采空區瓦斯燃燒爆炸點火源的確定

在陽城、沁水兩縣發生的60起瓦斯爆炸（燃燒） 02manbetx.com 中，除北莊礦車場發生的一次瓦斯爆炸初步界定為煤炭自燃外，有26起采空區瓦斯爆炸（燃燒）的點火源均排除了明火、炮火、雷管火、電火花、高溫表麵和熱輻射等因素， 02manbetx.com 處理時雖初步認為頂板冒落過程中互相撞擊摩擦火花可能是引燃瓦斯的火源，但均沒沒有理論及實驗作為依據，為了查證引起采空區瓦斯爆炸（燃燒）的點火源，擬從下麵3個方麵進行實驗研究：一是采空區護頂煤自燃引燃引爆采空區瓦斯的可能性；二是采空區頂板垮落岩石之間相互撞擊引燃引爆瓦斯的可能性；三是采空區頂板垮落過程中岩石間相互摩擦引燃引爆采空區瓦斯的可能性。 　　1 采空區護頂煤自燃引燃引爆采空區瓦斯的可能性。 　　如果煤本身具有自燃性，煤與空氣接觸，氧化會產生熱量，若散熱條件不良，熱量積蓄到一定程度便會引起煤炭自燃，從而引發采空區瓦斯爆炸（燃燒） 02manbetx.com 。此類 02manbetx.com 多發生在有大量遺煤的采空區、出現裂隙的煤柱和巷道冒高處。眾所周知，影響煤自燃的內在因素有煤的物理、化學性質、變質程度和煤岩成份。其中煤的化學成分和變質程度對煤的自燃起著主導作用。各種牌號的煤化學成分不同，自燃性質也不同：褐煤比煙煤易自燃，而煙煤中又以炭化變質程度最低的長焰煤和氣煤的自燃性最強；炭化變質程度高的貧煤和無煙煤自燃性較小。由此可見，煤炭的自燃性是隨著煤的變質程度的增高而降低。同一牌號的煤含硫化物較高時，因吸氧性較強，則易於自燃。影響煤自燃的外在因素主要是指煤層地質條件及礦山開采技術條件，這兩個因素決定了煤接觸空氣量的多少以及煤和外界的熱交換條件。 　　本次實驗在陽城、沁水兩縣7個礦井共采集煤樣8組，分別測定煤自燃傾向性及原煤含硫量和含磷量，測定結果見表1。 表1 煤自燃傾向性鑒定結果

編號 采樣地點 水分/％ 灰分/％ 揮發分/％ 全磷/％ 全硫/％ 吸氧量/mL·g^-1自燃傾向等級 1 2 3 4 5 6 7 8 屯城 北莊 加豐 加豐 半峪 永紅 柏山 義城 1.25 2.12 2.70 1.25 2.47 3.23 2.11 1.53 16.49 10.01 12.07 23.26 29.50 11.54 43.63 17.27 10.10 9.59 7.57 10.46 12.23 8.74 15.76 9.84 0.009 0.012 0.011 0.011 0.008 0.009 0.27 0.31 0.32 0.28 0.15 0.30 0.14 0.37 0.52 0.49 0.60 1.06 0.43 0.48 0.27 0.68 三類不易自燃 三類不易自燃 三類不易自燃 三類不易自燃 三類不易自燃 三類不易自燃 三類不易自燃 三類不易自燃

　　從表1可以看出，沁河、蘆葦河流域的無煙煤變質程度高，吸氧性較弱，而且煤中含硫、磷均較低，所有煤樣均屬三類不易自燃。再結合調研結果，發生的26起采空區瓦斯爆炸多在工作麵回采初期，由此可見，采空區護頂煤不存在自燃引燃引爆采空區瓦斯的可能性。 　　2 頂板垮落岩石相互撞擊引燃引爆采空區瓦斯的可能性 　　岩石相互撞擊實驗裝置是采用壓縮彈簧為動力，用等能量模擬方式槍射成型岩樣並使 其和爆炸槽內固定的岩柱（周圍又 01manbetx 一些岩塊）相碰撞來模似頂板垮落岩石相互撞擊引燃引爆采空區瓦斯的可能性。 　　通過調節彈簧的壓縮量，在彈射 能量為705.6～1 960J，溫度20～24℃，CH4濃度5.5％～14％的實驗環境條件下，總計做了20次岩石撞擊引燃引爆瓦斯實驗，即使 彈性能量（發射 岩塊所獲得的動能）達到實驗既定的最大值1 960J，無論CH4濃度在5.5％～14％區間內怎樣變化，岩石撞擊均未引燃引爆瓦斯。但從爆炸槽正麵的觀察窗觀察情況看，岩石之間撞擊後，岩石碎屑四濺，有的未見火花，有的雖形成火花，但瞬間即滅。 　　模擬結果，相當於重量m≤66.66kg的冒落岩塊以棱角撞擊地麵的岩石時不能引起瓦斯爆炸。 　　3 頂板垮落岩石相互摩擦引燃引爆采空區瓦斯 03manbetx 　　眾所周知，兩固體之間發生摩擦時，接觸表麵會產生溫升現象。采空區頂板垮落過程中岩石之間會發生劇烈摩擦，岩石的摩擦麵會在很短的時間內升至很高的溫度，一部分熔融的爍熱岩石粒子被拋射形成豐富的火花流，一部分遺留在岩石接觸麵形成熱表麵，即潛在的點火源。 　　為了確定引起采空區瓦斯爆炸（燃燒）的火源來源，在沁河及蘆葦河流域發生過采空區瓦斯爆炸（燃燒）的礦井及鄰近礦井——義城 煤礦、屯城 煤礦、永紅 煤礦、加豐 煤礦4個礦井，利用鑽機及其附屬設備向3#煤層頂板打鑽，采集頂板岩芯共計50餘m，作為實驗岩樣用切割機、磨片機將岩樣加工成一定直徑的岩棒及圓錐形狀的岩塊，然後放在實驗裝置上進行模擬實驗。 　　3.1 實驗裝置及方法 　　為項目研究而專門 設計、加工了岩樣摩擦實驗裝置，該裝置主要由爆炸槽、岩棒旋轉裝置推進及加力裝置3部分構成，是利用電機帶動岩棒旋轉，並使之和一橫向推進的加力岩塊接觸摩擦進行岩石摩擦實驗。實驗用氣體由濃度為99.99％的高純CH ₄與爆炸槽內空氣混合而成，混合氣體中CH ₄濃度根據需要在5.5％～14％之間調節。 　　3.2 實驗結果 　　（1）在低轉速條件下，摩擦引爆瓦斯實驗最初選用轉速為1 440r/min的電機，其相對摩擦速度為4.2m/s。在相對摩擦速度為4.2m/s、CH ₄濃度為8.6%～14％、溫度為0～17℃、接觸壓力為0.75～4.15MPa的實驗條件下，總計做了21次實驗，在加力岩塊和旋轉岩棒之間的相對摩擦速度為4.2m/s條件下，無論接觸壓力多大（最大達4.15MPa），也不論環境溫度及CH4濃度怎樣變化，岩石之間相互摩擦均未引燃引爆瓦斯。但從爆炸槽正麵的觀測窗直接觀察結果可知，當環境溫度達到10℃以上時，砂岩與砂岩之間摩擦爍熱岩石粒子拋射形成了暗紅色的火花流，其它岩石與砂岩摩擦亦有暗紅色火花顯現；當環境溫度＜5℃時，無論是砂岩與砂岩或是其它岩石與砂岩相互摩擦均未見火花出現，說明環境溫度越低，冷卻速度越快，越不利於點火。 　　（2）選用轉速為2 840r/min的電機後，岩塊與岩棒相對摩擦速度達到7.43m/s。在相對摩擦速度為7.43m/s、CH ₄濃度5.5％～13.4％、溫度12～20℃、接觸麵積0.5～4.0cm ²、接觸壓力0.54～3.74MPa的實驗條件下，又總計做了29次實驗，實驗結果為：在加大轉速後的29次實驗中，有13次發生了瓦斯爆炸，說明石英砂岩間相互撞擊摩擦引燃引爆瓦斯的概率是比較高的，達到了45％。在16次未發生瓦斯爆炸中，其中有3次是由於接觸麵積過大，致使 接觸壓力較小所致（＜0.52MPa）。另有4次接觸壓力較大（＞2.5MPa），也未發生爆炸，可能是由於接觸麵積太小（＜0.50cm ²）所致，這4次未發生爆炸的實驗，雖然在實驗過程中均能形成桔黃色或黃色光亮（即火花流），但由於加力岩塊磨損太快，能量難以在接觸表麵聚積，達不到點燃瓦斯所需的最低能量。這證明了英國SMRE的研究認為火花的點燃性不高，難以使瓦斯和空氣混合物著火；美國礦業局的實驗研究認為瓦斯著火並非起始於摩擦火花，而與岩石表麵形成的熱條痕有關，除非摩擦火花有足夠的密度。說明瓦斯與空氣混合物等可燃氣體的點燃亦受接觸麵積的影響。另外，還有4次未發生爆炸的原因，可能是受瓦斯濃度的影響，CH ₄濃度越大，引燃引爆瓦斯所需的最小點火能量、點火溫度越大，感應期也越長。從實驗結果來看，CH ₄濃度從6.5％～9.4％之間變化容易引起爆炸。還有1次因底部斷裂而未取得結果，另有4次未能找到未爆的原因。 　　3.3 采空區瓦斯引燃引爆過程 03manbetx 　　回采工作麵在回采過程中，隨著工作麵向前推進，采空區懸頂麵積不斷增大，老頂初次來壓和周期來壓使老頂失穩，堅硬的石英砂岩在冒落過程中相互摩擦，大部分機械能轉化為熱能，岩石的接觸表麵在很短的時間內升到很高的溫度，當采空區瓦斯和空氣混合物掠過溫度很高的熱表麵時，靠近熱表麵的混合氣體由於其溫度接近於熾熱的表麵溫度，邊界層範圍內的氣體流動速度很低，因而化學反應很快，隻要熱表麵的溫度足夠高，則靠近表麵的可燃氣體總會被引燃引爆。若氣流是惰性的，則沒有化學反應，為普通的氣流之間的熱交換；若氣流是可燃性混合物，但表麵溫度不夠高或表麵高溫持續時間小於流動狀態下可燃氣體的點火延遲時間，則邊界範圍內的氣體隻會產生微弱的化學反應，隻是溫度發生了變化；若熱表麵溫度足夠高及表麵高溫持續時間足夠長，則邊界層內的氣體反應放熱積聚，最終在表麵外形成零值溫度梯度，過此點後，熱表麵處的氣體略高於熱表麵（即出現正值溫度梯度）而發生點燃。 　　4 結論 　　綜上所述，陽城、沁水礦區煤礦采空區瓦斯爆炸（燃燒）事故的火源來源於采空區頂板垮落相互摩擦而產生的高溫熱表麵，含中粒石英砂岩的堅硬頂板在冒落過程中相互摩擦是引燃引爆采空區瓦斯的根本原因。另外，岩石相互摩擦引燃引爆瓦斯過程不僅與岩石特性有關，而且受摩擦參數的影響，即瓦斯與空氣混合氣體等可燃性氣體的引燃引爆瓦斯，受接觸表麵的溫度、高溫持續時間、接觸表麵壓力、接觸表麵麵積以及相對摩擦速度的影響。