驗(yàn)組需要800 min，20%N2實(shí)驗(yàn)組需要790 min，30%N2實(shí)驗(yàn)組需要660 min，40%N2實(shí)驗(yàn)組需要580 min，而惰氣濃度最高的50%N2實(shí)驗(yàn)組僅需要530 min，將降溫時(shí)間縮短近一半。同時(shí)，N2濃度提升至30%后，降溫效果提升顯著，與之前的實(shí)驗(yàn)組和空白對(duì)照組相比，有明顯的的降溫效果，大大縮短了煤樣降溫的時(shí)間。隨著實(shí)驗(yàn)組N2濃度的提高，煤樣降溫效果越發(fā)明顯，其中50%N2降溫效果最顯著，可以認(rèn)為此時(shí)惰氣中的氧氣濃度逐漸下降至10%，使?fàn)t內(nèi)的煤樣處在窒息狀態(tài)，達(dá)到降溫效果。

為了研究不同滅火氣體在同一濃度下的滅火效果，實(shí)驗(yàn)選取10%濃度的CO2作為實(shí)驗(yàn)組，與10%N2降溫實(shí)驗(yàn)組和空白實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行比較，從圖2中可以看出。

10%CO2實(shí)驗(yàn)組的降溫曲線趨勢(shì)與N2類似，速率同樣是先快后慢，呈指數(shù)式下降，將煤樣溫度從初始400 ℃降至室溫需要690 min，與降溫時(shí)間為850 min的空白實(shí)驗(yàn)組相比，降溫時(shí)間減少了160 min，速率提高了19%，而10%N2實(shí)驗(yàn)組降溫時(shí)間為800 min，僅減少了50 min，速率僅提高6%;而10%CO2實(shí)驗(yàn)組與其他濃度的N2相比，介于降溫時(shí)間為790 min和660 min的20%和30%N2實(shí)驗(yàn)組之間，以10%CO2為惰氣的降溫效果，優(yōu)于10%和20%N2的實(shí)驗(yàn)組，其降溫效果甚至與30%N2類似。

4 結(jié)論

該方法對(duì)5個(gè)不同濃度的N2實(shí)驗(yàn)組和1組CO實(shí)驗(yàn)組降溫效果進(jìn)行了分析，得出2個(gè)結(jié)論。1）N2濃度越大降溫效果越好，且N2濃度達(dá)到30%之后降溫效果更為明顯，其中50%N2實(shí)驗(yàn)組更是將降溫時(shí)間由自然狀態(tài)下的850 min縮短至530 min，縮短將近40%。2）相同濃度CO2的氣體抑制CO生成效果遠(yuǎn)高于相同濃度的N2實(shí)驗(yàn)組。

CO2熄滅煤火，將降溫時(shí)間由800 min縮短至690 min，降溫更快且抑制CO生成效果更為明顯。10%CO2的氣體抑制CO生成效果遠(yuǎn)高于相同濃度的10%N2實(shí)驗(yàn)組，其效果甚至優(yōu)于50%N2實(shí)驗(yàn)組。

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