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0 引 言

随着开采技术的发展，在地质条件较好的情况下，大采高工作面和综放工作面成为常态，采空区的高度加大，顶板岩石在垮落时会伴随着岩块撞击摩擦，可能产生火花，从而点燃采空区遗煤和瓦斯，对人身财产安全造成极大威胁。文献[1-2]对100多次事故进行分析，发现摩擦撞击产生火花引起事故占据煤尘瓦斯事故的17%。近年来国内许多学者进行试验研究发现[3-5]，垮落岩石在撞击摩擦过程中接触面升高的温度与垮落岩体质量、垮落高度呈正相关，岩石的规则程度和含水量对岩石表面升温有影响，并且石英砂岩之间的相互摩擦引爆瓦斯的概率比较高。另外一些学者[6-9]还认为岩石摩擦造成煤尘瓦斯事故与岩石动能、岩石撞击角以及石英的含量有关，且粒径不能低于70 μm。文献[10-11]进行理论分析得出了岩石撞击过程中的升温分为岩石破坏时释放热量、撞击时摩擦生热和岩石受压缩而升温3方面。周心权等[12]通过建立数学模型并对引燃过程加以分析,认为切割摩擦引燃瓦斯是由于截齿与砂岩摩擦在砂岩表面上形成的高温热痕所致。屈庆栋等[13]认为泥岩无论是低速还是高速摩擦都不能引起瓦斯爆炸；砂岩间摩擦只有在一定的摩擦速度下才可以引起瓦斯爆炸，潮湿的砂岩摩擦很难引起瓦斯爆炸。文献[14-16]分析岩石温度升温过程机理及相关特征，得到岩石撞击后温度的时延曲线形态与撞击速度有关。文献[17]对阳城、沁水矿区煤矿采空区瓦斯爆炸(燃烧)事故进行分析，提出摩擦火花引爆瓦斯过程与岩石特性、高温持续时间、接触面面积和摩擦速度等有关。文献[18]分析岩石垂直撞击时，发现红外成像对称时均存在临界速度，且因岩性不同而异，大理岩临界速度约为15 m/s。综上所述，可以发现前人对摩擦撞击的影响因素和升温机理进行了大量研究，但是对岩块撞击摩擦次数、岩块所受到压力以及岩块的化学成分方面研究较少。中煤新集二矿121109工作面在回采时，也曾发生1次岩石摩擦火花引燃采空区瓦斯事故。针对此事故，以与其地质条件相近的211113工作面为背景进行研究。结合前人研究成果，提出121109工作面发生岩石火花引燃瓦斯事故可能与岩石表面粗糙程度、体积重量、摩擦次数(时间)、碰撞高度、碰撞次数等有关，据此通过岩块化学成分分析、能量分析和试验研究进行验证，并提出防御措施，为相似条件下煤矿安全高效生产提供重要理论依据和解决方案。

1 工作面概况

中煤新集二矿211113工作面开采11-2煤层，煤层倾角约35°，煤层厚度一般1.2～4.0 m(局部受褶曲影响煤层变薄，夹矸尖灭)，平均2.5 m，煤层结构复杂，煤厚变异系数18.0 %，煤层可采性指数1，属稳定煤层。

直接顶以石英砂岩和砂泥岩互层为主，其中石英砂岩厚4.8～11.7 m，平均厚7.5 m，局部裂隙发育，偶见黄铁矿薄膜，下部含灰色泥质包裹体；砂泥岩互层厚3.3～5.8 m，平均厚4.5 m，薄层状，平行层理，断口粗糙，局部裂隙发育，质地坚硬。基本顶以细粒砂岩、中粒砂岩为主，其中细粒砂岩厚11.6～28.6 m，平均厚20.5 m，中厚层状，成分以长石为主，石英次之，断口粗糙，分选中等，局部含黑色矿物及菱铁质颗粒，裂隙发育；中粒砂岩厚6.3～19.5 m，平均厚12.4 m，白色，中粒结构，厚层状，成分以石英、长石为主，下部石英含量较高，上部少量铁质，次圆状，分选好，硅质胶结，裂隙发育。

2 岩石特征及化学成分分析

2.1 岩石特征分析

对11-2煤层顶板细粒砂岩岩样表面进行观察，岩石呈灰白色，细粒结构，块状构造，层理不明显，砂岩颗粒主要为石英和长石，泥质及钙质胶结，岩石裂隙较发育，裂隙中充填黄铁矿膜及粉晶。

对岩样按垂直岩层方向切制薄片进行显微放大观察，采用单偏光及正交偏光镜对岩石结构、颗粒大小，岩石矿物成分及胶结类型进行分析，岩石具细粒砂状结构。碎屑约占全岩的95%，填隙物约占5%。碎屑粒径多为0.25 mm以下，大于0.25 mm者极少，分选好；碎屑呈次棱角—次圆状，磨圆中等。碎屑成分以石英为主，石英含量占碎屑的70%左右，长石占25%左右，其他岩屑占5%左右。支撑类型为颗粒支撑，胶结类型为孔隙式胶结。胶结物主要为铁质(菱铁矿)，呈微晶他形集合体产出，另有少量方解石，杂基主要为黏土矿物。

根据岩样直观观察和岩石薄片分析，11-2煤层顶板砂岩为长石石英细粒砂岩，胶结物质主要为铁质(菱铁矿)，钙质及泥质，砂岩内部基本未见黄铁矿，但裂隙中充填粉晶黄铁矿脉，呈脉状，粉晶状，其成因是应成岩后生黄铁矿。

2.2 化学成分分析

化学成分分析是利用原子荧光分光光度计(RF-5310PC)，用来分析样品中CaO、Al2O3、Fe2O3、SiO2、MgO、TiO2、K2O、Na2O、MnO等主要化学成分，并测试样品烧失量。

测试结果显示11-2煤层顶板砂岩中主要化学成分质量百分比如下：SiO2占83.85%，其次是CaO占4.44%，Fe2O3占3.59%，MgO占1.39%，样品烧失量为2.5%。根据测试结果得出，11-2煤层顶板砂岩中CaO及Fe2O3含量较高，是岩样中菱铁矿及黄铁矿含量较高所致。

2.3 化学反应分析

11-2煤层顶板砂岩样中硫含量比淮南煤田石炭-二叠纪煤系砂岩偏高，主要为岩石中含较多的黄铁矿所致。黄铁矿主要成分是FeS，与O2反应氧化成为Fe2O3及SO3时能放出热量和SO2，能为采空区点燃瓦斯提供热量；若黄铁矿附近有水存在，SO2遇水后再氧化形成H2SO4，进一步产生热量，两者的热量对点燃采空区提供了有利条件。此外黄铁矿氧化反应产生大量H2SO4和Fe(OH)3，大量H+存在的液膜使煤分子处于富氧环境，促进煤对氧分子的吸附作用；并使得煤层变得更加松软，增加了煤颗粒与氧的接触，在一定的条件下，增加了煤自然发火的几率。SiO2含量超过80%说明了顶板中石英含量很多，石英砂岩间相互摩擦引爆瓦斯可能性较大，所以要采取措施防止引燃采空区瓦斯。

3 岩石撞击摩擦试验

3.1 升温机理分析

岩石在撞击、摩擦过程中, 形成不同的有效能，主要包括热能、岩石破碎耗散能、岩石破碎释放能、岩石反弹动能、岩石应变能及其他能量。

1)岩石顶板垮落后，岩石之间的接触有弹性撞击和滑动摩擦2种形式。岩石在撞击状态下，垮落岩块产生冲击力做功并转化为热能；当垮落岩块与被撞击岩石产生相对滑动时，岩块间将产生接触摩擦力，摩擦力做功转化为热能；两者产生的热能被相互接触的岩石表面吸收使岩石温度升高。Archard曾提出点接触瞬时温升计算法[19]，而Blok分析了2个滑动摩擦圆柱体的表面瞬时温度，假设热流只沿接触面的法线方向传播，以2个表面接触点温度相等为约束条件，得到接触面温度计算公式

(1)

式中：△T1为摩擦撞击升温；f为摩擦系数；w为载荷密度；v1、v2为岩石1与岩石2接触面切向速度；λ1、ρ1、e1分别为编号1岩石的导热系数、体密度、定压比容；λ2、ρ2、e2分别为编号2岩石的导热系数、体密度、定压比容；b为接触带的宽度。

2)把相互作用的岩石视为弹性体，岩块撞击、摩擦过程产生的内能引起应变,应变内能包括应变能和应变余能。形变后产生温度变化为

(2)

式中：△T2岩石的应变升温；KB为玻耳兹曼常数；T为岩石的绝对温度；d为原子间距；m为岩石质量；k1为简谐系数；k2为第一非简谐系数；σ是变形岩石受到的应力；c为岩石比热容。

3)岩石碰撞时一定量的初始动能被岩石吸收，转化为弹性储存能，该能量在岩石达到破坏极限后，部分随岩石破碎耗散。同时大部分转化为热能，使岩石温度升高。温度变化为

(3)

式中：△T3为岩石破坏的能量释放升温；m1为吸热岩石的质量；Q为破碎岩石所释放的能量。

综上分析, 岩石升温主要来自于摩擦撞击、岩石的应变升温和岩石破坏的能量释放，故岩石碰撞引起的表面升温值为

△T=△T1+△T2+△T3

(4)

由上述机理分析可得，岩石升温与岩石表面摩擦系数、破碎过程释放的能量，垮落岩块动能呈正相关，而岩块动能则是与垮落高度和自身重量有关。所以设计以下试验方案验证岩石表面粗糙程度、岩石摩擦的压力、摩擦次数、碰撞高度和碰撞次数这几个参数对岩石升温影响。

3.2 试验方案

为了试验的顺利进行，使用岩石摩擦升温测试系统进行岩石升温测试。为了测试岩石粗糙程度、摩擦次数和不同压力对升温的影响，用切割机加工50 mm×50 mm×50 mm立方体标准试块，试块采用粒径61 μm砂纸进行抛光，为光滑组；再加工同样尺寸的标准试块，其中5面采用粒径61 μm砂纸进行抛光，1面原岩状，为粗糙组。试块在其表面垂直方向上分别作用8 kN和12 kN的压力，并固定在压板之间，其后用光滑和粗糙组岩块分别进行循环多次摩擦，并测量其温度。温度测试工具采用TM600非接触式红外测温仪，3台TM600分别在圆铁环上每隔120°固定一个，呈圆状，射线均对准岩石表面中心。

图1 岩石撞击摩擦升温测试系统
Fig.1 Rock impact and friction heating test system

为了测试不同碰撞高度对升温的影响，让试块分别在装置可升降平台0.9、1.0、1.5 m高度进行自由落体运动，并与另外一个被固定的岩块相碰撞摩擦。考虑到现场实际情况，顶板岩石垮落时，岩石碰撞可能出现连续多次碰撞情况，因此增加了碰撞次数对碰撞岩石表面温度变化的影响试验。

在测定摩擦次数对升温影响时，要控制岩石所受压力这个变量不变，每摩擦10次测量温度并记录，累计摩擦60次。同理，在测试不同碰撞高度对其影响时，要控制岩石所受压力这个变量不变，碰撞1次测试1次温度并记录，共碰撞2次。

3.3 试验结果

8kN和12 kN压力下光滑面和粗糙面试验测量温度如图2所示。

图2 不同压力和粗糙程度下岩石摩擦温度
Fig.2 Rock friction temperature curves for different pressure and roughness

对图2中的4条曲线使用Origin软件进行线性拟合预测，得到以下线性方程：

y=0.110 4x+13.475， R2=0.996 3

(5)

y=0.145 7x+14.529， R2=0.969 5

(6)

y=0.099 6x+21.268， R2=0.983 1

(7)

y=0.118 9x+21.361，R2=0.996 2

(8)

式(5)与式(7)分别为8 kN压力下光滑面和粗糙面拟合方程。式(6)与式(8)分别为12 kN压力下光滑面和粗糙拟合方程。由于R2值均接近于1，拟合曲线方程与曲线趋势误差比较小，由此可得，在相同压力和粗糙程度下，随着摩擦次数的增加，岩石温度均增加且温度与摩擦次数呈一次线性关系；在相同压力和摩擦次数下，粗糙表面岩石摩擦升温比光滑表面高，说明了岩石升温与岩石表面粗糙程度有关，即与岩石表面摩擦系数呈正相关。

8kN和12 kN压力下光滑面和粗糙面试验测量温度变化量如图3所示。

对图3中的4条曲线进行多项式拟合预测，得出下列方程：

y=0.000 3x2+0.09x-0.052，R2=0.999

(9)

y=-0.001 2x2+0.22x-0.090，R2=0.990

(10)

y=-0.000 3x2+0.12x+0.195，R2=0.987

(11)

y=-0.000 3x2+0.13x+0.135 8，R2=0.998

(12)

式(9)与式(11)分别为8 kN压力下光滑面和粗糙面拟合方程。式(10)与式(12)分别为12 kN压力下光滑面和粗糙面拟合方程。由式(9)—式(11)可得，温度变化量同摩擦次数成二次函数关系。摩擦次数相同，岩石承压越大，温度变化幅度越大，说明岩石摩擦撞击升温与垮落岩石质量成正相关，即与岩石破碎释放的热量成正相关。

图3 不同压力和粗糙程度下岩石温度变化量
Fig.3 Temperature variation curves for different pressure and roughness

0.9、1.0、1.5 m不同碰撞高度对岩石升温的影响见表1和图4。

表1 不同高度岩石碰撞温度
Table 1 Rock temperature at different collision heights

次数温度/℃0.9 m1 m1.5 m018.518.318.3119.119.119.1219.019.019.0

由表1可得，随着岩石撞击高度的增加，被撞击岩石表面温度变化量增大。

图4 不同撞击高度下岩石温度变化
Fig.4 Rock temperature ohanges at different impact height

由图4可得，不同撞击高度下的温度与撞击次数呈部分抛物线关系；撞击次数不同，温度也不同,说明岩石摩擦撞击升温与撞击次数有关。撞击高度越大，岩石碰撞时所具有的动能越大，碰撞时对岩石冲击力越大，岩石升温越高，岩石摩擦撞击升温与垮落岩块动能成正相关。

采场覆岩垮落过程中，岩石与岩石之间碰撞与摩擦相伴随，根据以上分析可以得出：采场垮落岩石表面温度变化量受控于岩石表面摩擦系数、摩擦次数、岩石自重和垮落岩块动能等因素影响，垮落岩块块体越大，则其碰撞时动能越大，岩块表面温度越高。因此在实际工程中，可以通过深孔预裂爆破提前弱化顶板，使得顶板随采随冒，有效的减小垮落岩石的的大小，降低岩块质量，使顶板岩层冒落充分破碎，矸石充满采空区，降低岩块碰撞高度，有效降低采空区升温幅度。

4 现场预防措施

根据211113工作面的覆岩具体地质条件，进行岩性及化学成分分析，其直接顶顶板坚硬，为石英砂岩，且SiO2质量分数达83.85%，岩层中伴有易自燃的黄铁矿，岩层厚度大于17 m；随着工作面回采，其顶板难以垮落，进而造成来压步距过大，易造成压架事故；垮落岩石相互碰撞并伴随交错摩擦，岩石表面温度上升，容易造成黄铁矿的自燃，进而引起采空区失火及煤与瓦斯爆炸事故等灾害。

根据国内学者研究结果[20-21]以及现场实际，采用超前深孔预裂爆破技术，使顶板提前预裂，有效缩短来压步距，确保顶板随采随冒，同时超前深孔预裂爆破顶板能够使岩石充分破碎，提高小块率，有利于岩块充满采空区。因此，在211113工作面采用超前深孔预裂爆破顶板，降低大块率。由于瓦斯涌出主要来源于11-2煤层临近层，对于预裂顶板后瓦斯涌出问题，根据煤层赋存条件和巷道布置形式，工作面采用顶板走向钻孔及上隅角埋管的综合抽采方法。在工作面上隅角设置挡墙，并确保挡墙严密不漏气，在挡墙内预埋一路瓦斯管路抽采采空区瓦斯。工作面移架时由架缝向采空区洒水，提高采空区环境湿度，由于水具有较大的比热容，岩石表面水吸热蒸发，从而降低岩石表面温度幅度，使其温度低于瓦斯着火点，做到安全回采。

5 结 论

1)经过对煤层坚硬顶板岩石进行成分分析，发现SiO2占83.85%，Fe2O3占3.59%。可见岩石主要成分为石英砂岩，夹带少量黄铁矿，黄铁矿均存在岩石裂隙中，为后生产物，当顶板砂岩黄铁矿含量较高时，在采空区顶板冒落后，有利于煤的自燃。

2)对顶板岩石进行碰撞摩擦试验，结果表明岩石表面升温与摩擦次数呈一次线性关系，与岩石表面粗糙程度、岩石摩擦的压力、碰撞高度和碰撞次数呈正相关。

3)与211113工作面相近地质条件的可以采用深孔爆破对顶板进行弱化，做到随采随冒；采用顶板走向钻孔及上隅角埋管的综合抽采方法防止撞击摩擦火花引燃采空区瓦斯，做到安全回采。

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