瓦斯煤塵共存條件下的煤塵云爆炸下限*

李潤(rùn)之

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司火災(zāi)爆炸防治研究分院，重慶 400037)

近年來(lái)，隨著中國(guó)煤礦機(jī)械化水平的不斷提升，煤礦開(kāi)采強(qiáng)度逐步增加，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量變大，產(chǎn)塵量急劇增大，瓦斯煤塵共存條件下的爆炸事故，特別是瓦斯礦井中瓦斯煤塵共存爆炸事故呈多發(fā)趨勢(shì)。對(duì)瓦斯煤塵共存相互促進(jìn)著火爆炸機(jī)理缺乏足夠認(rèn)識(shí)是造成該類(lèi)事故多發(fā)的主要原因。

多年來(lái)，許多學(xué)者針對(duì)瓦斯煤塵共存條件下的爆炸特性開(kāi)展了大量研究。Torrent等[1]、Amyotte等[2-3]研究了甲烷對(duì)煤塵爆炸特性的影響，得出甲烷會(huì)使煤塵的爆炸下限和最小點(diǎn)火能量降低，煤塵粒徑減小和煤塵揮發(fā)分增加也會(huì)使煤塵的爆炸下限降低。曹衛(wèi)國(guó)等[4]在20 L球形密閉容器內(nèi)進(jìn)行了煤粉爆炸特性研究，探討了不同點(diǎn)火具質(zhì)量對(duì)煤粉爆炸的影響。樊保龍[5]利用10 m3爆炸罐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)比分析了甲烷-空氣和甲烷-煤粉-空氣混合物的爆炸特征參數(shù)。李江波[6]對(duì)密閉管道內(nèi)甲烷-煤粉復(fù)合爆炸火焰的傳播過(guò)程和爆炸強(qiáng)度進(jìn)行了研究。陳東梁[7]利用燃燒管道對(duì)甲烷-煤塵復(fù)合火焰的傳播特性、機(jī)理及其影響因素進(jìn)行了深入研究。候萬(wàn)兵[8]利用水平管道式氣體-粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)裝置，研究了煤塵-瓦斯混合物的最大爆炸壓力、最大壓力上升速率、爆炸威力以及爆炸壓力在管道內(nèi)的傳播規(guī)律等。以上研究大多針對(duì)瓦斯煤塵共存爆炸過(guò)程中爆炸壓力、火焰等參數(shù)的變化規(guī)律。由于瓦斯煤塵共存條件下燃燒爆炸的反應(yīng)機(jī)理異常復(fù)雜，針對(duì)瓦斯煤塵共存條件下爆炸極限變化規(guī)律的研究有待進(jìn)一步深入研究。

本文中，采用20 L爆炸特性測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)瓦斯煤塵共存條件下不同種煤塵的爆炸下限進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，以期為瓦斯煤塵共存條件下爆炸事故的預(yù)防和治理提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

實(shí)驗(yàn)所采用的20 L爆炸特性測(cè)試系統(tǒng)主要由爆炸罐體、噴塵系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、除塵裝置6部分組成，如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)符合粉塵云爆炸下限測(cè)定方法(GB/T 16425—1996)[9]的規(guī)定。其中，爆炸罐體容積20 L，近球形，設(shè)計(jì)承壓3.0 MPa；儲(chǔ)氣倉(cāng)容積0.6 L，設(shè)計(jì)承壓3.0 MPa；壓力測(cè)試范圍為0～1.0 MPa，采集頻率1 kHz。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 16425—1996中的規(guī)定，在進(jìn)行粉塵爆炸下限測(cè)定時(shí)，采用化學(xué)點(diǎn)火藥頭進(jìn)行點(diǎn)火，點(diǎn)火能量為10 kJ，實(shí)驗(yàn)所用粉塵粒度須不高于75 μm，水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)10%。因此實(shí)驗(yàn)前將各煤塵樣品進(jìn)行研磨，利用200目標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，并對(duì)其進(jìn)行烘干處理。

由于瓦斯的主要成分為CH4，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中以高純度的CH4代替瓦斯。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先將一定濃度的CH4-空氣混合氣充入爆炸罐體對(duì)罐體內(nèi)的空氣進(jìn)行置換，然后對(duì)爆炸罐體抽真空至絕對(duì)壓力為0.04 MPa；將煤塵樣品放入粉塵倉(cāng)，將儲(chǔ)氣罐壓力充至2.0 MPa；啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用以控制煤塵的噴入、點(diǎn)火以及爆炸過(guò)程中壓力數(shù)據(jù)的采集。所測(cè)最大爆炸壓力值均為3次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。

1.3 爆炸判據(jù)

在低點(diǎn)火能量(10 J)、單純瓦斯的爆炸實(shí)驗(yàn)中，是否發(fā)生爆炸的判別標(biāo)準(zhǔn)參考美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM E918[10]的規(guī)定，即將點(diǎn)火后壓力升高7%及以上作為發(fā)生爆炸的判斷依據(jù)。

在高點(diǎn)火能量(10 kJ)單純瓦斯、煤塵爆炸及瓦斯對(duì)煤塵爆炸的影響實(shí)驗(yàn)中，依據(jù)GB/T 16425—1996的規(guī)定，即認(rèn)為爆炸壓力大于或等于0.15 MPa時(shí)發(fā)生爆炸。

2 瓦斯的爆炸下限

在瓦斯爆炸下限以上，單純的瓦斯會(huì)發(fā)生爆炸，因此在研究瓦斯?jié)舛葘?duì)煤塵爆炸下限的影響時(shí)，將瓦斯?jié)舛瓤刂圃谙嗤r的爆炸下限以下。這就需要首先考察相同實(shí)驗(yàn)工況下瓦斯的爆炸下限。

2.1 靜止及湍流狀態(tài)下瓦斯爆炸下限

在進(jìn)行可燃?xì)怏w爆炸特性實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于可燃?xì)怏w的點(diǎn)火能量較低，故一般選用10 J的點(diǎn)火源[11]。首先，在常溫常壓條件下，運(yùn)用20 L爆炸特性測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)點(diǎn)火前氣體在靜止?fàn)顟B(tài)下的瓦斯爆炸下限進(jìn)行測(cè)試，不同瓦斯體積分?jǐn)?shù)(φCH4)下瓦斯的最大爆炸壓力(pmax)如圖2所示。

采用高壓氣流將粉塵倉(cāng)內(nèi)的煤塵噴入爆炸罐體內(nèi)形成煤塵云，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)的氣體由靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)。由此模擬了粉塵爆炸特性實(shí)驗(yàn)時(shí)的湍流狀態(tài)，在常溫常壓條件下對(duì)2.0 MPa噴氣壓力下瓦斯的爆炸下限進(jìn)行測(cè)試，不同瓦斯體積分?jǐn)?shù)下瓦斯的最大爆炸壓力如圖3所示。

從圖2和圖3中可以看出：當(dāng)爆炸前的氣體狀態(tài)為靜態(tài)時(shí)，隨著瓦斯體積分?jǐn)?shù)的增大，其最大爆炸壓力平緩增大；而當(dāng)氣體狀態(tài)為湍流狀態(tài)時(shí)，在爆炸下限附近存在一個(gè)分界點(diǎn)，當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于此分界點(diǎn)時(shí)，在本實(shí)驗(yàn)條件下點(diǎn)火將不會(huì)發(fā)生爆炸，即點(diǎn)火后壓力幾乎不上升，當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)高于此分界點(diǎn)時(shí)，點(diǎn)火后將發(fā)生爆炸，此后隨著瓦斯體積分?jǐn)?shù)的增大，最大爆炸壓力逐漸增大，即湍流狀態(tài)對(duì)瓦斯爆炸的影響非常明顯。通過(guò)測(cè)試，得到常溫常壓、10 J點(diǎn)火能量條件下，靜止和湍流狀態(tài)的瓦斯爆炸下限分別為4.83%和5.10%。

2.2 高點(diǎn)火能量條件下的瓦斯爆炸下限

在煤塵爆炸極限影響實(shí)驗(yàn)中，點(diǎn)火源為10 kJ化學(xué)點(diǎn)火藥頭，此時(shí)純瓦斯爆炸的爆炸下限將發(fā)生明顯變化，因此在點(diǎn)火能量為10 kJ的條件下對(duì)瓦斯的最大爆炸壓力進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖4。

參考粉塵爆炸下限的判定準(zhǔn)則，靜止和湍流狀態(tài)下瓦斯的爆炸下限分別為2.15%和1.94%，湍流狀態(tài)的爆炸下限略低于靜止?fàn)顟B(tài)。

工程應(yīng)用中常采用5.00%作為瓦斯爆炸下限，而實(shí)驗(yàn)測(cè)量值卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該經(jīng)驗(yàn)值。其主要原因在于：(1) 本實(shí)驗(yàn)所用的高能量點(diǎn)火藥頭的點(diǎn)火能量高達(dá)10 kJ，是普通可燃?xì)怏w10 J電點(diǎn)火能量的1 000倍，并且在點(diǎn)火藥頭的燃燒過(guò)程中出現(xiàn)大范圍火焰，使低濃度瓦斯氣體更容易著火；(2) 湍流效應(yīng)致使更低濃度的瓦斯-空氣混合氣體發(fā)生爆炸。

該實(shí)驗(yàn)結(jié)果也為煤礦的安全生產(chǎn)提供了重要參考。一般情況下認(rèn)為，井下瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于5.00%時(shí)不會(huì)發(fā)生井下瓦斯爆炸。但是由實(shí)驗(yàn)可知，對(duì)于高能量引火源來(lái)說(shuō)，5.00%的瓦斯氣體濃度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)發(fā)生爆炸的最低瓦斯?jié)舛?，?duì)應(yīng)的爆炸壓力已非常大，會(huì)造成巨大的破壞效應(yīng)。

3 瓦斯對(duì)煤塵爆炸下限的影響

3種不同揮發(fā)分的煤塵在與瓦斯共存條件下的最大爆炸壓力變化情況如圖5所示，其中Ccoal為煤塵質(zhì)量濃度。3種煤塵的工業(yè)分析數(shù)據(jù)列于表1，其中Vad、Mad、Aad、Fcad分別代表空氣干燥基揮發(fā)分、空氣干燥基水分、空氣干燥基灰分以及空氣干燥基固定碳含量。

從圖5中可以看出：在同組實(shí)驗(yàn)中，隨著煤塵濃度的增大，煤塵的最大爆炸壓力增加，對(duì)應(yīng)濃度的煤塵云從不滿(mǎn)足爆炸判定準(zhǔn)則(pmax=0.15 MPa)逐漸過(guò)渡為滿(mǎn)足爆炸判定準(zhǔn)則，煤塵云發(fā)生爆炸；最大爆炸壓力-煤塵濃度曲線(xiàn)與爆炸判定線(xiàn)交點(diǎn)的橫坐標(biāo)即為該工況下煤塵的爆炸下限。在同種煤塵實(shí)驗(yàn)中，隨著混入瓦斯體積分?jǐn)?shù)的增加，煤塵爆炸下限降低，所得不同條件下的煤塵爆炸下限如表2所示。

表1 煤塵的工業(yè)分析結(jié)果Table 1 Industrial analytic results of coal dusts

表2 不同瓦斯?jié)舛认旅簤m的爆炸下限Table 2 Minimum explosive concentration of coal dust at different gas concentrations

圖6給出了3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化及擬合情況。可以看出：煤塵3#完全遵照指數(shù)函數(shù)規(guī)律變化，即爆炸下限隨瓦斯體積分?jǐn)?shù)的增加先快速衰減再緩慢衰減；而煤塵1#和2#的變化情況雖與煤塵3#類(lèi)似，但相應(yīng)的指數(shù)函數(shù)變化規(guī)律并不明顯，可以近似認(rèn)為遵循指數(shù)函數(shù)變化規(guī)律。

從表2和圖6中還可以看出：在沒(méi)有瓦斯參與的情況下(φCH4=0)，3種煤塵的爆炸下限分別為73.20、37.78和28.40 g/m3，煤塵爆炸下限的差異較大；而在少量瓦斯氣體參與爆炸的情況下，對(duì)應(yīng)的煤塵爆炸下限分別為42.90 g/m3(φCH4=0.4%)、27.18 g/m3(φCH4=0.4%)和19.60 g/m3(φCH4=0.6%)，仍具有十分明顯的差異性；隨著瓦斯體積分?jǐn)?shù)的增加，煤塵的爆炸下限降低。在較低瓦斯體積分?jǐn)?shù)(0～1.0%)下，煤質(zhì)組成成分對(duì)爆炸極限的影響較大，瓦斯煤塵共存的復(fù)合爆炸體系表現(xiàn)為“強(qiáng)煤塵”性。當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)較高(大于1.5%)時(shí)，煤塵的爆炸下限接近于零(小于5.00 g/m3)，即使實(shí)驗(yàn)中使用很少的煤塵量也可能發(fā)生爆炸。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在有瓦斯參與爆炸的情況下，一旦瓦斯的體積分?jǐn)?shù)超過(guò)該區(qū)間(1.0%至瓦斯爆炸下限)，雖然對(duì)應(yīng)工況的煤塵爆炸下限繼續(xù)降低，但是煤種對(duì)爆炸下限的影響很小，煤質(zhì)成分對(duì)煤塵爆炸下限的影響不再明顯，相應(yīng)的瓦斯煤塵共存復(fù)合爆炸體系表現(xiàn)為“強(qiáng)瓦斯”性。

4 結(jié) 論

(1) 在常溫常壓且點(diǎn)火能量為10 J的條件下，20 L爆炸容器內(nèi)靜止和湍流狀態(tài)下的瓦斯爆炸下限分別為4.83%和5.10%；而在常溫常壓且點(diǎn)火能量為10 kJ的條件下，20 L爆炸容器內(nèi)靜止和湍流狀態(tài)下的瓦斯爆炸下限分別為1.94%和2.15%。

(2) 在瓦斯煤塵共存條件下，隨著瓦斯體積分?jǐn)?shù)的增加，煤塵的爆炸下限呈指數(shù)函數(shù)衰減。

(3) 在瓦斯煤塵共存的復(fù)合體系中，瓦斯的體積分?jǐn)?shù)存在某臨界點(diǎn)：高于此臨界點(diǎn)，復(fù)合體系爆炸過(guò)程中瓦斯起主導(dǎo)作用，表現(xiàn)為“強(qiáng)瓦斯”性；低于此臨界點(diǎn)，煤塵起主導(dǎo)作用，表現(xiàn)為“強(qiáng)煤塵”性。

(4) 研究結(jié)論可為有效預(yù)防煤礦井下瓦斯煤塵共存爆炸事故提供重要的理論依據(jù)。

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