不同煤種對瓦斯煤塵爆炸影響的實驗研究

景國勛，邵泓源，吳昱樓，郭紹帥，劉 闖，張勝旗

（1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作454000；2.安陽工學院，河南 安陽455000）

大多數煤礦爆炸事故中均有煤塵的參與，煤塵的參與使得爆炸的破壞力更強，從而造成更多的人員傷亡和財產損失，嚴重威脅煤礦的安全生產和煤礦工人的生命安全[1]。Klemens R 等人[2]在豎起的管道內對貧燃煤的燃燒爆炸火焰結構進行了相關研究；Cashdollar K L[3]主要針對瓦斯煤塵復合條件下的點火能量進行了實驗研究；Kundu S K 等[4]在球形管道連通容器內研究了點火能量、管道長度對混合爆炸特性的影響；1878 年，Weber 教授首次指出了粉塵粒子間作用力對爆炸的影響，拉開了世界粉塵爆炸研究的序幕。目前國內外學者對瓦斯煤塵混合爆炸傳播規律的研究已經較為廣泛[5-15]，但對于半封閉空間條件下的實驗研究比較少，因此對半封閉管道內煤塵濃度以及煤塵種類對爆炸產生的火焰進行研究，分析瓦斯煤塵混合物在半封閉管道內的變化規律，實驗結論對煤礦瓦斯煤塵爆炸傳播規律的研究以及為今后礦井瓦斯煤塵爆炸的預防及應急救援提供科學依據。

1 實驗系統組成及條件

1.1 實驗系統的組成

實驗裝置如圖1，實驗平臺是由爆炸管道、傳播管道、噴塵系統、點火系統、配氣系統、數據采集系統、高速攝像圖像采集系統等組成。爆炸管道采用的是120 mm×120 mm×500 mm 的透明有機玻璃，有機玻璃可承受最大爆炸壓力為2 MPa，在管道的頂端用PVC 薄膜和橡膠墊進行密封；傳播管道為120 mm×120 mm×1 000 mm 的透明有機玻璃，方便觀察拍攝火焰；噴塵系統位于爆炸管的底部，由錐形噴嘴、碗狀儲粉器和揚粉系統組成；點火系統由HEI19系列的高熱能點火器、點火電極組成，點火電壓為6 kV；配氣系統是由甲烷和空氣氣瓶組成，通過安裝在通氣管路上2 個Alicat 質量流量控制器來調節通氣管道中的氣體流速；數據采集系統是由MD-HF高頻動態壓力傳感器、USB-1608FS 數據采集卡和同步控制器組成；高速攝像圖像采集系統由是High Speed Star 4G 高速攝像機、圖像控制器和高速計算機組成，高速攝像機的拍攝速度可達2 000 幅/s。

圖1 實驗系統Fig.1 Experimental system diagram

1.2 實驗條件

主要研究內容是半封閉管道內煤塵濃度以及不同煤種對混合物爆炸的影響規律，實驗系統及方案采用的是爆炸管道和傳播管道連接而成，管道連接處使用PVC 薄膜和橡膠墊進行隔離與密封，在實驗開始前的通氣階段，下部的管道處于封閉的階段，上部的管道始終是頂端開口的形式，形成了一種半封閉的形式。

實驗中使用的3 種煤塵試樣分別為褐煤、煙煤和無煙煤，煤粉的工業分析見表1。3 種煤樣經篩分（200 目（75 μm）標準篩）制樣后用于實驗，使用的煤塵質量濃度依次設為25、50、100、200 g/m3，瓦斯濃度依次為7%、8%、9%。為了保證噴粉時能讓煤粉充分在管道中均勻分布，且不接觸薄膜，同時考慮到形成的粉塵云在沉降過程中不會接觸到管道底端，經過多次試驗，確定噴粉壓力為0.3 MPa，點火延時時間為100 ms。

實驗環境溫度為17～20 ℃，空氣相對濕度RH為40%～60%，每組實驗進行3 次，選取實驗效果較優的組分。在實驗開始的時候，首先將稱量好的煤塵放入碗狀儲粉器，打開實驗裝置的進氣口與排氣口，采取4 倍體積通入預混氣的方法來排盡管道中的原有氣體[16]，通過設置2 個質量流量控制器的參數，來調節通入空氣與甲烷氣體的質量，為了排盡管道內的原有氣體同時保證爆炸管道內的甲烷濃度趨于穩定，通入預混氣的時間每次保持在6 min，然后關閉進氣口與排氣口的閥門，最后利用同步控制器控制噴粉和啟動點火，隨后觸發高速攝像機和壓力傳感器，開始采集數據，爆炸結束后清洗系統，進行下一次實驗。利用origin2017 軟件來處理數據結果，進行下一步的分析研究。

表1 煤粉的工業分析Table 1 Industrial analysis of pulverized coal

2 實驗結果

2.1 火焰傳播速度變化趨勢

對實驗結果進行了分析，褐煤、煙煤、無煙煤爆炸火焰傳播速度的變化趨勢分別如圖2、圖3 和圖4，同時分析了純瓦斯爆炸的火焰傳播速度數據，當瓦斯濃度為7%時，火焰傳播速度為116.1 m/s；當瓦斯濃度為9%時，火焰傳播速度為147.2 m/s；當瓦斯濃度為11%時，火焰傳播速度達到135.4 m/s。

圖2 褐煤爆炸火焰傳播速度的變化趨勢Fig.2 Variation trend of flame propagation velocity in lignite explosion

圖3 煙煤爆炸火焰傳播速度的變化趨勢Fig.3 Variation trend of flame propagation velocity in explosive of bituminous coal

圖4 無煙煤爆炸火焰傳播速度的變化趨勢Fig.4 Variation trend of flame propagation velocity in anthracite explosion

實驗所選煤塵濃度依次為25、50、100、200 g/m3，瓦斯濃度依次為7%、9%、11%。從圖2、圖3 和圖4中可以看出，瓦斯煤塵爆炸火焰傳播速度隨著煤塵濃度的增加呈現先上升后下降的趨勢，且存在1 個最佳的煤塵濃度和瓦斯濃度，即當瓦斯濃度為9%，煤塵濃度為50 g/m3的時候火焰傳播速度最大；當瓦斯濃度超過最佳濃度時，火焰傳播速度開始下降，這是因為參與的瓦斯含量過多，導致系統內的氧濃度下降，部分煤塵無法參與爆炸，從而使火焰速度下降；當煤塵濃度超出最佳濃度時，由于系統內氧氣量是固定的，所以化學計量比燃料質量也是一定的，當煤塵濃度過大時，導致較多的煤塵不能充分燃燒，所以火焰速度也會下降。通過對沒有煤塵參與的純瓦斯爆炸實驗進行對比發現，當加入一定量的煤塵，可以提高爆炸的火焰傳播速度，這就說明煤塵在瓦斯爆炸過程中有著促進的作用，這是因為瓦斯爆炸時放出熱量，提高了煤塵的氧化速度，使得系統內的總熱量變大，所以煤塵的參與提高了爆炸的火焰傳播速度。

2.2 火焰傳播速度與最大爆炸壓力變化趨勢

通過以上分析得知：瓦斯煤塵爆炸火焰傳播速度存在1 個最佳的瓦斯，即當瓦斯濃度為9%，使得火焰傳播速度最大。因此選擇最佳的瓦斯濃度，對不同煤種的火焰傳播速度進行研究，不同煤種的爆炸火焰傳播速度變化趨勢如圖5；為了進一步研究煤塵濃度對混合物爆炸的影響，同時根據前人的研究，瓦斯煤塵混合爆炸，瓦斯最佳爆炸濃度為9%，故選擇最佳的瓦斯濃度，研究煤塵濃度和煤塵種類對混合物爆炸最大壓力的影響，不同煤種的最大爆炸壓力變化趨勢如圖6。

圖5 不同煤種的爆炸火焰傳播速度變化趨勢Fig.5 The variation trend of flame propagation velocity in different coal types

圖6 不同煤種的最大爆炸壓力變化趨勢Fig.6 The variation trend of maximum explosion pressure of different types of coal

由圖5 可以看出，當煤塵濃度相同的情況下，不同煤種與瓦斯濃度為9%的混合物爆炸的火焰傳播速度依次按照褐煤、煙煤、無煙煤減少。這種情況的發生是因為，當瓦斯濃度相同時，瓦斯參與爆炸時所放出的熱量是一定的，煤塵粒子在加熱的情況下所釋放出的揮發分也是一定的；當煤塵濃度相同時，煤塵參與爆炸需要需要的氧氣量是一定的，影響爆炸火焰傳播速度的主要原因是煤塵在加熱情況下釋放出的可燃氣量，即煤種的揮發分的含量。揮發分越大，瓦斯煤塵爆炸火焰傳播速度也就越大。經過對煤塵的工業分析可以看出，褐煤的揮發分含量是最大的，煙煤次之，無煙煤最小，故褐煤的爆炸火焰傳播速度最大，無煙煤最小。

由圖6 可以看出，褐煤、煙煤、無煙煤在相同瓦斯濃度的條件下，最大爆炸壓力均隨著煤塵濃度的增加呈先上升后下降的趨勢，均存在著1 個最佳煤塵濃度，使爆炸壓力達到最大。褐煤的最大爆炸壓力對應的煤塵濃度為58 g/m3，煙煤的最大爆炸壓力對應的煤塵濃度為63 g/m3，無煙煤的最大爆炸壓力對應的煤塵濃度為70 g/m3。最大爆炸壓力按褐煤、煙煤、無煙煤依次降低，造成這種現象的原因是由煤種的揮發分導致的，煤種揮發分按褐煤、煙煤、無煙煤依次降低。由此可見揮發分對瓦斯煤塵混合爆炸的火焰傳播速度和最大爆炸壓力都有著重大的影響。

2.3 火焰面變化趨勢

通過高速攝像機可以更加直觀的捕捉到火焰面在管道內傳播的過程，從實驗數據中選取較為明顯的3 組，50 g/m3煤塵濃度爆炸火焰面變化趨如圖7，不同煤種爆炸火焰面變化趨勢如圖8，9%瓦斯濃度爆炸火焰面變化趨勢如圖9。

圖7 50 g/m3 煤塵濃度爆炸火焰面變化趨勢Fig.7 Variation trend of flame surface of 50 g/m3 coal dust concentration explosion

圖8 不同煤種爆炸火焰面變化趨勢Fig.8 Variation trend of explosive flame surface of different types of coal

圖9 9%瓦斯濃度爆炸火焰面變化趨勢Fig.9 Variation trend of 9% gas concentration explosion flame surface

根據上述的研究表明，瓦斯煤塵混合爆炸的最佳煤塵濃度為50 g/m3，故選用最佳煤塵濃度來研究不同瓦斯濃度對混合物爆炸火焰面傳播的影響（圖7），其中選用的煤種為煙煤，選取時間為爆炸60 ms后，圖中從左至右依次為7%瓦斯濃度、9%瓦斯濃度和11%瓦斯濃度，可以看出，火焰的發光強度按瓦斯濃度9%、11%、7%依次遞減，當瓦斯濃度為9%的時候，火焰面傳播長度最長，爆炸強度較大，火焰傳播速度最快。

選取瓦斯煤塵爆炸的最佳瓦斯濃度和煤塵濃度來進一步研究褐煤、煙煤、無煙煤3 種煤種的區別，選取時間為爆炸60 ms 后，圖8 中從左至右依次為無煙煤、煙煤、褐煤。可以看出，火焰發光強度按褐煤、煙煤、無煙煤依次遞減，且褐煤的火焰面長度最長，無煙煤的火焰面長度最短，從而進一步證明了揮發分對爆炸火焰傳播具有重要的影響。

瓦斯煤塵爆炸的最佳瓦斯濃度為9%，選用最佳的瓦斯濃度來研究煤塵濃度對混合物爆炸火焰面傳播的影響，圖9 中從左至右煤塵濃度依次為20、50、100、200 g/m3，可以看出，火焰的發光強度按50、100、20、200 g/m3依次遞減，且當煤塵濃度50 g/m3的時候，火焰面長度最長，煤塵濃度為200 g/m3的時候，火焰面長度最短，進一步證明了煤塵的加入增強了混合物的爆炸強度，提高了火焰的傳播速度。

3 結 論

1）瓦斯煤塵爆炸火焰傳播速度隨著煤塵濃度的增加呈先上升后下降的趨勢，且存在著一個最佳的瓦斯濃度9%和煤塵濃度50 g/m3使爆炸的火焰傳播速度達到最大，當瓦斯濃度和煤塵濃度超出或者低于這個最佳濃度，火焰傳播速度就會下降。

2）瓦斯煤塵爆炸火焰傳播速度和最大爆炸壓力按褐煤、煙煤、無煙煤依次遞減，這是因為褐煤的揮發分最高，煙煤次之，無煙煤最低。

3）當煤塵濃度一定時，火焰的發光強度和火焰面長度按瓦斯濃度為9%、11%、7%依次遞減；當瓦斯濃度一定時，火焰的發光強度和火焰面長度按煤塵濃度為50、100、20、200 g/m3依次遞減；當瓦斯和煤塵濃度都一定時，火焰發光強度和火焰面長度按褐煤、煙煤、無煙煤依次遞減。