基于煤質(zhì)分析的煤塵爆炸特性分析及抑爆措施研究

馬禎 劉佳

摘 要：在煤塵抑爆中，需要煤塵爆炸抑制機(jī)理和煤塵爆炸特性理論分析，因?yàn)閮烧呤窍嗷ヂ?lián)系的。所以，本文將會針對煤塵爆炸特性進(jìn)行分析，探討出現(xiàn)煤塵爆炸的條件和因素，分析抑爆劑的作用和性質(zhì)，從而提出新型抑爆劑研發(fā)原理，并對抑爆劑的物理、化學(xué)、混合類型進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：煤塵爆炸；抑爆劑；爆炸特性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.083

近幾年，我國出現(xiàn)煤塵爆炸事件不斷增多，也加強(qiáng)了人們對礦井煤塵安全問題的重視。煤礦煤塵出現(xiàn)爆炸，不僅造成大量的經(jīng)濟(jì)損失，也會造成嚴(yán)重的人員傷亡，所以，加強(qiáng)煤塵防治和綜合治理非常重要。加強(qiáng)煤塵的抑制技術(shù)研究，采取合理的降塵和除塵措施非常有必要，所以，本文針對煤塵爆炸特性，提出煤塵抑爆措施。

1 煤塵爆炸特性和抑制方法分析

1.1 煤塵爆炸特性分析

煤塵爆炸是比較復(fù)雜的反應(yīng)過程，它會受到多種物理因素影響。關(guān)于其爆炸的機(jī)理至今沒有人明確指出。有日本學(xué)者提出：煤塵出現(xiàn)爆炸多是因?yàn)槊簤m表面粉塵粒子出現(xiàn)氧化反應(yīng)造成的，它不會像氣體爆炸一樣，是在氧化劑和可燃物混合反應(yīng)造成的，煤塵爆炸是介于炸藥爆炸和氣體爆炸之間的一種狀態(tài)反應(yīng)，這種爆炸會釋放較多的能量，如果進(jìn)行最大值比較分析，會發(fā)現(xiàn)煤塵爆炸達(dá)到了氣體爆炸的數(shù)倍。而且煤塵爆炸和氣體爆炸不同，煤塵需要較大的發(fā)火能，才能出現(xiàn)爆炸，爆炸過程分析如下：

（1）煤塵粒子表面供給熱能，造成表面溫度升高；

（2）因?yàn)楸砻媪Ｗ映霈F(xiàn)熱分解，或是出現(xiàn)干餾作用，使其變成氣體在粒子周圍；

（3）因?yàn)檫@些火焰會釋放大量熱，促進(jìn)了煤塵粒子分解。

在這個(gè)環(huán)境中，不斷釋放氣相，造成空氣和可燃性物體混合，從而產(chǎn)生了發(fā)火傳播情況。也就是說煤塵爆炸其實(shí)質(zhì)屬于氣體爆炸，也可以將粉塵作為可燃性氣體。根據(jù)上述分析，煤塵粒子表面溫度逐漸身高是因?yàn)闊醾鲗?dǎo)，在熱輻射作用下產(chǎn)生爆炸，這也是和氣體爆炸不同之處。因此煤塵爆炸具備以下幾點(diǎn)：

（1）固態(tài)分解；

（2）經(jīng)過熱傳導(dǎo)、輻射和對流進(jìn)行能量傳遞；

（3）加熱惰性：熱輻射加強(qiáng)了深層的吸收，對于煤塵內(nèi)部材料產(chǎn)生熱傳導(dǎo)；

（4）在凝聚相和氣態(tài)組之間產(chǎn)生多種反應(yīng)。

1.2 煤塵抑爆技術(shù)

（1）無機(jī)阻燃劑抑爆。無機(jī)阻燃劑需要具有一定的隔絕、冷卻作用，同時(shí)能夠產(chǎn)生自由基吸收作用，從而達(dá)到煤塵表面抑爆的效果。目前，關(guān)于無機(jī)阻燃劑的研發(fā)不斷增多，西安科技大學(xué)有學(xué)者提出無機(jī)阻燃材料可以控制瓦斯爆炸效能，同時(shí)也提出了利用氫氧化鋁、氫氧化鎂可以加快自由基的吸收，達(dá)到爆炸抑制的作用。

（2）抑爆劑表面改性。改變煤塵粉體表面性質(zhì)，就是利用機(jī)械、化學(xué)、物理方法對粉體表面材料進(jìn)行處理，根據(jù)目的要求對煤塵表面的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行改變。比如：官能團(tuán)和結(jié)構(gòu)、電性、表面潤濕性、反應(yīng)特性、表面能、光性、吸附特性等，使其達(dá)到抑爆的目的。有研究通過微膠囊紅磷對煤塵表面性能進(jìn)行阻燃抑制，因?yàn)槲⒛z表面具有很好的穩(wěn)定性，煤塵粒徑細(xì)、白度高，具有安全無毒性，囊材的選擇可以是多種阻燃元素結(jié)合，抑爆效果比較好。

（3）抑爆劑復(fù)配技術(shù)。根據(jù)生產(chǎn)加工一定混合比例的新混合物，從而形成復(fù)配技術(shù)。這種混合物需要具有不同的抑爆原理性質(zhì)，它是將不同物質(zhì)的作用機(jī)理和性質(zhì)進(jìn)行搭配，達(dá)到協(xié)同反應(yīng)的效果。有研究利用復(fù)配技術(shù)，研發(fā)了一種PSE抑爆劑，這種抑爆劑粉體具有很高的抑爆效果，它是有20%氯化鉀、78%的尿素構(gòu)成，采取氣相改性方法進(jìn)行抑制。

2 煤塵爆炸抑爆措施和原理

2.1 抑爆劑概述

對于煤塵爆炸抑爆問題，使用抑爆劑是最好的方法。關(guān)于煤塵爆炸抑制劑的形態(tài)包括：固相、氣相和液相等。目前，常用的抑爆劑有：無機(jī)鹽粉末類抑制劑、水加鹵代烷和鹵代烷等抑制劑。其中無機(jī)鹽粉末類包括：NAHCO3、NACl、SiO2、CO（NH2）2。關(guān)于各項(xiàng)抑爆劑指標(biāo)見表1。

煤塵抑爆劑與一般的高聚物不同，它能在特殊的煤礦井下進(jìn)行作業(yè)，也比較符合煤礦生產(chǎn)工藝，符合安全煤礦規(guī)程要求。新型的煤塵抑爆劑需要具有以下幾點(diǎn)技術(shù)要求：

（1）以粉體固態(tài)應(yīng)用形式存在的抑爆劑可以溶于水，不會受潮失效；

（2）不會給人體健康造成傷害，無毒無害，也不會給環(huán)境造成污染；

在潮濕的井下環(huán)境中，不管是在分棚內(nèi)放置抑爆劑，還是在抑爆器中放置，在其作用前都不會出現(xiàn)受潮失效情況。因?yàn)榉勰┮直瑒┰谑艹焙螅瑫Y(jié)成塊，會失去懸浮性，還會給粉末抑爆性能造成影響，從而失去抑爆能力。

（3）粉體抑爆劑能夠在水中均勻分散，以水為分散介質(zhì)形成分散質(zhì)，這樣才不會失去抑爆效果。從工藝生產(chǎn)角度分析，在煤礦采取噴霧灑水是基本的工藝方式，在煤塵上噴灑抑爆劑，也不會增加額外的工藝，進(jìn)行均勻噴灑，可以有效進(jìn)行用量控制。

（4）化學(xué)和物理的穩(wěn)定性要好，這樣才能保證較長的作用時(shí)間。一般有效期在3個(gè)月以上，屬于作用時(shí)間較長，否則表示較短，會增加抑爆劑生產(chǎn)成本和工作量。

（5）方便購置，具有較好的性能，使用方便，價(jià)格比較便宜。

2.2 抑爆劑研發(fā)原理措施

（1）能夠在燃燒區(qū)稀釋該區(qū)域的氧氣濃度，可以對不活潑氣體進(jìn)行分解，這樣才能達(dá)到冷卻和窒息的效果。另外，需要隔開煤塵這樣可以達(dá)到熱傳導(dǎo)、熱輻射的效果，同時(shí)能夠阻止爆炸情況的傳播，達(dá)到撲滅目的。

（2）參與化學(xué)反應(yīng)，在每一次反應(yīng)中都能吸收爆炸燃燒范圍中釋放的熱量。如果在很短的時(shí)間內(nèi)將爆源釋放的熱量吸收，那么就可以減小火焰溫度，同時(shí)輻射到周圍，從而抑制爆炸燃燒反應(yīng)。在高溫環(huán)境下，如果抑爆劑出現(xiàn)吸熱反應(yīng)強(qiáng)烈，可以大大降低煤塵表面的燃燒溫度，從而阻止燃燒。

（3）具有抗氧化作用。產(chǎn)生抗氧化作用屬于有機(jī)化學(xué)機(jī)理，是一種自由基抑制劑。對于抗氧化劑來說，將其放在爆炸燃燒的煤塵中，可以將過氧自由基HO2更好的轉(zhuǎn)化掉，生成穩(wěn)定的物質(zhì)，從而阻止爆炸連鎖反應(yīng)。

（4）納米化材料。納米物質(zhì)具有擴(kuò)散、吸附、活化等物理化學(xué)特性，它可以和煤塵表面產(chǎn)生反應(yīng)，從而達(dá)到抑爆的效果。納米是顆粒比較細(xì)微的粒子，因?yàn)楸砻媪Ｗ釉诓粩嗟臄U(kuò)大中，會產(chǎn)生較大的表面能，加快粒子原子表面化，從而增加其占據(jù)表面面積，導(dǎo)致原子配位不足，出現(xiàn)多個(gè)懸空鍵情況。這種不飽和納米粒子性質(zhì)會使其化學(xué)活性增強(qiáng)，從而方便吸附其他原子或是和該原子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而補(bǔ)償該物質(zhì)表面不飽和力場。這樣在抑爆操作中，會不斷增大粉體分布面積，使表面分子吸附氣體量增大，促進(jìn)顆粒和外界的接觸，從而增強(qiáng)自由基吸附能力和選擇性能，達(dá)到更好的煤塵爆炸阻隔效果。

3 結(jié)語

對于煤塵爆炸抑制情況，使用粉體抑爆劑具有很大的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的煤礦井下抑爆粉體比較簡單，多是巖粉，或是以巖粉混合粉體。這種抑爆劑可以有效阻止爆炸情況蔓延，但是如果巖粉在潮濕空氣中過度暴露，很容易因?yàn)槭艹笔ヒ直饔茫瑥亩绊懨簤m爆炸的控制。而采取復(fù)配技術(shù)、無機(jī)阻燃抑爆劑、改變煤塵表面等方式，可以達(dá)到很好的抑爆效果，所以，研究可以增加這些抑爆方法的研究，提高煤塵爆炸抑制效率。

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科研項(xiàng)目：本文系甘肅省高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目“基于煤質(zhì)分析的煤塵爆炸特性分析及抑爆措施研究”（編號：2016B-148）

作者簡介：馬禎（1985-），男，甘肅武威人，本科，講師，主要研究方向：礦業(yè)工程。