煤塵濃度和粒度對(duì)煤塵燃燒爆炸特性影響的實(shí)驗(yàn)研究

王育德，曲志明

(河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

1 概述

煤塵是煤礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的直徑小于1mm的煤粒。煤塵在浮游狀態(tài)時(shí)，遇有一定溫度的熱源，能單獨(dú)爆炸、傳播爆炸或參與爆炸。煤塵在井下存在的狀態(tài)有兩種：一種是飛揚(yáng)在井下空氣中的煤塵，叫浮游煤塵或浮塵，直徑小于1μm，在井下空氣中基本不下沉；另一種是在井下空氣中因自重沉降，附在巷道周邊的煤塵，叫沉積煤塵。沉積煤塵爆炸必須具備以下三個(gè)條件：①煤塵本身具有爆炸性。一般來講，揮發(fā)分指數(shù)Vr>10％才具有爆炸性。其中：Vr=揮發(fā)分/(揮發(fā)分+固定碳)×100％。②煤塵在空氣中呈懸浮狀態(tài)而且要達(dá)到一定濃度。根據(jù)試驗(yàn)，我國煤塵爆炸下限濃度是：褐煤為45～55g/m3，煙煤為110～335g/m3，上限濃度一般為1500～2000g/m3。③有足夠能量的引爆火源。煤塵引燃溫度一般為700～800℃。盡管煤塵具有爆炸性，但粒度大于1mm時(shí)，不能長(zhǎng)期懸浮于空氣中而不能參與爆炸；粒度極其微小的煤塵在空氣中很快氧化，同樣不會(huì)爆炸；只有粒度為0.075mm左右的煤塵，才是參與爆炸的主體[1]。

1.1 煤塵爆炸機(jī)理

煤本身存在著足夠數(shù)量容易氧化的游離基，常溫條件下容易氧化，生成更多的游離基，使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)得以持續(xù)。若煤被破碎成微細(xì)的顆粒，其總表面積顯著增加，吸氧和氧化能力也隨之大大增強(qiáng)。受到外界高溫?zé)嵩醋饔脮r(shí)，大約300～400℃時(shí)，就可以放出高溫分解的可燃?xì)怏w，其主要成分為甲烷以及乙烷、丙烷、氫氣和1％左右的其他碳?xì)浠衔?。這些可燃?xì)怏w集聚于煤塵顆粒周圍，形成氣體外殼。當(dāng)這個(gè)外殼內(nèi)的氣體達(dá)到一定濃度并吸收一定能量時(shí)，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程開始，游離基迅速增加，發(fā)生顆粒的閃燃。若氧化放出的能量有效的傳遞給周圍的顆粒，并使之參與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，反應(yīng)速度急劇增加，達(dá)到一定程度時(shí)，便發(fā)展成爆炸[2]。

1.2 影響煤塵爆炸的主要參數(shù)

1) 煤的揮發(fā)分。煤的揮發(fā)分?jǐn)?shù)量和質(zhì)量是影響煤塵爆炸的最重要因素。煤塵的不爆炸率,隨揮發(fā)分的增加而下降。表1為不同種類煤塵的爆炸性鑒定結(jié)果[1]。

表1 煤塵爆炸性試驗(yàn)鑒定結(jié)果

2) 煤的灰分和水分。煤的灰分是不燃性物質(zhì)，能吸收熱量，阻擋熱輻射，破壞鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，降低煤塵的爆炸性。煤的灰分對(duì)爆炸的影響，還與揮發(fā)分含量的多少有關(guān)。揮發(fā)分小于15％的煤塵，灰分的影響比較顯著，大于15％時(shí)，天然灰分對(duì)煤塵的爆炸性幾乎沒有影響。適量水分能降低煤塵的爆炸性，因?yàn)樗奈鼰崮芰Υ?，能促使?xì)微顆粒聚結(jié)為較大的顆粒，減少顆粒的表面積，還能降低沉積煤塵的飛揚(yáng)能力[3]。

3) 煤塵粒度。粒度小于1mm的煤塵都能參與爆炸，而且爆炸的危險(xiǎn)性隨粒度的減小而迅速增加，小于0.075mm的煤塵最危險(xiǎn)。

4) 煤塵濃度。與甲烷類似，煤塵的爆炸濃度也有上限和下限。煤塵的爆炸下限變化很大，它決定于煤的揮發(fā)分和灰分。揮發(fā)分小于15％的不同灰分含量的煤塵，爆炸下限沒有一定的規(guī)律；揮發(fā)分15％～30％和灰分小于30％的煤塵，爆炸下限隨揮發(fā)分的增加而減少；揮發(fā)分大于30％時(shí)，爆炸下限近似為常數(shù)。

本文主要討論實(shí)驗(yàn)中煤塵的粒度和濃度對(duì)煤塵燃燒爆炸特性的影響。

2 煤塵濃度對(duì)煤塵-空氣燃燒爆炸特性影響的實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)煤塵爆轟參數(shù)的計(jì)算，當(dāng)化學(xué)當(dāng)量比為1時(shí)，封閉段需噴入煤塵87.6g,封閉段共34個(gè)燃料室，所以每個(gè)燃料室需加煤粉2.58g。考慮到煤塵的爆炸濃度特性，即煤塵的最佳濃度一般為化學(xué)計(jì)量濃度的3～4倍[4-8]，所以取每個(gè)燃料室分別加入2g、4g、6g、8g、10g煤粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，此時(shí)噴入封閉段后的煤塵濃度分別為92g/m3、184g/m3、276g/m3、368g/m3、469g/m3。根據(jù)煤塵粒度對(duì)煤塵-空氣燃燒爆炸特性影響的研究，取粒度為45～75μm的煤塵，進(jìn)行煤塵在不同濃度下燃燒爆炸特性研究[9-12]。

實(shí)驗(yàn)條件：實(shí)驗(yàn)管道安裝好兩張泄爆膜，封閉段抽真空至-0.049MPa；封閉段34個(gè)燃料室加入煤塵后，用標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)火段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；點(diǎn)火段10個(gè)燃料室,每個(gè)加入環(huán)氧丙烷10mL，高壓氣室充壓至0.8MPa；所有44個(gè)電磁閥同時(shí)啟動(dòng)，噴入空氣后，點(diǎn)火段壓力1.4MPa，封閉段壓力為常壓，延遲0.32s后點(diǎn)火。

表2為不同濃度煤塵的爆壓、爆速。表3為不同濃度煤塵的封閉段爆壓參數(shù)。圖1為不同濃度煤塵的爆壓、爆速隨管長(zhǎng)分布圖。圖2～6為不同濃度煤塵下管道內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)處的壓力-時(shí)間曲線。

表2 不同濃度煤塵的爆壓、爆速

表3 不同濃度煤塵的封閉段爆壓參數(shù)

圖1 不同濃度煤塵的爆壓和爆速隨管長(zhǎng)分布圖

圖2 煤塵濃度92g/m3下管道內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)處的壓力-時(shí)間曲線

圖3 煤塵濃度184g/m3下管道內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)處的壓力-時(shí)間曲線

根據(jù)對(duì)表2、表3，圖1～6中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析18.55m之后的情況，我們可以得出以下結(jié)論：①每個(gè)燃料室加入2g煤粉時(shí)，爆壓變化范圍為0.34～1.55MPa；4g煤粉時(shí)，爆壓變化范圍為0.67～2.01MPa；6g煤粉時(shí)，爆壓變化范圍為1.49～3.67MPa；8g煤粉時(shí)，爆壓變化范圍為1.59～5.59MPa；10g煤粉時(shí)，爆壓變化范圍為0.78～2.02MPa。②每個(gè)燃料室加入2g煤粉時(shí)，爆速變化范圍為618～1240m/s；4g煤粉時(shí)，爆速變化范圍為956～1392m/s；6g煤粉時(shí)，爆速變化范圍為1129～1561m/s；8g煤粉時(shí)，爆速變化范圍為1152～1711m/s；10g煤粉時(shí)，爆速變化范圍為896～1271m/s。③每個(gè)燃料室加入6g煤粉、8g煤粉后，爆轟效果明顯，且8g煤粉爆轟效果更好；加入4g、10g煤粉后出現(xiàn)局部爆轟，在25.55m之后爆轟狀態(tài)明顯減弱。④通過分析可知，此種煤塵爆炸的最優(yōu)濃度在368g/m3左右。

圖4 煤塵濃度276g/m3下管道內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)處的壓力-時(shí)間曲線

圖5 煤塵濃度368g/m3下管道內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)處的壓力-時(shí)間曲線

圖6 煤塵濃度469g/m3下管道內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)處的壓力-時(shí)間曲線

3 煤塵粒度對(duì)煤塵-空氣燃燒爆炸特性影響的實(shí)驗(yàn)研究

為了研究煤塵粒度對(duì)爆壓、爆速的影響，選用了粒度分別為45～75μm、75～113μm、113～200μm的煤粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)條件：封閉段抽真空至-0.049MPa；封閉段每個(gè)燃料室加入煤粉8g，煤塵濃度368g/m3；點(diǎn)火段10個(gè)燃料室每個(gè)加入環(huán)氧丙烷10mL；高壓氣室充壓至0.8MPa；44個(gè)電磁閥同時(shí)啟動(dòng)，噴入空氣后，點(diǎn)火段壓力1.4MPa，封閉段為常壓，延遲0.32s后點(diǎn)火。

表4為不同粒度煤塵的爆壓、爆速結(jié)果，圖7不同粒度煤塵爆壓、爆速隨管長(zhǎng)分布。

表4 不同粒度煤塵的爆壓、爆速結(jié)果

從表4、圖7中可以看出：爆壓隨著煤塵粒度的減小而增大，45～75μm粒度煤塵出現(xiàn)穩(wěn)定的爆轟過程；在75～113μm煤塵也出現(xiàn)爆轟，但爆轟狀態(tài)不穩(wěn)定，逐漸減弱；113～200μm煤塵出現(xiàn)局部爆轟，在23.45m之后呈爆燃狀態(tài)。根據(jù)上面分析，采用45～75μm粒度煤塵進(jìn)行燃燒爆炸特性實(shí)驗(yàn)研究是非常合理的。

圖7 不同粒度煤塵爆壓和爆速隨管長(zhǎng)分布

4 結(jié)論

1) 每個(gè)燃料室加入2g煤粉后，爆壓、爆速很低，說明一直處于較弱的爆燃狀態(tài)；加入4g煤粉、10g煤粉后，爆壓、爆速變化呈逐漸減小趨勢(shì)，說明是局部爆轟，爆轟波沒有穩(wěn)定傳播；而加入6g煤粉、8g煤粉后，爆壓、爆速出現(xiàn)正常波動(dòng)，未象其他濃度一樣出現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)，且爆壓、爆速明顯偏高。所以在本實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)煤塵濃度368g/m3時(shí)，煤塵出現(xiàn)穩(wěn)定爆轟。

2) 爆壓隨著煤塵粒度的減小而增大，45～75μm粒度煤塵出現(xiàn)穩(wěn)定的爆轟過程。根據(jù)分析，采用45～75μm粒度煤塵進(jìn)行燃燒爆炸特性實(shí)驗(yàn)研究是非常合理的。

致謝:論文受到橫向課題《煤礦井下主動(dòng)抑爆技術(shù)研究與應(yīng)用》資助，特此致謝。

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