岩石撞击摩擦火花引爆瓦斯的实验研究.docx

文章编号 : 0253 - 9993 ( 2006 ) 04 - 0466 - 04岩石撞击摩擦火花引爆瓦斯的实验研究屈庆栋 , 许家林 , 马文顶 , 张少华 , 蒋坤(中国矿业大学 能源与安全工程学院 , 江苏 徐州 221008 )摘 要 : 利用专门设计的往复式低速 、旋转式高速摩擦实验装置和 tv s - 2000 m kst型红外热成像仪对岩石撞击摩擦火花引爆瓦斯进行了系统的实验研究 , 得出 : 岩石中的石英含量对摩擦火 花的强度有很大的影响 ; 泥岩无论是低速还是高速摩擦都不能引起瓦斯爆炸 ; 砂岩间摩擦只有在 一定的摩擦速度下才可以引起瓦斯爆炸 , 潮湿的砂岩摩擦很难引起瓦斯爆炸 .关键词 : 岩石撞击摩擦火花 ; 瓦斯爆炸 ; 热红外成像 ; 分源预防中图分类号 : td 712文献标识码 : aexper im en ta l study on ga s exp lo s ion de tona ted by the rock fr ic t ion spa rk squ q ing2dong, xu j ia2lin, ma w en2d ing, zhan g shao2hua, j ian g kun( s chool of m in ing and s afety eng ineering, c h ina u n iversity of m in ing and technology, x uzhou 221008, ch ina )a b stra c t: the de tona ting cap ac ity of the rock fric tion sp a rk s wa s te sted by u sing the two se lf2de signed exp e rim en2ta l device s ( low 2sp eed rec ip roca ting and h igh2sp eed revo lving) and the tv s - 2000 m kst the rm a l infra red im 2 aging device. the re su lts ind ica te tha t the concen tra tion of qua rtz ha s a b ig influence on in ten sity of the rock fric tion sp a rk s; no m a tte r in wha t sp eed fric tion of p ea ts ha s no th ing to do w ith the ga s exp lo sion; a s to the sand stone, fric2tion can de tona te the ga s in a ce rta in sp eed, wh ile fric tion of the hum id one s is ha rd to induce the ga s exp lo sion.key word s: rock imp ac t fric tion sp a rk s; ga s exp lo sion; the rm a l infra red im aging; re sp ec tive ign ition p reven tion近年来 , 瓦斯事故多发是制约煤矿安全生产的主要因素 , 在重特大煤矿事故中 , 单纯瓦斯事故占到80 %左右 . 在对瓦斯分源治理的基础上 , 还应对瓦斯引火源进行分源预防 , 加重对其引爆原因和机理的研 究 , 采取有效预防措施 , 减小瓦斯爆炸发生的可能性. 随着矿井开采机械化程度的不断提高 , 单个工作面的开采强度越来越大 , 富含瓦斯矿井工作面和上邻近层的瓦斯涌出量进一步增加 , 大量的瓦斯向采空区运移 , 特别是放顶煤工作面 , 遗落在采空区的浮煤释放的瓦斯使得采空区瓦斯聚积 , 达到瓦斯爆炸的条件 ,给工作面安全生产带来很大的威胁 .据统计 , 在 1949 1995年间 , 国有矿务局一次死亡 3 人以上瓦斯事故 361 起中 , 发生在采煤工作面 的有 131起 , 其中由于采空区积存瓦斯引起的 39起 , 占有相当大的比例. 在采空区和工作面的各种引火源中 , 除了对人为明火 、电火花 、机械撞击摩擦火花和锚索拉断火花的研究外 13 , 尚有一种不能被忽视的引火源 , 即顶板垮落撞击摩擦火花 . 在我国阳城 、沁水 、包头 、通化等矿区都有由于岩石撞击摩擦火花 引起的瓦斯爆炸事故的报道 4 . 部分研究人员对此进行了实验研究 , 其研究结果 58 以及笔者对兖州兴隆 庄煤矿综放采空区覆岩垮落撞击火花引爆瓦斯的研究结果认为 : 单纯的岩石正面撞击接触点或飞溅物的温 度较低 , 一般不超过 250 , 较难引起瓦斯爆炸 ; 岩石撞击后沿斜面的摩擦产生的火花具有引爆瓦斯的可收稿日期 : 2005 - 12 - 09基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 50374066 ) ; 教育部 “新世纪优秀人才支持计划 ”资助项目作者简介 : 屈庆栋 ( 1983 - ) , 男 , 山东邹城人 , 博士研究生. te l: 0516 - 83885752 , e - m a il: qqd_ cum t1631com第 4期屈庆栋等 : 岩石撞击摩擦火花引爆瓦斯的实验研究467能性 , 在一定的摩擦速度和接触压力条件下可以引起瓦斯爆炸. 但由于此类事故发生的概率不是很大 , 相对于电火花 、放炮火焰等是一个小比例事件 , 现有理论和实验研究还没有形成系统的研究方法和判断依 据 , 实验装置也不够成熟 , 还需要更进一步的研究. 笔者基于神华集团神东煤炭分公司康家滩煤矿即将进 行综放开采的 8 号煤层实际条件 , 主要针对采空区顶板垮落撞击摩擦火花引爆瓦斯进行了实验研究.1 研究方法和手段( 1 ) 遥感技术 主要是利用热红外成像仪远距离捕捉岩石撞击或摩擦时接触点 、飞溅物的温度 . 红 外热成像仪一般捕捉速度可达 30 50帧 / s, 温度分辨率有的可达 0108 , 温度精度为全量程 (温度测量 范围 ) 014 % , 足以准确捕捉到岩石撞击或摩擦时的最高温度. 该方法从引爆瓦斯的温度条件出发来研 究引爆瓦斯的可能性 .( 2 ) 肉眼观察利用肉眼观察岩石撞击或摩擦时产生火花的颜色 、范围和持续时间 , 从而判断火花的强度 , 并在充有一定浓度瓦斯气体的封闭容器内进行实验 , 观察不同岩性岩石引爆瓦斯的可能性 、条件 和概率. 这是一种定性研究岩石撞击摩擦火花能否引爆瓦斯的方法 .( 3 ) 录像拍摄 利用录像机拍摄岩石撞击 摩擦过程中产生的火花情况 , 可以 比 较清 晰地 对比不同岩性岩石在同一条件下撞击摩擦产生火花的强度 .( 4 ) 实验装置 主要根据实际条件和研究 要求自行设计实验装置 . 本实验研 究 共设 计两 套装置 , 分别为往复式低速摩擦实验装置 (图 1图 1 岩石摩擦实验装置f ig11 exp e rim en ta l device s of the rock fric tion( a) )和旋转式高速摩擦实验装置 (图 1( b) ) .2 研究内容211 岩石成分组成测试岩石的组成成分决定了岩石的物 理性质 , 影响岩石摩擦升温值的大小 . 国外研究结果表明 , 岩石中含有的石 英量对摩擦升温有很大的影响 . 对康家滩煤矿 8 号煤顶板不同岩性岩石进 行 的 成 分 测 定 结 果 见 表 1. 测 试 结 果 表明 : 砂 岩 中 的 石 英 含 量 在 27 % 48 % , 为砂岩中的主要组成成分 .212 往复式低速摩擦引爆瓦斯实验利用 tv s - 2000 m k st型红外 热成像仪对各岩性岩石与粗砂岩往复 式低速摩擦进行温度测试且每组实验 不低于 10 次 , 结果见表 2. 实验中发 现 , 岩石摩擦接触面温度升高值与岩石中 石 英 的 含 量 基 本 上 成 正 比 关 系(图 2 ) ; 岩石与岩石以较低速度摩擦表 1 不同岩性岩石成分组成测试结果ta b le 1 the com pon en t of the d ifferen t l itho log ica l rock s by te st %岩 性石英高岭石 伊利石 伊蒙混层 蒙脱石长石菱铁矿 白云石其它细 - 中砂岩中砂岩 粗砂岩含砾粗砂岩27164048404241326332829343311937542 1 100 12余量余量 余量余量表 2不同岩性岩石与粗砂岩往复式摩擦平均升温和最大升温值ta b le 2 a vera ge an d m a x. up2tem pera ture of the low ve loc ityfr ic t ion be tween gr it san d ston e s an d o ther l itho log ica l rock s接触压力/n摩擦速度/m s - 1摩擦时间/ s平均升高温度 / 最大升高温度 / 岩 性泥岩与粗砂岩细中砂岩与粗砂岩 中砂岩与粗砂岩粗砂岩与粗砂岩含砾粗砂岩与粗砂岩1201201201201203333320202020204217861147631287819683119661258918692136108195119187(呈现红黄色 ,图 3 ) , 摩时就可以产生火花 , 但是火花持续时间短 , 强度弱 , 温度低即图中白色部分 ,擦接触面的温度也很低 , 达不到瓦斯爆炸需要的温度条件 . 在随之进行的对石英含量最高 、摩擦接触面温468煤炭学报2006年第 31卷度最高 、产生火花较强烈的含砾粗砂岩和粗砂岩的不同组合进行往复式摩擦引爆瓦斯实验结果也证明了该实验条件下摩擦火花不会引起瓦斯爆炸 (表 3 ) .表 3 岩石间摩擦引爆瓦斯的实验结果ta b le 3 exper im en ta l re su lts of the ga s exp lo s ion de tona ted by the rock fr ic t ion摩擦速度 /m s - 1摩擦岩石摩擦方式实验次数瓦斯浓度 / %接触压力 /n爆炸次数摩擦时间 / s12010 1501017112 228122281217112 2281217112 22812含砾粗砂岩与粗砂岩泥岩与各岩石 粗砂岩 (含砾 ) 与其它砂岩 潮湿粗砂岩与其它砂岩往复式低163 163 55 165 1631010101000017010 9889 6020 902 3213 90旋转式高速213 旋转式高速摩擦引爆瓦斯实验实验过程同往复式摩擦实验. 实 验结果见 表 4 和 图 4. 由 于 摩擦 速度较大而岩石显脆性 , 因此岩石间接触 压力不能施加太大 , 否则岩石很容易 断掉. 本实验中 , 岩石间接触压力在300 n 以 上时 便 很容 易 断 掉. 根 据 上 述实验基础 , 进行岩石与岩石旋转摩擦引爆瓦斯实验 , 结果如图 5和表 3.表 4岩石间旋转式高速摩擦接触面的温度及火花ta b le 4 up2tem pera ture of the rubb in g in terfa ce an d the spa rk sde scr ip t ion of the rock fr ic t ion w ith h igh ve loc ity实验次数摩擦岩石接触压力/n摩擦速度/m s - 1升高温度 / 火花情况摩擦时间 / s粗砂岩与粗砂岩簇状火花流簇状火 花流1511410 343101077156 4091552 27含砾粗砂岩与 17112 34310510183111 53715410 30含砾粗砂岩上述实验中 , 砂岩间旋转摩擦在瓦斯浓度为 5 % 16 %的情况下进行的 21 次实验中仅有 4 次未发生爆炸 , 究其原因为接触压力在 17112 n 下 , 摩擦时间不足 20 s.在岩石与岩石旋转摩擦引爆瓦斯实验过程中 , 岩石与岩石摩擦接触面温度难以达到瓦斯爆炸所需要的 最低温度 650 , 说明引起瓦斯爆炸的因素应为摩擦产生的火花. 同时岩石摩擦引起瓦斯爆炸的难易程度与接触压力以及岩石中含有的石英量呈正比 , 摩擦接触面含有大块石英砾时岩石摩擦很容易引起瓦斯爆第 4期屈庆栋等 : 岩石撞击摩擦火花引爆瓦斯的实验研究469炸 , 而不含石英的泥岩无论是低速还是高速摩擦都不会引起瓦斯爆炸 .214 潮湿岩石间摩擦引爆瓦斯实验考虑到现场中顶板岩石一般比较潮湿 , 为了研究的全面性 , 本实验在上述实验同等条件下对加工后未 经完全晾晒干的粗砂岩进行了实验 . 实验结果见表 3. 实验得出 , 潮湿岩石间摩擦难以引起瓦斯爆炸 . 现 场实际开采环境的潮湿度和岩石的含水性可在一定程度上降低岩石间摩擦引爆瓦斯的可能性 .3 研究结果与应用( 1 ) 直接顶泥岩和其它岩石无论是低速摩擦还是高速摩擦都不会引起瓦斯爆炸 ; ( 2 ) 干燥的砂岩间 以 3 m / s的速度摩擦不会引起瓦斯爆炸 , 以 10 m / s的速度摩擦 , 在接触压力 17112 n以上 , 并且摩擦时间2 30 s内可引起瓦斯爆炸 ; 潮湿的砂岩间摩擦难以引起瓦斯爆炸 ;( 3 ) 并不是只要产生撞击或摩擦火花 就能引起瓦斯爆炸 , 引起瓦斯爆炸的根本因素是岩石间摩擦在一定的条件下产生的连续火花 , 摩擦产生的高温接触面起辅助加热的作用 ;( 4 ) 砂岩间摩擦引起瓦斯爆炸的难易程度与岩石中含有的石英量有很大 的关系.根据该研究结果 , 通过对康家滩煤矿煤层的顶板组成 、直接顶等值线分布图 、煤层厚度分布图等地质 条件的综合研究 , 可以对采 (盘 ) 区放顶煤开采采空区顶板垮落引爆瓦斯可能性给出分析 , 划分采 (盘 ) 区综放开采的危险区域 , 同时针对性的提出预防措施 , 比如注水或者只采不放等 .4 有待进一步研究的问题与建议( 1 ) 研究内容还需要更系统 、更全面 , 包括产生撞击摩擦火花的环境湿度 、岩石含水率 、煤层厚度 、 岩层厚度 、岩层力学性质 、开采方法等影响因素 .( 2 ) 撞击摩擦实验装置的进一步改进. 由于煤矿开采实际地质条件复杂多变 , 岩石岩性不一 , 如何更加全面地模拟实际现场的发生条件 , 提高实验装置的多功能性和高操作性 , 是继续该研究的首要前提.同时有效提高实验过程的自动化和安全性能 , 以便更好地进行各个细节研究.( 3 ) 对撞击摩擦火花引爆瓦斯的机理和内在原因进行研究 , 进一步考察摩擦火花和摩擦接触面的引 燃引爆瓦斯性能差异 , 确定顶板垮落撞击摩擦引爆瓦斯的真正原因 .( 4 ) 建立实验条件与现场条件的转化关系 , 更为确切地给出实际现场引爆瓦斯的条件和危险区域 ,完善顶板垮落撞击摩擦引爆瓦斯实验研究的技术体系 , 更好地为煤矿安全 、高效生产服务 .鉴于综放开采煤层一次采出厚度大 , 采空区顶板垮