注惰对瓦斯运移规律影响实验与分析

注惰对瓦斯运移规律影响实验与分析

宋广林

黑龙江龙煤鹤岗矿业有限责任公司救护大队

摘要：分析在注入惰性气体灭火、控爆时可燃气体层流动诱发瓦斯爆炸的可能性，从而完善救援方案，提高救援安全。

关键词：实验；技术分析；控爆；安全

救护队在处理矿井火灾时，井下烟气、有毒有害气体沿井巷蔓延，当火源周围瓦斯浓度达到爆炸界限时就会引起瓦斯爆炸，使受灾的范围扩大，灾情加重。因此如何对有爆炸危险性的火灾进行控制处理是救护工作的一项重要技术课题。为保证救灾人员安全多采用远距离大面积封闭火区，这种方法较安全但灭火周期长，经济损失大。通过注惰对火区进行灭火、控爆方法是近年来较为有效的灭火方案，具有灭火周期短，成本低、恢复生产容易等优点。但在注入惰气时也曾出现了封闭区内发生爆炸事故，威胁救灾人员安全。如何更安全的开展注惰工作，掌握封闭区域内瓦斯在注惰时的运移情况。国家矿山救援鹤岗基地与中国矿业大学（北京）在鹤岗救护大队演习矿井联合开展了“注惰对瓦斯运移规律影响”的实验，现将实验情况及分析结果做以介绍，以供交流。

一、实验概况

实验在鹤岗救护基地演习巷道进行，图1为鹤岗救护基地演习巷道示意图。矿井为压入式通风，巷道总体积1230m3。

图1鹤岗救护基地演习巷道示意图

二、实验目的

测试封闭矿井火区封闭时，封闭区内可燃气体层的形成和运移规律；以及注入惰性气体对封闭区域内可燃气体层运移规律的影响，以便为分析注惰等救灾措施诱发瓦斯爆炸的可能性提供实验依据。

三、实验方案实施

1、准备工作

实验人员按“注惰对瓦斯运移影响”实验设计要求到达演习矿井。接设南非灾区通讯系统一套、起动移动气体分析工作站，接设束管三路、宿营基地指挥车、接设注N2管路、接设视频线路一条监测火区（红外热成像仪）、准备点火材料、完成井下测点的标注。

并携带装备，每组球胆20个；取气工具1套；一氧便携1块；氧气便携1块；瓦斯便携1块；温度计1支；微速风表1块；中速风表1块；微风管30支；秒表1块；松下DV摄录机1台；红外热成像仪一台；照相机1台。      

2、实验阶段

移动气体分析工作站起动束管取气系统，对实验区进行连续监测化验分析。点火后炉火产生的高温浓烟迅速充满了巷道，由于温度过高、烟气过大，后经调风、降温处理后，实验区域达到了实验要求。

进行了取样、测量、照相、录像、观测等实验工作。束管提取气样18组，每组分析样本9种（H2、O2、N2、 CH4、CO、CO2、C2H4、C2H6、C2H2），分析样本数162个。同时按试验设计进行了三个测点四次球胆取气，共取样60组，历时3小时完成全部试验工作后将所采集气样进行色谱分析。

四、实验数据分析

1、束管气体分析

在1号测面巷道中轴设立三个束管，高度分别为2m、1.8m、1.1m对应编号为1、2、3号，并和地面化验车相连，实验过程中化验设备一直保持运行。

在开始阶段，由于烟气不断从火炉涌出，H2、CO、CO2浓度不断增大，并且在第一次注氮（12：20）以前的数据显示1号束管的要高于其他两个，说明烟气在巷道中有分层现象出现，这一过程中N2、O2的浓度基本保持不变；第一次注入N2（12：20）一段时间后，N2浓度增大、O2浓度降低，说明注入的N2对烟气有稀释作用；之后至第三次取样（13：40）采取通风措施，造成H2、CO、CO2浓度迅速下降，N2、O2浓度逐渐恢复接近正常值，但H2、CO、CO2的浓度梯度保持从高到低逐渐减小，说明烟气分层现象仍然存在；第二次注入N2（13：55）后，H2、CO、CO2浓度较前降低速率增加，说明第二次注入氮气效果明显强于第一次，分析原因主要是第二次加大了注氮速度注入氮气的紊流作用好于第一次所致，并且这一过程中2号（1.8m）、3号（1.1m）束管O2浓度逐渐下降，而1号（2m）束管逐渐上升，说明注氮对于中下部的烟气稀释作用要好于上部。

小结：通过以上对束管监测气体H2、N2、O2、CO、CO2浓度的分析可以得到以下结论，在封闭巷道内可燃气体成层分布；注惰效果和注入速度有关系，注入速度越大，效果越明显。

2、球胆气体分析

如前所述，实验过程中每个测面同时用球胆取气，共取样四次，每次取样时间不超过1分钟。取样后立即化验气样成分和浓度，以下是对球胆气样化验结果的分析。 

实验中每个测面的1.1m、1.8m高度分别有两个测点即1.1m（3号、4号点）、1.8m（1号、2号），2m高度有一个测点（5号），将球胆数据按高度（1.1m、1.8m、2.0m）依次编号进行分析。

可以看出H2的浓度成层分布，说明不仅注氮前封闭巷道中H2成分层分布，而且注氮后H2也成层分布；对比注氮前后的H2浓度可以看出，第二次注氮比第一次注氮对H2浓度的影响要大，分析原因主要是第二次增大了注氮速度所致。

因此，通过以上分析可以推论出矿井封闭区域内的可燃气体成层分布。并且注氮后密度较小的H2的仍然有可能成层状分布；加大注氮速度可增强对可燃气体的稀释效果。

 小结：通过对三个测面注氮前后O2浓度的对比分析，可以得出以下结论注氮前封闭火区可燃气体在纵向上分布较为均匀；注入的惰气会推动封闭区内可燃气体层运移。

五、实验结论

实验过程中采用束管、球胆进行了气样采集并对气样进行了成分分析，并通过红外成像仪、数码相机、摄像机进行了拍照。通过对束管监测气样（H2、N2、O2、CO、CO2浓度）、球胆气样（H2、O2浓度）的分析以及对现场拍摄的红外相片、风向温度等实验记录的对比得到以下结论：

1．封闭火区内可燃气体由火源涌出后首先向上运动直到巷道顶部，然后分为两部分：一部分顺风向向回风侧运移，一部分向进风侧运移，一段时间后可燃气体在巷道纵向上分布均匀；

2．从巷道横向断面气体浓度分布变化可知，可燃气体成层分布较为明显；

3．注惰效果和注入速度有关系，注入速度越大，稀释惰化效果越明显。

4. 封闭火区注入惰气会推动封闭区内可燃气体层向进风侧运移。

六、几点体会

1、试验证明在封闭区域内，可燃性气体分层分布。

2、在注入惰气时要根据封闭区域巷道状况、体积合理选择注入的惰气量及注入速度。

3、注入时有可能将可燃气体推回火源，造成爆炸。

4、需密切关注封闭区巷道与其它巷道连通和渗透关系，因其会对可燃气体层产生很大影响。

通过本次实验，可以看出注入惰性气体来对火区进行控爆、抑爆时要注意灾区气体变化情况，防止在注入时造成可爆气体回流火源，引起爆炸，使事故扩大。以上是国家矿山救援鹤岗基地开展“注惰对瓦斯运移影响试验”的情况，希望同行人士多提宝贵建议，完善救护队现场救援技术，避免今后在救护工作中发生火区二次爆炸，达到安全救援。

作者简介：宋广林：（1977年— ），男，毕业于黑龙江科技学院，大学学历，工程师。现任龙煤集团鹤岗矿业公司救护大队战训部部长。

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