不同粒徑肥煤及其爆炸殘留物的爆炸條件和產(chǎn)物分析

劉貞堂，周西方，李曉亮，洪 森，林 松，錢繼發(fā)

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州221116）

煤塵爆炸以其顯著的高溫、有毒煙氣、沖擊波等危害特性造成大量人員傷亡、財產(chǎn)損失，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)，我國近90%的礦井煤塵具有爆炸性，煤塵爆炸危險普遍存在[1-2]。國內(nèi)外學(xué)者對煤塵爆炸進(jìn)行了廣泛研究，包括爆炸前后固體顆粒的灰分、揮發(fā)分等參數(shù)變化規(guī)律，粉塵濃度、環(huán)境壓力對煤塵爆炸特性的影響以及爆炸固態(tài)產(chǎn)物的分類、爆炸氣體體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律等[3-5]。前人的研究多集中于煤塵和固態(tài)殘留物的爆炸特性參數(shù)差異，而對于二者的爆炸臨界條件及爆炸產(chǎn)物研究較少。

1 實(shí) 驗(yàn)

1）實(shí)驗(yàn)試樣。實(shí)驗(yàn)所用煤樣為肥煤，煤樣工業(yè)分析：水分0.52%，灰分30.05%，揮發(fā)分29.57%，固定碳39.86%。煤樣經(jīng)破碎后，用標(biāo)準(zhǔn)篩篩選出粒徑為38 ～75 μm、125 ～180 μm、180 ～250 μm、250 ～425 μm、425～850 μm 的煤塵，裝入自封袋中以備實(shí)驗(yàn)。

2）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)所用爆炸裝置為20 L 標(biāo)準(zhǔn)爆炸球，該裝置由爆炸球裝置本體、噴粉裝置，點(diǎn)火裝置，氣壓裝置，集塵系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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

3）實(shí)驗(yàn)步驟。選取實(shí)驗(yàn)試樣制備的各粒徑煤塵在不同煤塵濃度、點(diǎn)火能量條件下，進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分為4 組：①實(shí)驗(yàn)組1：點(diǎn)火能量為2 kJ，煤塵濃度分別為50、100、150、200 g/m3；②實(shí)驗(yàn)組2：煤塵濃度為50 g/m3，點(diǎn)火能量分別為2、5、10 kJ；③實(shí)驗(yàn)組3：點(diǎn)火能量為2 kJ，煤塵濃度分別為50、100、150、200、300 g/m3；④實(shí)驗(yàn)組4：煤塵濃度為50 g/m3，點(diǎn)火能量分別為2、5、10、15 kJ。實(shí)驗(yàn)時，在20 L球形爆炸裝置的噴粉處放入一定質(zhì)量的煤粉，再注入2 MPa 空氣。用噴粉裝置將煤塵吹揚(yáng)起來形成煤塵云，實(shí)現(xiàn)煤塵混合。使用集塵系統(tǒng)收集各粒徑煤塵爆炸后的產(chǎn)物，在大氣環(huán)境下，進(jìn)行后2 組煤塵固態(tài)殘留物爆炸實(shí)驗(yàn)，用點(diǎn)火藥頭引燃煤塵爆炸。爆炸完成后，收集爆炸固態(tài)殘留物，將其作為再次爆炸實(shí)驗(yàn)樣品，重復(fù)上述步驟進(jìn)行煤塵固態(tài)殘留物爆炸實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 煤塵爆炸的臨界條件

實(shí)驗(yàn)得到實(shí)驗(yàn)組1、實(shí)驗(yàn)組2 的煤塵爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不同煤塵濃度條件下煤塵爆炸如圖2，不同點(diǎn)火能條件下煤塵爆炸如圖3。

圖2 不同煤塵濃度條件下煤塵爆炸Fig.2 Coal dust explosion under different coal dust concentrations

圖3 不同點(diǎn)火能條件下煤塵爆炸Fig.3 Coal dust explosion under different ignition energy conditions

煤塵是否發(fā)生爆炸依據(jù)其爆炸壓力進(jìn)行判定，一般認(rèn)為，當(dāng)升壓超過空白實(shí)驗(yàn)（僅點(diǎn)火藥頭空爆）0.05 MPa 時可認(rèn)為發(fā)生了爆炸。由圖2 可知，隨著粒徑的增大，最低爆炸濃度不斷增大，煤塵粒徑小于75 μm 時，煤塵在實(shí)驗(yàn)濃度下均發(fā)生明顯的爆炸行為，煤塵粒徑大于125 μm 時，爆炸是否發(fā)生受煤塵濃度的影響較大。這是由于在煤塵濃度較低的情況下，大粒徑的沉降速度較快，形成的懸浮粉塵云濃度比相同質(zhì)量的小粒徑煤塵低；此外，大粒徑煤塵熱阻較大，不利于煤塵粒徑內(nèi)部快速升溫以及揮發(fā)分的析出，所以煤塵粒徑就成為了爆炸行為是否發(fā)生的主要制約因素。

從圖3 可以看出，在點(diǎn)火能量為2 kJ 時，只有粒徑為38～75 μm 的煤塵發(fā)生了爆炸行為；當(dāng)點(diǎn)火能量達(dá)到5 kJ 時，除粒徑為425～840 μm 的煤塵未發(fā)生爆炸，其余粒徑煤塵均發(fā)生明顯的爆炸行為；點(diǎn)火能量升至10 kJ 時，425～840 μm 粒徑的煤塵也發(fā)生了爆炸，說明大粒徑煤塵在低煤塵濃度高點(diǎn)火能的情況下也可以發(fā)生爆炸。這是因?yàn)槊簤m濃度為50 g/m3時，顆粒間隙較大，火焰增值效率低，揮發(fā)分成為制約煤塵爆炸敏感性的主要制約因素[6]。在點(diǎn)火能量由2 kJ 增加到5 kJ 后，增加了點(diǎn)火具的有效點(diǎn)火體積，提升了環(huán)境溫度[7]，從而使煤塵顆粒的初始燃燒效率、揮發(fā)效率明顯提高，火焰自增殖傳播效率較為高效,進(jìn)而促使大粒徑煤塵發(fā)生爆炸行為。

為進(jìn)一步確定不同粒徑煤塵發(fā)生爆炸行為的臨界值，根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定煤塵爆炸臨界條件，按10 g/m3的整數(shù)倍來確定實(shí)驗(yàn)的煤塵爆炸濃度。煤塵爆炸下限濃度往往無法通過實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確的確定1 個值[8-9]，而是通過多組實(shí)驗(yàn)確定1 個大致的范圍，所測煤塵爆炸下限如下：

式中：Cmin為煤塵爆炸下限；C1為至少3 次最大爆炸壓力小于0.08 MPa 的壓力；C2為至少3 次最大爆炸壓力大于0.08 MPa 的壓力。

大粒徑和小粒徑煤塵爆炸下限濃度分別見表1和表2。

表1 大粒徑煤塵爆炸下限濃度Table 1 Lower limit concentration of large particle size coal dust explosion

表2 小粒徑煤塵爆炸下限濃度Table 2 Lower limit concentration of small particle size coal dust explosion

由表1、表2 可知，大粒徑和小粒徑煤塵爆炸下限濃度Cmin1、C’min1分別為170 g/m3＜Cmin1＜180 g/m3，30 g/m3＜C’min1＜40 g/m3。測試結(jié)果表明：煤塵粒徑對于煤粉爆炸下限濃度影響較大，與小粒徑相比，大粒徑煤塵爆炸下限濃度約增加了3.5～4.7 倍。

2.2 煤塵爆炸固態(tài)殘留物的爆炸臨界條件

實(shí)驗(yàn)得到實(shí)驗(yàn)組3、實(shí)驗(yàn)組4 的固態(tài)殘留物爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不同煤塵濃度條件下、不同點(diǎn)火能條件下煤塵固態(tài)殘留物爆炸分別如圖4、圖5。

圖4 不同煤塵濃度條件下煤塵固態(tài)殘留物爆炸Fig.4 Explosion of solid residues of coal dust under different coal dust concentrations

圖5 不同點(diǎn)火能條件下煤塵固態(tài)殘留物爆炸Fig.5 Explosion of coal dust solid residue under different ignition conditions

由圖4 可知，相對于煤塵，固態(tài)殘留物的爆炸區(qū)域減少，除粒徑為125～180 μm 和180～250 μm 煤塵，其余各粒徑煤塵爆炸固態(tài)殘留物的爆炸最低濃度均有所增加。在50 g/m3條件下，實(shí)驗(yàn)粒徑下所有煤塵均未發(fā)生明顯的爆炸行為。實(shí)驗(yàn)組3 數(shù)據(jù)表明：對于所有實(shí)驗(yàn)粒徑的煤塵，煤塵爆炸產(chǎn)物發(fā)生爆炸的最低煤塵濃度均有所增加，爆炸危害性降低。

由圖5 可知，在煤塵濃度50 g/m3，點(diǎn)火能量2 kJ條件下，所有粒徑煤塵固態(tài)殘留物均未發(fā)生爆炸；大粒徑煤塵在15 kJ 的點(diǎn)火能量下才發(fā)生明顯地爆炸行為。以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明：煤塵粒子在發(fā)生過1次爆炸后，可爆性大大降低，在低點(diǎn)火能量（2 kJ）、低煤塵濃度下，即使是爆炸危害性較大的小粒徑初次爆炸產(chǎn)物也未能發(fā)生明顯的爆炸行為。隨著點(diǎn)火能量的增加，小粒徑初次爆炸產(chǎn)物依舊可以發(fā)生明顯的爆炸行為且具有較強(qiáng)的爆炸危害性，而大粒徑初次爆炸產(chǎn)物幾乎失去了爆炸性。

與前文確定煤塵爆炸下限濃度的方法相同，大粒徑、小粒徑煤塵固態(tài)殘留物爆炸下限濃度分別見表3、表4。

表3 大粒徑煤塵固態(tài)殘留物爆炸下限濃度Table 3 Lower explosive concentrations of solid residues in large diameter coal dust

表4 小粒徑煤塵固態(tài)殘留物爆炸下限濃度Table 4 Lower explosive concentration of coal dust solid residue with small particle size

由表3、表4 可知，大粒徑和小粒徑煤塵固態(tài)殘留 物 爆 炸 下 限 濃 度Cmin2、C’min2分 別 為240 g/m3＜Cmin2＜250 g/m3、70 g/m3＜C’min2＜80 g/m3。煤塵粒徑對于煤塵固態(tài)殘留物爆炸下限濃度影響較大，與小粒徑相比，大粒徑煤塵固態(tài)殘留物爆炸下限濃度約增加了2.1～2.4 倍。此外，無論粒徑大小，煤塵固態(tài)殘留物爆炸下限濃度相對于煤塵爆炸下限濃度都有不同幅度的增加。

2.3 爆炸產(chǎn)物的掃描電鏡與能譜

基于熱爆炸理論，Krazinski 等[10]實(shí)驗(yàn)證實(shí)不同的粉塵爆炸動力學(xué)過程會導(dǎo)致固體爆炸產(chǎn)物的表面結(jié)構(gòu)差異。分析爆炸產(chǎn)物結(jié)構(gòu)可以為粒徑對煤塵及其爆炸殘留物的影響提供一定的有效信息，因而對原煤和固態(tài)殘留物、殘留物的爆炸產(chǎn)物分別做掃描電鏡（SEM）和能譜（EDS）分析，不同粒徑煤塵和固態(tài)殘留物爆炸產(chǎn)物掃描電鏡圖、能譜圖分別如圖6、圖7。

圖6 不同粒徑煤塵和固態(tài)殘留物爆炸產(chǎn)物掃描電鏡圖Fig.6 Scanning electron microscopy of explosive products of coal dust and solid residues of different particle sizes

由圖6 可知，大粒徑煤塵初次爆炸產(chǎn)物燃燒不完全，同時存在部分燃燒和未燃燒顆粒，絮狀結(jié)構(gòu)孔洞結(jié)構(gòu)發(fā)育不完全；其固態(tài)殘留物的爆炸產(chǎn)物中未反應(yīng)顆粒大量降低，絮狀結(jié)構(gòu)以及孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)一步發(fā)展，但顆粒破碎程度仍然較低。相較于大粒徑煤塵，小粒徑煤塵爆炸產(chǎn)物燃燒程度進(jìn)一步加深，顆粒出現(xiàn)腔體結(jié)構(gòu)，存在大量的孔洞；而其固態(tài)殘留物的爆炸產(chǎn)物進(jìn)一步破碎，且腔體壁厚減小，孔洞發(fā)育更加完全。不同粒徑煤塵爆炸產(chǎn)物掃描電鏡圖直觀的說明了大小粒徑爆炸參數(shù)差異的原因，煤塵爆炸條件的不同是由自身性質(zhì)顆粒粒徑的大小決定的。

圖7 不同粒徑煤塵和固態(tài)殘留物爆炸產(chǎn)物能譜圖Fig.7 Energy spectra of different particle size coal dust and solid residue explosion products

爆炸固體產(chǎn)物主要元素（C、O、Si）的分布規(guī)律如圖7，圖中不同顏色代表不同元素，區(qū)域亮點(diǎn)數(shù)量越多、富集越明顯表示該元素含量越多。由圖7 可知：原煤、煤塵固態(tài)殘留物的爆炸固體產(chǎn)物中C、O元素的空間分布較為均勻，呈現(xiàn)點(diǎn)狀分布；而Si 元素呈現(xiàn)塊狀分布。此外，對比分析C、O 能譜圖可以發(fā)現(xiàn)，C、O 元素分布區(qū)域出現(xiàn)重合現(xiàn)象，這表明該區(qū)域可能是碳氧化物。與大粒徑及其固態(tài)殘留物的爆炸產(chǎn)物相對比，小粒徑煤塵及其固態(tài)殘留物的爆炸產(chǎn)物中O、Si 區(qū)域的分布面積更大元素的含量更多，而C 元素含量相對較少。

Si 元素含量的增加主要是因?yàn)殡S著反應(yīng)的進(jìn)行，碳元素以氧化氣體以及烴類氣體的形式擴(kuò)散至空氣中，從而使爆炸固體產(chǎn)物中碳元素含量大量下降，而Si 形成的化合物無法以氣體擴(kuò)散至空氣中，而是以固體的形式存在于爆炸產(chǎn)物中，從而使這些元素的相對含量增加。O 元素含量增多是因?yàn)?，原煤發(fā)生爆炸反應(yīng)時存在大量未反應(yīng)粒子，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，固態(tài)殘留物爆炸時煤塵顆粒的孔隙結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展，從而給空氣中的氧氣更多的機(jī)會進(jìn)入顆粒內(nèi)部形成金屬和非金屬氧化物。而這些化合物最終以灰分的形式存在于爆炸產(chǎn)物中[11]，從而導(dǎo)致氧含量的增加。碳元素含量的降低，氧含量的增加都表明小粒徑煤塵的反應(yīng)更充分。

3 結(jié) 論

1）隨著煤塵粒徑的減少，煤塵及其爆炸固態(tài)殘留物發(fā)生爆炸所需的反應(yīng)條件（煤塵濃度、點(diǎn)火能量）同步降低；所有實(shí)驗(yàn)粒徑的煤塵，其爆炸固態(tài)殘留物的爆炸危害性降低。

2）煤塵粒徑對于煤粉、固態(tài)殘留物爆炸下限濃度影響較大，大粒徑煤塵及爆炸固態(tài)殘留物爆炸下限 濃 度Cmin1、Cmin2分 別 為170 g/m3＜Cmin1＜180 g/m3，240 g/m3＜Cmin2＜250 g/m3；小粒徑煤塵及其爆炸固態(tài)殘留物的爆炸下限濃度C’min1、C’min2分別為30 g/m3＜C’min1＜40 g/m3，70 g/m3＜C’min2＜80 g/m3。

3）大粒徑煤塵及其爆炸固態(tài)殘留物的爆炸產(chǎn)物均未出現(xiàn)腔體結(jié)構(gòu)，顆粒完整性較好；小粒徑煤塵及其爆炸固態(tài)殘留物的固體產(chǎn)物燃燒更加充分，孔洞腔體結(jié)構(gòu)發(fā)育完全，顆粒破碎程度大。小粒徑煤塵及其固態(tài)殘留物的爆炸產(chǎn)物O、Si 2 種元素的含量較高而C 元素含量較低。