煤矿封闭火区均压熄灭与采空区惰化防灭火成套技术：调压风机与风窗平衡调控、液氮注气相变控温与火区启封安全指南

适用读者： 煤矿矿长、总工程师、通风副总、安环科长、防灭火队长、救护队指挥员、通风科技术骨干

作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司｜中国矿业大学科研团队技术支持

一、封闭火区复燃机理与漏风供氧压差驱动模型

煤矿采空区在封闭之后，若不能彻底隔绝外部新鲜风流，残存的高温火源极易在微量供氧条件下长期处于阴燃或蓄热状态，稍有风流波动便会发生二次复燃甚至诱发瓦斯爆炸。

火区漏风的本质是压差驱动下的多孔介质渗流。矿井通风系统产生的风压分布、主通风机运行工况、风门启闭以及地面大气压力的剧烈波动（如寒潮过境），都会在封闭火区各密闭墙之间或密闭墙与地面地表裂隙之间形成压差 $\Delta p$。

[矿井主要通风机与通风网络风阻] 
         ↓ (在进风密闭与回风密闭之间形成静压差 Δp)
[压差驱动新鲜风流克服围岩孔隙阻力] 
         ↓ (空气沿密闭裂隙、巷道破碎煤体、导水裂隙带源源不断渗入)
[残存遗煤得到连续氧气补给] 
         ↓ (煤氧复合反应加速，氧化放热大于向围岩的散热速度)
[蓄热升温突破煤自燃临界温度 (60~80℃)] 
         ↓ (火区高温气体热膨胀形成“火风压”，加速漏风对流循环，火区失控恶化)

根据渗流力学理论，通过采空区多孔裂隙介质的漏风量 $Q_{leak}$ 满足达西-布宾诺夫公式：

其中 $A$ 为漏风截面积，$\Delta p$ 为密闭区进回风侧的有效压差，$R_{leak}$ 为漏风风阻，$n$ 为流态指数（层流 $n=1$，紊流 $n=2$）。当且仅当 $\Delta p \to 0$ 时，漏风量 $Q_{leak} \to 0$。因此，消除火区两侧压差（均压技术）是窒息火区的根本工程前提。

二、均压防灭火系统设计与调压风机风窗平衡调控方程

2.1 均压防灭火物理模型与调压方案

均压防灭火是指通过调节矿井通风网络中特定风路的风阻、增设辅助调压风机或调节风窗，使封闭火区各连通密闭墙外侧的风压达到平衡，消除漏风动力源。

常见均压模式分为：

1. 开区均压：在生产采煤工作面回采期间，利用调压风门与调节风窗降低采空区进回风两侧的压差，抑制遗煤自燃；
2. 闭区均压：在已封闭的永久或临时火区，构筑连通调压气室，使火区所有出入风密闭墙外侧压力相等。

                       【闭区调压气室均压控制示意图】
                               【巷道进风流】
                                     │
                                     ▼
        ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
        │  【第一道均压调风门】 (阻挡外部大部分正压风流)          │
        │                           │                             │
        │                           ▼                             │
        │  【封闭调压气室】 (安装差压变送器与微型调压风机)        │
        │      ▲                                                  │
        │      │ 自动反向加压，使气室压力 P_chamber 严格等于 P_fire │
        │      ▼                                                  │
        │  【第二道防火永久密闭墙】 (墙内外压差 Δp = |P_chamber - P_fire| ≤ 5Pa)│
        │                           │                             │
        │                           ▼                             │
        │            【高温封闭火区内部 (零供氧环境)】            │
        └─────────────────────────────────────────────────────────┘

2.2 均压平衡方程与调压参数设计

调压风机产生的有效调压风压 $H_j$ 必须严格补偿通风网络在密闭外形成的自然压差：

在实际工程中，通过高精度防爆微差压变送器（精度 $\pm 1\text{ Pa}$）实时采集密闭墙内外的差压信号，并将数据送入智能调压控制箱，控制电动变频调压风机输出转速或伺服百叶调压风窗开度，形成闭环自动平衡调节。

#### 均压防灭火调控关键参数对照表

三、大流量液氮连续压注相变深冷与惰化成套技术

均压切断了外部供氧，但深部火区内部积聚的巨大潜热若仅靠岩体自然散热，冷却周期通常长达数月乃至数年。压注大流量液氮（Liquid Nitrogen）是目前矿山灭火效率最高的“相变深冷速效惰化”工艺。

3.1 液氮相变灭火热力学机理

液氮在常压下的沸点为 $-195.8^\circ\text{C}$，具有超强吸热降温与膨胀排氧双重物理效应：

1. 剧烈吸热降温：$1\text{ kg}$ 液氮汽化潜热为 $199.1\text{ kJ}$，汽化后低温氮气升温至 $20^\circ\text{C}$ 时累计吸收热量高达 $421\text{ kJ}$；
2. 极速体积膨胀排氧：$1\text{ m}^3$ 液氮汽化后体积膨胀约为 $643\text{ m}^3$ 标准状态下的常温氮气。

液氮注入火区后，急剧膨胀的纯氮气以正压波形式横扫采空区，将氧气和瓦斯气体强行驱替排挤，迅速将火区核心区域的氧气浓度压降至煤自燃临界氧浓度（$5.0\%$）以下；同时超低温气流直接吸取火源残余热量，使煤体温度以每小时 $10 \sim 25^\circ\text{C}$ 的速度断崖式下跌。

[液氮储罐 (-196℃, 压力 0.8MPa)] 
         ↓ (通过地面深孔或井下真空绝热管路高速注入)
[深部火区注氮钻孔出口] 
         ↓ (液氮瞬间沸腾相变，吸收巨额汽化潜热)
[超低温氮气雾化扩散] 
         ↓ (迅速充填采空区低凹积热区，强力降低煤岩温度)
[氮气体积膨胀 643 倍形成强正压区] 
         ↓ (将氧气浓度强行压降至 3%~5% 绝氧窒息带，瓦斯被惰化钝化)
[火区彻底失去氧化条件，火源瞬态熄灭]

3.2 液氮注气工艺参数设计与防冻防窒息控制

#### 液氮连续注气工艺参数表

四、火区熄灭判定国家法定四项硬性指标与启封 SOP

火区熄灭判定必须严格依照国家《煤矿安全规程》第 280 条规定的法定程序进行，严禁凭经验盲目启封。

4.1 火区完全熄灭必须同时具备的四项硬性指标

1. 温度指标：火区内温度下降到 $30^\circ\text{C}$ 以下，或与火灾发生前该地点的正常空气温度相同；
2. 氧气浓度指标：火区内空气中的氧气浓度降到 $5.0\%$ 以下；
3. 特征气体指标：火区内空气中不含有乙烯（$\text{C}_2\text{H}_4$）、乙炔（$\text{C}_2\text{H}_2$），一氧化碳（$\text{CO}$）浓度在封闭期间在逐步下降并稳定在 $0.001\%$（$10\text{ ppm}$）以下；
4. 出水温度指标：火区的出水温度低于 $25^\circ\text{C}$，或与火灾发生前该地点的正常水温相同；
5. 稳定考核期：上述 4 项指标必须在火区封闭状态下持续稳定 1 个月以上。

4.2 火区安全启封与风流恢复标准 SOP

【SOP 步骤 1：启封前技术审批与专家会审】
- 编制《火区启封与通风恢复专项安全技术措施》，报矿总工程师及集团公司审批；
- 成立启封现场指挥部，矿山救护队全副武装在井下基地待命。

【SOP 步骤 2：全矿停电撤人与风流锁定】
- 启封受影响区域（包括回风流所有采区及井筒）全部切断动力电源并撤出所有无关人员；
- 检查主通风机运行状态，锁定回风系统瓦斯与一氧化碳超限断电连锁。

【SOP 步骤 3：锁风分段启封法实操】
- 救护队员在进风侧第一道密闭前构筑“临时锁风气室”（双道挂胶帆布风障）；
- 救护队员佩戴 4 小时正压氧气呼吸器进入锁风气室，在永久密闭墙上小心开辟 0.8m×0.8m 探查孔；
- 伸入取样管检测 CO、CH4、O2、CO2 气体浓度，探查孔内温度与风流流向。

【SOP 步骤 4：分段排瓦斯与风流平稳过渡】
- 采用局部通风机通过风筒向火区内部“由浅入深”微风逐步吹排有害气体；
- 严格控制回风流瓦斯浓度不得超过 1.5%，CO 浓度不得超过 0.0024%；
- 若发现温度回升、CO 突增或可燃气体浓度超限，立即重新封闭并注入液氮扑灭。

【SOP 步骤 5：全系统恢复与 72 小时特级监护】
- 全断面拆除密闭墙，恢复原通风系统正常供风；
- 连续 72 小时进行人工巡回化验与束管色谱不间断监测，确认绝对无复燃迹象后交付生产。

五、特大型自燃火区均压与液氮联合熄灭工程实践对账

5.1 工程背景与火情概况

某特大型综放开采矿井 1502 工作面采空区在封闭停采期间，由于地表塌陷裂隙与进风巷压差达 $165\text{ Pa}$，发生深部采空区遗煤自燃火灾。束管监测显示火区回风密闭处 $\text{CO}$ 浓度高达 $850\text{ ppm}$，检测出微量乙烯（$4.5\text{ ppm}$），火区面积达 $4.5\text{ 万 m}^2$，直接威胁相邻正在回采的 1504 主力工作面安全。

5.2 综合治理与定量指标对账

矿井紧急实施“进回风密闭调压气室均压平衡 + 地面大口径钻孔连续压注液氮 + 井下胶体隔离墙封堵”成套技术。

#### 火区治理前后关键防灭火指标对账表

六、火区管理全套资料清单、验收自查与防复燃台账

6.1 火区管理专项技术资料清单

• 《封闭火区均压防灭火与液氮注气专项设计方案》（集团总工程师签字批准）
• 采空区火区三维空间位置图与周边地表裂隙水文地质填图
• 连续 24 小时气压、压差在线监测记录表与调压风机运行曲线
• 束管监测系统与便携式色谱仪日分析报告单（含 $\text{O}_2,\text{CO},\text{CO}_2,\text{CH}_4,\text{C}_2\text{H}_4,\text{C}_2\text{H}_6,\text{C}_2\text{H}_2$）
• 液氮采购进场过磅单、注氮流量计连续累计计量台账
• 永久防爆密闭墙耐压测试报告（抗压强度 $\ge 1.0\text{ MPa}$）
• 火区启封专家评审意见书与启封全过程救护队侦察记录单

6.2 迎检现场自查与防复燃排查表

核查要点	法规与规程标准要求	现场常见漏洞隐患	立即纠偏处置措施
密闭墙测气孔	密闭墙必须设取样孔、观测孔、放水孔	测气管堵塞或未引出密闭内高位区	疏通测气管，加装 U 型反水弯与微型采样泵
均压压差精度	压差传感器必须定期校零，量程匹配	传感器零点漂移，显示与实测不符	采用补偿式微压计现场标定，校正零点偏移
气化防冻保护	液氮注气管路外露段必须有效保冷保温	管道结霜结冰严重，人员触碰冻伤	包裹 $50\text{ mm}$ 聚氨酯保温发泡瓦，设置防护围栏
火区复燃预警	启封后设置 72h 特级监测站与自动喷雾	启封后立即撤出监测力量	保持束管在线监测，配置移动式高泡灭火待命

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七、常见问题 FAQ

Q1：为什么封闭火区仅靠打密闭往往很难自然熄灭？

答： 煤矿井下巷道围岩不是绝对致密的刚性体，受采动影响存在大量肉眼难见的贯通性微裂隙；加之密闭墙施工质量差异以及通风系统全时段存在动压差，空气会持续通过微裂隙渗入采空区。只要漏风供氧速率与煤氧化消耗速率达到微平衡，火区就会长期维持阴燃。必须通过均压调控将压差降至极限，再配合惰化注氮彻底破坏供氧条件，火区才能迅速熄灭。

Q2：液氮注气灭火和常规气氮（分子筛制氮）相比，有哪些不可替代的优势？

答：

1. 自带巨额冷量：气氮仅能排氧惰化，降温能力微乎其微；液氮相变吸收巨额潜热，能将深部聚热区煤温直接降到常温以下，阻断复燃热动力；
2. 纯度更高：工业液氮纯度通常高达 $99.999\%$，远高于矿用地面膜分离制氮（$95\% \sim 98\%$），绝氧速度更快；
3. 瞬间注气强度大：不受矿井电网负荷限制，地面槽车可通过高压气化器在短时间内实现数千立方米每小时的大排量压注，迅速扑灭暴烈火势。
Q3：均压防灭火中，调压气室内的压力是调到略大于火区还是略小于火区？

答： 理论上追求绝对平衡（$\Delta p = 0\text{ Pa}$）。在工程实操微调中，建议调压气室压力略微大于火区内部压力 $1 \sim 3\text{ Pa}$（微正压均压）。微正压可确保即使有极微量漏风，也是调压气室内的低氧气体向火区渗透，而绝对阻止火区内部的有毒有害气体向进风巷道泄漏，兼顾了灭火效果与外围作业人员安全。

Q4：火区启封时，为什么严禁采用全风压直接一次性冲刷火区？

答： 全风压直接供风会在火区内瞬间形成强烈的湍流对流，如果深部仍有微小的高温未完全熄灭的隐患点，大量新鲜空气（含 $21\%$ 氧气）的瞬间涌入会引发剧烈的“复燃爆聚”，甚至直接点燃火区内积聚的高浓度瓦斯引发特大瓦斯爆炸事故。必须严格执行“锁风分段排放、由浅入深、小风量微风稀释”的法定 SOP 流程。

Q5：注液氮灭火时，如何防止井下作业人员发生液氮冻伤与窒息事故？

答：

1. 管路绝热与巡查：全线输氮管路采用真空绝热管或高阻燃保温棉严密包覆，阀门接头处设置防飞溅护罩；
2. 多点氧浓度联动：在注氮孔周边、密闭外沿及回风流布设多台在线氧气传感器，与注氮控制阀实行电气连锁（氧气 $< 18.0\%$ 自动切断注氮）；
3. 人员强制防护：现场作业人员必须佩戴便携式防爆测氧仪与自救器，严禁单人作业，所有回风侧一律设置红灯警示与物理栅栏。

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参考依据

1. 《煤矿安全规程》（国家矿山安全监察局 2024 年最新版）
2. GB 50471-2018《煤矿封孔注浆技术规范》
3. AQ 1020-2006《煤矿井下均压防灭火技术规范》
4. MT/T 701-1997《煤矿用氮气防灭火技术规范》
5. GB/T 44819-2024《煤自燃标志气体色谱分析及火区状态判识标准》

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关于作者

张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司，矿山防灭火与应急救援成套技术高级顾问。专注于煤自燃早期预警标志气体分析、封闭火区均压熄灭工程、大流量液氮与三相泡沫深冷惰化、火区安全快速启封与复产方案设计。技术方案设计依托中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室支持。

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下一步行动指南

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声明：文中工程数据及案例参数经脱敏处理，具体矿井工程实施需结合矿井实测火区温度、气压与色谱数据进行专项设计。