???? 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50余m，作為實驗巖樣用切割機(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，然后放在實驗裝置上進(jìn)行模擬實驗。

???? 3.1 實驗裝置及方法

???? 為項目研究而專門設(shè)計、加工了巖樣摩擦實驗裝置，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)行巖石摩擦實驗。實驗用氣體由濃度為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 實驗結(jié)果

???? （1）在低轉(zhuǎn)速條件下，摩擦引爆瓦斯實驗最初選用轉(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的實驗條件下，總計做了21次實驗，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，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，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的實驗條件下，又總計做了29次實驗，實驗結(jié)果為：在加大轉(zhuǎn)速后的29次實驗中，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)生爆炸的實驗，雖然在實驗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)局的實驗研究認(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火能量、點火溫度越大，感應(yīng)期也越長。從實驗結(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，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)時間小于流動狀態(tài)下可燃?xì)怏w的點火延遲時間，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)時間、接觸表面壓力、接觸表面面積以及相對摩擦速度的影響。