《煤矿安全》 课 程 教 案
第六节 阻化剂防火与氮气防灭 一、阻化剂防火 阻化剂防火就是把一些吸水性很强的盐类物质制成溶液喷洒在煤壁、浮煤上或注入煤体之内,起到增加煤体的外在水分,降低煤体温度;并形成液膜包围煤块,并从空气中吸收水分,使煤表面较长时间处于湿润状态,隔绝与氧气的接触;降低煤在低温氧气时的速度,延长煤的自燃发火期的作用。 (一) 阻化效果 阻化剂的阻化效果用阻化率和阻化寿命来衡量。 1.阻化率 阻化率是衡量阻化剂阻化效果的一个指标,可在实验室测定,并用下式计算: (14—17) 式中 E ——煤的阻化率,%; A、 ——分别为原煤样和经阻化剂处理后的煤样在规定的实验条件下氧化5小时放出的CO(P.P.M)或SO2(mg)低硫煤测CO,高硫煤测SO2。 阻化率越大, 说明阻化剂对煤氧化阻止作用越大。 2.阻化剂的阻化寿命 阻化剂喷洒在煤体表面后,从开始生效至失效所经过的时间叫阻化剂寿命,用 表示,单位为月。单位时间内阻化率下降值叫阻化剂的衰减速度,以V表示,单位为%/月。阻化剂寿命可用下式表示: (4—18) 式中 E ——煤的阻化率,%; A、 ——分别为原煤样和经阻化剂处理后的煤样在规定的实验条件下氧化5小时放出的CO(P.P.M)或SO2(mg)低硫煤测CO,高硫煤测SO2。 阻化寿命是一个重要指标。为了达到预防自然发火的目的,阻化寿命不应小于自燃发火期。阻化寿命可以通过二次或多次喷洒以及保持环境具有较高的湿度等措施来延长。 阻化剂的效果与被喷洒的煤牌号、阻化剂种类及其溶液浓度和使用的工艺有关。 (二)阻化剂选择 选阻化剂时应注意: (1)来源广,货源充足,购置方便,价格便宜; (2)阻化率高,阻化寿命长; (3)配置容易,井下使用操作方便,工艺过程简单,对金属无腐蚀性; (4)对人身体无害,不污染环境。 我国常使用的阻化剂有CaCl2 、MgCl2 及卤块 NH4Cl ,AlCl3等。阻化剂浓度需经实验确定,一般为15%~20%之间,但最低不应低于10%。 (三) 阻化剂防火工艺 1.阻化剂的压注喷洒系统 阻化剂压注喷洒系统有永久式,半永久式和移动式三种。 (1) 永久式 在地面建立永久性的贮液池,从贮液池铺设一趟管道到采煤工作面上下口。利用静压(或泵加压)进行喷洒或压注。这种系统适用于井下范围小,采煤工作面距地面较浅的矿井。 (2) 半永久式 在采区上下山或硐室内设置贮液池和注液泵,从注液泵出口到采煤工作面上、下口铺设管道。阻化液从贮液池经加压泵输送到工作面顺槽,经喷洒软管和喷枪,喷洒在采空区浮煤上;或经软管,注液钻孔,压注于煤体或发热区。半永久式压注喷洒系统为一个采区或一个区域服务。
贮液箱和注液泵安装在平板车上,放置在采煤工作面的顺槽中,距工作面50m左右。经过输液管将阻化剂液输送到工作面进行喷洒。 2、防火方法 (1) 压注阻化剂防火 对于巷道帮壁出现的高温处、采煤工作面开切眼外侧煤壁、停采线煤壁等易发生自燃的地点,打钻孔注入阻化剂,以防止发火。 (2)采煤工作面采空区喷洒 采煤工作面放顶后,人工拉上洒浆管沿工作面向采空区浮煤上喷洒阻化剂,如图4—23所示。 工作面一次喷洒药液量的计算: V =K1K2LSHA/γ (4—19) 式中 V——采煤工作面一次喷洒阻化剂的药液量,M3;
K2——采空区遗煤容量,t/m3;采遗煤煤样实测; L——工作面长度,m; S——一次喷洒宽度,m; H——遗煤厚度,m; A——遗煤吸药量,t/t;在采空区采取煤样,由试验确定; γy——阻化液容重,t/m3。 (3) 汽雾阻化 采空区充填不实,空隙大,漏风多的综采工作面有护顶煤、顶板夹有不可采的薄层时,在采煤工作面下隅角设置雾化喷嘴,将阻化剂雾化后,经漏向采空区的风流带入采空区内,在重力、静电力等力作用下,降落附着在浮煤上,如图4—24所示。 二、氮气防灭火 氮气防灭火就是利用氮气不燃烧、不助燃的性质来隋化采空区或火区,防止自然发火或灭火。 1.氮气防灭火的原理 氮气注入采空区或火区后,可置换出空气,氧气含量下降,使采空区或火区的浮煤缺氧而处于窒息状态。若注入液态氮,液氮汽化,吸收大量的热量,不但可降低氧气含量,而且降低了气体、浮煤和围岩温度。 2.氮气的制取与输送 氮气的制取方式有深冷空分法、分子筛变压吸附法和膜式空分法三种。目前煤矿用的制氮设备有:以膜分原理制成的井下移动式制氮装置和以分子筛变压吸附法原理制成的地面固空式、地面和井下移动式制氮设置。氮气的输送一般用无缝钢管。 3.采煤工作面注氮工艺 (1)工作面采空区埋管注氮 在工作面进风顺槽外侧巷道帮敷设无缝钢管,并埋入采空区内,每隔一空距离预设氮气释放口,释放口罩上金属网并用石块或木垛加以保护。如图4—25所示。为了减小氮气泄漏,在工作面上下隅角建立隔墙。
(2) 采煤工作面采空区全长注氮工艺 从工作面进风巷或回风巷铺设一趟管道,通过固定在支架上的铠装软管,按一定间距安设一伸向采空区的毛细钢支管,毛细管拴在支架上,随工作面移架而向前移动。如图4—26。这种布置,采空区注氮均匀,无管材消耗,适合不同自燃发火程度的工作面注氮需要。 (3) 钻孔注氮工艺 从采空区附近的巷道内向采空区打钻,利用钻孔注入氮气。沿工作面推进方向一般每隔30m左右布置一个钻孔。 4.氮气防灭火注意事项 氮气防灭火易发生氮气泄漏,如控制不善,不但起不到防灭火作用,反而会污染环境,对人产生危害。因此,使用时,需注意以下事项: (1)注入的氮气浓度不得小于97%; (2)注氮前先检查注氮区的漏风情况。用六氟化硫SF6示踪气体,检查漏风,找出漏风地点并进行堵漏; (3)注氮过程中,在工作面上、下隅角每隔一空距离建立隔离墙,以防注入采空区的氮气泄入工作面影响注氮效果和危及人身安全; (4)工作面采用均压,尽量减小进回风顺槽之间的压力差; (5)建立完善的束管监测系统,在注氮的采煤工作面采空区内设置束管监测探头,连续监测CO、O2、CH4、CO2等气体浓度。
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第七节 矿山灭火技术
一、 发生火灾时的风流控制 1.火风压及其特性 矿井发生火灾时,高温火灾气流流经的井巷内空气成分和温度发生了变化,从而导致空气密度减少,产生附加的自然风压即火风压。根据自然风压的计算公式可导出火风压的计算公式: (4—20) 式中 ——火灾时的火风压,Pa; Z——火灾气体流经的井巷始末两点的标高差,m; ——火灾前后井巷内的空气平均密度,Kg/m3。 火风压的特性: (1)火风压出现在火灾气体流经的倾斜或垂直的井巷中。Z愈大,火风压值也越大。在水平巷道内,标高差很小时,火风压极小。 (2)火风压的方向总是向上。因此,上行风路中产生的火风压方向与主要通风机风压方向相同;下行风路中产生的火风压方向与主要通风机风压方向相反。 (3)火势愈大,温度愈高,火风压也愈大。 矿井火灾时,火源温度(1000oC`~2500oC)和火源下风侧井巷的空气温度变化很大,要精确地计算出火风压值十分困难。但是,根据火灾发生的地点、火风压的特点和原有的通风状况,判断可能发生风流逆转的巷道,采取正确的稳定措施,则是完全必要和可能的。
如图4—27所示,在采区一翼的上行风流中发生火灾时,从进风井——Ⅰ风路——回风井为主干风路,Ⅱ风路为旁侧支路。当火风压相对于主要通风机在该风路上的风压较小时,风路I、II仍保持发火前的原风向,只是Ⅰ风路风量增加,Ⅱ风路内风量减少;随着火势的发展,火风压增大,当火风压达到某一临界值,II风路风流停止流动。随后在II风路中即可观察到火烟的退流,即新鲜风流从巷道断面的下部保持原有风向往上流动,而火烟在巷道断面上部逆着风流方向下涌造成滚动,这种现象叫烟流逆退,是II风路风流反向的前兆。当火风压超过临界值时,II风路中风流反向,这种现象叫做旁侧支路风流逆转。这时I风路中的烟气就流入II风路,造成灾区扩大,威胁II风路中人员的安全。 当火势迅猛,生成的烟气量大,火源下风侧排烟受阻时,在火源的上风侧风路中也能发生烟流逆退。 为了防止旁侧风路II风流逆转,保持主要通风机的正常运转,在I风路的火源上风侧巷道建立防火墙T,减少I风路的风量,以减小火风压。 防止主干风流发生烟流逆退的措施:减小主干风路排烟区段的风阻;在火源下风侧使烟流短路排至总回风;在火源的上风侧巷道的下半部构筑挡风墙,迫使风流向上流,并增加风流的速度。挡风墙距火源5m左右;也可在巷道中安装带调节风窗的风障,以增加风速。 火灾时的风流控制措施 矿井发生火灾时,为了保证人员的安全撤出,防止火灾烟气到处蔓延和瓦斯爆炸,控制火灾继续扩大,并给灭火创造有利条件,采取正确的控制风流措施,是非常重要的。控制风流的方法有: (1)保证正常通风,稳定风流; (2)维护原风向减少供风量; (3)停止主要通风机工作或局部风流短路; (4)风流反向。 一般情况下,火灾发生在总进风流中(如井口房、进风井筒、井底车场或总进风道)时,应进行全矿性反风,阻止烟气进入采区。对于中央并列式通风的矿井,在条件许可时也可使进、回风井风流短路将烟气直接排出。 当火灾具体位置范围、火势受威胁地区等情况没有安全了解清楚时,应保持正常通风。当采用正常通风会使火势扩大,而隔断风流又会使火区瓦斯浓度上升时,应采取减少风量的方法通风。 火灾发生在总回风流中(如总回风巷、回风井底、回风井内或井口等)时,维持原方向,将烟气排到地面。 火灾发生在进风井筒或进风井底,由于条件限制不能反风,又不能让火灾气体短路进入回风时,可停止主要通风运转,并打开回风井口防暴门,使风流在火风压作用下自动反风。 采区内发生火灾时,风流调度比较复杂,首先应注意风流逆转,一般不采取减风或停风措施。若有局部反风设施时,应进行局部反风。 机电调室发生火灾时,通常以关闭防火门或修筑临时密闭墙来隔断风流。 采取控制风流措施时,必须十分注意瓦斯的情况。如在瓦斯矿井实行反风或风流短路时,不允许将危险浓度的瓦斯送入火区;停风措施易使瓦斯集聚到爆炸危险浓度,应特别慎重。 在多数情况下,发生火灾时应保证正常通风,稳定风流。稳定风流就是保持矿井正常通风系统不为火灾所改变。经验证明,处理火灾时期,如果通风正常,风流能为人们所掌握,则为灭火提供了可靠的保证,同时对保护井下人员的安全也有重要作用。 二.直接灭火技术 用水、砂子等灭火材料以及挖除火源等来直接扑灭火灾的方法叫直接灭火法。 1.用水灭火 1) 水的灭火作用 水有很大的吸热能力,能使燃烧物降温冷却;水与火接触后生成大量水蒸汽,稀释空气中的氧浓度,并使燃烧物与空气隔绝,阻止燃烧;强力水射流能压灭燃烧的火焰。 2) 用水灭火时的注意事项
用水淹没采区或矿井的灭火方法,只能在万不得已时使用. 2.用砂子或岩粉灭火 把砂子或岩粉直接抛撤在燃烧物体上能隔绝空气,将火扑灭。通常用来扑灭初期起的电气设备火灾与油类火灾。 砂子或岩粉成本低廉,灭火时操作简便。因此,机电硐室、材料仓库、炸药库等地方均应设置防火砂箱或岩箱。 3.用化学灭火器灭火 (1)泡沫灭火器 如图4-28所示的泡沫灭火器。使用时将灭火器倒置,使内外瓶中的酸性溶液和碱性溶液互相混合,发生化学反应,形成大量充满CO2的气泡喷射出来,覆盖在燃烧物体上隔绝空气。在扑灭电器火灾时,应首先切断电源。 (2) 干粉灭火器
煤矿井上下使用的干粉灭火器有灭火手雷和喷粉灭火器。灭火手雷装药粉1Kg,总质量约1.5Kg,灭火的有效范围约2.5m。使用时将护盖拧开,拉出火线,立即用力投入火区,同时注意隐蔽,防止弹片伤人。 喷粉灭火器(图4—29)在一钢制的机筒内装有一定量药粉,在筒内或筒外的小钢瓶中装有液态CO2,以此为动力,把药粉喷洒射出去。使用时,将灭火器提到现场,在离火源7m~8m的地方将灭火器直立于地上,然后一手握住喷嘴胶管,另一手打开开关,将筒内的药粉喷向火源。 4、高倍数泡沫灭火器
图4—30为BGP-200型防爆对旋电动发泡机,它由对旋式风机1、泡沫发射器2、潜水泵3及管路4组成.当潜水泵在水桶6中吸水时,同时将泡沫液从桶5中吸入泵内,在出水管4中混合,由旋叶式喷嘴7喷出,洒在双层棉线网8上,经风机吹动,即生成大量泡沫,借风流推动送入火区。 高倍数泡沫灭火速度快、效果好,可以给发泡机前端接上风筒,把泡沫送入较远的火区,而且火区恢复生产容易,适应于井下各类巷道、硐室等较大规模的火灾。对采煤工作面采空区和煤壁内的火灾不便采用。 5.挖除火源 将已燃的煤炭(或已发热的煤炭)挖取出来,运往井外,遗留的空间用不燃性的材料如黄土、砂子等充填。这种方法适应于自燃初起,范围小,人员能接近的火源。 挖除火源前先用水喷洒冷却火源后,再逐步挖出.在瓦斯矿井挖除火源时,必须随时检查火源附近的瓦斯浓度,采取需要的安全措施。 三、隔绝灭火技术 用直接灭火不能扑灭的火灾,为了控制其继续发展,必须迅速将通往火源的所有进回风巷道全部封闭,隔绝空气;封闭后的火区在继续消耗其内的氧气同时,产生的惰性气体(CO2与N2)浓度逐渐增加,使火区因缺氧气而熄灭。这种灭火技术称为隔绝灭火技术。
封闭火区的密闭墙叫防火密闭墙,也叫防火墙。按其存在的时间长短和作用分为临时密闭墙、永远密闭墙和防爆密闭墙三种。 1.临时性密闭墙 为了控制火势发展,暂时切断风流而建造的密闭墙叫临时性密闭墙。其建造要求结构简单,速度快,具有一定的密闭性,尽量靠近火源。常用的临时性密闭墙一般在建造地点打几根立柱,立柱上钉上木板,木板上涂黄泥、石膏等以增加其严密性,如图4—31所示。 此外,还可用一些轻质材料快速建造密闭墙来封闭火区。如泡沫塑料密闭墙、石膏密闭墙、充气密闭墙等。 泡沫塑料密闭墙是以聚醚树脂和多异氰酸脂为基料,另加几种辅助剂,分成甲乙两组按一定的配比组合,经强力搅拌,由喷枪喷涂在密闭地点挂的草帘、麻布等透气织物的底衬上,几秒钟后即发生成型,形成气密性良好的密闭墙。能在120℃条件下,连续2h不变形。 石膏密闭墙是以石膏为基料,加一些助凝剂经搅拌喷洒在密闭地点,成型后形成的密闭墙。
2.永久性防火墙
木段密闭墙是用0.5m—1.0m长的短木和粘土堆砌而成,适用于地压较大且不稳定的巷道内。 砖或料石密闭墙(图4—32),用红砖或料石及水泥砂浆砌筑而成。适用于顶板稳定,地压不大的巷道。为了增加其耐压性,可在中间加入木砖。 混凝土密闭墙是用混凝土浇筑而成。混凝土密闭墙抗压强度大,不透气,耐热性好。 建造永久性防火墙时,先要在周围巷壁上挖0.5m~1.0m的深槽,并在墙的外侧和深槽的四周涂抹一层粘土或沙浆,巷道壁上的裂隙也要封堵。密闭墙内外5m~6m的巷道应加强支护。在墙的上、中、下三个部位插入直径35mm~50mm的铁管,作为采取气样和检查温度、灌注泥浆、放出积水之用。铁管外口用软木或闸门封堵,以防漏风。 在围岩破坏严重、地压大的地区,一道密闭墙往往起不到封闭作用,可采用充填型密闭墙,如图 4—33所示,先充填3m~5m的黄土、沙子或电厂飞灰等材料,再砌筑永久密闭墙。不但有良好的密封性,而且有抗动压和防爆作用。
封闭有瓦斯爆炸危险的火区时,需要建筑防爆密闭墙。防爆密闭墙常用沙袋或土袋堆砌而成。如图4—34。其厚度一般为巷道宽度的两倍。堆砌后用木楔把顶部沙袋打紧,然后在其保护下砌筑永久性防火墙。 (二) 封闭火区的顺序 封闭火区的顺序有三种: 1.先进后回 先在火区的进风侧建立临时封闭墙,切断风流,控制与减弱火势,然后再从回风侧封闭。在临时密闭墙的掩护下,建永久密闭墙。这种封闭顺序适用于无瓦斯爆炸危险火区。 2.先回后进 先在火区回风侧建立密闭墙,再封闭进风侧,以便及时控制火焰蔓延,保护回风侧人员安全。 3.进回同时 在火区的进回风侧同时建立临时密闭墙,以利于防止瓦斯爆炸,但施工要求比较严格。 选择封闭顺序时,应结合火区瓦斯情况,一般应优先选用进回同时封闭顺序,其次是先进后回,先回后进的封闭顺序应慎用。 (三) 封闭火区时的防爆措施 封闭火区时,为了防止瓦斯爆炸,应采取以下措施: 1.合理选择封闭顺序 有瓦斯爆炸危险时,一般应选用进回风侧同时封闭的方法,在统一指挥下,同时封闭进回风侧密闭墙上的通风口。 2.合理选择封闭位置 密闭墙尽可能靠近火源,封闭区不得存在漏风口。 3.加强火区气体成分的检测,正确判断瓦斯爆炸的危险程度。 4.正确选用防爆密闭墙 建造防爆密闭墙时,边通风,边检测,边建筑,迅速封口,迅速撤离人员。 5.向火区充惰性气体 封闭火区时向火区注入大量氮气或其它惰性气体,以降低氧气浓度,使瓦斯因缺氧失去爆炸性。 四、联合灭火 封闭后的火区,再采取灌浆、均压、注惰性气体等其它灭火手段,以加速其熄灭的方法,叫联合灭火。 1.灌浆灭火 灌浆灭火的方法与灌浆防火的方法基本相同。通常从密闭墙上的灌浆孔灌浆,或从地面,或井下巷道向封闭的火区打钻灌浆。灭火效果取决于火源位置的确定和钻孔的布置。钻孔的布置应能使大量泥浆能到达火源,并在周围形成泥浆防护带,阻止火灾蔓延。 2.惰性气体灭火 煤矿灭火用的惰性气体有N2、CO2、炉烟等,大多数采取氮气灭火。 氮气灭火有两种方式,即气氮灭火和液氮灭火。目前有些矿井有制氮设备和输氮系统,可向封闭的火区内注入大量氮气,加速火区熄灭;液氮灭火,可用槽车从制氧厂运输液氮,在井口地面将其汽化,通过井筒、巷道中敷设的管路,将氮气压入火区密闭墙内;或在地面将槽车中的液氮用泵压入适宜井下运输的贮罐中,运往井下,在火区的附近选定地点,将液氮或气液两相氮通过管路直接注入火区。 3.均压灭火 均压灭火见第五节闭区均压。 4.凝胶灭火 凝胶灭火的原理工艺见第四节。 五、火区管理与启封 (一) 火区管理 火区封闭后,应加强管理,促使其熄灭。具体做法有: 1.火区编号,建立档案 每一火区都要按时间顺序予以编号,建立火区管理卡片和绘制火区位置关系图,由矿井通风部门永久保存。 2.火区管理卡片 火区管理卡片上要详细记录发火日期、原因、位置、范围、密闭墙的厚度、建筑材料、灭火处理过程、灌浆量以及空气成分、温度、气压变化等情况,并附火区位置示意图。 3.井下所有永久防火密闭墙编号管理 所有永久防火密闭墙都必须统一编号,墙前设栅栏,悬挂警标,禁止人员入内,并悬挂记录牌,记录墙内外的空气成分和浓度以及墙内的温度。 4.加强检查工作 密闭墙内的温度和空气成分应定期检查,封闭火区的密闭墙,必须每天检查一次,瓦斯急剧变化时,每班至少检查一次。所有检查结果都要记入防火记录簿中。密闭墙的检查与管理按《规程》和通风质量标准的要求进行检查管理。若发现防火密闭墙封闭不严或破坏以及火区内有异常变化时,要及时采取措施进行处理。 (二) 火区启封 1.火区熄灭的条件 封闭的火区只有具备下列条件时,方可认为已经熄灭,可以启封: (1) 火区的空气温度下降到300C以下,或与火灾发生前该区的日常空气温度相同; (2) 火区的空气中的O2下降到5%以下; (3) 火区内空气中不含CO,或在封闭期内CO 逐渐下降,并稳定在0.001%以下; (4) 火区的出水温度低于25℃,或与火灾发生前该区的日常出水温度相同; (5) 上述四项指标持续稳定的时间不得少于1个月。 2.火区启封方法 经长期的火区气体与温度的观测,确认火区已经熄灭后,方准启封。启封前先要制定措施。 启封前先由救护队员在锁风状况下进入火区侦察,测定火区内气体成分和温度状况,并检查巷道及其支护状况,只有确认火源已经熄灭,方可进行下一步工作。 火区启封的方法有两种: (1) 通风启封法 通风启封法是一种最迅速,最方便的方法。启封前撤出火区气体排放路线上的一切人员,切断回风侧电源。首先,在回风侧密闭墙上打开一个小孔,并逐渐扩大,过一段时间打开进风侧密闭墙,待有害气体排放一段时间,无异常现象时,相继打开其余密闭墙,撤离人员,强力通风,1h~2h后再进入火区对高温点进行洒水灭火工作。 (2) 锁风启封法 锁风启封法,先在欲打开的永久密闭墙外5m~6m处建一道带小风门的锁风墙,把建墙材料和工具放在两墙之间,关闭小风门。救护队员在永久密闭上打开一个洞,把材料、工具运到火区内一定位置,建筑缩封墙,建好缩封墙后,拆除锁封墙和原永久密闭墙,排除有害气体,这样逐渐缩小火区,直到全部启闭。 通风启封法适应于火区范围小,着火带附近无大量冒顶,火区内可燃气体浓度低于爆炸界限,确认火区完全熄灭的条件;锁风启封法适用于火区范围大,难以确认火源是否完全熄灭,或高瓦斯涌出的火区。 在启封过程中若出现CO浓度升高、复燃征兆时,必须立即停止向火区送风,并重新封闭。 启封火区完毕后的3天内,每班须由矿山救护队员检查通风工作,并测定水温、空气温度和成分。只有在确认火区完全熄灭、通风等情况良好后,方可进行生产工作。 |
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