張江石，孫龍浩

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 資源與安全工程學院，北京 100083; 2.華北科技學院 河北省礦井災害防治重點實驗室，河北 三河 065201)

在煤礦生產過程中，工作面煤塵粒度分布不均勻且分散度較大，而實驗條件下通過測量單一粒徑煤塵樣本的爆炸參數(shù)往往難以準確評估爆炸風險[1-3]。因此，研究分散度對粉塵爆炸的影響并找出一種合適的平均粒徑表述方式來評估爆炸危害才能降低煤塵爆炸風險。

在多分散性條件下，小粒徑粉塵占比不同，分散度對粉塵爆炸特性影響也就不同。普遍認為不同粒徑粉塵的燃燒方式不同。小粒徑粉塵以動力控制為主，大粒徑粉塵則是擴散控制或脫揮發(fā)作用控制為主[4-5]。隨著粒徑的減小，燃燒機理由擴散控制變成動力學控制[6]。非單一粒徑情況下，小粒徑粉塵的引入會縮短點火時間并加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?，同時還會使混合粉塵的火焰?zhèn)鞑ρ鯘舛茸兓舾衃7-8]。CASTELLANOS等[9]測量了中位徑均為15 μm而分散度不同的5種鋁粉爆炸烈度，結果表明即使中位徑不變，爆炸壓力最大值Pex和爆炸指數(shù)Kst隨著粒徑多分散性σD的增加而顯著增加，這要歸因于懸浮在空中的小粒徑粉塵組分的濃度增加。因此他建議在描述爆炸危害時采用D3,2和σD表示平均粒徑，因為D3,2作為平均粒徑的一種表示方式更能表征粒徑分布對Pex和Kst的影響。DUFAUD等[10]認為D10的粉塵決定了著鋁粉的可爆性，而D3,2更能表征粒徑對氧化動力學和(dp/dt)ex的影響。但關于煤粉的實驗研究表明爆炸烈度隨著D50和σD的減小而增加，較細粉塵的濃度對爆炸動力的影響較大，評估煤塵爆炸危害應采用D50(中位徑)和σD(分散性)[11]。由此可見，雖然目前已有一些學者研究了應采用哪種平均粒徑表示方式來準確評估分散度對爆炸特性的影響，但是對于不同種類的粉塵似乎有不同的結果。

為了進一步探究分散度對煤粉爆炸特性的影響，筆者利用20 L爆炸球測定了分散度不同煤樣的爆炸烈度參數(shù)，并通過后續(xù)熱值測定實驗、掃描電鏡實驗、斯皮爾曼相關性分析等方法詳細描述了分散度對煤塵爆炸烈度的影響。

1 實驗樣品、裝置及方法

1.1 實驗樣品

實驗所用煤樣取自布爾臺煤礦，按照GB/T 212—2008[12]標準的測量方法，采用GF-A6型自動工業(yè)分析儀對煤樣工業(yè)特性進行分析，測量結果見表1。

表1 煤樣工業(yè)分析Table 1 Industry analysis of coal sample

(1)

式中,Vr為煤塵爆炸指數(shù)，%;Vf為煤樣的揮發(fā)分，%;Ag為煤樣的灰分，%;Wf為煤樣的水分，%。

按照式(1)[13]計算煤塵爆炸指數(shù)得Vr=39.5%>15%，屬于易爆煤塵，適合進行煤塵爆炸實驗。

對煤樣進行破碎、篩分后得到粒度分布范圍較小的原始煤粉樣品1～3，再利用3種原始煤樣按照下述方案的質量分數(shù)比例進行復配，得到5種(A～E)粒徑范圍相同但分散度不同的實驗樣品。配比方案:

(1)實驗樣品A。原始煤粉樣品1∶原始煤粉樣品3=9∶1。

(2)實驗樣品B。原始煤粉樣品1∶原始煤粉樣品3=7∶3。

(3)實驗樣品C。原始煤粉樣品1∶原始煤粉樣品3=5∶5。

(4)實驗樣品D。原始煤粉樣品1∶原始煤粉樣品3=3∶7。

(5)實驗樣品E。原始煤粉樣品1∶原始煤粉樣品3=1∶9。

采用Winner 100D型粒度分析儀對3種原始煤粉樣品和5種混合實驗樣品的粒徑分布情況(D10，D25，D50，D75，D90，D4,3)進行測定，按照式(4)和式(5)分別計算D3,2和σD[14]。

(2)

式中，dV為體積等效直徑;dS為面積等效直徑，因為在本次實驗中無法獲得此參數(shù)，將上式轉化得:

(3)

式中，AP為表面積；VP為體積，整理可得

(4)

煤塵分散度σD大小可按式(5)計算:

σD=(D90-D10)/D50

(5)

測量和計算結果見表2。

將制備并測量好的煤粉樣品裝瓶備用。在做煤粉爆炸實驗前，需將煤粉樣品在60 ℃，-0.09 MPa的真空條件下干燥6 h。

表2 煤粉樣品粒度分布Table 2 Particle size distribution of coal dust samples

1.2 實驗裝置及方法

本實驗按照GB/T 16426—1996[15]標準規(guī)定，采用20 L爆炸球實驗裝置對煤塵爆炸烈度參數(shù)進行測定，其工作原理如圖1所示。首先稱量0.72 g硝酸鋇、0.72 g過氧化鋇和0.96 g鋯粉，混合均勻后制備10 kJ的煙火點火器。將點火器與兩個電極相連接，再加入5 g(保證爆炸球中粉塵濃度為250 g/m3)干燥好的待測煤樣于粉塵儲存室，接著將爆炸室抽真空至0.06 MPa,再向儲氣室通入2 MPa的壓縮空氣。準備工作就緒，打開電磁閥5，煤粉將均勻分布于腔體，60 ms的點火延遲之后開始點火動作，電腦終端自動記錄時間和壓力，單次爆炸試驗完成。為保證實驗結果的準確性，每個樣品做5次爆炸實驗，實驗結果取平均值。

圖1 20 L爆炸球原理示意Fig.1 Schematic of the 20 L vessel apparatus

為了研究不同樣品的反應程度，每次爆炸結束后將爆炸球內殘渣收集。后續(xù)按照GB/T 213—2008[16]的要求使用ZDHW-6B型全自動量熱儀對其熱值進行測定，與爆炸前樣品熱值比較，同時使用JSM-6700F型掃描電鏡對比不同煤塵樣品爆炸產物的表面結構特征，評估分散度對反應程度的影響。

2 實驗結果及分析

2.1 典型壓力-時間曲線分析

煤塵爆炸涉及許多復雜的物理和化學過程，從燃燒學角度來看，煤塵爆炸一般包括了2個典型的反應過程:揮發(fā)分氣體均相燃燒以及固體碳的非均相燃燒。正是由于非均相燃燒的存在，才導致不同粒徑分布下煤塵反應速率和反應程度不同[2,17]。

實驗中煤塵典型的壓力-時間曲線如圖2所示。圖中主要包括最大爆炸壓力(Pex)、最大爆炸壓力上升速率(dp/dt)ex、開始點火至最大爆炸壓力的時間段t1和開始點火至最大壓力上升速率的時間段t2四個參數(shù)。Pex用于表征反應劇烈程度，后面3個參數(shù)用于評估反應速率。

圖2 典型壓力-時間曲線Fig.2 Typical pressure-time curve during a dust explosion trial

2.2 分散度對爆炸烈度的影響分析

將3種原始煤塵樣品和5種混合煤塵樣品在250 g/m3的粉塵濃度條件下測得的最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率的數(shù)據(jù)繪制在圖3中。

圖3 分散度對爆炸壓力和壓力上升速率的影響Fig.3 Effect of dispersion on Pex and (dp/dt)ex

由圖3可知，對于原始樣品1和3，測量結果呈現(xiàn)出隨著粒徑的減小，煤塵的爆炸壓力上升速率增大的趨勢。通過方差分析，發(fā)現(xiàn)原始樣本1和3的粒徑與(dp/dt)ex的值之間存在顯著的統(tǒng)計學差異(F=48.3,P< 0.000 1)。原始樣本1和2的測量結果不符合上述規(guī)律，這可能是由于它們的粒徑跨度(原始樣品1為119～175 μm，原始樣品2為94～131 μm)相似。從爆炸機理來看，粉塵爆炸嚴重程度隨粒徑的減小而增加。因為小粒徑煤塵比表面積大，其可燃性揮發(fā)分氣體逸出并迅速發(fā)生氣相著火，加速大顆粒熱解、氣體析出與揮發(fā)分的釋放，爆炸發(fā)生，容器內氣壓迅速升高[3]。但有實驗表明濃度對Pex影響大于粒徑對Pex的影響，并且當濃度大于最佳爆炸濃度時Pex會隨著濃度的增大而增大[18-19]。所以當實驗濃度(250 g/m3)大于原始樣品3的最佳爆炸濃度會導致其Pex下降，此時或許濃度代替粒徑成為了主控因素，導致原始樣品3的Pex小于原始樣品1，2。

對比5種分散度不同混合樣品的(dp/dt)ex值，發(fā)現(xiàn)隨著小粒徑粉塵的增多，煤塵最大爆炸壓力上升速率呈增大趨勢。主要是因為小粒徑煤塵的增加會加速顆粒脫揮發(fā)分速率和火焰?zhèn)鞑ニ俾?，并使大粒徑煤塵的溫度升高，迅速引燃粉塵云區(qū)域，整體反應速率增加[7-8]。

將8組煤樣的開始點火至最大爆炸壓力的時間段t1和開始火至最大壓力上升速率的時間段t2的測量值繪制于圖4。

圖4 分散度對t1，t2的影響Fig.4 Effect of dispersion on t1 and t2

對于5組混合樣品，盡管粒徑跨度相同，但粉塵爆炸反應速率受分散度的影響很大。由圖可知，隨著小粒徑煤塵質量分數(shù)減小，t1和t2基本呈增大的趨勢(F=15.63,P< 0.000 1;F=6.92,P=0.001 4)。實驗結果還表明當小粒徑煤塵顆粒質量分數(shù)接近30%時，t1和t2明顯減小，但當小粒徑煤塵顆粒質量分數(shù)超過30%時，t1和t2的值保持穩(wěn)定。當引入約30%的細微煤塵時，粉塵爆炸反應速率加快。然而，本研究中未發(fā)現(xiàn)粒度分布對一定濃度和一定粒徑跨度下的爆炸壓力的顯著影響。這與萬杭煒等[19]的研究結果一致。他們的研究表明粒徑對Pex的影響比濃度對Pex的影響要小。

2.3 分散度對爆炸反應程度的影響分析

煤塵爆炸是一種劇烈的燃燒反應。顆粒表面預熱達到一定程度揮發(fā)出大量爆炸性氣體，從而發(fā)生爆炸。在一定時間內，燃燒反應越劇烈，煤塵反應越充分，釋放的能量也就越大[3]。通常來說，粒徑越小，煤塵爆炸反應越完全，爆炸產物熱值越低。本實驗通過測量比較爆炸產物的熱值來研究相同煤塵濃度條件(250 g/m3)下分散度對爆炸反應程度的影響。將8組煤樣的爆炸產物熱值的測量結果繪制于圖5。

圖5 爆炸產物熱值測量結果Fig.5 Calorific value measurement results

由圖5可知，對比σD近似相同的原始樣品1和3的爆炸產物熱值，發(fā)現(xiàn)原始樣品3比原始樣品1燃燒更充分。對于5組粒徑跨度相同的混合樣品，它們的燃燒產物熱值從A到E依次遞減。這也說明了分散度不同時小粒徑煤塵占比越大，燃燒產物熱值越小，反應越充分。

煤塵爆炸產物的物理特征(爆炸產物顆粒的表面結構特征)，可以直觀地反映煤塵爆炸特性的差異。煤燃燒的化學反應及其物質傳遞過程具有非線性動力學特征，燃燒過程伴隨孔洞分形體的生長過程[20]。為了研究分散度對煤塵反應程度的影響，實驗采用JSM-6700F型掃描電鏡對原始樣品以及所收集的不同分散度煤塵的爆炸產物進行了SEM分析，結果如圖6所示。由于煤種相同，原始樣品1和3表明結構特征基本無差異。對比6(c)和(d)發(fā)現(xiàn)，原始樣品3的爆炸產物顆粒的表面形成較為豐富的孔洞結構。這也說明了原始樣品3中小粒徑煤塵顆粒質量分數(shù)大，反應較原始樣品1充分。但圖3中的Pex值并沒有隨著小粒徑粉塵質量分數(shù)的增加而增加，這可能是反應過程中能量以其它形式散失掉了或者濃度代替了粒徑成為了主控因素，相關問題還需進行后續(xù)實驗研究。

圖6 不同煤塵爆炸產物的掃面電鏡圖片F(xiàn)ig.6 SEM pictures of different coal dust explosion products

圖7 σD相同粒徑分布不同樣品的爆炸特性Fig.7 Explosion characteristics of samples with the same σD but different particle size distribution

2.4 分散度與煤塵爆炸特性的相關性分析

上述實驗結果表明煤塵爆炸特性不僅與粒徑大小有關，還與濃度和分散度有關。對比σD近似相同的3種原始樣品和混合樣品A的爆炸特性，如圖7所示，雖然σD近似相同，但原始樣品3的(dp/dt)ex明顯大于樣品1，2和A，t1和t2明顯小于樣品1，2和A。這也證明了粒徑分布對煤塵爆炸的影響很大。多分散性條件下，一般用D50表征粒徑分布特性。實驗表明原始樣品2的D50小于原始樣品1和混合樣品A，但爆炸壓力上升速率小于樣品1和A。因此在描述粒徑分布時不能單一考慮D50[21]。

為了評價D10，D25，D50，D75，D90，D4,3和D3,2哪一個參數(shù)更適合于評價煤塵爆炸特性，對實驗測量結果進行了斯皮爾曼相關性分析。斯皮爾曼相關性系數(shù)，通常也叫斯皮爾曼秩相關系數(shù)，用于分析變量之間的相關關系。通過式(6)進行計算，考察D10，D25，D50，D75，D90，D4,3和D3,2與(dp/dt)ex，t1和t2的相關性。

(6)

其中，di為兩變量的等級差數(shù);n為等級個數(shù)。計算結果如圖8所示。

圖8 煤塵爆炸特性與分散度的相關分性分析Fig.8 Correlation analysis of coal dust explosion characteristics and dispersion

結果表明D10，D25和D3,2與(dp/dt)ex的斯皮爾曼相關系數(shù)均大于0.8(p< 0.03)，屬于高度相關。同時，D10，D25和D3,2與t1和t2的相關系數(shù)都分布在顯著相關區(qū)域內。但LI等[11]認為的D50與測量參數(shù)并沒有呈現(xiàn)很好的相關性。這可能是由于煤塵樣品或濃度不同造成的差異，具體原因還需后續(xù)實驗研究。因此本研究認為在煤塵濃度相同的情況下可以考慮采用D10，D25和D3,2三種參數(shù)來描述煤塵爆炸特性。

3 結 論

(1)在煤塵濃度相同、粒徑跨度相同的情況下，煤塵爆炸特性還會受到粒徑分布情況的影響。當小粒徑粉塵質量分數(shù)達到30%時，(dp/dt)ex值增加，而t1和t2的值減小。

(2)煤塵爆炸是一種劇烈的燃燒反應，在一定時間內，燃燒反應越劇烈，煤塵反應越充分，釋放的能量也就越大。小粒徑占比較大的原始樣本3的燃燒產物熱值為10 942 J/g，明顯小于其它樣品，這也證明了小粒徑粉塵越多，煤塵爆炸反應越充分。

(3)(dp/dt)ex，t1和t2的值受D10，D25粒徑的粉塵顆粒影響較大，通過斯皮爾曼相關性分析，考慮用D10，D25和D3,2三種參數(shù)來描述煤塵爆炸特性較為合適。

(4)小粒徑粉塵越多，爆炸反應越劇烈，但本研究中Pex的值并沒有隨著小粒徑粉塵質量分數(shù)的增加而增加，這可能是反應過程中能量以其它形式散失掉了或者濃度代替了粒徑成為了主控因素，相關問題還需進行后續(xù)實驗研究。