改性巖粉對(duì)煤塵爆炸惰化效果實(shí)驗(yàn)研究

常小軍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037037）

在未來一段時(shí)間內(nèi)，煤炭仍將是我國(guó)的主體能源，其在一次能源結(jié)構(gòu)中仍將占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，隨著煤礦生產(chǎn)自動(dòng)化、集約化程度的不斷提高，井下粉塵產(chǎn)生量不斷增加，防止礦井煤塵爆炸十分重要［1-2］。微米級(jí)別粉塵極易懸浮在獨(dú)頭巷道、掘進(jìn)頭等半封閉、活封閉空間內(nèi)部，形成高濃度粉塵云，當(dāng)遇到足夠能量的高溫?zé)嵩春螅蹓m云即會(huì)燃燒，從而進(jìn)一步向爆轟轉(zhuǎn)變，引起礦井煤塵爆炸。1942年4月26日，我國(guó)本溪湖煤礦發(fā)生煤塵、瓦斯爆炸，死亡1549 人［3］。1968年4月4日，新汶礦務(wù)局潘西煤礦二號(hào)井發(fā)生特大煤塵爆炸事故，造成115 人死亡，108 人受傷［4］。2005年11月27日，龍煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司七臺(tái)河分公司東風(fēng)煤礦發(fā)生特別重大煤塵爆炸事故，造成171 人死亡，48 人受傷［5］。2005年12月7日，恒源實(shí)業(yè)有限公司發(fā)生特別重大瓦斯煤塵爆炸事故，造成108人死亡，29 人受傷［6］。目前，隨著煤礦開采技術(shù)水平的提升及安全監(jiān)管意識(shí)的增強(qiáng)，煤塵爆炸事故正在逐年減少，但由于煤塵爆炸具有破壞性大、突發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)，仍需引起企業(yè)的高度重視。

石灰石等巖石粉塵既可以作為熱抑制劑，也可以作為吸熱劑，巖粉的分散性對(duì)減緩煤塵爆炸起著極其重要的作用［7］。但因煤礦井下惡劣的環(huán)境條件容易引起巖屑結(jié)塊，減小了巖粉的分散特性。巖石粉塵結(jié)塊主要原因是水的吸附導(dǎo)致在顆粒與顆粒接觸點(diǎn)形成液體橋，從而形成可溶性粉末成分的飽和溶液［8］。因此，防止粉末結(jié)塊的關(guān)鍵是將水從固體表面排斥，從而防止液體和固體橋梁的形成。應(yīng)用化學(xué)添加劑對(duì)巖石粉塵顆粒的表面性質(zhì)進(jìn)行改性，可以提高巖石粉塵的分散性，從而對(duì)煤塵爆炸起到更好的惰化作用。

為了探究經(jīng)表面處理后的巖石粉塵對(duì)煤塵爆炸惰化效果，選用常規(guī)濕潤(rùn)巖塵與表面改性處理后巖粉作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)，通過測(cè)試不同煤塵濃度下爆炸的峰值壓力與壓力比，評(píng)判不同類型的巖粉對(duì)煤塵爆炸惰化效果的影響，

1 實(shí)驗(yàn)材料

選用石灰石粉塵作為實(shí)驗(yàn)用巖石粉塵，并對(duì)其進(jìn)行樣品表征測(cè)試，以獲得更詳細(xì)的樣品信息。

1.1 礦物組成分析

XRD是一種常用來識(shí)別材料晶體結(jié)構(gòu)的工具，因晶體原子會(huì)導(dǎo)致入射的X射線束在不同方向上衍射，并可以通過衍射角度和強(qiáng)度數(shù)值得出晶體的原子和分子結(jié)構(gòu)。通過XRD分析確認(rèn)了實(shí)驗(yàn)用樣品的純晶體結(jié)構(gòu)，見圖1。x軸和y軸分別對(duì)應(yīng)衍射光束的角度和強(qiáng)度。由實(shí)驗(yàn)用樣品XRD衍射圖譜可得知，其主要成分為方解石，白云石和石英含量相對(duì)較少。

圖1 實(shí)驗(yàn)樣品XRD 光譜

1.2 元素組成分析

XRF是常見的元素組成分析方法，通過高能X射線轟擊材料后發(fā)出的特征X射線來測(cè)量元素含量。XRF分析從定量的角度顯示了實(shí)驗(yàn)用樣品顆粒的元素組成，其碳酸鈣占材料的94%以上，其次是碳酸鎂占4.7%，二氧化硅占不到1%，還存在一些微量成分，具體元素組成見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品XRF 分析結(jié)果

1.3 粒徑分析

本文中所使用巖石粉塵顆粒的粒徑分析見圖2，平均顆粒直徑為25 μm，其中90%的粒徑小于53 μm。

圖2 實(shí)驗(yàn)樣品粒徑分布

2 實(shí)驗(yàn)方法

按照實(shí)驗(yàn)要求，采集同發(fā)東周窯礦井下工作面純煤粉作為測(cè)試樣品，首先測(cè)試了煤塵爆炸峰值壓力與煤塵濃度的關(guān)系，確定了煤塵爆炸允許濃度下限，為隨后的巖塵惰化實(shí)驗(yàn)確定煤塵用量；其次，實(shí)驗(yàn)選用油酸和油酸鈉作為改性劑，對(duì)實(shí)驗(yàn)用巖石粉塵進(jìn)行表面改性處理，以增強(qiáng)巖石粉塵的疏水性，并改善其分散性，從而對(duì)煤塵爆炸實(shí)現(xiàn)更好的惰化效果；最后，選用常規(guī)濕潤(rùn)巖石粉塵與經(jīng)表面改性處理后的巖石粉塵進(jìn)行煤塵爆炸惰化實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)火焰?zhèn)鞑ナ录陌l(fā)生概率，探究經(jīng)表面改性處理后的巖石粉塵對(duì)煤塵爆炸惰化效果的影響。

2.1 煤塵爆炸

使用純煤粉進(jìn)行爆炸測(cè)試，生成煤粉的爆炸性曲線。根據(jù)爆炸室內(nèi)的煤塵濃度重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以確定爆炸臨界煤塵濃度，超過該臨界濃度，其爆炸的可能性和強(qiáng)度會(huì)大大增加；小于臨界濃度，則會(huì)發(fā)生爆燃而不是爆炸。

結(jié)合東周窯洞煤礦的煤塵性質(zhì)以及其余礦井實(shí)際所發(fā)生的煤塵爆炸情況，本文使用爆炸測(cè)試數(shù)據(jù)來衡量巖塵的惰化滅火特性。壓力比（PR）是峰值爆炸壓力與大氣壓力的比率，一般情況下等于或大于2 的值表示出現(xiàn)火焰明顯傳播或爆炸現(xiàn)象。

為確定不同煤塵濃度下峰值爆炸壓力，本文共測(cè)試了8 個(gè)煤塵濃度，每個(gè)濃度重復(fù)了3 次，力求最大程度地減少實(shí)驗(yàn)誤差。因此，對(duì)煤塵爆炸試驗(yàn)進(jìn)行了24 次，濃度從200～1 400 g/m3不等，區(qū)間增量為200 g/m3。

2.2 巖粉惰化實(shí)驗(yàn)

分別選用常規(guī)濕潤(rùn)巖粉和表面改性后巖粉作為粉塵惰化實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)樣品，以不同煤塵濃度作為實(shí)驗(yàn)變量，對(duì)巖粉進(jìn)行惰化實(shí)驗(yàn)。首先，將巖石粉塵放在托盤上，然后加入煤粉塵覆蓋于巖塵上部，形成巖塵（底層）- 粉塵（頂層）雙層混合結(jié)構(gòu)。將該托盤與5 kJ Sobbe點(diǎn)火器一起放置在腔室附近，并將真空度拉至約13.8 kPa（2 psi）。將濃度為79%的氮?dú)夂?1%的氧氣的可呼吸空氣注入室內(nèi)，以分散混合粉塵，從而更好的模擬現(xiàn)實(shí)情況下礦山粉塵的懸浮狀態(tài)。為確保注入氣體的流暢性，此處使用了一個(gè)壓力容器，該壓力容器的氣壓約為965 kPa（140 psi）。達(dá)到大氣壓（101.325 kPa）時(shí)，點(diǎn)火器借助內(nèi)置軟件點(diǎn)火，引爆混合物，爆炸裝置結(jié)構(gòu)見圖3。由爆炸壓力峰值與壓力的比值來衡量巖粉的惰化效果。

對(duì)于常規(guī)濕潤(rùn)巖粉，共進(jìn)行了18 次惰化試驗(yàn)，其中12 次測(cè)試在低煤塵濃度下進(jìn)行，6 次測(cè)試在高煤塵濃度下進(jìn)行。對(duì)于表面改性后巖粉，共進(jìn)行了28 次惰化試驗(yàn)，在高、低煤塵濃度下分別進(jìn)行14 次。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 煤塵爆炸測(cè)試

圖4 表示了峰值爆炸壓力作為煤粉濃度函數(shù)的測(cè)試結(jié)果。一般情況下認(rèn)為特征參數(shù)PR≥2 時(shí)，即為發(fā)生了有效爆炸。從圖3 中可以清晰的看出，要使爆炸有效發(fā)生，即特征參數(shù)PR≥2，需要使煤粉濃度大于400 g/m3。根據(jù)煤塵最小爆炸濃度與爆炸室容積（38L），可計(jì)算出大約需要15.3 g的煤粉來達(dá)到400 g/m3的煤塵最小爆炸濃度。為了保障爆炸的有效性，本實(shí)驗(yàn)對(duì)煤粉質(zhì)量實(shí)行向上取整操作，即為3.2 和3.3 章節(jié)的巖粉惰化實(shí)驗(yàn)選用16 g煤粉的用量，相當(dāng)于爆炸室存在425 g/m3的煤塵濃度。為了更好的模擬礦井災(zāi)變時(shí)期惡劣的實(shí)際情況，進(jìn)一步增加火焰?zhèn)鞑ゼ氨ǖ目赡苄裕O(shè)計(jì)一對(duì)照組。對(duì)照組選用32 g煤粉，相當(dāng)于850 g/m3的煤塵濃度，用來增強(qiáng)煤塵爆炸現(xiàn)象出現(xiàn)的幾率。

圖4 煤粉爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 常規(guī)濕潤(rùn)巖粉惰化試驗(yàn)

對(duì)于常規(guī)濕潤(rùn)巖粉，共進(jìn)行了18 次惰化試驗(yàn)，其中12 次測(cè)試的煤塵濃度為425 g/m3，其余6 次測(cè)試的煤塵濃度為850 g/m3。兩種煤塵濃度導(dǎo)致常規(guī)濕潤(rùn)巖塵惰化試驗(yàn)結(jié)果存在顯著差異，結(jié)果見圖5。

圖5 常規(guī)濕潤(rùn)巖粉惰化試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以清楚地看出，在低煤塵濃度下，12 次試驗(yàn)中有一次未能阻止煤塵火焰?zhèn)鞑ィ鄳?yīng)的峰值壓力為2.92 bar，其峰值爆炸壓力是大氣壓的兩倍以上，可以認(rèn)為發(fā)生了爆炸。對(duì)于高煤塵濃度，惰化效果則相對(duì)較差，6 次測(cè)試中有5 次未能阻止火焰?zhèn)鞑ァＦ涑Ｒ?guī)濕潤(rùn)巖粉未能成功惰化的5 次試驗(yàn)中，所產(chǎn)生的峰值壓力從3.6 bar到5.8 bar不等，相應(yīng)的壓力比都顯著大于2，在最壞的情況下，峰值壓力為5.5 bar。

3.3 表面改性后巖粉惰化實(shí)驗(yàn)

對(duì)于表面改性后巖粉，共進(jìn)行了28 次惰化試驗(yàn)，其中14 次測(cè)試的煤塵濃度為425 g/m3，其余14 次測(cè)試的煤塵濃度為850 g/m3。表面改性后的巖粉惰化實(shí)驗(yàn)在兩種不同煤塵濃度測(cè)試條件下均取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果，結(jié)果見圖6。

圖6 表面改性后巖粉惰化試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以清楚地看出，在低煤塵濃度下，14 次惰化試驗(yàn)中均成功減緩了煤塵火焰?zhèn)鞑ィ鄳?yīng)的峰值壓力、壓力比也都小于閾值，可以認(rèn)為在低煤塵濃度下，表面改性后巖粉表現(xiàn)出了較好的惰化效果。對(duì)于高煤塵濃度，14 次惰化試驗(yàn)中有2 次未能成功熄滅火焰前鋒。但從圖5 可以看出，2個(gè)未能成功惰化的數(shù)據(jù)點(diǎn)遠(yuǎn)離大多數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)，而其余的數(shù)據(jù)點(diǎn)則聚集在閾值以下，在概率學(xué)上可以將這2 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)視為無效數(shù)據(jù)點(diǎn)，這表明表面改性后巖粉在高濃度煤塵濃度下仍表現(xiàn)出了較好的惰化效果。

4 結(jié)論

通過在不同煤塵濃度下進(jìn)行常規(guī)濕潤(rùn)巖粉和表面改性后巖粉惰化實(shí)驗(yàn)，測(cè)試爆炸壓力峰值與壓力比，探究表面改性后巖粉對(duì)煤塵爆炸惰化效果的影響，得出如下結(jié)論：

1）對(duì)于常規(guī)濕潤(rùn)巖粉，兩種煤塵濃度下惰化試驗(yàn)結(jié)果存在顯著差異。低煤塵濃度下常規(guī)濕潤(rùn)巖粉展現(xiàn)出了良好的惰化性能，而在高煤塵濃度下，常規(guī)濕潤(rùn)巖粉的惰化性能較差。

2）對(duì)于表面改性后巖粉，兩種煤塵濃度下惰化試驗(yàn)均取得了較好效果，成功減緩了火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

3）在高濃度煤塵條件下進(jìn)行常規(guī)濕潤(rùn)巖粉惰化測(cè)試時(shí)，6 次試驗(yàn)中有5 次（83.3%）出現(xiàn)了爆炸事件。而在高濃度煤塵條件下進(jìn)行表面改性后巖粉惰化測(cè)試時(shí)，只有2 次（14.3%）發(fā)生了爆炸事件。因此，采用表面改性后巖粉后，高濃度煤塵發(fā)生爆炸的可能性降低了82.8%。