瓦斯煤塵共存條件下的煤塵云爆炸下限*

李潤之

(中煤科工集團重慶研究院有限公司火災爆炸防治研究分院，重慶 400037)

近年來，隨著中國煤礦機械化水平的不斷提升，煤礦開采強度逐步增加，工作面絕對瓦斯涌出量變大，產塵量急劇增大，瓦斯煤塵共存條件下的爆炸事故，特別是瓦斯礦井中瓦斯煤塵共存爆炸事故呈多發趨勢。對瓦斯煤塵共存相互促進著火爆炸機理缺乏足夠認識是造成該類事故多發的主要原因。

多年來，許多學者針對瓦斯煤塵共存條件下的爆炸特性開展了大量研究。Torrent等[1]、Amyotte等[2-3]研究了甲烷對煤塵爆炸特性的影響，得出甲烷會使煤塵的爆炸下限和最小點火能量降低，煤塵粒徑減小和煤塵揮發分增加也會使煤塵的爆炸下限降低。曹衛國等[4]在20 L球形密閉容器內進行了煤粉爆炸特性研究，探討了不同點火具質量對煤粉爆炸的影響。樊保龍[5]利用10 m3爆炸罐實驗系統，對比分析了甲烷-空氣和甲烷-煤粉-空氣混合物的爆炸特征參數。李江波[6]對密閉管道內甲烷-煤粉復合爆炸火焰的傳播過程和爆炸強度進行了研究。陳東梁[7]利用燃燒管道對甲烷-煤塵復合火焰的傳播特性、機理及其影響因素進行了深入研究。候萬兵[8]利用水平管道式氣體-粉塵爆炸實驗裝置，研究了煤塵-瓦斯混合物的最大爆炸壓力、最大壓力上升速率、爆炸威力以及爆炸壓力在管道內的傳播規律等。以上研究大多針對瓦斯煤塵共存爆炸過程中爆炸壓力、火焰等參數的變化規律。由于瓦斯煤塵共存條件下燃燒爆炸的反應機理異常復雜，針對瓦斯煤塵共存條件下爆炸極限變化規律的研究有待進一步深入研究。

本文中，采用20 L爆炸特性測試系統，對瓦斯煤塵共存條件下不同種煤塵的爆炸下限進行實驗研究，以期為瓦斯煤塵共存條件下爆炸事故的預防和治理提供依據。

1 實驗系統與實驗方法

1.1 實驗系統組成

實驗所采用的20 L爆炸特性測試系統主要由爆炸罐體、噴塵系統、點火系統、數據采集系統、配氣系統、除塵裝置6部分組成，如圖1所示。

實驗系統符合粉塵云爆炸下限測定方法(GB/T 16425—1996)[9]的規定。其中，爆炸罐體容積20 L，近球形，設計承壓3.0 MPa；儲氣倉容積0.6 L，設計承壓3.0 MPa；壓力測試范圍為0～1.0 MPa，采集頻率1 kHz。

1.2 實驗方法

根據GB/T 16425—1996中的規定，在進行粉塵爆炸下限測定時，采用化學點火藥頭進行點火，點火能量為10 kJ，實驗所用粉塵粒度須不高于75 μm，水分的質量分數不超過10%。因此實驗前將各煤塵樣品進行研磨，利用200目標準篩進行篩分，并對其進行烘干處理。

由于瓦斯的主要成分為CH4，實驗過程中以高純度的CH4代替瓦斯。實驗過程中，首先將一定濃度的CH4-空氣混合氣充入爆炸罐體對罐體內的空氣進行置換，然后對爆炸罐體抽真空至絕對壓力為0.04 MPa；將煤塵樣品放入粉塵倉，將儲氣罐壓力充至2.0 MPa；啟動數據采集系統，用以控制煤塵的噴入、點火以及爆炸過程中壓力數據的采集。所測最大爆炸壓力值均為3次實驗數據的平均值。

1.3 爆炸判據

在低點火能量(10 J)、單純瓦斯的爆炸實驗中，是否發生爆炸的判別標準參考美國標準材料實驗協會ASTM E918[10]的規定，即將點火后壓力升高7%及以上作為發生爆炸的判斷依據。

在高點火能量(10 kJ)單純瓦斯、煤塵爆炸及瓦斯對煤塵爆炸的影響實驗中，依據GB/T 16425—1996的規定，即認為爆炸壓力大于或等于0.15 MPa時發生爆炸。

2 瓦斯的爆炸下限

在瓦斯爆炸下限以上，單純的瓦斯會發生爆炸，因此在研究瓦斯濃度對煤塵爆炸下限的影響時，將瓦斯濃度控制在相同工況的爆炸下限以下。這就需要首先考察相同實驗工況下瓦斯的爆炸下限。

2.1 靜止及湍流狀態下瓦斯爆炸下限

在進行可燃氣體爆炸特性實驗時，由于可燃氣體的點火能量較低，故一般選用10 J的點火源[11]。首先，在常溫常壓條件下，運用20 L爆炸特性測試系統，對點火前氣體在靜止狀態下的瓦斯爆炸下限進行測試，不同瓦斯體積分數(φCH4)下瓦斯的最大爆炸壓力(pmax)如圖2所示。

采用高壓氣流將粉塵倉內的煤塵噴入爆炸罐體內形成煤塵云，此時系統內的氣體由靜止狀態變為湍流狀態。由此模擬了粉塵爆炸特性實驗時的湍流狀態，在常溫常壓條件下對2.0 MPa噴氣壓力下瓦斯的爆炸下限進行測試，不同瓦斯體積分數下瓦斯的最大爆炸壓力如圖3所示。

從圖2和圖3中可以看出：當爆炸前的氣體狀態為靜態時，隨著瓦斯體積分數的增大，其最大爆炸壓力平緩增大；而當氣體狀態為湍流狀態時，在爆炸下限附近存在一個分界點，當瓦斯體積分數低于此分界點時，在本實驗條件下點火將不會發生爆炸，即點火后壓力幾乎不上升，當瓦斯體積分數高于此分界點時，點火后將發生爆炸，此后隨著瓦斯體積分數的增大，最大爆炸壓力逐漸增大，即湍流狀態對瓦斯爆炸的影響非常明顯。通過測試，得到常溫常壓、10 J點火能量條件下，靜止和湍流狀態的瓦斯爆炸下限分別為4.83%和5.10%。

2.2 高點火能量條件下的瓦斯爆炸下限

在煤塵爆炸極限影響實驗中，點火源為10 kJ化學點火藥頭，此時純瓦斯爆炸的爆炸下限將發生明顯變化，因此在點火能量為10 kJ的條件下對瓦斯的最大爆炸壓力進行測試，結果見圖4。

參考粉塵爆炸下限的判定準則，靜止和湍流狀態下瓦斯的爆炸下限分別為2.15%和1.94%，湍流狀態的爆炸下限略低于靜止狀態。

工程應用中常采用5.00%作為瓦斯爆炸下限，而實驗測量值卻遠遠低于該經驗值。其主要原因在于：(1) 本實驗所用的高能量點火藥頭的點火能量高達10 kJ，是普通可燃氣體10 J電點火能量的1 000倍，并且在點火藥頭的燃燒過程中出現大范圍火焰，使低濃度瓦斯氣體更容易著火；(2) 湍流效應致使更低濃度的瓦斯-空氣混合氣體發生爆炸。

該實驗結果也為煤礦的安全生產提供了重要參考。一般情況下認為，井下瓦斯體積分數低于5.00%時不會發生井下瓦斯爆炸。但是由實驗可知，對于高能量引火源來說，5.00%的瓦斯氣體濃度已遠遠超過發生爆炸的最低瓦斯濃度，對應的爆炸壓力已非常大，會造成巨大的破壞效應。

3 瓦斯對煤塵爆炸下限的影響

3種不同揮發分的煤塵在與瓦斯共存條件下的最大爆炸壓力變化情況如圖5所示，其中Ccoal為煤塵質量濃度。3種煤塵的工業分析數據列于表1，其中Vad、Mad、Aad、Fcad分別代表空氣干燥基揮發分、空氣干燥基水分、空氣干燥基灰分以及空氣干燥基固定碳含量。

從圖5中可以看出：在同組實驗中，隨著煤塵濃度的增大，煤塵的最大爆炸壓力增加，對應濃度的煤塵云從不滿足爆炸判定準則(pmax=0.15 MPa)逐漸過渡為滿足爆炸判定準則，煤塵云發生爆炸；最大爆炸壓力-煤塵濃度曲線與爆炸判定線交點的橫坐標即為該工況下煤塵的爆炸下限。在同種煤塵實驗中，隨著混入瓦斯體積分數的增加，煤塵爆炸下限降低，所得不同條件下的煤塵爆炸下限如表2所示。

表1 煤塵的工業分析結果Table 1 Industrial analytic results of coal dusts

表2 不同瓦斯濃度下煤塵的爆炸下限Table 2 Minimum explosive concentration of coal dust at different gas concentrations

圖6給出了3組實驗數據的變化及擬合情況。可以看出：煤塵3#完全遵照指數函數規律變化，即爆炸下限隨瓦斯體積分數的增加先快速衰減再緩慢衰減；而煤塵1#和2#的變化情況雖與煤塵3#類似，但相應的指數函數變化規律并不明顯，可以近似認為遵循指數函數變化規律。

從表2和圖6中還可以看出：在沒有瓦斯參與的情況下(φCH4=0)，3種煤塵的爆炸下限分別為73.20、37.78和28.40 g/m3，煤塵爆炸下限的差異較大；而在少量瓦斯氣體參與爆炸的情況下，對應的煤塵爆炸下限分別為42.90 g/m3(φCH4=0.4%)、27.18 g/m3(φCH4=0.4%)和19.60 g/m3(φCH4=0.6%)，仍具有十分明顯的差異性；隨著瓦斯體積分數的增加，煤塵的爆炸下限降低。在較低瓦斯體積分數(0～1.0%)下，煤質組成成分對爆炸極限的影響較大，瓦斯煤塵共存的復合爆炸體系表現為“強煤塵”性。當瓦斯體積分數較高(大于1.5%)時，煤塵的爆炸下限接近于零(小于5.00 g/m3)，即使實驗中使用很少的煤塵量也可能發生爆炸。根據上述實驗結果，在有瓦斯參與爆炸的情況下，一旦瓦斯的體積分數超過該區間(1.0%至瓦斯爆炸下限)，雖然對應工況的煤塵爆炸下限繼續降低，但是煤種對爆炸下限的影響很小，煤質成分對煤塵爆炸下限的影響不再明顯，相應的瓦斯煤塵共存復合爆炸體系表現為“強瓦斯”性。

4 結 論

(1) 在常溫常壓且點火能量為10 J的條件下，20 L爆炸容器內靜止和湍流狀態下的瓦斯爆炸下限分別為4.83%和5.10%；而在常溫常壓且點火能量為10 kJ的條件下，20 L爆炸容器內靜止和湍流狀態下的瓦斯爆炸下限分別為1.94%和2.15%。

(2) 在瓦斯煤塵共存條件下，隨著瓦斯體積分數的增加，煤塵的爆炸下限呈指數函數衰減。

(3) 在瓦斯煤塵共存的復合體系中，瓦斯的體積分數存在某臨界點：高于此臨界點，復合體系爆炸過程中瓦斯起主導作用，表現為“強瓦斯”性；低于此臨界點，煤塵起主導作用，表現為“強煤塵”性。

(4) 研究結論可為有效預防煤礦井下瓦斯煤塵共存爆炸事故提供重要的理論依據。

參考文獻:

[1] TORRENT J G, FUCHS J C. Flammability an explosion propagation of methane-coal dust hybrid mixtures[C]∥Proceedings of International Conference of Safety in Mines Research Institute. Pretoria, South Africa, 1989,23:11-15.

[2] AMYOTTE P R, MINTZ K J, PEGG M J, et al. Laboratory investigation of the dust explosibility characteristics of three Nova Scotia coals[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 1991,4(2):102-109.

[3] AMYOTTE P R, MINTZ K J, PEGG M J, et al. The ignitability of coal dust-air and methane-coal dust-air mixtures[J]. Fuel, 1993,72(5):671-679.

[4] 曹衛國,黃麗媛,梁濟元,等.球形密閉容器中煤粉爆炸特性參數研究[J].中國礦業大學學報,2014,43(1):113-119.

CAO Weiguo, HUANG Liyuan, LIANG Jiyuan, et al. Research on characteristic parameters of coal dust explosion in a spherical sealed container[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2014,43(1):113-119.

[5] 樊保龍.大尺度條件下甲烷-空氣和煤塵-空氣混合及爆炸特性研究[D].北京:北京理工大學,2015.

[6] 李江波.密閉管內甲烷-煤粉復合爆炸實驗研究[D].遼寧大連:大連理工大學,2010.

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[8] 侯萬兵.煤塵-瓦斯混合物爆炸壓力研究[D].太原:中北大學,2010.

[9] 國家技術監督局.粉塵云爆炸下限濃度測定方法:GB/T16425-1996[S].北京:中國標準出版社,1996.

[10] Standard practice for determining limits of flammability of chemicals at elevated temperature and pressure: ASTM E918-83[S]. American Society for Testing Materials, 1999.

[11] 趙衡陽.氣體和粉塵爆炸原理[M].北京:北京理工大學出版社,1996.