采空区瓦斯爆炸点火源的确定

采空区瓦斯爆炸点火源确实定

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互相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互相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。

如果煤本身具有自燃性，煤与空气接触，氧化会产生热量，假设散热条件不良，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12345678屯城北庄加丰加丰半峪永红柏山义城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顶板垮落岩石互相撞击引燃引爆采空区瓦斯的可能性

岩石互相撞击实验装置是采纳压缩弹簧为动力，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〔四周又规程一些岩块〕相碰撞来模似顶板垮落岩石互相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705.6～1960J，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1960J，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状况看，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顶板垮落岩石互相摩擦引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

为项目研究而专门制定、加工了岩样摩擦实验装置，该装置主要由爆炸槽、岩棒旋转装置推动及加力装置3部分构成，是利用电机带动岩棒旋转，并使之和一横向推动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浓度依据需要在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1440r/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〕，也不管环境温度及CH4浓度怎样变化，岩石之间互相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互相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2840r/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，说明石英砂岩间互相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。这证实了英国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，随着工作面向前推动，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互相摩擦，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烈的表面温度，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。假设气流是惰性的，则没有化学反应，为一般的气流之间的热交换；假设气流是可燃性混合物，但表面温度不够高或表面高温继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；假设热表面温度足够高及表面高温继续时间足够长，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

综上所述，阳城、沁水矿区煤矿采