采空区瓦斯爆炸（燃烧）点火源的确定

采空区瓦斯爆炸 燃烧 点火源的采空区瓦斯爆炸 燃烧 点火源的 确定确定 在阳城 沁水两县发生的 60 起瓦斯爆炸 燃烧 事故中 除北庄矿车场发生的一次瓦斯爆炸初步界定为煤炭自燃外 有 26 起采空区瓦斯爆炸 燃烧 的点火源均排除了明火 炮火 雷管火 电火花 高温表面和热辐射等因素 事故处理时虽初 步认为顶板冒落过程中互相撞击摩擦火花可能是引燃瓦斯的火 源 但均没没有理论及实验作为依据 为了查证引起采空区瓦 斯爆炸 燃烧 的点火源 拟从下面 3 个方面进行实验研究 一是采空区护顶煤自燃引燃引爆采空区瓦斯的可能性 二是采 空区顶板垮落岩石之间相互撞击引燃引爆瓦斯的可能性 三是 采空区顶板垮落过程中岩石间相互摩擦引燃引爆采空区瓦斯的 可能性 1 采空区护顶煤自燃引燃引爆采空区瓦斯的可能性 采空区护顶煤自燃引燃引爆采空区瓦斯的可能性 如果煤本身具有自燃性 煤与空气接触 氧化会产生热量 若散热条件不良 热量积蓄到一定程度便会引起煤炭自燃 从 而引发采空区瓦斯爆炸 燃烧 事故 此类事故多发生在有大 量遗煤的采空区 出现裂隙的煤柱和巷道冒高处 众所周知 影响煤自燃的内在因素有煤的物理 化学性质 变质程度和煤 岩成份 其中煤的化学成分和变质程度对煤的自燃起着主导作 用 各种牌号的煤化学成分不同 自燃性质也不同 褐煤比烟 煤易自燃 而烟煤中又以炭化变质程度最低的长焰煤和气煤的 自燃性最强 炭化变质程度高的贫煤和无烟煤自燃性较小 由 此可见 煤炭的自燃性是随着煤的变质程度的增高而降低 同 一牌号的煤含硫化物较高时 因吸氧性较强 则易于自燃 影 响煤自燃的外在因素主要是指煤层地质条件及矿山开采技术条 件 这两个因素决定了煤接触空气量的多少以及煤和外界的热 交换条件 本次实验在阳城 沁水两县 7 个矿井共采集煤样 8 组 分 别测定煤自燃倾向性及原煤含硫量和含磷量 测定结果见表 1 表 1 煤自燃倾向性鉴定结果 编号 采样地 点 水分 灰分 挥发分 全磷 全硫 吸氧量 ml g 1 自燃倾向等级 1 2 3 4 5 6 7 8 屯城 北庄 加丰 加丰 半峪 永红 柏山 义城 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 三类不易自燃 三类不易自燃 三类不易自燃 三类不易自燃 三类不易自燃 三类不易自燃 三类不易自燃 三类不易自燃 从表 1 可以看出 沁河 芦苇河流域的无烟煤变质程度高 吸氧性较弱 而且 煤中含硫 磷均较低 所有煤样均属三类不易自燃 再结合调研结果 发生的 26 起采空区瓦斯爆炸多在工作面回采初期 由此可见 采空区护顶煤不存在自 燃引燃引爆采空区瓦斯的可能性 2 顶板垮落岩石相互撞击引燃引爆采空区瓦斯的可能性顶板垮落岩石相互撞击引燃引爆采空区瓦斯的可能性 岩石相互撞击实验装置是采用压缩弹簧为动力 用等能量 模拟方式枪射成型岩样并使 其和爆炸槽内固定的岩柱 周围又 规程一些岩块 相碰撞来模似顶板垮落岩石相互撞击引燃引爆 采空区瓦斯的可能性 通过调节弹簧的压缩量 在弹射 能量为 705 6 1 960j 温度 20 24 ch4 浓度 5 5 14 的实验环境条件下 总计 做了 20 次岩石撞击引燃引爆瓦斯实验 即使 弹性能量 发射 岩块所获得的动能 达到实验既定的最大值 1 960j 无论 ch4 浓度在 5 5 14 区间内怎样变化 岩石撞击均未引燃引爆瓦 斯 但从爆炸槽正面的观察窗观察情况看 岩石之间撞击后 岩石碎屑四溅 有的未见火花 有的虽形成火花 但瞬间即灭 模拟结果 相当于重量 m 66 66kg 的冒落岩块以棱角撞击 地面的岩石时不能引起瓦斯爆炸 3 顶板垮落岩石相互摩擦引顶板垮落岩石相互摩擦引 燃引爆采空区瓦斯分析燃引爆采空区瓦斯分析 众所周知 两固体之间发生摩擦时 接触表面会产生温升 现象 采空区顶板垮落过程中岩石之间会发生剧烈摩擦 岩石 的摩擦面会在很短的时间内升至很高的温度 一部分熔融的烁 热岩石粒子被抛射形成丰富的火花流 一部分遗留在岩石接触 面形成热表面 即潜在的点火源 为了确定引起采空区瓦斯爆炸 燃烧 的火源来源 在沁 河及芦苇河流域发生过采空区瓦斯爆炸 燃烧 的矿井及邻近 矿井 义城煤矿 屯城煤矿 永红煤矿 加丰煤矿 4 个矿井 利用钻机及其附属设备向 3 煤层顶板打钻 采集顶板岩芯共计 50 余 m 作为实验岩样用切割机 磨片机将岩样加工成一定直 径的岩棒及圆锥形状的岩块 然后放在实验装置上进行模拟实 验 3 1 实验装置及方法 为项目研究而专门设计 加工了岩样摩擦实验装置 该 装置主要由爆炸槽 岩棒旋转装置推进及加力装置 3 部分构成 是利用电机带动岩棒旋转 并使之和一横向推进的加力岩块接 触摩擦进行岩石摩擦实验 实验用气体由浓度为 99 99 的高纯 ch4 与爆炸槽内空气混合而成 混合气体中 ch4 浓度根据需要 在 5 5 14 之间调节 3 2 实验结果 1 在低转速条件下 摩擦引爆瓦斯实验最初选用转速 为 1 440r min 的电机 其相对摩擦速度为 4 2m s 在相对摩擦 速度为 4 2m s ch4 浓度为 8 6 14 温度为 0 17 接 触压力为 0 75 4 15mpa 的实验条件下 总计做了 21 次实验 在加力岩块和旋转岩棒之间的相对摩擦速度为 4 2m s 条件下 无论接触压力多大 最大达 4 15mpa 也不论环境温度及 ch4 浓度怎样变化 岩石之间相互摩擦均未引燃引爆瓦斯 但 从爆炸槽正面的观测窗直接观察结果可知 当环境温度达到 10 以上时 砂岩与砂岩之间摩擦烁热岩石粒子抛射形成了暗 红色的火花流 其它岩石与砂岩摩擦亦有暗红色火花显现 当 环境温度 5 时 无论是砂岩与砂岩或是其它岩石与砂岩相互 摩擦均未见火花出现 说明环境温度越低 冷却速度越快 越 不利于点火 2 选用转速为 2 840r min 的电机后 岩块与岩棒相对 摩擦速度达到 7 43m s 在相对摩擦速度为 7 43m s ch4 浓度 5 5 13 4 温度 12 20 接触面积 0 5 4 0cm2 接触 压力 0 54 3 74mpa 的实验条件下 又总计做了 29 次实验 实 验结果为 在加大转速后的 29 次实验中 有 13 次发生了瓦斯 爆炸 说明石英砂岩间相互撞击摩擦引燃引爆瓦斯的概率是比 较高的 达到了 45 在 16 次未发生瓦斯爆炸中 其中有 3 次是由于接触面积过大 致使 接触压力较小所致 0 52mpa 另有 4 次接触压力较大 2 5mpa 也未 发生爆炸 可能是由于接触面积太小 0 50cm2 所致 这 4 次未发生爆炸的实验 虽然在实验过程中均能形成桔黄色或黄 色光亮 即火花流 但由于加力岩块磨损太快 能量难以在 接触表面聚积 达不到点燃瓦斯所需的最低能量 这证明了英 国 smre 的研究认为火花的点燃性不高 难以使瓦斯和空气混 合物着火 美国矿业局的实验研究认为瓦斯着火并非起始于摩 擦火花 而与岩石表面形成的热条痕有关 除非摩擦火花有足 够的密度 说明瓦斯与空气混合物等可燃气体的点燃亦受接触 面积的影响 另外 还有 4 次未发生爆炸的原因 可能是受瓦 斯浓度的影响 ch4 浓度越大 引燃引爆瓦斯所需的最小点火 能量 点火温度越大 感应期也越长 从实验结果来看 ch4 浓度从 6 5 9 4 之间变化容易引起爆炸 还有 1 次因底部 断裂而未取得结果 另有 4 次未能找到未爆的原因 3 3 采空区瓦斯引燃引爆过程分析 回采工作面在回采过程中 随着工作面向前推进 采空区 悬顶面积不断增大 老顶初次来压和周期来压使老顶失稳 坚 硬的石英砂岩在冒落过程中相互摩擦 大部分机械能转化为热 能 岩石的接触表面在很短的时间内升到很高的温度 当采空 区瓦斯和空气混合物掠过温度很高的热表面时 靠近热表面的 混合气体由于其温度接近于炽热的表面温度 边界层范围内的 气体流动速度很低 因而化学反应很快 只要热表面的温度足 够高 则靠近表面的可燃气体总会被引燃引爆 若气流是惰性 的 则没有化学反应 为普通的气流之间的热交换 若气流是 可燃性混合物 但表面温度不够高或表面高温持续时间小于流 动状态下可燃气体的点火延迟时间 则边界范围内的气体只会 产生微弱的化学反应 只是温度发生了变化 若热表面温度足 够高及表面高温持续时间足够长 则边界层内的气体反应放热 积聚 最终在表面外形成零值温度梯度 过此点后 热表面处 的气体略高于热表面 即出现正值温度梯度 而发生点燃 4 结论结论 综上所