关于回采工作面采空区爆炸产生机理的探讨

第27卷第6期煤 炭 学 报Vol.27 No.6 2002年 12月JOURNAL OF C HINA C OAL SOCIE TY Dec. 2002 文章编号:0253-9993(2002)06-0636-03

关于回采工作面采空区爆炸产生机理的探讨

杨永辰1,孟金锁2,王同杰1

(1 河北建筑科技学院教务处,河北邯郸 056038;2 国家煤矿安全监察局安全标志办公室,北京 100013)

摘 要:应用矿压理论、气体爆炸理论、自然发火及火风压理论对回采工作面采空区发生爆炸的原因进行了分析,详细地阐述了爆炸产生的过程,提出了采空区爆炸机理的3个新观点:(1)煤炭自然发火是导致爆炸的根本原因(唯一火源因素);(2)煤炭堆积自然发火正反馈是导致煤炭自燃的主要原因;(3)火风压是形成爆炸条件的动力源.建立了煤炭自燃时气体流动结构图,这些新观点全面地解释了回采工作面采空区C O或沼气发生爆炸的机理,为今后防治采空区爆炸的产生提供了科学的理论依据.

关键词:采空区爆炸;煤炭自燃;爆炸火源;爆炸条件;发火正反馈

中图分类号:TD714 51 文献标识码:A

在某些矿井中,回采工作面的采空区经常发生爆炸,严重地影响着回采工作面的安全生产.其爆炸的特点是: 随机发生,对工作面作业工人的心理造成的较大压力,工作时提心吊胆;爆炸发生突然,无法躲避;!爆炸发生时造成有害气体突然涌出,严重危及工人的生命安全,危害性极大.长期以来,由于对爆炸产生的机理研究不够,目前还没有一个统一的理论来解释其发生的原因,笔者抓住爆炸发生过程中爆炸火源这一主要因素进行分析,阐述了爆炸产生的机理.

1 分析爆炸产生的可能性

煤矿回采工作面采空区发生爆炸一般为气态爆炸介质,即沼气或CO.而气态爆炸介质爆炸必须具备2个基本条件: 火源或称爆源.当火源温度达到气态爆炸物的点火温度时,才可能发生爆炸.一般来讲沼气的点火温度为650~750?;气体浓度条件.任何气体爆炸介质的爆炸都是在一定浓度范围内进行的,通常沼气的爆炸浓度范围为5 6%~16 0%,最适宜的爆炸浓度为9 6%,CO的爆炸浓度范围为12 5%~75 0%[1].

根据爆炸条件及采空区的环境,能否发生爆炸主要决定于火源条件,从采空区的实际情况来看,由于采空区被垮落矸石充填,人员无法进入,外因火源可以排除.而内因火源有2种:煤炭(可自燃物)自燃和矸石垮落碰撞火花.矸石垮落时碰撞引起火花点燃可燃气体产生爆炸的可能性几乎不存在,根据矿压理论可知,直接顶岩块的垮落碰撞最剧烈,有可能产生火花.然而根据采空区自然发火#三带?划分理论,此范围属于强渗流带,不具备积聚瓦斯的条件;进入弱渗流区后,此区的形成是矸石被压实所致,此时虽然具备了积聚瓦斯的条件,但失去了直接顶碰撞火花产生的条件,老顶虽以砌体梁的形式下沉,但也不会产生火花,因此由矸石垮落碰撞火花引起采空区瓦斯爆炸的说法是不能成立的,那么唯一能够导致爆炸的火源因素就是煤炭自燃.

2 采空区爆炸形成的过程

煤炭的发火过程是一个连续过程,即潜伏期、自热期、燃烧期,中间不能出现跳跃.在某一环境条件收稿日期:2002-02-01

下,从煤炭初次接触空气中的氧到燃烧起来的总时间称之为煤炭在这一条件下的自燃时间.对于同一工作面不同位置的煤,其初次接触空气的时间也不一样.在我国,回采工作面一般采取后退式采煤法,回采之前先掘进2条回采巷道至采区边界,再开切眼,形成回采工作面,因此在同一工作面内,最早接触空气的煤体应该是回采巷道附近的煤体,根据实际情况分析可能出现3种情况: 在回采之前就具备发火的其它条件,可能出现巷道火灾; 虽在回采之前不满足发火条件,但经过放顶垮落之后具备了发火条件,可能出现采空区火灾;!虽然它提前进入发火过程的潜伏期,但由于所需的发火时间长,以致于使丢失煤炭进入到无渗流区后仍处于潜伏期或自热期而不能自燃,因而也不会发生爆炸.决定煤炭能否自然发火的另一重要条件是堆积量.煤炭在松散堆内的自燃是一个#燃烧正反馈?过程,即煤堆深处的煤炭首先出现温度升高,使氧化速度加快,并形成火风压,热风流逐渐向上(外)发展,上部煤炭温度升高又促进了深部煤炭的氧化速度,同时在火风压的作用下,可能在发火区与非发火区之间形成慢速涡流,使热量形成对流交换,这样里外共同升温,直至燃烧,从而形成了#煤炭自燃正反馈?.采空区内煤堆最外围的煤炭由于与岩石接触热量被部分吸收,加之空气渗流的携热作用而使其温度较低[2]

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由上述可知,火风压在C O 与空气对流中起着关键作用,CO 是从燃烧着的煤炭中产生的,产生之初温度较高,密度较低,因而产生上升动力%%%火风压;在火风压的作用下,燃烧煤炭的上方形成了上升气流;当热气向上移动的过程中接触岩石后,其温度会降低,火风压的作用就会减小,气体停止流动.但由于CO 密度较小,会继续沿着更高的岩块缝隙上升,直至最高处.而变冷的空气受到后续热气流的作用会朝火源外侧移动,随着空气与岩石的进一步接触降温,其密度相对提高,冷空气会产生下降动能.另外,由于火源上方热气上升,在火源侧面形成微弱负压区,冷空气补充进来.其过程如图1(a)所示.通过分析可知,火源起到2个作用: 局部通风机的作用,使空气产生涡流; 使CO 在高位岩缝中积聚,并随着继续积聚,其下位在下移,当下位处的温度和浓度达到爆炸界限时就形成了爆炸

.图1 在火风压作用下气体对流示意及区域功能划分

Fig 1 Sketch of the air convection under the action of fi re pressure or divide space into different function

(a)对流示意;(b)区域功能划分

为了形象地描述上述过程,将气体对流区域内的功能用图1(b)表示,即煤炭自燃处是对流的动力源,用风机表示;热气上升过程中遇到岩石温度下降,用冷却器表示;在对流区域的上部,由于气体密度不同,导致密度较小的C O 气体滞留,空气下降,两气体在此区域分离,用分离器表示;虚拟空间是指气体对流所波及的大致范围.

上述所阐述的理论通过观察生活中的燃烧现象已经得到了证实,如冬季在房间内生煤炉,在无扰动的情况下,其引火柴木产生的烟气,会在房间的顶部形成烟气层.在此种现象中烟气的主要成分是CO 2,而CO 2的密度要比空气的密度大,但在火风压的作用下,仍能形成CO 2浮层.那么在采空区内煤炭自燃产生的CO 要比空气的密度小,更易形成C O 浮层.需要说明的是,在火风压的作用下的对流范围不会很大,其形成范围主要受3方面影响: 火源温度.温度越高火风压越大,对流越强烈,波及范围越大; 火源范围;!岩石垮落高度.其高度越大,产生火风压差越大对流越强烈,波及范围大.问题是对流范围的大小,决定了参加爆炸介质量的多少,而爆炸介质量的大小决定了爆炸的强度.由于火风压波及范围较小,因而爆炸产生的冲击波也不是太大,并且由于爆炸冲击波经过强渗流区的碎裂岩石后,强度大大减637第6期杨永辰等:关于回采工作面采空区爆炸产生机理的探讨

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弱,一般只能听到爆炸声,有时会波及到工作面,并有有害气体喷出,危及生命安全.

采空区内能够产生爆炸介质除CO外还有沼气.由于沼气是来自于丢失在采空区的煤炭及上、下邻近层中,没有煤炭的大量丢失就失去了沼气产生的源泉,因此采空区内上、下两巷的护巷煤柱是释放大量沼气的地点.由于沼气的密度相对较小,弥散在采空区各处的沼气就会在上回风巷处积聚,若顶板垮落空间大,沼气量小,这样就会失去与上、下两巷处自然火源的联系,不可能产生爆炸;反之结果相反.煤层倾角对爆炸介质的流动有影响.在走向长壁采煤法中,两回采巷道之间有一定的高差,由于爆炸介质的密度都比空气小,因而上回风巷积聚爆炸介质的可能性大于下运输巷,并且随煤层倾角的增大,这种现象将会越明显;通风对爆炸介质积聚有影响.在采空区的弱渗流区内,气体的流动方向与爆炸介质积聚流动方向都是沿工作面由下而上,即通风加速了爆炸介质在上回风巷处弱渗流区的积聚,这说明上回风巷比下运输巷的采空区更容易形成沼气爆炸点.

3 结 论

煤炭自燃一般只发生在回采巷道附近的弱渗流区,且自燃是爆炸产生的唯一火源,同时自燃也是产生爆炸介质(CO)的源泉;C O或CO与沼气的混合气体为爆炸介质;火风压在爆炸介质积聚过程中起着#对流风机和分离器?的作用;煤层倾角对爆炸介质的影响也很大,倾角越大,大爆炸介质在上回风巷的弱渗流区积聚的可能性就大,反之相反.

参考文献:

[1] 煤矿通风与安全编写组.煤矿通风与安全[M].北京:煤炭工业出版社,1979.

[2] 杨永辰.缓倾斜综放面发火地点的分析与对策[J].煤矿安全,1998,29(4):26~29.

作者简介:

杨永辰(1960-),男,河北灵寿人,教授,1982年毕业于山西矿业学院采矿系,现从事放顶煤的研究工作,出版&中国采煤方法?等专著4部,发表#缓倾斜综放面发火地点的分析与对策?等论文20余篇.Tel:0310-*******,E-mail: yangych@vip 163 com.

Discussion on mechanism of explode in working face

YANG Yong chen,MENG Jin suo,WANG Tong jie

(1.Dean(s o ffice,Hebe i Institute Archite ctural Science and Tec hnology,Handan 056038,China;2.Saft y Mark O ffice,China Coal Sa f t y Gove rn me nt,Be ijing 100013,China)

Abstract:This paper analyzed the cause of explode in working face with ground pressure,gases explode,spontancous combustion,or fire pressure theory and exprounded detailed the explode process.It gave three ne w standpoints about mechanism of explode in working face as follo w:(1)The coal combustion is lead to explode by only fire souce;(2)The coal stacking combustion positive feedback is the main reason to lead to the coal combustion;(3)The fire presure is power souce formed explode condition.It will provide scientific theoretical basis for preventing explode in waste in the future.

Key words:explode in working face;coal combustion;explode fire souce;explode condition;combustion positive feedback