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(chē)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)雖初步以為頂板冒落過(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)驗作為依據，為了查證引起采空區瓦斯爆炸(燃燒)的點(diǎn)火源，擬從下面3個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗研究：一是采空區護頂煤自燃引燃引爆采空區瓦斯的可能性;二是采空區頂板垮落巖石之間相互撞擊引燃引爆瓦斯的可能性;三是采空區頂板垮落過(guò)程中巖石間相互摩擦引燃引爆采空區瓦斯的可能性。

　　1 采空區護頂煤自燃引燃引爆采空區瓦斯的可能性

　　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，熱量積蓄到一定程度便會(huì )引起煤炭自燃，從而引發(fā)采空區瓦斯爆炸(燃燒)事故。此類(lèi)事故多發(fā)生在有大量遺煤的采空區、出現裂隙的煤柱和巷道冒高處。眾所周知，影響煤自燃的內在因素有煤的物理、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)程度對煤的自燃起著(zhù)主導作用。各種牌號的煤化學(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(cháng)焰煤和氣煤的自燃性最強;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(zhù)煤的變質(zhì)程度的增高而降低。同一牌號的煤含硫化物較高時(shí)，因吸氧性較強，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)驗在陽(yáng)城、沁水兩縣7個(gè)礦井共采集煤樣8組，分別測定煤自燃傾向性及原煤含硫量和含磷量，測定結果見(jiàn)表1。

　　表1 煤自燃傾向性鑒定結果

　　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，所有煤樣均屬三類(lèi)不易自燃。再結合調研結果，發(fā)生的26起采空區瓦斯爆炸多在工作面回采初期，由此可見(jiàn)，采空區護頂煤不存在自燃引燃引爆采空區瓦斯的可能性。

　　2 頂板垮落巖石相互撞擊引燃引爆采空區瓦斯的可能性

　　巖石相互撞擊實(shí)驗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 其和爆炸槽內固定的巖柱(四周又規程一些巖塊)相碰撞來(lái)模似頂板垮落巖石相互撞擊引燃引爆采空區瓦斯的可能性。

　　通過(guò)調節彈簧的壓縮量，在彈射 能量為705.6～1 960J，溫度20～24℃，CH4濃度5.5%～14%的實(shí)驗環(huán)境條件下，總計做了20次巖石撞擊引燃引爆瓦斯實(shí)驗，即使 彈性能量(發(fā)射 巖塊所獲得的動(dòng)能)達到實(shí)驗既定的最大值1 960J，無(wú)論CH4濃度在5.5%～14%區間內怎樣變化，巖石撞擊均未引燃引爆瓦斯。但從爆炸槽正面的觀(guān)察窗觀(guān)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。

　　模擬結果，相當于重量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瓦斯分析

　　眾所周知，兩固體之間發(fā)生摩擦時(shí)，接觸表面會(huì )產(chǎn)生溫升現象。采空區頂板垮落過(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，即潛伏的點(diǎn)火源。

　　為了確定引起采空區瓦斯爆炸(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，利用鉆機及其附屬設備向3#煤層頂板打鉆，采集頂板巖芯共計50余m，作為實(shí)驗巖樣用切割機、磨片機將巖樣加工成一定直徑的巖棒及圓錐外形的巖塊，然后放在實(shí)驗裝置上進(jìn)行模擬實(shí)驗。

　　3.1 實(shí)驗裝置及方法

　　為項目研究而專(zhuān)門(mén)設計、加工了巖樣摩擦實(shí)驗裝置，該裝置主要由爆炸槽、巖棒旋轉裝置推進(jìn)及加力裝置3部分構成，是利用電機帶動(dòng)巖棒旋轉，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。實(shí)驗用氣體由濃度為99.99%的高純CH4與爆炸槽內空氣混合而成，混合氣體中CH4濃度根據需要在5.5%～14%之間調節。

　　3.2 實(shí)驗結果

　　(1)在低轉速條件下，摩擦引爆瓦斯實(shí)驗最初選用轉速為1 440r/min的電機，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)驗條件下，總計做了21次實(shí)驗，在加力巖塊和旋轉巖棒之間的相對摩擦速度為4.2m/s條件下，無(wú)論接觸壓力多大(最大達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(guān)測窗直接觀(guān)察結果可知，當環(huán)境溫度達到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;當環(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，說(shuō)明環(huán)境溫度越低，冷卻速度越快，越不利于點(diǎn)火。

　　(2)選用轉速為2 840r/min的電機后，巖塊與巖棒相對摩擦速度達到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)驗條件下，又總計做了29次實(shí)驗，實(shí)驗結果為：在加大轉速后的29次實(shí)驗中，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小(<0.50cm2)所致，這4次未發(fā)生爆炸的實(shí)驗，固然在實(shí)驗過(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，達不到點(diǎn)燃瓦斯所需的最低能量。這證實(shí)了英國SMRE的研究以為火花的點(diǎn)燃性不高，難以使瓦斯和空氣混合物著(zhù)火;美國礦業(yè)局的實(shí)驗研究以為瓦斯著(zhù)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氣體的點(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，可能是受瓦斯濃度的影響，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，感應期也越長(cháng)。從實(shí)驗結果來(lái)看，CH4濃度從6.5%～9.4%之間變化輕易引起爆炸。還有1次因底部斷裂而未取得結果，另有4次未能找到未爆的原因。

　　3.3 采空區瓦斯引燃引爆過(guò)程分析

　　回采工作面在回采過(guò)程中，隨著(zhù)工作面向前推進(jìn)，采空區懸頂面積不斷增大，老頂初次來(lái)壓和周期來(lái)壓使老頂失穩，堅硬的石英砂巖在冒落過(guò)程中相互摩擦，大部分機械能轉化為熱能，巖石的接觸表面在很短的時(shí)間內升到很高的溫度，當采空區瓦斯和空氣混合物擦過(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，邊界層范圍內的氣體活動(dòng)速度很低，因而化學(xué)反應很快，只要熱表面的溫度足夠高，則靠近表面的可燃氣體總會(huì )被引燃引爆。若氣流是惰性的，則沒(méi)有化學(xué)反應，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時(shí)間小于活動(dòng)狀態(tài)下可燃氣體的點(diǎn)火延遲時(shí)間，則邊界范圍內的氣體只會(huì )產(chǎn)生微弱的化學(xué)反應，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時(shí)間足夠長(cháng)，則邊界層內的氣體反應放熱積聚，終極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(即出現正值溫度梯度)而發(fā)生點(diǎn)燃。

　　4 結論

　　綜上所述，陽(yáng)城、沁水礦區煤礦采空區瓦斯爆炸(燃燒)事故的火源來(lái)源于采空區頂板垮落相互摩擦而產(chǎn)生的高溫熱表面，含中粒石英砂巖的堅硬頂板在冒落過(guò)程中相互摩擦是引燃引爆采空區瓦斯的根本原因。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。

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