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)火源均排除了明火、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(guò)程中互相撞擊摩擦火花可能是引燃瓦斯的火源，但均沒(méi)沒(méi)有理論及實(shí)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)行實(shí)驗(yàn)研究：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(guò)程中巖石間相互摩擦引燃引爆采空區(qū)瓦斯的可能性。 　　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。 　　如果煤本身具有自燃性，煤與空氣接觸，氧化會(huì)產(chǎn)生熱量，若散熱條件不良，熱量積蓄到一定程度便會(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)、出現(xiàn)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(jiàn)，煤炭的自燃性是隨著煤的變質(zhì)程度的增高而降低。同一牌號(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(kāi)采技術(shù)條件，這兩個(gè)因素決定了煤接觸空氣量的多少以及煤和外界的熱交換條件。 　　本次實(shí)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(jiàn)表1。 表1 煤自燃傾向性鑒定結(jié)果

編號(hào) 采樣地點(diǎn) 水分/％ 灰分/％ 揮發(fā)分/％ 全磷/％ 全硫/％ 吸氧量/mL·g^-1 自燃傾向等級(jí) 1 2 3 4 5 6 7 8 屯城 北莊 加豐 加豐 半峪 永紅 柏山 義城 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 三類不易自燃 三類不易自燃 三類不易自燃 三類不易自燃 三類不易自燃 三類不易自燃 三類不易自燃 三類不易自燃

　　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，所有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(jiàn)，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 　　巖石相互撞擊實(shí)驗(yàn)裝置是采用壓縮彈簧為動(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（周圍又規(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(guò)調(diào)節(jié)彈簧的壓縮量，在彈射 能量為705.6～1 960J，溫度20～24℃，CH4濃度5.5％～14％的實(shí)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實(shí)驗(yàn)，即使 彈性能量（發(fā)射 巖塊所獲得的動(dòng)能）達(dá)到實(shí)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察窗觀察情況看，巖石之間撞擊后，巖石碎屑四濺，有的未見(jiàn)火花，有的雖形成火花，但瞬間即滅。 　　模擬結(jié)果，相當(dāng)于重量m≤66.66kg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(guò)程中巖石之間會(huì)發(fā)生劇烈摩擦，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(guò)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(dòng)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 　?。?）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(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8.6%～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(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(wú)論是砂巖與砂巖或是其它巖石與砂巖相互摩擦均未見(jiàn)火花出現(xiàn)，說(shuō)明環(huán)境溫度越低，冷卻速度越快，越不利于點(diǎn)火。 　?。?）選用轉(zhuǎn)速為2 840r/min的電機(jī)后，巖塊與巖棒相對(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(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(guò)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(guò)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(guó)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(guó)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(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(zhǎng)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)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(guò)程分析 　　回采工作面在回采過(guò)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(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(guò)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(guò)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(dòng)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(méi)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(dòng)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，最終在表面外形成零值溫度梯度，過(guò)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(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(guò)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(guò)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(duì)摩擦速度的影響。