燃料物性參數(shù)對瓦斯煤塵復(fù)合爆炸的耦合作用*

郭佳琪，裴 蓓，徐夢嬌，李世梁，韋雙明，胡紫維

（1. 煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003；2. 河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003）

為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，煤炭能源需向綠色低碳化發(fā)展[1]。新型燃煤耦合發(fā)電技術(shù)是當(dāng)前最可行的低碳排放方式，例如生物質(zhì)氣化燃煤耦合[2]、煤粉耦合氨[3]燃燒等技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是利用煤粉與氣體的燃燒，提高燃煤效率、降低碳排放。我國煤礦發(fā)生的重特大事故中，爆炸事故占比最高、后果最嚴(yán)重[4]。相較于單一組分爆炸，瓦斯/煤塵復(fù)合體系爆炸的時(shí)間更短、強(qiáng)度更大，反應(yīng)機(jī)理也更復(fù)雜，破壞性更強(qiáng)。因此，研究氣體粉塵耦合燃燒，對減少爆炸事故、提高燃煤耦合技術(shù)、促進(jìn)煤炭清潔高效發(fā)展具有重要意義。

針對瓦斯/煤塵復(fù)合爆炸特性，Cashdollar[5]、Going 等[6]發(fā)現(xiàn)甲烷的存在會降低混合物的爆炸下限，煤塵揮發(fā)分、粒徑和點(diǎn)火能量都與爆炸下限關(guān)系密切，煤塵的粒徑越小、揮發(fā)分含量越大，爆炸威力越大。Kundu 等[7]發(fā)現(xiàn)甲烷的存在提高了煤塵爆炸的強(qiáng)度，容器和管道內(nèi)的壓力則隨點(diǎn)火能量的增加而增加。Mishra 等[8]研究了煤塵的粒徑和濃度對最低點(diǎn)火溫度和爆炸強(qiáng)度的影響。Cloney 等[9-10]通過CFD 模擬了粒徑10 μm 的煤塵和甲烷氣體的爆炸下限，混合火焰模擬顯示了強(qiáng)火焰、弱火焰、不穩(wěn)定的火焰和無火焰等4 種接近可燃極限的機(jī)制。通過改變煤塵濃度與甲烷含量，李慶釗等[11]發(fā)現(xiàn)粉塵濃度和甲烷含量的增加會使爆炸壓力呈先增加后降低的趨勢，最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率隨初始壓力的增加而不斷上升[12]，Song 等[13]發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)僅在甲烷體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)，瓦斯/煤塵的爆炸風(fēng)險(xiǎn)才高于純煤塵。針對燃料的最佳濃度，Liu 等[14]在大型水平管道中實(shí)驗(yàn)了不同粒徑和揮發(fā)分煤塵的最佳爆炸濃度，司榮軍等[15]發(fā)現(xiàn)當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)小于最佳爆炸體積分?jǐn)?shù)時(shí)，煤塵對甲烷爆炸起先促進(jìn)后抑制的作用；低于此值時(shí)煤塵起抑制作用。李潤之等[16]測試了靜止及湍流狀態(tài)下甲烷和煤塵的爆炸下限，發(fā)現(xiàn)隨著甲烷含量的增加，煤塵的爆炸下限呈指數(shù)衰減。景國勛等[17-18]探究了不同裝置內(nèi)煤塵質(zhì)量濃度對甲烷爆炸及傳播特性的影響。Cao 等[19]通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬評估了爆炸的嚴(yán)重程度參數(shù)，揭示了煤塵的爆炸機(jī)理。裴蓓等[20]對瓦斯/煤塵爆炸初期復(fù)合火焰的加速特性及流場特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)馬克斯坦長度隨甲烷體積分?jǐn)?shù)的增大而減小，且均為正值，爆炸初期火焰發(fā)展趨于穩(wěn)定。

對于其他可燃性粉塵，陳曉坤等[21]發(fā)現(xiàn)微米級鋁粉的粒徑越小，其最佳粉塵濃度越低。覃小玲等[22]發(fā)現(xiàn)NH4H2PO4粉塵能有效減輕蔗糖粉塵爆炸危害，且在一定范圍內(nèi)，粒徑越小，抑爆效果越好。Wu 等[23]通過分析MgH2、TiH2和ZrH2等金屬氫化物粉塵的產(chǎn)氣量和單位質(zhì)量燃燒熱，評估了這3 種粉塵的點(diǎn)火靈敏度和爆炸嚴(yán)重程度。類似于瓦斯/煤塵復(fù)合體系的其他可燃?xì)怏w粉塵混合物研究，Pico 等[24]通過改變粉塵濃度、點(diǎn)火延遲、噴嘴幾何形狀，找到了評估不同類型的小麥淀粉/熱解氣體混合物可燃材料的爆炸嚴(yán)重程度的方法。Wang 等[25]測試了鋁粉在空氣中、氫氣和氮?dú)庵械谋ㄌ匦?，發(fā)現(xiàn)鋁粉粒徑越小，氫的作用越明顯，爆炸壓力越大；氮?dú)鈱Ψ蹓m爆炸有明顯的抑制作用，濃度越高燃燒時(shí)間越長。徐偉巍[26]在香煙草粉塵中充入酒精蒸氣使粉塵爆炸上限升高；升高環(huán)境溫度對爆炸強(qiáng)度有明顯的促進(jìn)作用。孫超倫[27]測試了二氧化碳、氮?dú)馀c赤泥兩相抑爆劑對甲烷爆炸參數(shù)的影響，對比了單項(xiàng)抑爆劑的性能差異。另外，從多種氣體粉塵混合物的研究中，Abbas 等[28-29]發(fā)現(xiàn)混合物的最低爆炸極限是系統(tǒng)中的燃料總量的極限濃度。Jiang 等[30]提出了一種新的公式來改進(jìn)對混合物最低爆炸極限的預(yù)測。Addai 等[31-32]研究了氣粉混合物的最小點(diǎn)火能及極限氧濃度，結(jié)果表明，低于最低爆炸極限的氣體與粉塵混合，粉塵的最小點(diǎn)火能顯著降低；當(dāng)使用弱的火花點(diǎn)火器時(shí)，甲烷、丙酮蒸氣和異丙醇霧與粉塵的混合物的極限氧濃度明顯低于粉塵空氣混合物的。

綜上所述，甲烷體積分?jǐn)?shù)、煤塵濃度、粒徑等是影響瓦斯/煤塵等可燃性氣粉混合物爆炸的重要因素，而現(xiàn)有文獻(xiàn)主要研究的是單一物性參數(shù)對爆炸特性的影響規(guī)律，缺少對混合燃料物性參數(shù)之間的耦合作用對爆炸威力影響的定量分析?；诖耍疚闹胁捎?0 L 球形爆炸系統(tǒng)研究瓦斯/煤塵的爆炸特性，開展煤粉質(zhì)量濃度、甲烷體積分?jǐn)?shù)、煤粉粒徑、煤粉種類等4 個(gè)物性參數(shù)之間的耦合作用對復(fù)合體系爆炸威力影響的量化分析。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

如圖1 所示，實(shí)驗(yàn)采用20 L 球爆炸參數(shù)測試系統(tǒng)，爆炸球體為雙層不銹鋼結(jié)構(gòu)，夾層內(nèi)充入恒溫水以保持容器內(nèi)溫度恒定。球體上設(shè)有觀察視窗，四周接有進(jìn)氣口、排氣口、壓力傳感器。

圖1 20 L 球形爆炸容器裝置圖Fig. 1 Diagram of a 20 L spherical explosive container device

點(diǎn)火系統(tǒng)由電火花發(fā)生器和點(diǎn)火電極組成，電火花發(fā)生器由控制系統(tǒng)控制，能夠穩(wěn)定產(chǎn)生電火花，點(diǎn)火能量為60 J，點(diǎn)火電極直徑1.5 mm、間距3 mm，點(diǎn)火位置處于球體中心。噴粉系統(tǒng)由0.6 L 粉塵倉、壓力傳感器、電磁閥和快速攪拌器組成，噴粉壓力2.1 MPa。同步控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由同步控制器、高頻壓力傳感器和無線傳輸模塊組成。

實(shí)驗(yàn)前先調(diào)試設(shè)備使其達(dá)到最佳工作狀態(tài)，確保設(shè)備氣密性良好，在粉塵倉中加入一定質(zhì)量的煤粉，使用真空泵抽取球內(nèi)空氣，通入相應(yīng)體積分?jǐn)?shù)的甲烷及空氣使球內(nèi)壓力達(dá)到定值，向粉塵倉加壓至2.1 MPa，操作軟件將煤粉吹入球內(nèi)并啟動點(diǎn)火，噴粉的同時(shí)觸發(fā)同步控制器進(jìn)行壓力數(shù)據(jù)采集。每組實(shí)驗(yàn)結(jié)束后靜置3 min 使設(shè)備冷卻，并清理球內(nèi)余粉，為減小誤差，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次。實(shí)驗(yàn)初始環(huán)境溫度25±3 ℃，壓力101 kPa。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用的煤樣為褐煤和無煙煤，工業(yè)分析結(jié)果見表1。實(shí)驗(yàn)所需煤樣依次用200、90、60 目的標(biāo)準(zhǔn)篩制備，使用Hydro 2000SM 型激光粒度分析儀測量了煤樣的粒徑分布情況如圖2所示。使用200、90、60 目的標(biāo)準(zhǔn)篩制備出的褐煤的中值粒徑D50分別為：36、111、311 μm，無煙煤的D50分別為41、135、255 μm，3 種粒徑總體分布較均勻。

表1 煤粉的工業(yè)分析Table 1 Industrial analysis of coal dust

圖2 煤粉粒徑分析結(jié)果Fig. 2 Results of particle size analysis of coal dust

2 結(jié)果與討論

2.1 瓦斯煤塵復(fù)合爆炸因素正交實(shí)驗(yàn)分析

正交實(shí)驗(yàn)既能減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，又能全面反映各因素對實(shí)驗(yàn)的影響[33]。選取煤粉質(zhì)量濃度、甲烷體積分?jǐn)?shù)、煤粉粒徑、煤粉種類為正交實(shí)驗(yàn)的4 個(gè)影響因素，每個(gè)因素的具體水平（即因素所處的不同狀態(tài)）如表2 所示，以復(fù)合體系最大爆炸壓力（pmax）和最大爆炸壓力上升速率（(dp/dt)max）為衡量指標(biāo)，分析4 個(gè)因素對復(fù)合爆炸的影響。其中煤粉粒徑為褐煤與無煙煤D50的平均值，煤粉種類采用工業(yè)分析測得的揮發(fā)分的百分比來表示。

表2 正交實(shí)驗(yàn)各因素及水平參數(shù)Table 2 Factors and level parameters of orthogonal experiment

（1）直觀分析

表3 為正交實(shí)驗(yàn)的極差分析結(jié)果，Ki為各因素同一水平試驗(yàn)數(shù)據(jù)之和，ki為Ki的平均值，其值可用于評價(jià)因素各個(gè)水平的優(yōu)劣。對于pmax，煤粉質(zhì)量濃度對應(yīng)的k3最大，因此質(zhì)量濃度為100 g/m3時(shí)，對pmax影響最大，(dp/dt)max的最佳水平為30 g/m3。極差大小可用來衡量因素對指標(biāo)的影響程度。由表3 可知，甲烷體積分?jǐn)?shù)的極差R較其他因素的更大，說明瓦斯質(zhì)量濃度對pmax和(dp/dt)max的影響更加顯著。對于pmax，4 個(gè)因素的影響程度由強(qiáng)到弱依次為：甲烷體積分?jǐn)?shù)、煤粉質(zhì)量濃度、煤粉種類、煤粉粒徑；對于(dp/dt)max，其影響程度由強(qiáng)到弱依次為：甲烷體積分?jǐn)?shù)、煤粉質(zhì)量濃度、煤粉粒徑、煤粉種類。

表3 正交實(shí)驗(yàn)的極差分析結(jié)果Table 3 Results of extreme difference analysis of orthogonal experiments

（2）方差分析

表4 為正交實(shí)驗(yàn)的方差分析結(jié)果，煤粉種類在瓦斯煤塵爆炸中的區(qū)別主要體現(xiàn)在揮發(fā)分的含量上，分析時(shí)選用褐煤與無煙煤的揮發(fā)分作為考量參數(shù)。方差分析法考慮了實(shí)驗(yàn)誤差引起的數(shù)據(jù)波動影響，并對各因素的重要程度給出了精確的數(shù)量估計(jì)。通過計(jì)算平方和與均方得到F值，將F值與F分布分位數(shù)表中的臨界值進(jìn)行比較，即可得到判斷因素影響是否顯著的標(biāo)準(zhǔn)。通過比較F臨界值，分析得到甲烷體積分?jǐn)?shù)對pmax和(dp/dt)max有高度顯著的影響，煤粉質(zhì)量濃度對(dp/dt)max有顯著影響，其他因素對兩指標(biāo)均無較明顯的影響。

表4 正交實(shí)驗(yàn)的方差分析結(jié)果Table 4 Results of the variance analysis of orthogonal experiments

2.2 復(fù)合爆炸單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）煤粉質(zhì)量濃度單因素

圖3 為褐煤與無煙煤在不同粉塵質(zhì)量濃度下的pmax。與純氣體爆炸相比，當(dāng)煤粉質(zhì)量濃度增加到100 g/m3后，煤粉的參與對體系最大爆炸壓力的影響更大，影響方式與瓦斯?jié)舛扔嘘P(guān)。由圖3(a)可知，質(zhì)量濃度為100、200 g/m3的褐煤，在甲烷體積分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，使pmax分別升高了31.59%、29.03%，在甲烷體積分?jǐn)?shù)為11%時(shí)，使pmax分別降低了17.34%、21.95%。這是由于在瓦斯含量低時(shí)，煤粉的加入增加了可燃物的量，增強(qiáng)了爆炸強(qiáng)度，導(dǎo)致pmax升高。當(dāng)煤粉質(zhì)量濃度超過了其最佳濃度，粉塵顆粒會出現(xiàn)高度的沉降現(xiàn)象，體系內(nèi)的湍流強(qiáng)度降低。煤粉在沒有引燃的情況下相當(dāng)于惰塵，與火焰的互相作用導(dǎo)致火焰自由基迅速衰減[34]，密集的煤塵粒子阻礙了與氧氣的接觸和傳熱，也同樣減弱了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

圖3 不同煤粉質(zhì)量濃度下pmax 隨甲烷體積分?jǐn)?shù)的變化Fig. 3 Variations of pmax with methane volume fraction at different coal dust concentrations

當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，復(fù)合爆炸體系對煤粉的參與更加敏感，煤粉與低濃度甲烷具有更強(qiáng)的協(xié)同效應(yīng)，添加少量的煤粉即可引起pmax的升高，質(zhì)量濃度為30、60 g/m3的褐煤的pmax增加的幅度分別為17.77%、22.15%。在預(yù)熱區(qū)內(nèi)，煤塵遇熱析出的揮發(fā)分使當(dāng)前環(huán)境的可燃?xì)怏w含量增多，因此只需少量的煤塵參與，便可主導(dǎo)與瓦斯的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，提升體系的爆炸強(qiáng)度。

從圖3 可以看出，無煙煤與褐煤的粉塵質(zhì)量濃度對復(fù)合體系爆炸的影響機(jī)制是相同的，但褐煤的影響更顯著，表明高揮發(fā)分的煤種更容易受煤粉濃度的影響，但揮發(fā)分的影響較煤粉濃度更微弱，與前文正交實(shí)驗(yàn)極差分析所得結(jié)果一致。當(dāng)煤粉質(zhì)量濃度小于100 g/m3時(shí)，褐煤與無煙煤的pmax都隨甲烷體積分?jǐn)?shù)的增加而升高，而當(dāng)質(zhì)量濃度高于100 g/m3，褐煤的pmax隨甲烷體積分?jǐn)?shù)的增加而降低，而無煙煤的先升高后下降。因此，揮發(fā)分影響了最佳甲烷體積分?jǐn)?shù)，無煙煤的最佳甲烷體積分?jǐn)?shù)更低。說明煤粉濃度較大時(shí)，高揮發(fā)分含量的煤會使最佳甲烷體積分?jǐn)?shù)增大。

（2）甲烷體積分?jǐn)?shù)

氣粉兩相爆炸可依據(jù)燃料濃度劃分為不同驅(qū)動機(jī)制[35]：氣體驅(qū)動、粉塵驅(qū)動、雙燃料驅(qū)動、協(xié)同爆炸、未爆炸。圖4 為在不同甲烷體積分?jǐn)?shù)下，褐煤與無煙煤的pmax和(dp/dt)max的變化曲線。在煤粉質(zhì)量濃度為30 g/m3時(shí)，復(fù)合體系的pmax隨甲烷體積分?jǐn)?shù)升高而先增大后減小，體積分?jǐn)?shù)9%的甲烷爆炸程度最高。這是因?yàn)樵诿悍蹪舛容^低時(shí)，氣體驅(qū)動爆炸機(jī)制占主導(dǎo)，接近當(dāng)量比時(shí)體系發(fā)生的反應(yīng)更充分，因此pmax和(dp/dt)max最大。

圖4 不同甲烷體積分?jǐn)?shù)下，pmax 和(dp/dt)max 隨煤粉質(zhì)量濃度的變化Fig. 4 Variations of pmax and (dp/dt)max with the mass concentration of coal dust at different methane volume fractions

當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，煤粉對復(fù)合體系的爆炸有促進(jìn)作用，質(zhì)量濃度高的煤粉促進(jìn)作用更強(qiáng)；而當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為9%、11%時(shí)，隨著煤粉含量的增加，pmax呈下降趨勢，煤粉的加入抑制了爆炸。由于氣體驅(qū)動機(jī)制較弱，體系提供的初始能量低，煤粉濃度的增加使得更多可燃性揮發(fā)分釋放，參與爆炸的物質(zhì)增多，提升了瓦斯煤塵復(fù)合體系的pmax。但當(dāng)瓦斯含量增加時(shí)，初始爆炸強(qiáng)度提高，此時(shí)復(fù)合爆炸體系中瓦斯的爆炸會占據(jù)主導(dǎo)位置。而煤塵和瓦斯的爆炸效果都會因空間內(nèi)氧氣含量的變化而變化，添加煤粉會使氧氣含量相對減少，甲烷燃燒的程度減弱，同時(shí)提供給煤粉熱解的能量減少。因此，在煤塵濃度較高時(shí)，甲烷的主導(dǎo)作用被削弱，充入更多瓦斯會使自身和煤粉都與氧氣發(fā)生不完全反應(yīng)，降低爆炸超壓。

對于(dp/dt)max的變化曲線，當(dāng)煤粉濃度增加時(shí)，體積分?jǐn)?shù)6%的甲烷的(dp/dt)max總體呈小幅上升的趨勢，而體積分?jǐn)?shù)9%、11% 的甲烷的(dp/dt)max呈下降趨勢，體積分?jǐn)?shù)6% 的甲烷較體積分?jǐn)?shù)9%、11%的(dp/dt)max更低。對于體積分?jǐn)?shù)9%的甲烷，在與煤粉混合燃燒的過程中，隨著煤粉的加入，對其本身高強(qiáng)度的氣體驅(qū)動產(chǎn)生了抑制，因此(dp/dt)max開始降低；而當(dāng)煤粉添加到一定量后，因煤粉產(chǎn)生的固體驅(qū)動開始發(fā)揮主導(dǎo)作用，具體表現(xiàn)為(dp/dt)max增大?？傮w來講，甲烷本身的氣相驅(qū)動與煤粉本身的固相驅(qū)動相互競爭導(dǎo)致其壓升速率先降低后增加。

2.3 最大壓升速率及其來臨時(shí)間

圖5 為褐煤與無煙煤的(dp/dt)max及其來臨時(shí)刻ta?？梢钥闯?，甲烷體積分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，揮發(fā)分含量不同的兩種煤在復(fù)合體系中的爆炸強(qiáng)度有明顯區(qū)別，褐煤的(dp/dt)max要高于無煙煤，來臨時(shí)刻差異更顯著，較無煙煤早了100 ms 左右。煤塵參與的爆炸過程一般分為兩種，一方面是煤塵與空氣接觸，固體碳顆粒表面與空氣中的氧氣發(fā)生非均相燃燒；另一方面是粒子在預(yù)熱區(qū)遇熱，表面溫度升高發(fā)生熱解，從而釋放出可燃?xì)怏w，被引燃的甲烷提供能量來進(jìn)行氣體的均相燃燒。而褐煤的揮發(fā)分高于無煙煤，對于相同燃燒強(qiáng)度的甲烷提供的能量，褐煤能夠析出的可燃?xì)怏w更多。當(dāng)氣體驅(qū)動強(qiáng)度較弱時(shí)，揮發(fā)分顯著影響了瓦斯煤塵的復(fù)合爆炸強(qiáng)度，高揮發(fā)分的煤塵，其壓升速率峰值也更高，來臨時(shí)間也更早。

圖5 瓦斯煤塵爆炸(dp/dt)max 及其來臨時(shí)刻（煤粉質(zhì)量濃度60 g/m3）Fig. 5 (dp/dt)max of methane coal dust explosion and its moment of arrival (coal dust mass concentration: 60 g/m3)

但當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)變大，復(fù)合爆炸體系燃燒反應(yīng)增強(qiáng)，無煙煤的(dp/dt)max來臨時(shí)刻要早于褐煤的，且(dp/dt)max更大。此時(shí)混合爆炸體系由粉塵驅(qū)動向氣體驅(qū)動型轉(zhuǎn)化[36]，內(nèi)爆炸初始能量較高，氣體燃燒產(chǎn)生了更多的能量來促進(jìn)煤塵參與反應(yīng)，褐煤會釋放出更多的揮發(fā)分。雖然燃燒初期甲烷爆炸提供了足夠的熱量，但熱解產(chǎn)生的可燃物降低了復(fù)合體系內(nèi)的氧濃度，使褐煤瓦斯體系爆炸反應(yīng)不夠充分，因而無煙煤爆炸強(qiáng)度更高。

隨著煤粉粒徑的增大，當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為9%時(shí)，褐煤與無煙煤的(dp/dt)max的大小差異更加明顯，說明煤粉粒徑越大，區(qū)別更突出，且褐煤的(dp/dt)max高于無煙煤的。說明在瓦斯煤塵復(fù)合爆炸過程中，揮發(fā)分的作用受粒徑大小影響，粒徑越大，越不利于低揮發(fā)分煤塵參與爆炸。

2.4 爆炸系數(shù)

爆炸系數(shù)Kst是(dp/dt)max與體積立方根的乘積，Kst抵消了dp/dt對體積的依賴性[37]。由圖6 可知，粒徑小的煤塵Kst更高，且甲烷體積分?jǐn)?shù)的增加對不同粒徑煤粉的復(fù)合體系起先促進(jìn)后抑制的作用。粒徑在40 μm 以下的煤塵因直徑小、質(zhì)量小，容器內(nèi)甲烷燃燒產(chǎn)生的能量對粒子的浮力要大于本身重力，因而懸浮在內(nèi)部等待熱解的粒子較多，爆炸危險(xiǎn)性更強(qiáng)。大顆粒的煤塵受重力作用積聚底部，懸浮在空氣中能參與反應(yīng)的粒子較少，爆炸強(qiáng)度較低。另外，接近300 μm 的粒子比表面積大，導(dǎo)致與氧氣的表面能減小[38]，進(jìn)而顆粒間傳熱速度減緩，粉塵云燃燒速率降低。當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)增大時(shí)，3 種粒徑煤粉的爆炸強(qiáng)度開始減弱，煤塵粒子與甲烷形成競爭，高濃度的甲烷與大量懸浮顆?；ハ嘁种屏吮舜说姆磻?yīng)進(jìn)行，因而Kst減小，甲烷體積分?jǐn)?shù)的變化對體系產(chǎn)生的影響要比煤粉粒徑更顯著。

圖6 不同粒徑煤粉的Kst 隨甲烷體積分?jǐn)?shù)的變化（煤粉濃度100 g/m3）Fig. 6 Variation of Kst with methane volume fraction for different particle sizes of coal dust (coal dust concentration: 100 g/m3)

圖6(a)為褐煤3 種粒徑的Kst變化，粒徑為39 μm 的褐煤粒子在高濃度甲烷條件下較123、283 μm粒子的Kst更小，分別為4.69、7.10、6.36 MPa·m/s，爆炸威力因甲烷體積分?jǐn)?shù)的增加開始迅速減弱。而無煙煤在11%的甲烷體積分?jǐn)?shù)下，3 種粒徑的Kst雖為下降趨勢，但還未出現(xiàn)明顯區(qū)別，約7 MPa·m/s，不同粒徑煤粉的復(fù)合體系的爆炸強(qiáng)度沒有顯著差異，且均在減弱。由此可見，當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)高于當(dāng)量濃度時(shí)，揮發(fā)分高的煤塵受粒徑因素影響更明顯，小直徑的煤塵粒子在復(fù)合爆炸體系中受的抑制作用更強(qiáng)烈。

粒徑為39 μm 的無煙煤粒子與粒徑為283 μm 復(fù)合體系的Kst值較接近，分別為9.39、9.02 MPa·m/s，此時(shí)，無煙煤粒子在空間內(nèi)具有較高的分散性，可以充分利用甲烷燃燒形成的熱量。因此，大顆粒的、揮發(fā)分低的粒子也存在最佳條件，多個(gè)影響因素耦合發(fā)揮協(xié)同作用，形成爆炸強(qiáng)度較高的瓦斯煤塵復(fù)合體系。在甲烷體積分?jǐn)?shù)接近當(dāng)量比時(shí)，褐煤Kst的變化率為14.16%，無煙煤Kst的變化率為22.91%，不同粒徑的無煙煤Kst值差異更顯著。因而揮發(fā)分低的煤粉，在體系提供強(qiáng)度足夠高的氣體驅(qū)動能量時(shí)，粉塵粒徑的影響更大。

3 結(jié) 論

(1) 對于瓦斯煤塵爆炸復(fù)合體系的pmax，4 個(gè)因素的影響程度由強(qiáng)到弱依次為：甲烷體積分?jǐn)?shù)、煤粉質(zhì)量濃度、煤粉種類、煤粉粒徑；對于(dp/dt)max，其影響程度由強(qiáng)到弱依次為：甲烷體積分?jǐn)?shù)、煤粉質(zhì)量濃度、煤粉粒徑、煤粉種類。甲烷體積分?jǐn)?shù)對pmax和(dp/dt)max有高度顯著的影響，煤粉質(zhì)量濃度對(dp/dt)max有顯著影響。

(2) 煤粉對體系爆炸強(qiáng)度的影響隨甲烷體積分?jǐn)?shù)的增加起先促進(jìn)后抑制的作用，煤粉質(zhì)量濃度增加到100 g/m3后，對于體積分?jǐn)?shù)6%的甲烷，能夠更顯著地“激勵(lì)”復(fù)合體系爆炸。對于體積分?jǐn)?shù)9%、11%的甲烷，復(fù)合體系的最大爆炸壓力隨煤粉質(zhì)量增加而減少，甲烷體積分?jǐn)?shù)接近當(dāng)量比時(shí)，體系的爆炸強(qiáng)度更高。

(3) 高揮發(fā)分對復(fù)合體系爆炸產(chǎn)生的影響更大，甲烷體積分?jǐn)?shù)存在臨界值，低于此臨界值，揮發(fā)分高的煤塵更能促進(jìn)體系爆炸，而高于此臨界值，低揮發(fā)分復(fù)合體系具有更大的爆炸強(qiáng)度。在低揮發(fā)分和高煤粉質(zhì)量濃度下，煤種揮發(fā)分和煤粉質(zhì)量濃度2 個(gè)因素耦合會降低瓦斯最佳濃度。

(4) 粒徑影響了揮發(fā)分的作用，粒子直徑越大，揮發(fā)分因素產(chǎn)生的作用差異越明顯。粒徑因素與揮發(fā)分耦合作用下，對于體積分?jǐn)?shù)11%的甲烷，揮發(fā)分高的、粒徑小的煤塵粒子在復(fù)合爆炸體系中受的抑制作用更大。而在甲烷體積分?jǐn)?shù)接近當(dāng)量比時(shí)，揮發(fā)分低的煤粉，粒徑的差別會產(chǎn)生更明顯的影響。