???? 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(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，作為實(shí)驗(yàn)巖樣用切割機(jī)、磨片機(jī)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(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。

???? 3.1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

???? 為項(xiàng)目研究而專門設(shè)計(jì)、加工了巖樣摩擦實(shí)驗(yàn)裝置，該 裝置主要由爆炸槽、巖棒旋轉(zhuǎn)裝置推進(jìn)及加力裝置3部分構(gòu)成，是利用電機(jī)帶動巖棒旋轉(zhuǎn)，并使之和一橫向推進(jìn)的加力巖塊接觸摩擦進(jìn)行巖石摩擦實(shí)驗(yàn)。實(shí)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濃度根據(jù)需要在5.5％～14％之間調(diào)節(jié)。

???? 3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

???? （1）在低轉(zhuǎn)速條件下，摩擦引爆瓦斯實(shí)驗(yàn)最初選用轉(zhuǎn)速為1 440r/min的電機(jī)，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(shí)驗(yàn)條件下，總計(jì)做了21次實(shí)驗(yàn)，在加力巖塊和旋轉(zhuǎn)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(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窗直接觀察結(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(diǎn)火。

???? （2）選用轉(zhuǎn)速為2 840r/min的電機(jī)后，巖塊與巖棒相對摩擦速度達(dá)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(shí)驗(yàn)條件下，又總計(jì)做了29次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：在加大轉(zhuǎn)速后的29次實(shí)驗(yàn)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(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?。ǎ?.50cm²＝所致，這4次未發(fā)生爆炸的實(shí)驗(yàn)，雖然在實(shí)驗(yàn)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(dá)不到點(diǎn)燃瓦斯所需的最低能量。這證明了英國SMRE的研究認(rèn)為火花的點(diǎn)燃性不高，難以使瓦斯和空氣混合物著火；美國礦業(yè)局的實(shí)驗(yàn)研究認(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)生爆炸的原因，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。從實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)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(jìn)，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(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)瓦斯和空氣混合物掠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(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總會被引燃引爆。若氣流是惰性的，則沒有化學(xué)反應(yīng)，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(shí)間小于流動狀態(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，則邊界層內(nèi)的氣體反應(yīng)放熱積聚，最終在表面外形成零值溫度梯度，過此點(diǎn)后，熱表面處的氣體略高于熱表面（即出現(xiàn)正值溫度梯度）而發(fā)生點(diǎn)燃。

???? 4 結(jié)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?zé)岜砻?，含中粒石英砂巖的堅(jiān)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(guān)，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(shí)間、接觸表面壓力、接觸表面面積以及相對摩擦速度的影響。