综放开采顶板冒落撞击摩擦火花引爆瓦斯研究.pdf

第3 6 卷第1 期中国矿业大学学报V 0 1 ．3 6N o ．1 2 0 0 7 年1 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e e h n 0 1 0 9 yJ a n ．2 0 0 7 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 7 0 1 0 0 1 2 0 5 综放开采顶板冒落撞击摩擦火花引爆瓦斯研究 许家林1 ，张日晨1 ’2 ，余北建1 ’3 1 ．中国矿业大学能源与安全工程学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 ； 2 ．神华集团有限责任公司神东煤炭分公司，内蒙古东胜0 1 7 2 0 9 ； 3 ．阳泉煤业集团公司，山西阳泉0 4 5 0 0 0 摘要针对康家滩煤矿8 8 煤层综放开采条件，采用专门设计的实验装置对其顶板冒落撞击摩擦 火花引爆瓦斯的可能性进行了实验研究．结果表明冒落岩石的质量、冒落岩石撞击高度与角度、 岩石性质及砂岩中的石英含量、岩石的潮湿度等是影响岩石撞击摩擦火花温度及其能否引爆瓦 斯的重要因素．当石英砂岩间在接触压力达1 7 1 ．2N 以上、以1 0m ／s 的速度摩擦，在2 ～3 0S 内 可引起瓦斯爆炸．康家滩煤矿88 煤层局部区域的石英砂岩冒落撞击高度最大达6 ．7 6m ，撞击速 度可达1 1 ．5 1m ／s ，具有引爆瓦斯的可能性． 关键词综放开采；顶板冒落；撞击摩擦火花；瓦斯爆炸 中图分类号T D7 1 2文献标识码A S t u d yo nG a sE x p l o s i o nI n d u c e db y I m p a c t - F r i c t i o nS p a r k sD u r i n gR o o fC o l l a p s e w i t hF u l l y 。- M e c h a n i z e dT o p C o a lC a v i n gM i n i n g X UJ i a l i n l ，Z H A N GR i c h e n l ”，Y UB e i - j i a n l 3 1 ．S c h o o lo fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y 。 X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a ；2 ．S h e n d o n gc o a lc o m p a n y ，S h e n h u aG r o u pC o ．L t d ，D o n g s h e n g ， N e i m e n g o l0 1 7 2 0 9 ，C h i n a ；3 ．Y a n g q u a nC o a lG r o u pC o ．L t d ，Y a n g q u a n ，S h a n x i0 4 5 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h et h ef u l l y - m e c h a n i z e dt o p c o a lc a v i n gm i n i n go f88c o a lb e di nK a n g j i a t a n c o a lm i n e ，t h ep r o b a b i l i t yo ft h eg a se x p l o s i o ni n d u c e db yt h ei m p a c t f r i c t i o ns p a r k sd u r i n gr o o f c o l l a p s ew a ss t u d i e dw i t ht h es p e c i a ld e s i g n e de x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t s ．T h er e s u l t ss h o w s t h a tt h er o c km a s s ，i m p a c th e i g h t ，i m p a c ta n g l e ，n a t u r eo fr o c k ，c o n c e n t r a t i o no fq u a r t za n d t h eh u m i d i f i c a t i o no ft h er o c ka r et h em a i nf a c t o r si n f l u e n c i n gt h et e m p e r a t u r eo ft h er o c ki m p a c t f r i c t i o ns p a r k sa n dt h eg a se x p l o s i o n ．T h ef r i c t i o nb e t w e e nq u a r t zs a n d s t o n ew i t ht h ec o n t a c tp r e s sm o r et h a n1 7 1 ．2N 。f r i c t i o nv e l o c i t yo f1 0m ／sa n df r i c t i o nt i m eo f2 ～3 0Sc a ni g n i t e t h eg a s ．I ns o m ea r e ao f88c o a lb e di nK a n g ji a t a nc o a lm i n et h ei m p a c th e i g h to fq u a r t zs a n d s t o n ei s6 ．7 6ma n dt h ei m p a c tv e l o c i t yi su pt o1 1 ．5 Im ／s ，S Oi t i sp o s s i b l et oi n d u c et h eg a s e x p l o s i o n ． K e yw o r d s f u l l y m e c h a n i z e dt o p c o a lc a v i n gm i n i n g ；r o o fc o l l a p s e ；i m p a c t f r i c t i o ns p a r k ；g a s e x p l o s i o n 收稿日期2 0 0 5 一0 6 2 9 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 3 7 4 0 6 6 ；教育部”新世纪优秀人才支持计划”项目 N C E T - 0 5 0 4 7 8 作者简介许家林 1 9 6 6 一 ，男，江苏省句容市人，教授，博士生导师，工学博士，从事岩层移动与绿色开采方面的研究 E - m a i l c u m tx j l c u r e t ．e d u ．c nT e l 0 5 1 6 8 3 8 8 5 5 8 1 万方数据 第1 期许家林等综放开采顶板冒落撞击摩擦火花引爆瓦斯研究 瓦斯爆炸事故是制约我国煤矿当前安全生产 的主要因素之一．据统计D - 2 3 ，我国多起煤矿瓦斯爆 炸事故的点火源被归结为采空区顶板岩石冒落撞 击摩擦火花．文献I - 2 1 0 ] 分别就岩石撞击摩擦的 能量转化原理与升温机理、岩石撞击摩擦火花实验 装置、岩石撞击摩擦火花引爆瓦斯的环境影响因素 等开展了各自的研究．对于放顶煤开采而言，一次 采出煤层厚度较传统的分层开采成倍增大，导致采 空区顶板冒落撞击的高度和撞击动能增大，顶板冒 落撞击摩擦产生火花引爆采空区瓦斯的可能性增 大．因此，对高瓦斯矿井综放开采顶板冒落撞击摩 控制键盘 擦火花引爆瓦斯的机理及发生条件的研究，对预防 综放工作面采空区瓦斯爆炸具有重大意义．本文基 于神东煤炭公司康家滩煤矿即将进行综放开采的 88 煤层条件，对综放采空区顶板冒落撞击摩擦火 花引爆瓦斯的可能性及影响因素进行了系统的实 验研究． 1 实验装置与测试方法 分别设计了岩石冒落撞击升温实验装置 图 l a 和岩石摩擦升温引爆瓦斯实验装置 图l b ． a 岩石撞击升温 b 岩石摩擦升温引爆瓦斯 图1岩石撞击摩擦升温引爆瓦斯实验装置 F i g ．1E x p e r i m e n t a ld e v i c e so ft h er o c ki m p a c ta n dr o c kf r i c t i o n 岩石冒落撞击升温实验装置只能在无瓦斯环 境下进行实验，以岩石为落体，高度可调，靶体岩石 固定于地面，落体岩石自由释放落下与靶体岩石撞 击，红外热成像仪即刻感应到撞击瞬时的温度并记 录在记录仪上，同时对岩石撞击过程进行录像拍 摄．岩石摩擦升温引爆瓦斯实验装置以一块岩石随 电机转动在旋转中与另2 块与之垂交对称加压的 岩石相互摩擦，岩石的转速和岩石间的接触压力可 调，既可在无瓦斯环境下进行实验，利用红外热成 像仪测定岩石摩擦升温大小，也可将装置的顶部用 透明薄膜封闭后充入一定浓度的瓦斯进行实验，观 测岩石摩擦火花是否引爆瓦斯． 红外热成象仪能远距离捕捉岩石撞击或摩擦 时接触点、飞溅物的温度．本次实验采用的红外热 成象仪是T V S 一2 0 0 0M K I IS T 型[ 1 1 | ． 2 岩石撞击摩擦火花引爆瓦斯实验 2 ．1 岩石撞击升温实验 采用图1 a 所示的岩石撞击升温实验装置，分 别就冒落撞击岩石的质量、撞击高度、撞击角度对 岩石升温的影响进行了实验，同组实验反复进行 1 0 次，考察1 0 次实验中的最大升温值和平均升温 值，图2 为部分实验结果．图2 a 是在撞击高度为1 m ，撞击角度为0 。的条件下，含砾粗砂岩撞击含砾 粗砂岩时的升温值与岩石质量的关系曲线，可见， 升温值随岩石质量增加而增加，说明在相同冒落撞 击高度条件下，冒落岩石块体越大，撞击升温越高． 图2 b 是在撞击岩石质量2 ．7k g 左右，撞击角度为 o 。的条件下，含砾粗砂岩撞击粗砂岩时的升温值与 岩石撞击高度的关系曲线，可见，升温值随岩石撞 击高度增加而增加，说明在相同冒落块体条件下， 冒落岩石高度越大，撞击升温越高．由于岩石撞击 过程中产生滑移，在接触面之间产生摩擦，摩擦做 功将转化为热能，从而使温度升高．通过改变岩石 撞击角度来体现撞击中的摩擦程度．图2 c 是在撞 击高度为2m ，岩石质量2 ．3k g 含砾粗砂岩撞击 粗砂岩时的升温值与撞击角度的关系曲线，可见， 岩石撞击温升值随撞击角度增大而增大，特别是当 撞击角度大于2 0 。时，岩石温升值随角度的变化而 变化较快，这说明岩石撞击后发生的摩擦对岩石撞 击升温有很大的影响． 上述实验结果表明，岩石撞击过程中摩擦引起 的升温值要比单纯的正面撞击引起的升温值高，即 采空区顶板岩石冒落撞击过程中的摩擦火花更易 引起瓦斯爆炸，因此，岩石冒落撞击摩擦引爆瓦斯 实验可以转化为单纯的岩石摩擦火花引爆瓦斯实 验，就可以对采空区顶板岩石冒落撞击摩擦火花引 爆瓦斯的可能性进行评价．采用图1 b 所示的岩石 摩擦火花引爆瓦斯实验装置，可以通过改变电机的 转速和接触压力来适应不同质量和高度的岩石，而 万方数据 1 4中国矿业大学学报第3 6 卷 且可以在瓦斯环境下进行实验，因此，单纯的岩石 摩擦火花引爆瓦斯实验还可以克服图l a 所示撞击 ； 呈8 0 篝。6 。0 2 0 O 12 3 4 试样重量／k g a 升温值与岩石质量的关系 p 蜊 赠 实验装置的撞击高度与岩石质量不够大及不能在 瓦斯环境下进行实验的不足． 2 0 。0 f／最高溅 }／ 80}二二二一．平均温度60l ’一⋯一 2 0 } l p 1 ＼ 越 赠 O51 01 52 02 53 03 5 撞击角度／ o C 升温值与撞击角度的关系 图2岩石撞击升温的实验结果 F i g ．2 E x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h er o c ki m p a c tu p t e m p e r a t u r e 2 ．2 岩石摩擦升温实验 采用图1 b 所示的岩石摩擦升温实验装置，分 别就岩石性质、岩石摩擦速度、岩石接触压力、岩石 摩擦时间、岩石潮湿度等对岩石摩擦升温的影响进 行了实验，同组实验反复进行1 0 次，考察1 0 次实 验中的最大升温值和平均升温值． 在摩擦速度为3m ／s 、接触压力为1 2 0N 、摩擦 时间2 0S 的条件下，各种岩性的岩石分别与粗砂 岩摩擦，岩石摩擦温度升高值与岩石中石英含量的 关系如表1 所示，可见，泥岩与粗砂岩摩擦升温值 最低，含砾粗砂岩与粗砂岩摩擦升温值最高，岩石 摩擦升温值与其石英含量基本上成正比关系，即岩 石石英含量越高，其摩擦升温值越大． 表1康家滩8 0 煤顶板不同岩性岩石石英含量 及摩擦升温值 T a b l e1 Q u a r t zc o n c e n t r a t i o na n df r i c t i o nu p - t e m p e r a t u r e o fd i f f e r e n tr o c k so f8 4c o a lb e dr o o fi nK a n g j i a t a nm i n e 图3 为粗砂岩在摩擦速度为1 0m ／s 、接触压 力为1 7 0N 条件下，摩擦最大升温值与摩擦时间关 系的实验结果，可见，在1 0S 内岩石摩擦温度升高 与摩擦时间呈线性增长趋势，随后随摩擦时间变化 不明显．图4 为干燥粗砂岩与干燥粗砂岩、潮湿粗 砂岩与干燥粗砂岩在摩擦速度为3m ／s 、接触压力 为1 2 0N 条件下摩擦升温值的对比图，可见，岩石 的湿度对岩石摩擦升温值有很大的影响，潮湿岩石 摩擦升温值明显小于干燥岩石摩擦升温值． 5 0 0 p4 0 0 越3 0 0 赠2 0 0 l O O 0 51 01 52 02 53 0 摩擦时间／s 图3摩擦接触面升高温度与摩擦时间的关系 F i g ．3 R e l a t i o nb e t w e e nt h eu p t e m p e r a t u r eo f f r i c t i o nc o n t a c ta n dt h ef r i c t i o nt i m e 1 2 0 1 0 0 墨s o 赠6 0 4 0 2 0 O o 搠湿租础’君口干爝 粗砂 l ．笪．蘸．震．蓬．㈨|尉．| l234567891 0 实验次数 图4潮湿粗砂岩与干燥粗砂岩摩擦升温值的对比 F i g ．4 C o n t r a s tb e t w e e nt h eu p t e m p e r a t u r eo f t h eh u m i dg r i ts a n d s t o n ea n dt h ed r yo n e s 2 ．3 岩石摩擦升温引爆瓦斯实验 采用图1 b 所示的岩石摩擦升温实验装置，在 瓦斯浓度处于爆炸界限环境下，对不同条件下岩石 摩擦升温能否引爆瓦斯进行了实验．表2 为部分实 验结果的统计表． 表2岩石摩擦引爆瓦斯实验结果 T a b l e2 E x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h eg a se x p l o s i o ni n d u c e db yt h er o c kf r i c t i o n 摩擦岩石c p C H t ／％接触压力／N 摩擦速度／ m S ～1 摩擦时间／s实验次数 爆炸次数 粗砂岩与粗砂岩 5 ～1 6 1 2 0 ～1 5 031 0 ～9 8 8 含砾粗砂岩与粗砂岩 5 ～1 61 2 0 ～1 5 031 0 ～9 8 8 泥岩与含砾粗砂岩 5 ～1 61 7 1 ～2 2 8 1 09 ～6 0 泥岩与粗砂岩 5 ～1 61 7 1 ～2 2 81 09 ～6 0 粗砂岩与粗砂岩 5 ～1 61 7 1 ～2 2 81 06 ～3 2 含砾粗砂岩与粗砂岩 5 ～1 61 7 1 ～2 2 8 1 06 ～3 2 含砾粗砂岩与含砾粗砂岩 5 ～161 7 1 ～2 2 81 02 ～3 2 潮湿粗砂岩与粗砂岩 5 ～1 61 7 1 ～2 2 81 01 3 ～9 0 万方数据 第1 期许家林等综放开采顶板冒落撞击摩擦火花引爆瓦斯研究 由表2 及实验结果分析可以得到以下结论1 泥岩和砂岩之间无论是低速摩擦还是高速摩擦都 不能引起瓦斯爆炸．2 砂岩间在接触压力1 2 0N 条件下以3m ／s 的速度摩擦不能引起瓦斯爆炸，而 当接触压力达1 7 1 ．2N 以上条件下以1 0m ／s 的速 度摩擦，摩擦2 ～3 0S 内可引起瓦斯爆炸。3 潮湿 的砂岩间摩擦难以引起瓦斯爆炸． 0 。含量在混合气体中的比例不足等，这将大大减 小引爆瓦斯的概率．但是鉴于实际顶板冒落发生的 碰撞和摩擦是一个错综复杂的过程，无法摸清其规 律，因此在图5 所示阴影区域综放开采时还是需要 采取一些必要的措施的，比如减少放煤高度或者只 采不放、向顶板注水增加岩石湿度、强制放顶降低 砂岩顶板撞击高度等． 3实例分析4结论 根据实验研究结果，通过对康家滩煤矿88 煤 层的顶板组成、直接顶泥岩厚度等值线分布图、煤 层厚度分布图等地质条件的综合研究，对8 8 煤层 放顶煤开采采空区顶板冒落引爆瓦斯可能性进行 了分析．钻孔取样结果表明，8 * 煤直接顶一般为砂 质泥岩，老顶主要由粗砂岩和含砾粗砂岩组成，间 有少量的中砂岩和细一中砂岩．二盘区与五盘区的 直接顶泥岩厚度在1 0m 以上，煤层厚度小于8m ． 直接顶泥岩冒落碎胀系数按1 ．6 计，放顶煤采出率 按8 0 ％计，则二盘区与五盘区的直接顶泥岩冒落 后已基本充满冒落空间，上部的 含砾 粗砂岩无冒 落撞击摩擦的条件，因此这部分地区是绝对安全 的．对于三盘区，局部地区的直接顶泥岩厚度在2 m 以下的，煤层厚度最大达9m ，直接顶泥岩薄而 煤层厚度大，直接顶泥岩冒落后，上部的 含砾 粗 砂岩冒落撞击高度最大达6 ．7 6m ，撞击速度可达 1 1 ．5 1m ／s ，碰撞后沿斜面的摩擦速度最大也可达 8 ．0 6m ／s ，比较接近于实验研究时可以引爆瓦斯的 1 0r n ／s 的摩擦速度，具有引爆瓦斯的可能性．据此 确定康家滩煤矿8 。煤层综放开采采空区顶板冒落 引爆瓦斯的危险区域如图5 所示阴影部分． 顶板冒落可能引爆瓦斯区域 图5 直接顶泥岩厚度等值线及顶板冒落撞击 摩擦引爆瓦斯的危险区域 F i g ．5 T h i c k n e s sc o n t o u ro ft h ei m m e d i a t er o o fa n d d a n g e r o u sz o n eo ft h eg a se x p l o s i o ni n d u c e db yt h e r o c ki m p a c t f r i c t i o ns p a r k sd u r i n gr o o fc o l l a p s e 虽然实际开采时现场条件与实验室研究时瓦 斯爆炸的极限条件有很大的差距，诸如实际摩擦时 间相对于实验时为无穷小、顶板具有一定的湿度、 1 岩石撞击过程中摩擦引起的升温值要比单 纯的正面撞击引起的升温值高，即采空区顶板岩石 冒落撞击过程中的摩擦火花更易引起瓦斯爆炸，因 此，岩石冒落撞击摩擦引爆瓦斯实验可以转化为单 纯的岩石摩擦火花引爆瓦斯实验，就可以对采空区 顶板岩石冒落撞击摩擦火花引爆瓦斯的可能性进 行评价．如何提高岩石摩擦升温实验装置的自动化 和安全性能，建立实验条件与现场条件的转化关 系，需要进一步完善． 2 岩石中的石英含量越高，其撞击摩擦引爆 瓦斯的可能性越大；泥岩与砂岩间撞击摩擦一般不 能引起瓦斯爆炸；潮湿的砂岩与砂岩摩擦难以引起 瓦斯爆炸；石英砂岩间在接触压力达1 7 1 ．2N 以上 以1 0m ／s 的速度摩擦可以引起瓦斯爆炸．因此，当 综放面直接顶岩性为泥岩且冒落后能基本充满冒 落区或顶板有淋水导致顶板岩石湿度较大时，采空 区顶板岩石冒落撞击摩擦火花不可能引起瓦斯爆 炸；当综放面采空区顶板为石英砂岩且冒落撞击高 度较大时，采空区顶板岩石冒落撞击摩擦火花引起 瓦斯爆炸的可能性是存在的． 3 鉴于综放开采一次采出厚度大，采空区顶 板冒落撞击摩擦产生引爆瓦斯火源的危险性提高， 建议将采空区顶板冒落撞击摩擦火花引爆瓦斯的 可能性评价作为新上综放开采矿井论证的一项必 要内容和环节，确保综放开采技术的安全可靠． 参考文献 [ 1 ]王捷帆，李文俊．中国煤矿事故暨专家点评集[ M ] ．北 京煤炭工业出版社，2 0 0 1 ． [ 2 ] 姜文忠．采空区瓦斯爆炸 燃烧 机理及防止技术研究 [ D ] ．徐州中国矿业大学能源与安全工程学院， 2 0 0 2 ． [ 3 ] 余为，缪协兴，茅献彪，等．岩石撞击过程中的升温 机理分析[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 5 ，2 4 9 1 5 3 5 1 5 3 8 ． Y UW e i ，M I A OX i e x i n g ，M A OX i a n b i a o ，e ta 1 ．A n a l y s i so ft h eh e a t i n g u pm e c h a n i s mi nt h ec o L l r s eo f 万方数据 中国矿业大学学报第3 6 卷 [ 4 ] I - 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