采空區(qū)瓦斯爆炸、燃燒點火源的確定
作者：煤礦安全生產(chǎn)網(wǎng)
2006-09-25 15:10
來源：煤礦安全生產(chǎn)網(wǎng)
在陽城、沁水兩縣發(fā)生的60起瓦斯爆炸（燃燒）事故中，除北莊礦車場發(fā)生的一次瓦斯爆炸初步界定為煤炭自燃外，有26起采空區(qū)瓦斯爆炸（燃燒）的點火源均排除了明火、炮火、雷管火、電火花、高溫表面和熱輻射等因素，事故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(jù)，為了查證引起采空區(qū)瓦斯爆炸（燃燒）的點火源，擬從下面3個方面進行實驗研究：一是采空區(qū)護頂煤自燃引燃引爆采空區(qū)瓦斯的可能性；二是采空區(qū)頂板垮落巖石之間相互撞擊引燃引爆瓦斯的可能性；三是采空區(qū)頂板垮落過程中巖石間相互摩擦引燃引爆采空區(qū)瓦斯的可能性。
1 采空區(qū)護頂煤自燃引燃引爆采空區(qū)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(chǎn)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(fā)采空區(qū)瓦斯爆炸（燃燒）事故。此類事故多發(fā)生在有大量遺煤的采空區(qū)、出現(xiàn)裂隙的煤柱和巷道冒高處。眾所周知，影響煤自燃的內(nèi)在因素有煤的物理、化學性質(zhì)、變質(zhì)程度和煤巖成份。其中煤的化學成分和變質(zhì)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(zhì)也不同：褐煤比煙煤易自燃，而煙煤中又以炭化變質(zhì)程度最低的長焰煤和氣煤的自燃性最強；炭化變質(zhì)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(zhì)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，則易于自燃。影響煤自燃的外在因素主要是指煤層地質(zhì)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。
從表1可以看出，沁河、蘆葦河流域的無煙煤變質(zhì)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(diào)研結果，發(fā)生的26起采空區(qū)瓦斯爆炸多在工作面回采初期，由此可見，采空區(qū)護頂煤不存在自燃引燃引爆采空區(qū)瓦斯的可能性。
2 頂板垮落巖石相互撞擊引燃引爆采空區(qū)瓦斯的可能性
巖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巖樣并使 其和爆炸槽內(nèi)固定的巖柱（周圍又規(guī)程一些巖塊）相碰撞來模似頂板垮落巖石相互撞擊引燃引爆采空區(qū)瓦斯的可能性。
通過調(diào)節(jié)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(huán)境條件下，總計做了20次巖石撞擊引燃引爆瓦斯實驗，即使 彈性能量（發(fā)射 巖塊所獲得的動能）達到實驗既定的最大值1 960J，無論CH4濃度在5.5％～14％區(qū)間內(nèi)怎樣變化，巖石撞擊均未引燃引爆瓦斯。但從爆炸槽正面的觀察窗觀察情況看，巖石之間撞擊后，巖石碎屑四濺，有的未見火花，有的雖形成火花，但瞬間即滅。
模擬結果，相當于重量m≤66.66kg的冒落巖塊以棱角撞擊地面的巖石時不能引起瓦斯爆炸。
3 頂板垮落巖石相互摩擦引燃引爆采空區(qū)瓦斯分析
眾所周知，兩固體之間發(fā)生摩擦時，接觸表面會產(chǎn)生溫升現(xiàn)象。采空區(qū)頂板垮落過程中巖石之間會發(fā)生劇烈摩擦，巖石的摩擦面會在很短的時間內(nèi)升至很高的溫度，一部分熔融的爍熱巖石粒子被拋射形成豐富的火花流，一部分遺留在巖石接觸面形成熱表面，即潛在的點火源。
為了確定引起采空區(qū)瓦斯爆炸（燃燒）的火源來源，在沁河及蘆葦河流域發(fā)生過采空區(qū)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，利用鉆機及其附屬設備向3#煤層頂板打鉆，采集頂板巖芯共計50余m，作為實驗巖樣用切割機、磨片機將巖樣加工成一定直徑的巖棒及圓錐形狀的巖塊，然后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、加工了巖樣摩擦實驗裝置，該 裝置主要由爆炸槽、巖棒旋轉裝置推進及加力裝置3部分構成，是利用電機帶動巖棒旋轉，并使之和一橫向推進的加力巖塊接觸摩擦進行巖石摩擦實驗。實驗用氣體由濃度為99.99％的高純CH4與爆炸槽內(nèi)空氣混合而成，混合氣體中CH4濃度根據(jù)需要在5.5％～14％之間調(diào)節(jié)。
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、CH4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，在加力巖塊和旋轉巖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(huán)境溫度及CH4濃度怎樣變化，巖石之間相互摩擦均未引燃引爆瓦斯。但從爆炸槽正面的觀測窗直接觀察結果可知，當環(huán)境溫度達到10℃以上時，砂巖與砂巖之間摩擦爍熱巖石粒子拋射形成了暗紅色的火花流，其它巖石與砂巖摩擦亦有暗紅色火花顯現(xiàn)；當環(huán)境溫度＜5℃時，無論是砂巖與砂巖或是其它巖石與砂巖相互摩擦均未見火花出現(xiàn)，說明環(huán)境溫度越低，冷卻速度越快，越不利于點火。
（2）選用轉速為2 840r/min的電機后，巖塊與巖棒相對摩擦速度達到7.43m/s。在相對摩擦速度為7.43m/s、CH4濃度5.5％～13.4％、溫度12～20℃、接觸面積0.5～4.0cm2、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：在加大轉速后的29次實驗中，有13次發(fā)生了瓦斯爆炸，說明石英砂巖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(fā)生瓦斯爆炸中，其中有3次是由于接觸面積過大，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(fā)生爆炸，可能是由于接觸面積太?。ǎ?font face="Times New Roman">0.50cm2＝所致，這4次未發(fā)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），但由于加力巖塊磨損太快，能量難以在接觸表面聚積，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(yè)局的實驗研究認為瓦斯著火并非起始于摩擦火花，而與巖石表面形成的熱條痕有關，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面積的影響。另外，還有4次未發(fā)生爆炸的原因，可能是受瓦斯?jié)舛鹊挠绊懀?font face="Times New Roman">CH4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，CH4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(qū)瓦斯引燃引爆過程分析
回采工作面在回采過程中，隨著工作面向前推進，采空區(qū)懸頂面積不斷增大，老頂初次來壓和周期來壓使老頂失穩(wěn)，堅硬的石英砂巖在冒落過程中相互摩擦，大部分機械能轉化為熱能，巖石的接觸表面在很短的時間內(nèi)升到很高的溫度，當采空區(qū)瓦斯和空氣混合物掠過溫度很高的熱表面時，靠近熱表面的混合氣體由于其溫度接近于熾熱的表面溫度，邊界層范圍內(nèi)的氣體流動速度很低，因而化學反應很快，只要熱表面的溫度足夠高，則靠近表面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，但表面溫度不夠高或表面高溫持續(xù)時間小于流動狀態(tài)下可燃氣體的點火延遲時間，則邊界范圍內(nèi)的氣體只會產(chǎn)生微弱的化學反應，只是溫度發(fā)生了變化；若熱表面溫度足夠高及表面高溫持續(xù)時間足夠長，則邊界層內(nèi)的氣體反應放熱積聚，最終在表面外形成零值溫度梯度，過此點后，熱表面處的氣體略高于熱表面（即出現(xiàn)正值溫度梯度）而發(fā)生點燃。
4 結論
綜上所述，陽城、沁水礦區(qū)煤礦采空區(qū)瓦斯爆炸（燃燒）事故的火源來源于采空區(qū)頂板垮落相互摩擦而產(chǎn)生的高溫熱表面，含中粒石英砂巖的堅硬頂板在冒落過程中相互摩擦是引燃引爆采空區(qū)瓦斯的根本原因。另外，巖石相互摩擦引燃引爆瓦斯過程不僅與巖石特性有關，而且受摩擦參數(shù)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，受接觸表面的溫度、高溫持續(xù)時間、接觸表面壓力、接觸表面面積以及相對摩擦速度的影響。
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