煤塵濃度和粒度對煤塵燃燒爆炸特性影響的實驗研究

王育德，曲志明

(河北工程大學土木工程學院，河北 邯鄲 056038)

1 概述

煤塵是煤礦生產過程中產生的直徑小于1mm的煤粒。煤塵在浮游狀態時，遇有一定溫度的熱源，能單獨爆炸、傳播爆炸或參與爆炸。煤塵在井下存在的狀態有兩種：一種是飛揚在井下空氣中的煤塵，叫浮游煤塵或浮塵，直徑小于1μm，在井下空氣中基本不下沉；另一種是在井下空氣中因自重沉降，附在巷道周邊的煤塵，叫沉積煤塵。沉積煤塵爆炸必須具備以下三個條件：①煤塵本身具有爆炸性。一般來講，揮發分指數Vr>10％才具有爆炸性。其中：Vr=揮發分/(揮發分+固定碳)×100％。②煤塵在空氣中呈懸浮狀態而且要達到一定濃度。根據試驗，我國煤塵爆炸下限濃度是：褐煤為45～55g/m3，煙煤為110～335g/m3，上限濃度一般為1500～2000g/m3。③有足夠能量的引爆火源。煤塵引燃溫度一般為700～800℃。盡管煤塵具有爆炸性，但粒度大于1mm時，不能長期懸浮于空氣中而不能參與爆炸；粒度極其微小的煤塵在空氣中很快氧化，同樣不會爆炸；只有粒度為0.075mm左右的煤塵，才是參與爆炸的主體[1]。

1.1 煤塵爆炸機理

煤本身存在著足夠數量容易氧化的游離基，常溫條件下容易氧化，生成更多的游離基，使鏈式反應得以持續。若煤被破碎成微細的顆粒，其總表面積顯著增加，吸氧和氧化能力也隨之大大增強。受到外界高溫熱源作用時，大約300～400℃時，就可以放出高溫分解的可燃氣體，其主要成分為甲烷以及乙烷、丙烷、氫氣和1％左右的其他碳氫化合物。這些可燃氣體集聚于煤塵顆粒周圍，形成氣體外殼。當這個外殼內的氣體達到一定濃度并吸收一定能量時，鏈式反應過程開始，游離基迅速增加，發生顆粒的閃燃。若氧化放出的能量有效的傳遞給周圍的顆粒，并使之參與鏈式反應，反應速度急劇增加，達到一定程度時，便發展成爆炸[2]。

1.2 影響煤塵爆炸的主要參數

1) 煤的揮發分。煤的揮發分數量和質量是影響煤塵爆炸的最重要因素。煤塵的不爆炸率,隨揮發分的增加而下降。表1為不同種類煤塵的爆炸性鑒定結果[1]。

表1 煤塵爆炸性試驗鑒定結果

2) 煤的灰分和水分。煤的灰分是不燃性物質，能吸收熱量，阻擋熱輻射，破壞鏈式反應，降低煤塵的爆炸性。煤的灰分對爆炸的影響，還與揮發分含量的多少有關。揮發分小于15％的煤塵，灰分的影響比較顯著，大于15％時，天然灰分對煤塵的爆炸性幾乎沒有影響。適量水分能降低煤塵的爆炸性，因為水的吸熱能力大，能促使細微顆粒聚結為較大的顆粒，減少顆粒的表面積，還能降低沉積煤塵的飛揚能力[3]。

3) 煤塵粒度。粒度小于1mm的煤塵都能參與爆炸，而且爆炸的危險性隨粒度的減小而迅速增加，小于0.075mm的煤塵最危險。

4) 煤塵濃度。與甲烷類似，煤塵的爆炸濃度也有上限和下限。煤塵的爆炸下限變化很大，它決定于煤的揮發分和灰分。揮發分小于15％的不同灰分含量的煤塵，爆炸下限沒有一定的規律；揮發分15％～30％和灰分小于30％的煤塵，爆炸下限隨揮發分的增加而減少；揮發分大于30％時，爆炸下限近似為常數。

本文主要討論實驗中煤塵的粒度和濃度對煤塵燃燒爆炸特性的影響。

2 煤塵濃度對煤塵-空氣燃燒爆炸特性影響的實驗研究

根據煤塵爆轟參數的計算，當化學當量比為1時，封閉段需噴入煤塵87.6g,封閉段共34個燃料室，所以每個燃料室需加煤粉2.58g。考慮到煤塵的爆炸濃度特性，即煤塵的最佳濃度一般為化學計量濃度的3～4倍[4-8]，所以取每個燃料室分別加入2g、4g、6g、8g、10g煤粉進行實驗，此時噴入封閉段后的煤塵濃度分別為92g/m3、184g/m3、276g/m3、368g/m3、469g/m3。根據煤塵粒度對煤塵-空氣燃燒爆炸特性影響的研究，取粒度為45～75μm的煤塵，進行煤塵在不同濃度下燃燒爆炸特性研究[9-12]。

實驗條件：實驗管道安裝好兩張泄爆膜，封閉段抽真空至-0.049MPa；封閉段34個燃料室加入煤塵后，用標準點火段進行實驗；點火段10個燃料室,每個加入環氧丙烷10mL，高壓氣室充壓至0.8MPa；所有44個電磁閥同時啟動，噴入空氣后，點火段壓力1.4MPa，封閉段壓力為常壓，延遲0.32s后點火。

表2為不同濃度煤塵的爆壓、爆速。表3為不同濃度煤塵的封閉段爆壓參數。圖1為不同濃度煤塵的爆壓、爆速隨管長分布圖。圖2～6為不同濃度煤塵下管道內不同測點處的壓力-時間曲線。

表2 不同濃度煤塵的爆壓、爆速

表3 不同濃度煤塵的封閉段爆壓參數

圖1 不同濃度煤塵的爆壓和爆速隨管長分布圖

圖2 煤塵濃度92g/m3下管道內不同測點處的壓力-時間曲線

圖3 煤塵濃度184g/m3下管道內不同測點處的壓力-時間曲線

根據對表2、表3，圖1～6中的實驗結果，分析18.55m之后的情況，我們可以得出以下結論：①每個燃料室加入2g煤粉時，爆壓變化范圍為0.34～1.55MPa；4g煤粉時，爆壓變化范圍為0.67～2.01MPa；6g煤粉時，爆壓變化范圍為1.49～3.67MPa；8g煤粉時，爆壓變化范圍為1.59～5.59MPa；10g煤粉時，爆壓變化范圍為0.78～2.02MPa。②每個燃料室加入2g煤粉時，爆速變化范圍為618～1240m/s；4g煤粉時，爆速變化范圍為956～1392m/s；6g煤粉時，爆速變化范圍為1129～1561m/s；8g煤粉時，爆速變化范圍為1152～1711m/s；10g煤粉時，爆速變化范圍為896～1271m/s。③每個燃料室加入6g煤粉、8g煤粉后，爆轟效果明顯，且8g煤粉爆轟效果更好；加入4g、10g煤粉后出現局部爆轟，在25.55m之后爆轟狀態明顯減弱。④通過分析可知，此種煤塵爆炸的最優濃度在368g/m3左右。

圖4 煤塵濃度276g/m3下管道內不同測點處的壓力-時間曲線

圖5 煤塵濃度368g/m3下管道內不同測點處的壓力-時間曲線

圖6 煤塵濃度469g/m3下管道內不同測點處的壓力-時間曲線

3 煤塵粒度對煤塵-空氣燃燒爆炸特性影響的實驗研究

為了研究煤塵粒度對爆壓、爆速的影響，選用了粒度分別為45～75μm、75～113μm、113～200μm的煤粉進行實驗對比。

實驗條件：封閉段抽真空至-0.049MPa；封閉段每個燃料室加入煤粉8g，煤塵濃度368g/m3；點火段10個燃料室每個加入環氧丙烷10mL；高壓氣室充壓至0.8MPa；44個電磁閥同時啟動，噴入空氣后，點火段壓力1.4MPa，封閉段為常壓，延遲0.32s后點火。

表4為不同粒度煤塵的爆壓、爆速結果，圖7不同粒度煤塵爆壓、爆速隨管長分布。

表4 不同粒度煤塵的爆壓、爆速結果

從表4、圖7中可以看出：爆壓隨著煤塵粒度的減小而增大，45～75μm粒度煤塵出現穩定的爆轟過程；在75～113μm煤塵也出現爆轟，但爆轟狀態不穩定，逐漸減弱；113～200μm煤塵出現局部爆轟，在23.45m之后呈爆燃狀態。根據上面分析，采用45～75μm粒度煤塵進行燃燒爆炸特性實驗研究是非常合理的。

圖7 不同粒度煤塵爆壓和爆速隨管長分布

4 結論

1) 每個燃料室加入2g煤粉后，爆壓、爆速很低，說明一直處于較弱的爆燃狀態；加入4g煤粉、10g煤粉后，爆壓、爆速變化呈逐漸減小趨勢，說明是局部爆轟，爆轟波沒有穩定傳播；而加入6g煤粉、8g煤粉后，爆壓、爆速出現正常波動，未象其他濃度一樣出現逐漸減小趨勢，且爆壓、爆速明顯偏高。所以在本實驗條件下，當煤塵濃度368g/m3時，煤塵出現穩定爆轟。

2) 爆壓隨著煤塵粒度的減小而增大，45～75μm粒度煤塵出現穩定的爆轟過程。根據分析，采用45～75μm粒度煤塵進行燃燒爆炸特性實驗研究是非常合理的。

致謝:論文受到橫向課題《煤礦井下主動抑爆技術研究與應用》資助，特此致謝。

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