高溫?zé)嵩幢砻纥c(diǎn)燃甲烷和煤塵實(shí)驗(yàn)研究

王毅， 王海燕， 張雷， 胡浪

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

煤炭是我國(guó)工業(yè)和社會(huì)的主要能源。瓦斯爆炸對(duì)煤炭安全開(kāi)采構(gòu)成重大威脅。由于煤礦采空區(qū)內(nèi)部存在大量遺煤[1-2]，經(jīng)氧化后可形成煤自燃現(xiàn)象，當(dāng)采空區(qū)涌出的瓦斯遇到煤自燃高溫區(qū)域時(shí)可導(dǎo)致瓦斯爆炸事故的發(fā)生[3]。例如，吉煤集團(tuán)通化礦業(yè)集團(tuán)公司八寶煤業(yè)公司“3·29”瓦斯爆炸事故中，誘發(fā)瓦斯爆炸的火源就是煤自燃[4]。同時(shí)，采空區(qū)內(nèi)部存在堆積的煤塵[5]，煤自燃高溫區(qū)域也可能誘發(fā)瓦斯/煤塵爆炸事故，使煤炭安全開(kāi)采面臨重大挑戰(zhàn)[6]。開(kāi)展煤自燃誘發(fā)瓦斯和煤塵燃燒與爆炸的研究對(duì)實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)安全生產(chǎn)具有重大意義。

由于全面的礦井爆炸試驗(yàn)十分昂貴且耗時(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于電火花誘發(fā)方式，使用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模設(shè)備對(duì)瓦斯和煤塵爆炸、傳播特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[7]最早開(kāi)展了煤塵和氣體爆炸研究，發(fā)現(xiàn)可燃粉塵與可燃?xì)怏w混合物的爆炸比單一爆炸更為容易和劇烈。C. H. Medina等[8]利用1 m3ISO爆炸容器試驗(yàn)裝置對(duì)煤塵爆炸進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)高表面積煤塵由于煤焦的高孔隙率促進(jìn)氧氣擴(kuò)散，使爆炸更為嚴(yán)重。Liu Qingming等[9]采用大型爆炸管對(duì)甲烷和煤塵爆炸特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)甲烷和煤塵對(duì)壓力上升和火焰速度有較大影響。劉貞堂等[10]采用20 L球形爆炸裝置研究了煤塵濃度、粒徑、點(diǎn)火能量等對(duì)煤塵爆炸特征參數(shù)的影響。李曉亮等[11]采用20 L球形爆炸裝置研究了煤塵濃度、粒徑、點(diǎn)火能量對(duì)煤塵二次爆炸燃燒持續(xù)時(shí)間及殘留氣體的影響。

上述研究采用球形容器和管道容器，與煤礦采空區(qū)形狀差別較大，不能準(zhǔn)確模擬采空區(qū)環(huán)境。高溫?zé)嵩幢砻妗㈦娀‰娀鸹ň赡艹蔀閷?dǎo)致瓦斯和煤塵爆炸的誘發(fā)源。上述研究所采用的誘發(fā)源均為電火花。目前尚未有高溫?zé)嵩幢砻嬲T發(fā)甲烷/煤塵爆炸的相關(guān)研究[12]。此外，傳統(tǒng)研究中，通過(guò)吹入的形式實(shí)現(xiàn)甲烷和煤塵混合，這與采空區(qū)內(nèi)瓦斯涌出后流經(jīng)煤自燃表面的過(guò)程差別較大，所得結(jié)論不能充分反映采空區(qū)內(nèi)煤自燃誘發(fā)瓦斯/煤塵爆炸的特性。本文采用自主研制的40 L氣體爆炸設(shè)備，設(shè)計(jì)高溫?zé)嵩幢砻纥c(diǎn)燃源模擬煤自燃區(qū)域，全面反映采空區(qū)煤自燃誘發(fā)甲烷/煤塵爆炸環(huán)境，研究煤自燃誘發(fā)甲烷/煤塵爆炸特性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)采空區(qū)內(nèi)煤自燃誘發(fā)瓦斯爆炸過(guò)程研制出與其具有相似統(tǒng)一性的40 L氣體爆炸設(shè)備。該設(shè)備由爆炸反應(yīng)密閉容器、實(shí)驗(yàn)樣品存儲(chǔ)倉(cāng)、溫度測(cè)控裝置、壓力測(cè)控裝置、光學(xué)視窗、防爆型抽真空泵、高溫?zé)嵩础㈦娀鸹òl(fā)生裝置組成，如圖1所示。

圖1 氣體爆炸實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Gas explosion experimental equipment

實(shí)驗(yàn)采用的高溫?zé)嵩幢砻鏈囟茸罡呖蛇_(dá)1 273 K，表面積為38.47 cm2。采用MEMRECAM GX-3高速攝像機(jī)拍攝爆炸反應(yīng)過(guò)程。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用的煤樣為遼寧撫順礦業(yè)集團(tuán)老虎臺(tái)礦煙煤，煤樣工業(yè)分析為揮發(fā)分33.71%，固定碳51%，灰分11.74%，水分4%。將煤樣粉碎后，用篩分儀篩分后，使用Mastersizer3000測(cè)量煤塵的粒度分布特征，粒度(D90)為71.9 μm。通過(guò)ΣIGMA電鏡掃描儀掃描煤塵放大1 600倍的電子掃描圖像如圖2所示。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，將樣品放入DZX-6090B真空干燥箱中干燥12 h，采用瓦斯中主要成分甲烷(體積分?jǐn)?shù)為99.5%)開(kāi)展研究。通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)將壓縮空氣與甲烷混合并以分壓法配比成不同濃度的甲烷/空氣混合氣體。

圖2 煤塵電子掃描圖像Fig.2 Electronic scan image of coal dust

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

通過(guò)抽真空泵在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段實(shí)現(xiàn)真空環(huán)境。在上午8:00—11:00、下午3:00—6:00開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境：溫度為20±3 ℃，濕度為30%±5%。誘發(fā)源選用高溫?zé)嵩幢砻婧碗娀鸹ㄏ丁Ｍ咚贵w積分?jǐn)?shù)范圍為5.5%～13.5%，間隔體積分?jǐn)?shù)為1%。煤塵濃度為300 g/m3。電火花能量為60 J，經(jīng)過(guò)計(jì)算，高溫?zé)嵩幢砻鏈囟葹? 073 K[13]。開(kāi)展煤塵爆炸實(shí)驗(yàn)時(shí)，事先將煤塵按照?qǐng)D3所示的方式鋪設(shè)在高溫?zé)嵩幢砻妫ㄟ^(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)打開(kāi)電磁閥，甲烷/空氣沖入爆炸反應(yīng)密閉容器內(nèi)，將煤塵揚(yáng)起，由高溫?zé)嵩幢砻婊螂娀鸹ㄒｉ_(kāi)展煤塵點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)時(shí)，將不同濃度煤塵覆蓋在高溫?zé)嵩幢砻妫垢邷責(zé)嵩幢砻鏈囟壬撸c(diǎn)燃煤塵。

圖3 煤塵鋪設(shè)狀態(tài)Fig.3 Coal dust laying status

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

甲烷/煤塵的爆炸關(guān)鍵特征參數(shù)主要包括爆炸壓力Pgd、壓力上升速率(dP/dt)gd、爆炸溫度Tgd[14-16]，能夠衡量爆炸的嚴(yán)重程度。

2.1 甲烷/煤塵爆炸關(guān)鍵特征參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律

甲烷/空氣(甲烷體積分?jǐn)?shù)為8.5%)與甲烷/煤塵(甲烷體積分?jǐn)?shù)為8.5%，煤塵濃度為300 g/m3)爆炸壓力和爆炸溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖4所示(其中Pg為甲烷/空氣的爆炸壓力，Tg為甲烷/空氣的爆炸溫度)。甲烷/煤塵(甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%、煤塵濃度為300 g/m3)的Pgd和Tgd隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖5所示。

圖4 甲烷/空氣與甲烷/煤塵爆炸壓力和爆炸溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.4 Change law of methane/air and methane/coal dust explosion pressure and explosion temperature with time

根據(jù)圖4和圖5可知，甲烷/煤塵的Pgd隨時(shí)間的變化規(guī)律與甲烷/空氣的一致[17]，均可劃分為3個(gè)階段，這與文獻(xiàn)[18]通過(guò)電火花點(diǎn)火方式得到的規(guī)律一致。第Ⅰ階段，t1時(shí)刻甲烷/空氣沖入設(shè)備內(nèi)，將煤塵揚(yáng)起，形成甲烷/煤塵混合物；t2時(shí)刻甲烷/煤塵混合物被點(diǎn)燃，進(jìn)入第Ⅱ階段，即Pgd上升階段；Pgd急速上升，在t3時(shí)刻達(dá)到峰值；隨后爆炸結(jié)束，Pgd隨時(shí)間逐漸下降，此時(shí)為第Ⅲ階段。

為了更清晰地看到Pgd和Tgd隨時(shí)間的變化，將Pgd和Tgd上升過(guò)程放大，即圖5中的黃色部分。可看出Tgd的變化規(guī)律與Pgd一致，Tgd與Pgd上升時(shí)刻基本一致，表明Pgd的上升伴隨著Tgd的升高。其他濃度組合的甲烷/煤塵的Pgd和Tgd隨時(shí)間的變化規(guī)律基本一致。

2.2 甲烷/煤塵爆炸關(guān)鍵特征參數(shù)峰值隨甲烷濃度的變化規(guī)律

在甲烷體積分?jǐn)?shù)5.5%～13.5%下，將甲烷/煤塵(煤塵濃度為300 g/m3)最大爆炸壓力Pgd-max、最大升壓速率(dP/dt)gd-max與最大爆炸溫度Tgd-max曲線，與甲烷/空氣的最大爆炸壓力Pg-max、最大升壓速率(dP/dt)g-max、最大爆炸溫度Tg-max進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示,其中R2為擬合優(yōu)度。

(a) 最大爆炸壓力

(b) 最大升壓速率

(c) 最大爆炸溫度圖6 甲烷/煤塵和甲烷/空氣爆炸關(guān)鍵特征參數(shù)隨瓦斯?jié)舛鹊淖兓?guī)律Fig.6 Change law of key characteristic parameters of methane/coal dust and methane/air explosion changes with the gas concentration

甲烷/煤塵的3個(gè)爆炸參數(shù)隨甲烷濃度的變化規(guī)律基本一致，在較低甲烷濃度下均隨甲烷濃度的增加而升高，在甲烷體積分?jǐn)?shù)分別為9.5%，10.5%和9.5%時(shí)，Pgd，(dP/dt)gd和Tgd達(dá)到峰值，即為轉(zhuǎn)折濃度，然后隨甲烷濃度的升高而降低。

當(dāng)甲烷濃度小于轉(zhuǎn)折濃度時(shí)，由于煤塵的加入，Pgd-max，(dP/dt)gd-max和Tgd-max分別大于Pg-max，(dP/dt)g-max和Tg-max。這是因?yàn)榧淄?煤塵爆炸過(guò)程中，甲烷先于煤塵被引燃[19]，釋放出大量的熱能，促進(jìn)了煤塵顆粒的熱解，從而增強(qiáng)了煤塵的爆炸強(qiáng)度，使得煤塵爆炸特性增強(qiáng)。當(dāng)甲烷濃度大于轉(zhuǎn)折濃度時(shí)，甲烷比例增大，氧氣比例減小，煤塵內(nèi)的揮發(fā)性物質(zhì)和甲烷競(jìng)爭(zhēng)獲取氧氣的影響加劇，此時(shí)煤塵起到抑制作用，Pgd-max，(dP/dt)gd-max和Tgd-max分別小于Pg-max，(dP/dt)g-max和Tg-max。

高溫?zé)嵩凑T發(fā)方式下，Pg-max，(dP/dt)g-max，Tg-max轉(zhuǎn)折體積分?jǐn)?shù)均為11.5%，高于電火花的9.5%[17]，由于煤塵的加入，其轉(zhuǎn)折體積分?jǐn)?shù)分別降為9.5%、10.5%和9.5%。這是由于高溫?zé)嵩凑T發(fā)方式下，甲烷/空氣在11.5%時(shí)反應(yīng)充分[17]，其氧氣含量足以使爆炸關(guān)鍵特征參數(shù)達(dá)到峰值。當(dāng)加入300 g/m3煤塵后，一部分氧氣參與煤塵的氧化，發(fā)生甲烷/煤塵充分燃燒與爆炸則需要更多的氧氣，導(dǎo)致甲烷濃度降低。此外，由于煤塵的參與，Pg-max，(dP/dt)g-max和Tg-max分別增加了0.8%，6.9%和0.8%。

對(duì)各濃度下甲烷/煤塵的Pgd-max，(dP/dt)gd-max和Tgd-max進(jìn)行擬合。由圖6可知，擬合優(yōu)度R2均較未加入煤塵時(shí)降低，說(shuō)明由于煤塵的參與，Pgd-max，(dP/dt)gd-max和Tgd-max的規(guī)律性下降。

可看出煤塵的添加對(duì)Pg-max，(dP/dt)g-max，Tg-max存在明顯的影響，體現(xiàn)在轉(zhuǎn)折濃度下降，關(guān)鍵特征參數(shù)峰值升高，且規(guī)律性下降，煤塵與瓦斯共存增加了對(duì)煤礦開(kāi)采的威脅。

2.3 點(diǎn)火方式對(duì)甲烷/煤塵爆炸的影響

不同點(diǎn)火方式下甲烷/煤塵(甲烷體積分?jǐn)?shù)為8.5%、煤塵濃度為300 g/m3)Tgd隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 不同點(diǎn)火方式下瓦斯/煤塵Tgd隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.7 Change law of gas/coal dust Tgd under different ignition modes with time

可看出在電火花點(diǎn)火方式下，Tgd在下降期出現(xiàn)再次升高的現(xiàn)象。這是因?yàn)榧淄?空氣沖入爆炸反應(yīng)密閉容器后，吹起一部分煤塵，煤塵與甲烷混合燃燒，溫度迅速上升，出現(xiàn)第1個(gè)峰值。由于煤塵的存在，導(dǎo)致電火花引爆的球形火焰出現(xiàn)明顯的湍流(a)。當(dāng)球形火焰?zhèn)鞑サ饺萜飨虏繒r(shí)，火焰對(duì)下部煤塵進(jìn)行沖擊，導(dǎo)致煤塵迅速燃燒(c，d)，溫度再次上升，在溫度下降期再次出現(xiàn)溫度升高的現(xiàn)象。

在高溫?zé)嵩幢砻纥c(diǎn)火方式下，甲烷/煤塵的Tgd只出現(xiàn)了1個(gè)峰值，其變化規(guī)律與未加入煤塵前一致。這是因?yàn)樵诟邷責(zé)嵩幢砻嬲T發(fā)條件下，煤塵鋪設(shè)在高溫?zé)嵩幢砻妫潼c(diǎn)火區(qū)域面積較電火花方式更大，導(dǎo)致爆炸時(shí)煤塵與瓦斯/空氣燃燒充分，促使溫度直接升高。到反應(yīng)后期，煤塵已經(jīng)隨甲烷燃燒結(jié)束。該過(guò)程如圖8所示(爆炸壓力開(kāi)始升高的時(shí)刻記做0 ms)。

圖8 甲烷/煤塵混合物爆炸火焰發(fā)展過(guò)程Fig.8 The explosive flame development process of the methane/ coal dust mixture

2.4 煤塵的點(diǎn)燃溫度

以往主要采用沖入煤塵、電火花點(diǎn)燃方式對(duì)煤塵爆炸進(jìn)行研究。而采空區(qū)內(nèi)煤自燃高溫表面的煤塵以堆放的形式存在，與采空區(qū)內(nèi)煤塵的存在形式不符，其結(jié)果很難反應(yīng)采空區(qū)內(nèi)煤自燃誘發(fā)瓦斯/煤塵爆炸過(guò)程。由于甲烷/煤塵沖入設(shè)備內(nèi)發(fā)生爆炸前，鋪設(shè)在高溫?zé)嵩幢砻娴拿簤m已發(fā)生熱分解，其氧化分解出的可燃?xì)怏w揮發(fā)分導(dǎo)致甲烷/空氣爆炸關(guān)鍵特征參數(shù)升高。為深入開(kāi)展煤自燃誘發(fā)瓦斯/煤塵爆炸研究，通過(guò)1 073 K高溫?zé)嵩礈y(cè)試鋪設(shè)在其表面的煤塵點(diǎn)燃溫度，以了解在甲烷/空氣沖入設(shè)備前煤塵的熱解狀態(tài)。K. N. Palmer等[20]通過(guò)金屬熱表面對(duì)煤塵的點(diǎn)燃溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)隨著煤塵厚度的增加，煤塵被高溫表面點(diǎn)燃的溫度降低。

煤塵點(diǎn)燃溫度預(yù)測(cè)函數(shù)如圖9所示。K. N. Palmer等通過(guò)實(shí)驗(yàn)列出6個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(藍(lán)色球形符號(hào))，得出其符合線性規(guī)律的結(jié)論，式(1)為其線性擬合函數(shù)。對(duì)6個(gè)數(shù)據(jù)重新處理，得到紅色擬合曲線，式(2)為修正后的擬合函數(shù)。修正擬合函數(shù)R2較線性擬合提高了20.05%。

圖9 煤塵點(diǎn)燃溫度預(yù)測(cè)函數(shù)Fig.9 Coal dust ignition temperature prediction function

T=-1.401 93l+514.284 87,R2=0.784 51

(1)

T=-4.997 69l+0.053 6l2+549.861 13,

R2=0.981 36

(2)

式中：T為煤塵的點(diǎn)燃溫度，K；l為煤塵的鋪設(shè)厚度，mm。

通過(guò)高溫?zé)嵩幢砻妫瑢?duì)100，200，300 g/m3煤塵的點(diǎn)燃溫度進(jìn)行測(cè)試，本實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)如圖9方形區(qū)域所示。3個(gè)濃度的煤塵鋪設(shè)在高溫?zé)嵩幢砻妫穸确謩e為1.7，3.4 ，5.2 mm，對(duì)應(yīng)的點(diǎn)燃溫度分別為565，550，545 K。與修正后的擬合函數(shù)(式(2))得到的數(shù)值誤差分別為4.1%，3.0%，3.6%，誤差較小，驗(yàn)證了修正擬合函數(shù)的正確性。

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[20]中的測(cè)試數(shù)據(jù)相結(jié)合，得到新的擬合函數(shù)(式(3))，其R2達(dá)到0.974 34。可用于高溫?zé)嵩幢砻驿佋O(shè)煤塵點(diǎn)燃溫度的預(yù)測(cè)。

T=-6.491 03l+0.073 87l2+568.491 3,

R2=0.974 34

(3)

3 結(jié)論

(1) 通過(guò)高溫?zé)嵩幢砻纥c(diǎn)火方式得到的甲烷/煤塵爆炸過(guò)程與甲烷/空氣爆炸過(guò)程一致，均可劃分為3個(gè)階段。

(2) 甲烷/煤塵的3個(gè)爆炸參數(shù)隨甲烷濃度的變化規(guī)律一致，即先隨著甲烷濃度的增加而升高，達(dá)到峰值后隨甲烷濃度的增加而降低；當(dāng)甲烷濃度小于轉(zhuǎn)折濃度時(shí)，Pgd-max，(dP/dt)gd-max和Tgd-max分別大于Pg-max，(dP/dt)g-max和Tg-max；當(dāng)甲烷濃度大于轉(zhuǎn)折濃度時(shí)，Pgd-max，(dP/dt)gd-max和Tgd-max分別小于Pg-max，(dP/dt)g-max和Tg-max；由于煤塵的加入，甲烷/空氣3個(gè)爆炸參數(shù)的轉(zhuǎn)折體積分?jǐn)?shù)由11.5%分別降至9.5%，10.5%和9.5%，峰值分別增加了0.8%、6.9%和0.8%，且規(guī)律性下降。

(3) 由于點(diǎn)火方式不同，Tgd的變化規(guī)律不同：電火花引爆甲烷/煤塵后Tgd在下降階段(Ⅲ階段)再次出現(xiàn)升高的現(xiàn)象；高溫?zé)嵩幢砻嬉淄?煤塵后Tgd變化規(guī)律與未加入煤塵前保持一致。

(4) 對(duì)煤塵點(diǎn)燃溫度預(yù)測(cè)函數(shù)進(jìn)行了修正，修正后的R2提高了20.05%；結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了煤塵在高溫?zé)嵩幢砻纥c(diǎn)火方式下的點(diǎn)燃溫度預(yù)測(cè)函數(shù)。