瓦斯、煤塵共存條件下爆炸極限變化規(guī)律實驗研究

王　磊，李潤之

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

瓦斯、煤塵共存條件下爆炸極限變化規(guī)律實驗研究

王磊，李潤之

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

摘要：采用20L近球形爆炸特性測試系統(tǒng)對瓦斯、煤塵共存條件下爆炸極限變化規(guī)律進行了實驗研究。研究發(fā)現：在本實驗條件下，煤塵的爆炸下限濃度隨瓦斯?jié)舛鹊脑黾佣饾u下降，純煤塵時的爆炸下限濃度是28.4g/m3，當加入1.70%濃度瓦斯時，煤塵爆炸下限濃度下降到7.8g/m3，且煤塵爆炸下限與瓦斯?jié)舛瘸手笖岛瘮店P系變化；瓦斯的爆炸極限隨煤塵濃度的增加發(fā)生改變，且與煤塵濃度呈不同的指數函數關系；純瓦斯的爆炸上限為15.8%，而加入100g/m3的煤塵后瓦斯的爆炸上限下降到了12.8%；瓦斯的爆炸下限隨煤塵濃度的增加逐漸下降，純瓦斯的爆炸下限為5.10%，而加入100g/m3的煤塵后瓦斯的爆炸下限下降到了3.1%。研究結果為煤礦井下瓦斯煤塵爆炸事故的防治提供理論依據。

關鍵詞：瓦斯爆炸，煤塵爆炸，共存條件，爆炸極限

瓦斯爆炸事故造成的破壞巨大，并且可能引起煤礦井下沉積煤塵參與爆炸，造成更大的人員傷亡和財產損失。瓦斯、煤塵共存條件下的反應過程非常復雜，二者單獨反應，同時又相互影響[1-3]。爆炸極限是爆炸的重要特征參數，處于極限濃度范圍內的瓦斯、煤塵才能夠發(fā)生爆炸。國內外學者通過研究得出了瓦斯煤塵復合體系爆炸下限比純煤塵或純甲烷在空氣中測試結果相對降低，對應得到的爆炸壓力增大[4-5]，粉塵的最小點火能量會隨著可燃氣體的混入而降低[6-7]。這些工作主要針對瓦斯對煤塵的影響開展研究，但對于瓦斯煤塵共存條件下二者的相互影響研究較少。因此，研究瓦斯、煤塵共存條件下爆炸極限變化規(guī)律將為煤礦井下瓦斯煤塵爆炸事故的防治提供理論依據。

1理論分析

瓦斯煤塵爆炸一直是危害煤礦安全生產的重要因素，目前國內外對于瓦斯煤塵共存爆炸機理的理論研究較少。僅有少量學者對氣體粉塵共存情況下粉塵的爆炸下限進行了研究，認為粉塵-空氣混合物中如果含有可燃氣，則爆炸下限隨可燃氣濃度的增加急劇下降。國外學者根據研究總結了經驗計算公式，如混合物爆炸下限的下降可根據弗·巴爾特克納西特公式(式(1)計算。

(1)

式中：E為雜混合物中粉塵爆炸下限，g/m3；El為粉塵爆炸下限，g/m3；E2為可燃氣爆炸下限，%；C為可燃氣濃度，%。

式(1)涵蓋了多種粉塵，對爆炸下限的下降趨勢有較好的反應。下文會對瓦斯、煤塵、空氣混合物的爆炸下限進行實驗研究，并與公式計算結果進行比較。

2實驗系統(tǒng)

2.1實驗系統(tǒng)

采用20L近球形爆炸特性測試系統(tǒng)開展實驗研究。該系統(tǒng)由爆炸罐體、噴塵系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)、真空配氣系統(tǒng)以及除塵裝置六大部分組成?？捎糜跍y試氣體、粉塵以及氣體粉塵混合物的爆炸極限、爆炸壓力和爆炸壓力上升速率。其中，爆炸罐體為20L近球形容器，結構強度按爆炸過程中可能出現的最大爆炸壓力設計；粉塵噴塵系統(tǒng)由粉塵儲存?zhèn)}、0.6L噴粉高壓氣室、快速電磁閥和連接管路組成，整個系統(tǒng)完全密閉；點火系統(tǒng)主要由點火火花桿、點火藥頭組成，并且與數據采集系統(tǒng)相連，點火的同時進行實時數據采集。

2.2點火能量的選擇

點火系統(tǒng)的主要功能是保證試驗時可燃氣體或粉塵能夠有效起爆。通常在常溫和標準壓力下測定甲烷的爆炸極限值采用10J的化學點火源[8]。煤塵的最小點火能量遠高于甲烷，測定煤塵的爆炸極限時采用總能量為10KJ的化學點火源[9]。

2.3實驗判據

判斷瓦斯是否發(fā)生爆炸的準則參考美國標準ASTME918的規(guī)定，即點火后壓力升高7%或以上作為發(fā)生爆炸的判斷依據。爆炸極限實驗測量方法參照GB/T12474-2008和美國標準ASTME681，利用漸近法測試甲烷在空氣中的爆炸極限。

煤塵爆炸下限可以參照GB/T16425-1996 《粉塵云爆炸下限濃度測定方法》進行測定。

3瓦斯?jié)舛葘γ簤m爆炸下限影響研究

3.1實驗條件及結果

在常溫、常壓條件下，運用10KJ化學點火源，對純煤塵爆炸下限濃度(瓦斯?jié)舛葹? %)、低濃度瓦斯(瓦斯?jié)舛葹?.6%、1.0%、1.2%、1.5%、1.7%)參與條件下煤塵爆炸下限濃度進行了測量，并根據式(1)進行計算，所得實驗結果見表1。

3.2結果分析

瓦斯?jié)舛葘γ簤m爆炸下限的影響情況見圖1。

對表1的數據進行擬合，得到了煤塵爆炸下限(y)和瓦斯?jié)舛?x)間的關系式，如式(2)所示。

(2)

式中擬合函數(2)中各參數的意義及數值見表2。

表1　不同濃度瓦斯參與條件下煤塵爆炸下限濃度

圖1　瓦斯?jié)舛葘γ簤m爆炸下限的影響情況

參數A1t1R2下限35.907-0.27430.969

從圖2和式(2)可知，煤塵的爆炸下限濃度隨瓦斯?jié)舛鹊脑黾佣档停颐簤m爆炸下限與瓦斯?jié)舛瘸手笖岛瘮店P系變化。在純煤塵條件下爆炸下限濃度較高，加入瓦斯后煤塵爆炸下限濃度下降的幅度明顯。純煤塵時的爆炸下限濃度是28.4g/m3，當加入1.7% 濃度瓦斯時，煤塵爆炸下限濃度下降到7.8g/m3，也就是說在這樣的瓦斯?jié)舛认拢瑑H需極少量的煤塵就能被點爆。

另外，通過對比分析實驗值和計算值，我們發(fā)現：當瓦斯?jié)舛取?%時，實驗值和計算值較為接近；當瓦斯?jié)舛?1%時，二者差別較大；計算值要高于實驗值。這可能和瓦斯的參與程度有關，當瓦斯?jié)舛取?%時，瓦斯?jié)舛葘γ簤m爆炸下限濃度影響較小，爆炸下限主要由煤塵自身影響；當瓦斯?jié)舛?1%時，瓦斯?jié)舛葘γ簤m爆炸下限濃度影響逐漸增大，此時爆炸下限主要由參與的瓦斯影響。因此弗·巴爾特克納西特公式能夠反映爆炸下限濃度的下降趨勢，但與本實驗條件下的實驗結果無法很好的吻合。

4煤塵濃度對瓦斯爆炸極限影響研究

4.1實驗條件及結果

在常溫、常壓條件下，運用10J化學點火源，對純瓦斯爆炸極限、不同濃度煤塵(煤塵濃度為10g/m3、20g/m3、30g/m3、50g/m3、80g/m3、100g/m3)參與條件下瓦斯爆炸極限進行了測試，所得實驗結果如表3所示。

表3　不同濃度煤塵參與條件下瓦斯爆炸極限濃度

4.2煤塵濃度對瓦斯爆炸上限影響研究

煤塵濃度對瓦斯爆炸極限的影響情況如圖3所示。

從圖3可以看出，在有煤塵參與的條件下，瓦斯的爆炸上限和爆炸下限均隨煤塵濃度的增加逐漸下降。在本實驗條件下，純瓦斯的爆炸下限為15.8%，而加入100g/m3的煤塵后瓦斯的爆炸下限下降到了12.8%；純瓦斯的爆炸下限為5.11%，而加入100g/m3的煤塵后瓦斯的爆炸下限下降到了3.1%。

對表2中的數據進行擬合，得到了瓦斯爆炸極限(y)和煤塵濃度(x)間的關系式，如式(3)所示。

y=A1*exp(-x/t1)+y0，0

(3)

其中擬合函數(3)中各參數的意義及數值見表4。

圖3　煤塵濃度對瓦斯爆炸極限的影響情況

參數y0A1t1R2上限21.832-6.077-251.150.996下限4.992-0.006-1.23412E-40.991

5瓦斯、煤塵共存體系爆炸極限影響分析

通過上述工作，我們實驗研究了瓦斯?jié)舛葘γ簤m爆炸下限的影響、煤塵濃度對瓦斯爆炸極限的影響規(guī)律。在瓦斯、煤塵共存的復合體系中，一方濃度的改變對另一方的爆炸極限有很大的影響。

其中，瓦斯的存在會降低煤塵的爆炸下限，這和我們依靠經驗認為的規(guī)律一致。瓦斯的存在對煤塵爆炸下限濃度的影響有它內在的原因。在煤塵爆炸下限濃度附近，煤塵濃度較低，化學反應處于富氧狀態(tài)；加入瓦斯后反應消耗的氧含量不影響煤塵氧化反應所需要的氧濃度，具備煤塵和瓦斯全部氧化反應所需的含氧條件。而瓦斯參與反應又放出熱量，有助于煤塵的著火，因此表現出爆炸下限濃度降低。

煤塵的存在會降低瓦斯的爆炸下限，這也和我們依靠經驗認為的規(guī)律一致。這主要是因為：在化學點火源附件的煤塵周圍充滿了低濃度的瓦斯氣體，點火時瓦斯首先被點燃，產生足夠多的化學反應自由基和熱量使得煤塵顆粒同時被點燃；在爆炸下限濃度附近，化學反應屬于富氧狀態(tài)，充足的氧氣也可以促使瓦斯、煤塵的化學反應持續(xù)進行。

但是，在一定條件下，煤塵的存在會惰化反應體系，使得瓦斯爆炸上限呈現降低的趨勢，這就和我們的經驗規(guī)律完全相反，主要原因有以下兩個方面。①瓦斯爆炸上限濃度附近屬于負氧環(huán)境，當有煤塵存在時，點火后煤塵會吸收大量的熱量，并受熱析出可燃氣體繼續(xù)參與反應；所以煤塵的加入使得氧氣濃度進一步降低，瓦斯爆炸上限也會隨之降低。②本次實驗使用10J化學點火源，通過前期的實驗發(fā)現，在實驗環(huán)境條件下10J點火能量不足以點燃煤塵發(fā)生爆炸。所以，煤塵雖然是可燃粉塵，但在負氧條件下，煤塵在共存體系中轉變成為惰性粉塵，反而具有抑爆效果。

上述分析結果對我們煤礦的安全生產有一定的指導意義。在煤礦井下，除了對瓦斯?jié)舛葘崟r監(jiān)測以外，還需要對煤塵濃度進行監(jiān)測。因為，煤塵的存在可以使低于爆炸下限濃度的瓦斯發(fā)生爆炸，此時大家認知的“瓦斯爆炸下限為5%”已經失去意義。

6結論

1)在有瓦斯參與的條件下，煤塵的爆炸下限濃度隨瓦斯?jié)舛鹊脑黾佣饾u下降，且煤塵的爆炸下限與瓦斯?jié)舛瘸手笖岛瘮店P系變化。純煤塵時的爆炸下限濃度是28.4g/m3，當加入1.7%濃度瓦斯時，煤塵爆炸下限濃度下降到7.8g/m3。

2)在有煤塵參與的條件下，瓦斯的爆炸極限會隨煤塵濃度的增加發(fā)生改變，爆炸上限下降，爆炸下限也下降，即爆炸極限的區(qū)間發(fā)生偏移；且瓦斯爆炸極限與煤塵濃度呈指數函數關系變化。

3)在本實驗條件下，純瓦斯的爆炸上限為15.8%，而加入100g/m3的煤塵后瓦斯的爆炸上限下降到了12.8%；純瓦斯的爆炸下限為5.11%，而加入100g/m3的煤塵后瓦斯的爆炸下限下降到了3.1%。

參考文獻

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Experimental study on the explosion limits change laws under gas and coal dust coexisting conditions

WANGLei，LIRun-zhi

(ChinaCoalTechnologyEngineeringGroupChongqingResearchInstitute，Chongqing400039，China)

Abstract:Using 20L nearly spherical explosion characteristic test system，studied the change laws of explosion limits under gas and coal dust coexisting conditions.The study found that：under the experimental conditions，coal dust lower explosion limit decreases with the increase of the gas concentration，pure coal dust lower explosion limit is 28.4g/m3，while adding 1.70% gas its lower explosion limit down to 7.8g/m3，coal dust lower explosion limit and gas concentration are exponential relationship；gas upper explosion limit alters with the increase of the coal dust concentration，pure gas upper explosion limit is 15.8%，while adding 100g/m3 dust its upper explosion limit down to 12.8%；gas lower explosion limit decreases with the increase of the coal dust concentration，pure gas lower explosion limit is 5.10%，while adding 100g/m3 dust its lower explosion limit down to 3.10%；gas upper explosion limit and lower explosion limit were exponential function relationship with coal dust concentration.The study results provided a theoretical basis for the prevention and control of coal mine gas and coal dust explosion accidents.

Key words：gas explosion；coal dust explosion；coexisting conditions；explosion limits

收稿日期：2015-07-08

基金項目：國家自然科學基金項目資助(編號：51374235；51274238)；中煤科工集團重慶研究院有限公司自立科研開發(fā)項目資助(編號：2013YBXM14)

作者簡介：王磊(1983-)，男，助理研究員，碩士。E-mail：Clear8023@163.com。

中圖分類號：TD12

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)04-0087-04