基于SEM 和IPP 的煤塵爆炸固態(tài)殘留物微觀形貌特征分析

祝 超，王 浩

（江蘇安全技術職業(yè)學院，江蘇 徐州 221011）

煤塵爆炸事故發(fā)生的影響因素眾多。若不借助科學的分析手段和必要的分析方法, 將難以確定事故發(fā)生的真正原因[1-2]。礦井煤塵爆炸事故調查的物證分析技術可以查清事故的發(fā)生過程和原因。事故調查分析的主要工作是收集現場的痕跡。通過研究分析，準確地判斷事故的性質、發(fā)生地點和原因[3]。煤塵爆炸固態(tài)殘留物是事故現場調查取證中必不可少的固態(tài)物證[4]。近年來，許多國內外研究工作者關于煤塵爆炸固態(tài)殘留物展開了研究，且取得了一定研究成果。其中，Cashdollar K L 等對煤塵爆炸固態(tài)殘留物進行了工業(yè)分析，結果表明，無論是高揮發(fā)分煤塵，還是低揮發(fā)分煤塵，其爆炸后的灰分含量明顯增高[5]。Medina C H 等對煙煤爆炸前后的表面微觀特性與元素變化進行了分析，結果表明，煤塵爆炸固態(tài)產物揮發(fā)分質量的減少是導致固態(tài)產物的元素質量發(fā)生改變的原因[6]。LI Qinzhao 等應用FTIR 測試技術對煤塵爆炸固態(tài)殘留物的官能團進行了分析，結果表明，煤塵顆粒中的官能團，如芳香族C-H、芳香族C=C、脂肪族C-H 鍵以及含氧官能團等都參與了煤塵爆炸過程[7]。劉貞堂等采用20L 球形爆炸裝置進行煤塵爆炸實驗，對不同濃度條件下的爆炸固態(tài)殘留物進行了收集分析，通過對殘留物SEM 圖像的形態(tài)特征分析，將殘留物分為類原煤顆粒、類球形煤胞和殘球形煤胞3 類，半定量分析了3 種形態(tài)殘留物的近似比例[8-9]。然而，煤塵爆炸前后的顆粒直徑、圓度以及形態(tài)分布特征等均存在明顯差異[10]。直徑分布反應顆粒的大小分布情況，圓度分布表征顆粒邊緣銳度的分布情況。兩者都是煤塵爆炸固態(tài)殘留物微觀形貌的重要特征參數。定量化分析煤塵爆炸前后的顆粒直徑、圓度以及形態(tài)分布特征有助于精準分析煤塵爆炸的危害程度。為此，利用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope）結合Image Pro Plus （IPP）軟件對煤塵爆炸前后顆粒的直徑分布、圓度分布和形態(tài)分布特征進行定量化分析。研究結果可為煤塵爆炸事故的災后調查分析和物證溯源提供一定理論支持。

1 實 驗

實驗所用的煤樣為褐煤、長焰煤、氣煤和無煙煤4 種不同變質程度的煤。將煤樣進行破碎后，用標準篩篩選成粒徑為25～75 μm 的煤粉，將篩選好的煤粉放入50 ℃的恒溫干燥箱內干燥6 h，最后將干燥后的煤粉放入密封袋內。

實驗所使用的設備為20 L 球形爆炸系統。系統由20 L 爆炸球本體、點火裝置、噴粉裝置、高壓氣瓶、控制系統、數據采集系統以及固態(tài)殘留物收集器等組成。20 L 球形爆炸裝置如圖1。

圖1 20 L 球形爆炸裝置Fig.1 20 L spherical explosive device

實驗研究的是不同種類煤塵在同一點火能量、同一質量分數及粒徑條件下爆炸后的微觀形貌特征。根據以往學者的研究結果發(fā)現，濃度為400 g/m3時，煤塵爆炸較為充分且爆炸壓力較大。為此，選取質量分數為400 g/m3、粒徑為25～75 μm、點火能量為10 kJ 的條件下依次進行褐煤、長焰煤、氣煤和無煙煤的煤塵爆炸實驗。首先，將煤塵放入20 L 爆炸球本體內，應用噴粉裝置將煤粉吹揚起來，使得煤粉在20 L 爆炸球本體內混合均勻。然后利用點火裝置進行引爆。每次實驗重復3 次進行，實驗結束后，應用固態(tài)殘留物收集器將煤塵爆炸固態(tài)殘留物收集起來，應用電子掃描顯微鏡（SEM）分析技術和IPP 軟件對煤塵爆炸固態(tài)殘留物的形貌特征進行定量化分析。最后，整理相關實驗數據進行討論。

2 實驗結果

2.1 煤塵爆炸特征參數

濃度為400 g/m3，粒徑為25～75 μm 的褐煤、長焰煤、氣煤及無煙煤的煤塵爆炸特征參數通過20 L球形爆炸系統的數據采集系統自動測得，不同條件下褐煤煤塵爆炸特征參數見表1。每次實驗重復3次，分析時取3 次實驗的均值，以避免實驗誤差。

表1 不同條件下褐煤煤塵爆炸特征參數Table 1 Characteristic parameters of lignite dust explosion under different conditions

由表1 可知，不同變質程度煤塵的最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率及燃燒持續(xù)時間(燃燒持續(xù)時間為煤塵爆炸壓力從0 增大到最大值時的持續(xù)時間）均存在一定差異。褐煤、長焰煤、氣煤以及無煙煤煤塵爆炸的最大爆炸壓力均值分別為0.69、0.57、0.42、0.32 MPa；最大爆炸壓力上升速率的均值分別為16.74、14.62、10.83、7.47 MPa/s；燃燒持續(xù)時間的均值分別為167.16、212.21、230.80、254.02 ms。這是由不同變質程度煤塵的揮發(fā)分和固定碳含量不同造成的[11]。煤塵爆炸前后的工業(yè)分析見表2。

表2 煤塵爆炸前后的工業(yè)分析Table 2 Industrial analysis before and after coal dust explosion

由表2 可知，褐煤的揮發(fā)分含量最高，長焰煤次之，無煙煤的揮發(fā)分含量最低。褐煤煤塵爆炸時消耗量了34.03%的揮發(fā)分；長焰煤煤塵爆炸時消耗了26.01%的揮發(fā)分；氣煤煤塵爆炸時消耗了21.34%的揮發(fā)分；無煙煤煤塵爆炸時消耗了6.17%的揮發(fā)分。煤塵爆炸的最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率與爆炸時揮發(fā)分的消耗量呈正相關[11-12]。因此，低變質程度的煤塵爆炸時的最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率更大。無煙煤的固定碳含量最高，其爆炸時消耗了35.1%的固定碳；氣煤固定碳含量次之，其爆炸時消耗了25.61%的固定碳；褐煤的固定碳含量最低，其爆炸時消耗了19.05%的固定碳。與揮發(fā)分相比，固定碳燃燒的點燃程度相對較難，燃燒所需要的溫度更高[13-14]。因此，高變質程度煤塵爆炸過程中的燃燒持續(xù)時間更長。

2.2 煤塵爆炸固態(tài)殘留物的SEM 表征

煤塵爆炸前后的SEM 圖像特征如圖2。

圖2 煤塵爆炸前后的SEM 圖像特征Fig.2 SEM image characteristics before and after coal dust explosion

由圖2 可知，原始煤塵的大部分顆粒表面較為光滑，棱角分明，呈不規(guī)則的塊狀或片狀，較少顆粒呈球狀或近似球狀。煤塵爆炸后，固態(tài)殘留物顆粒的形貌特征發(fā)生了明顯變化。大部分顆粒均出現膨脹現象，膨脹的顆粒為帶有“孔洞”的“煤胞”狀。這些“煤胞”狀的顆粒表面較為粗糙，部分“煤胞”獨立存在，部分“煤胞”黏結在一起。還有少部分殘留物顆粒在爆炸高壓的作用下形成了細小的碎片[15]。這種定性化的結果不能成為煤塵爆炸事故調查取證過程中的準確判斷事故破壞程度的“量化”證據。因此，需要對煤塵爆炸固態(tài)殘留物的形貌特征進行定量化分析。

2.3 固態(tài)殘留物顆粒直徑分布

應用IPP 軟件對煤塵爆炸前后的SEM 圖像進行定量化分析，研究煤塵爆炸前后顆粒的直徑分布、圓度分布以及形態(tài)分布的變化。直徑分布可以反映煤塵爆炸前后的顆粒大小變化情況。

IPP 軟件根據顆粒的形狀和面積的關系來測量顆粒的直徑，其計算公式如下[16]：

式中：d 為顆粒直徑；A 為顆粒的面積。

煤塵爆炸前后顆粒直徑分布變化如圖3。

圖3 煤塵爆炸前后顆粒直徑分布變化Fig.3 Changes of particle size distribution percentage before and after coal dust explosion

由圖3 可知，煤塵粒徑范圍為25～75 μm，顆粒數量約占85%。與原始煤塵相比，爆炸后的固態(tài)殘留物直徑分布范圍有所擴大。固態(tài)殘留物在25～75 μm區(qū)間范圍內的顆粒數量占比明顯減小，而在100～125 μm 和125～150 μm 的直徑區(qū)間內有大量固態(tài)殘留物顆粒出現。煤塵爆炸后，固態(tài)殘留物顆粒大多趨于膨脹，形成尺寸更大的顆粒。因此，在25～75 μm的粒徑區(qū)間內的顆粒數量占比有所減少，而在100～150 μm 的粒徑區(qū)間內的顆粒數量占比明顯增大。

不同變質程度的煤塵爆炸固態(tài)殘留物的顆粒的直徑分布也存在一定差異。無煙煤煤塵爆炸后固態(tài)殘留物在100～150 μm 范圍內的顆粒數量占比最大，約51.44%；氣煤煤塵爆炸固態(tài)殘留物次之，約為38.66%；褐煤煤塵爆炸固態(tài)殘留物在此區(qū)間的顆粒數量占比最低，約23.42%。這是因為不同變質程度煤塵的揮發(fā)分和固定碳含量的不同。低階煤塵含有的揮發(fā)分含量相對較高，其爆炸產生的壓力更大[17-18]，更大的爆炸壓力會促進固態(tài)殘留物趨于破碎。因此，顆粒膨脹的程度較弱。與低變質程度煤塵相比，高階煤塵的揮發(fā)分含量低，爆炸產生的壓力相對較小，顆粒被爆炸壓力破碎的程度較弱。高變質程度的煤塵固定碳含量較高，顆粒燃燒時的膨脹程度更大。因此，高變質程度的煤塵爆炸固態(tài)殘留物顆粒的顆粒直徑整體為增大趨勢。煤塵爆炸過程中，煤塵顆粒表面溫度升高,揮發(fā)分和固定碳燃燒放出的熱量使顆粒軟化、膨脹、熔融、氣化及爆裂,造成部分顆粒結焦，導致煤塵爆炸后的顆粒尺寸增大。

2.4 固態(tài)殘留物顆粒的圓度分布

煤塵顆粒計算公式如下[16]：

式中：R 為顆粒的圓度，0＜R≤1；A 為顆粒的實際面積，通過IPP 軟件測得；A′為外接圓面積。

按R 值大小分為低階圓度區(qū)間0.2～0.4、中階圓度區(qū)間0.4～0.6、次高階圓度區(qū)0.6～0.8 和高階圓度區(qū)0.8～1.0。煤塵爆炸前后顆粒圓度分布變化如圖4。

圖4 煤塵爆炸前后顆粒圓度分布變化Fig.4 Changes of particle roundness distribution before and after coal dust explosion

由圖4 可知，不同變質程度煤塵的顆粒圓度較為接近。整體上，煤塵在低階和中階圓度區(qū)間內的顆粒數量占比最多，兩者約占顆粒總數的70%，次高階和高階圓度區(qū)間的原始煤塵顆粒僅占30%。與煤塵相比，煤塵爆炸固態(tài)殘留物的次高階和高階圓度區(qū)間內的顆粒數量占比明顯增大，此區(qū)間范圍內的顆粒數量占比在60%～70%的范圍內波動，而低階圓度區(qū)間內的顆粒數量占比在30%～40%的范圍內波動。煤塵爆炸過程中的顆粒表面溫度升高，顆粒內的揮發(fā)分和固定碳燃燒放出的熱量使煤塵發(fā)生不同程度的軟化、膨脹、熔融、氣化及爆裂等過程，煤塵顆粒會呈塑性狀態(tài)，部分顆粒的棱角消失，從而形成近球形顆粒。

不同變質程度煤塵爆炸固態(tài)殘留物的圓度也存在一定差異，隨著變質程度的增大，次高階和高階圓度區(qū)間內的顆粒數量占比不斷增大, 低階和中階圓度區(qū)域內的顆粒數量占比趨于減小。高變質程度煤塵的固定碳含量較高，揮發(fā)分含量較低。揮發(fā)分燃燒時所需要的溫度較低，而固定碳燃燒時所需的時間更長。更長的燃燒持續(xù)時間使得原煤煤塵顆粒燃燒過程中“去菱角化”、熔融和膨脹呈“球”狀的過程更為充分。因此，無煙煤煤塵爆炸固態(tài)殘留物在次高階和高階圓度區(qū)間內的顆粒數量占比最大，褐煤煤塵爆炸固態(tài)殘留物的顆粒數量占比最小。

2.5 固態(tài)殘留物的形態(tài)分布分型維數

分形和分形幾何理論可對不規(guī)則、不均勻性的顆粒單元體進行定量化描述[16]。采用Moore 等人提出的在對數坐標下等效周長和等效面積線性關系的形態(tài)分布分維數對煤塵爆炸前后顆粒形態(tài)分布的分型維數進行計算分析，計算公式如下[16]：

式中：P 為顆粒的周長；D 為顆粒形態(tài)分布分形維數；A 為顆粒的面積；C 為擬合常數。

煤塵爆炸前后顆粒形態(tài)分布變化如圖5。

圖5 煤塵爆炸前后顆粒形態(tài)分布變化Fig.5 Changes of particle shape distribution before and after coal dust explosion

由圖5 可知，煤塵顆粒的lgA 分布主要集中在2.7～3.7，lgP 分布主要集中在1.8～2.4。在lgA 大于3.7 和lgP 大于2.4 的區(qū)間范圍內的顆粒數量較少。與煤塵相比，固態(tài)殘留物顆粒的lgA 的分布范圍為2.6～4.4，lgP 的分布范圍為1.8～2.8；在lgA 大于3.7和lgP 大于2.4 區(qū)間內的顆粒數量明顯增多。褐煤、長焰煤、氣煤以及無煙煤的煤塵顆粒形態(tài)分布分型維數分別為0.548、0.559、0.546、0.569。其對應的煤塵爆炸固態(tài)殘留物形態(tài)分布分型維數分別為0.617、0.629、0.638、0.649，形態(tài)分型維數均有不同程度的增大。褐煤的形態(tài)分布分形維數最小，無煙煤煤塵爆炸固態(tài)殘留物的形態(tài)分布分型最大。褐煤含有的揮發(fā)分含量較高，爆炸時產生的壓力相對較大，顆粒破碎程度大，因此顆粒形態(tài)相對復雜。無煙煤的固定碳含量高，揮發(fā)分含量少，在爆炸過程中顆粒膨脹程度相對較大，破碎程度相對較小。所以，褐煤煤塵爆炸固態(tài)殘留物的形態(tài)分布分型維數最小，無煙煤煤塵爆炸固態(tài)殘留物的形態(tài)分布分型維數最大。

2.6 爆炸危害程度的相關性

最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率是評價煤塵爆炸危害程度的重要參數[19]。煤塵爆炸固態(tài)殘留物的形態(tài)分布特征可能與兩者存在一定的聯系，若兩者存在關聯性，則可以根據固態(tài)殘留物的形貌特征判斷煤塵爆炸的危害程度并在煤塵爆炸事故調查中進行應用。相關性分析如圖6，（dp/dt）m為最大爆炸壓力上升速率，其中p 為壓力，t 為時間。

圖6 相關性分析Fig.6 Correlation analysis

由圖6 可知，隨著煤塵爆炸固態(tài)殘留物顆粒的高階圓度百分比和分型維數的增大，煤塵爆炸的最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率均趨于減小。由此可以看出，作為評價煤塵爆炸破壞程度的2 個重要參數，最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率與煤塵爆炸固態(tài)殘留物的高階圓度百分比和形態(tài)分型維數呈負相關。煤塵爆炸固態(tài)殘留物的高階圓度分數和形態(tài)分型維數越小，其爆炸的危害程度越大。

3 結 論

1）與煤塵相比，爆炸固態(tài)殘留物顆粒直徑分布范圍明顯擴大。無煙煤煤塵爆炸固態(tài)殘留物在100～150 μm 范圍內的顆粒數量占比最大，約為51.44%；氣煤煤塵爆炸固態(tài)殘留物次之，約占38.66%；褐煤煤塵爆炸固態(tài)殘留物在此區(qū)間的顆粒數量占比最小，約為23.42%。

2）隨著變質程度的增大，煤塵爆炸固態(tài)殘留物顆粒在高階圓度區(qū)間內的顆粒數量占比增大。無煙煤煤塵爆炸固態(tài)殘留物在高階圓度區(qū)間內的顆粒數量占比最大。褐煤煤塵爆炸固態(tài)殘留物在高階圓度區(qū)間內的顆粒數量占比最小。

3）隨變質程度的增大，煤塵爆炸固態(tài)殘留物的形態(tài)分布分型維數不斷增大。無煙煤煤塵爆炸固態(tài)殘留物的形態(tài)分布分型維數最大，最大值為0.649。褐煤煤塵爆炸固態(tài)殘留物的形態(tài)分型維數最小，最小值為0.617。煤塵爆炸的最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率與煤塵爆炸固態(tài)殘留物高階圓度百分比和形態(tài)分型維數呈負相關，煤塵爆炸固態(tài)殘留物的微觀形貌特征可作為事故調查取證的重要物證。