陽(yáng)城、沁水礦區(qū)煤礦采空區(qū)瓦斯爆炸火源的確定(圖文)

1、安全技術(shù)陽(yáng)城、沁水礦區(qū)煤礦采空區(qū)瓦斯爆炸火源的確定(圖文) 在陽(yáng)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(chǎng)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(diǎn)火源均排解了明火、炮火、雷管火、電火花、高溫表面和熱輻射等因素，事故處理時(shí)雖初步認(rèn)為頂板冒落過程中相互撞擊摩擦火花可能是引燃瓦斯的火源，但均沒沒有理論及試驗(yàn)作為依據(jù)，為了查證引起采空區(qū)瓦斯爆炸(燃燒)的點(diǎn)火源，擬從下面3個(gè)方面進(jìn)行試驗(yàn)討論：一是采空區(qū)護(hù)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

2、可能性。 1 采空區(qū)護(hù)頂煤自燃引燃引爆采空區(qū)瓦斯的可能性。 假如煤本身具有自燃性，煤與空氣接觸，氧化會(huì)產(chǎn)生熱量，若散熱條件不良，熱量積蓄到肯定程度便會(huì)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)、消失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(xué)性質(zhì)、變質(zhì)程度和煤巖成份。其中煤的化學(xué)成分和變質(zhì)程度對(duì)煤的自燃起著主導(dǎo)作用。各種牌號(hào)的煤化學(xué)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(zhǎng)焰煤和氣煤的自燃性最強(qiáng);炭化變質(zhì)程度高的貧煤和無(wú)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

3、牌號(hào)的煤含硫化物較高時(shí)，因吸氧性較強(qiáng)，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(shù)條件，這兩個(gè)因素打算了煤接觸空氣量的多少以及煤和外界的熱交換條件。 本次試驗(yàn)在陽(yáng)城、沁水兩縣7個(gè)礦井共采集煤樣8組，分別測(cè)定煤自燃傾向性及原煤含硫量和含磷量，測(cè)定結(jié)果見表1。 表1 煤自燃傾向性鑒定結(jié)果 從表1可以看出，沁河、蘆葦河流域的無(wú)煙煤變質(zhì)程度高，吸氧性較弱，而且煤中含硫、磷均較低，全部煤樣均屬三類不易自燃。再結(jié)合調(diào)研結(jié)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(hù)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

4、石相互撞擊試驗(yàn)裝置是采納壓縮彈簧為動(dòng)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(四周又規(guī)程一些巖塊)相碰撞來(lái)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)整彈簧的壓縮量，在彈射 能量為705.61 960J，溫度2024，CH4濃度5.5%14%的試驗(yàn)環(huán)境條件下，總計(jì)做了20次巖石撞擊引燃引爆瓦斯試驗(yàn)，即使 彈性能量(放射 巖塊所獲得的動(dòng)能)達(dá)到試驗(yàn)既定的最大值1 960J，無(wú)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看窗觀看狀況看，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(jié)果，

5、相當(dāng)于重量m66.66kg的冒落巖塊以棱角撞擊地面的巖石時(shí)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?xí)r，接觸表面會(huì)產(chǎn)生溫升現(xiàn)象。采空區(qū)頂板垮落過程中巖石之間會(huì)發(fā)生猛烈摩擦，巖石的摩擦面會(huì)在很短的時(shí)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(diǎn)火源。 為了確定引起采空區(qū)瓦斯爆炸(燃燒)的火源來(lái)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(gè)礦井，利用鉆機(jī)及其附屬設(shè)備向3#煤層頂板打鉆，采集頂板巖芯共計(jì)50余m，作為試驗(yàn)

6、巖樣用切割機(jī)、磨片機(jī)將巖樣加工成肯定直徑的巖棒及圓錐外形的巖塊，然后放在試驗(yàn)裝置上進(jìn)行模擬試驗(yàn)。 3.1 試驗(yàn)裝置及方法 為項(xiàng)目討論而特地設(shè)計(jì)、加工了巖樣摩擦試驗(yàn)裝置，該裝置主要由爆炸槽、巖棒旋轉(zhuǎn)裝置推動(dòng)及加力裝置3部分構(gòu)成，是利用電機(jī)帶動(dòng)巖棒旋轉(zhuǎn)，并使之和一橫向推動(dòng)的加力巖塊接觸摩擦進(jìn)行巖石摩擦試驗(yàn)。試驗(yàn)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濃度依據(jù)需要在5.5%14%之間調(diào)整。 3.2 試驗(yàn)結(jié)果 (1)在低轉(zhuǎn)速條件下，摩擦引爆瓦斯試驗(yàn)最初選用轉(zhuǎn)速為1 440r/min的電機(jī)，其相對(duì)摩擦速度為4.2m/s。在相對(duì)摩擦速度為4.2m/s、CH4濃度為8.

7、6%14%、溫度為017、接觸壓力為0.754.15MPa的試驗(yàn)條件下，總計(jì)做了21次試驗(yàn)，在加力巖塊和旋轉(zhuǎn)巖棒之間的相對(duì)摩擦速度為4.2m/s條件下，無(wú)論接觸壓力多大(最大達(dá)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(cè)窗直接觀看結(jié)果可知，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到10以上時(shí)，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(dāng)環(huán)境溫度5時(shí)，無(wú)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消失，說(shuō)明環(huán)境溫度越低，冷卻速度越快，越不利于點(diǎn)火。 (2)選用轉(zhuǎn)速為2 840r/min的電機(jī)后，巖塊與巖

8、棒相對(duì)摩擦速度達(dá)到7.43m/s。在相對(duì)摩擦速度為7.43m/s、CH4濃度5.5%13.4%、溫度1220、接觸面積0.54.0cm2、接觸壓力0.543.74MPa的試驗(yàn)條件下，又總計(jì)做了29次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為：在加大轉(zhuǎn)速后的29次試驗(yàn)中，有13次發(fā)生了瓦斯爆炸，說(shuō)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(dá)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小(0.50cm2)所致，這4次未發(fā)生爆炸的試驗(yàn)，雖然在試驗(yàn)過程中均能形成桔黃色或黃色光亮(

9、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(dá)不到點(diǎn)燃瓦斯所需的最低能量。這證明白英國(guó)SMRE的討論認(rèn)為火花的點(diǎn)燃性不高，難以使瓦斯和空氣混合物著火;美國(guó)礦業(yè)局的試驗(yàn)討論認(rèn)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(guān)，除非摩擦火花有足夠的密度。說(shuō)明瓦斯與空氣混合物等可燃?xì)怏w的點(diǎn)燃亦受接觸面積的影響。另外，還有4次未發(fā)生爆炸的緣由，可能是受瓦斯?jié)舛鹊挠绊?，CH4濃度越大，引燃引爆瓦斯所需的最小點(diǎn)火能量、點(diǎn)火溫度越大，感應(yīng)期也越長(zhǎng)。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，CH4濃度從6.5%9.4%之間變化簡(jiǎn)單引起爆炸。還有1次因底部斷裂而未取得結(jié)果，另有4次未能找到未爆的緣由。 3.3 采

10、空區(qū)瓦斯引燃引爆過程分析 回采工作面在回采過程中，隨著工作面對(duì)前推動(dòng)，采空區(qū)懸頂面積不斷增大，老頂初次來(lái)壓和周期來(lái)壓使老頂失穩(wěn)，堅(jiān)硬的石英砂巖在冒落過程中相互摩擦，大部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，巖石的接觸表面在很短的時(shí)間內(nèi)升到很高的溫度，當(dāng)采空區(qū)瓦斯和空氣混合物拂過溫度很高的熱表面時(shí)，靠近熱表面的混合氣體由于其溫度接近于酷熱的表面溫度，邊界層范圍內(nèi)的氣體流淌速度很低，因而化學(xué)反應(yīng)很快，只要熱表面的溫度足夠高，則靠近表面的可燃?xì)怏w總會(huì)被引燃引爆。若氣流是惰性的，則沒有化學(xué)反應(yīng)，為一般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(shí)間小于流淌狀態(tài)下可燃?xì)怏w的點(diǎn)火延遲時(shí)間，則邊界范圍內(nèi)的氣體只會(huì)產(chǎn)生微弱的化學(xué)反應(yīng)，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(shí)間足夠長(zhǎng)，則邊界層內(nèi)的氣體反應(yīng)放熱積聚，最終在表面形狀成零值溫度梯度，過此點(diǎn)后，熱表面處的氣體略高于熱表面(即消失正值溫度梯度)而發(fā)生點(diǎn)燃。 4 結(jié)論 綜上所述，陽(yáng)城、沁水礦區(qū)煤礦采空區(qū)瓦斯爆炸(燃燒)事故的火源來(lái)源于采空區(qū)頂板垮落