景國(guó)勛，邵泓源，吳昱樓，郭紹帥，劉 闖，張勝旗

（1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作454000；2.安陽(yáng)工學(xué)院，河南 安陽(yáng)455000）

大多數(shù)煤礦爆炸事故中均有煤塵的參與，煤塵的參與使得爆炸的破壞力更強(qiáng)，從而造成更多的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重威脅煤礦的安全生產(chǎn)和煤礦工人的生命安全[1]。Klemens R 等人[2]在豎起的管道內(nèi)對(duì)貧燃煤的燃燒爆炸火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)研究；Cashdollar K L[3]主要針對(duì)瓦斯煤塵復(fù)合條件下的點(diǎn)火能量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；Kundu S K 等[4]在球形管道連通容器內(nèi)研究了點(diǎn)火能量、管道長(zhǎng)度對(duì)混合爆炸特性的影響；1878 年，Weber 教授首次指出了粉塵粒子間作用力對(duì)爆炸的影響，拉開了世界粉塵爆炸研究的序幕。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)瓦斯煤塵混合爆炸傳播規(guī)律的研究已經(jīng)較為廣泛[5-15]，但對(duì)于半封閉空間條件下的實(shí)驗(yàn)研究比較少，因此對(duì)半封閉管道內(nèi)煤塵濃度以及煤塵種類對(duì)爆炸產(chǎn)生的火焰進(jìn)行研究，分析瓦斯煤塵混合物在半封閉管道內(nèi)的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)論對(duì)煤礦瓦斯煤塵爆炸傳播規(guī)律的研究以及為今后礦井瓦斯煤塵爆炸的預(yù)防及應(yīng)急救援提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成及條件

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是由爆炸管道、傳播管道、噴塵系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速攝像圖像采集系統(tǒng)等組成。爆炸管道采用的是120 mm×120 mm×500 mm 的透明有機(jī)玻璃，有機(jī)玻璃可承受最大爆炸壓力為2 MPa，在管道的頂端用PVC 薄膜和橡膠墊進(jìn)行密封；傳播管道為120 mm×120 mm×1 000 mm 的透明有機(jī)玻璃，方便觀察拍攝火焰；噴塵系統(tǒng)位于爆炸管的底部，由錐形噴嘴、碗狀儲(chǔ)粉器和揚(yáng)粉系統(tǒng)組成；點(diǎn)火系統(tǒng)由HEI19系列的高熱能點(diǎn)火器、點(diǎn)火電極組成，點(diǎn)火電壓為6 kV；配氣系統(tǒng)是由甲烷和空氣氣瓶組成，通過安裝在通氣管路上2 個(gè)Alicat 質(zhì)量流量控制器來調(diào)節(jié)通氣管道中的氣體流速；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由MD-HF高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器、USB-1608FS 數(shù)據(jù)采集卡和同步控制器組成；高速攝像圖像采集系統(tǒng)由是High Speed Star 4G 高速攝像機(jī)、圖像控制器和高速計(jì)算機(jī)組成，高速攝像機(jī)的拍攝速度可達(dá)2 000 幅/s。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system diagram

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

主要研究?jī)?nèi)容是半封閉管道內(nèi)煤塵濃度以及不同煤種對(duì)混合物爆炸的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方案采用的是爆炸管道和傳播管道連接而成，管道連接處使用PVC 薄膜和橡膠墊進(jìn)行隔離與密封，在實(shí)驗(yàn)開始前的通氣階段，下部的管道處于封閉的階段，上部的管道始終是頂端開口的形式，形成了一種半封閉的形式。

實(shí)驗(yàn)中使用的3 種煤塵試樣分別為褐煤、煙煤和無(wú)煙煤，煤粉的工業(yè)分析見表1。3 種煤樣經(jīng)篩分（200 目（75 μm）標(biāo)準(zhǔn)篩）制樣后用于實(shí)驗(yàn)，使用的煤塵質(zhì)量濃度依次設(shè)為25、50、100、200 g/m3，瓦斯?jié)舛纫来螢?%、8%、9%。為了保證噴粉時(shí)能讓煤粉充分在管道中均勻分布，且不接觸薄膜，同時(shí)考慮到形成的粉塵云在沉降過程中不會(huì)接觸到管道底端，經(jīng)過多次試驗(yàn)，確定噴粉壓力為0.3 MPa，點(diǎn)火延時(shí)時(shí)間為100 ms。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為17～20 ℃，空氣相對(duì)濕度RH為40%～60%，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3 次，選取實(shí)驗(yàn)效果較優(yōu)的組分。在實(shí)驗(yàn)開始的時(shí)候，首先將稱量好的煤塵放入碗狀儲(chǔ)粉器，打開實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)氣口與排氣口，采取4 倍體積通入預(yù)混氣的方法來排盡管道中的原有氣體[16]，通過設(shè)置2 個(gè)質(zhì)量流量控制器的參數(shù)，來調(diào)節(jié)通入空氣與甲烷氣體的質(zhì)量，為了排盡管道內(nèi)的原有氣體同時(shí)保證爆炸管道內(nèi)的甲烷濃度趨于穩(wěn)定，通入預(yù)混氣的時(shí)間每次保持在6 min，然后關(guān)閉進(jìn)氣口與排氣口的閥門，最后利用同步控制器控制噴粉和啟動(dòng)點(diǎn)火，隨后觸發(fā)高速攝像機(jī)和壓力傳感器，開始采集數(shù)據(jù)，爆炸結(jié)束后清洗系統(tǒng)，進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)。利用origin2017 軟件來處理數(shù)據(jù)結(jié)果，進(jìn)行下一步的分析研究。

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

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓厔?shì)

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，褐煤、煙煤、無(wú)煙煤爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓厔?shì)分別如圖2、圖3 和圖4，同時(shí)分析了純瓦斯爆炸的火焰?zhèn)鞑ニ俣葦?shù)據(jù)，當(dāng)瓦斯?jié)舛葹?%時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?16.1 m/s；當(dāng)瓦斯?jié)舛葹?%時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?47.2 m/s；當(dāng)瓦斯?jié)舛葹?1%時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到135.4 m/s。

圖2 褐煤爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓厔?shì)Fig.2 Variation trend of flame propagation velocity in lignite explosion

圖3 煙煤爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓厔?shì)Fig.3 Variation trend of flame propagation velocity in explosive of bituminous coal

圖4 無(wú)煙煤爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓厔?shì)Fig.4 Variation trend of flame propagation velocity in anthracite explosion

實(shí)驗(yàn)所選煤塵濃度依次為25、50、100、200 g/m3，瓦斯?jié)舛纫来螢?%、9%、11%。從圖2、圖3 和圖4中可以看出，瓦斯煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著煤塵濃度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，且存在1 個(gè)最佳的煤塵濃度和瓦斯?jié)舛?，即?dāng)瓦斯?jié)舛葹?%，煤塵濃度為50 g/m3的時(shí)候火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲?；?dāng)瓦斯?jié)舛瘸^最佳濃度時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣乳_始下降，這是因?yàn)閰⑴c的瓦斯含量過多，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的氧濃度下降，部分煤塵無(wú)法參與爆炸，從而使火焰速度下降；當(dāng)煤塵濃度超出最佳濃度時(shí)，由于系統(tǒng)內(nèi)氧氣量是固定的，所以化學(xué)計(jì)量比燃料質(zhì)量也是一定的，當(dāng)煤塵濃度過大時(shí)，導(dǎo)致較多的煤塵不能充分燃燒，所以火焰速度也會(huì)下降。通過對(duì)沒有煤塵參與的純瓦斯爆炸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加入一定量的煤塵，可以提高爆炸的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，這就說明煤塵在瓦斯爆炸過程中有著促進(jìn)的作用，這是因?yàn)橥咚贡〞r(shí)放出熱量，提高了煤塵的氧化速度，使得系統(tǒng)內(nèi)的總熱量變大，所以煤塵的參與提高了爆炸的火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

2.2 火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c最大爆炸壓力變化趨勢(shì)

通過以上分析得知：瓦斯煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣却嬖? 個(gè)最佳的瓦斯，即當(dāng)瓦斯?jié)舛葹?%，使得火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲?。因此選擇最佳的瓦斯?jié)舛龋瑢?duì)不同煤種的火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)行研究，不同煤種的爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓厔?shì)如圖5；為了進(jìn)一步研究煤塵濃度對(duì)混合物爆炸的影響，同時(shí)根據(jù)前人的研究，瓦斯煤塵混合爆炸，瓦斯最佳爆炸濃度為9%，故選擇最佳的瓦斯?jié)舛龋芯棵簤m濃度和煤塵種類對(duì)混合物爆炸最大壓力的影響，不同煤種的最大爆炸壓力變化趨勢(shì)如圖6。

圖5 不同煤種的爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓厔?shì)Fig.5 The variation trend of flame propagation velocity in different coal types

圖6 不同煤種的最大爆炸壓力變化趨勢(shì)Fig.6 The variation trend of maximum explosion pressure of different types of coal

由圖5 可以看出，當(dāng)煤塵濃度相同的情況下，不同煤種與瓦斯?jié)舛葹?%的混合物爆炸的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫来伟凑蘸置骸熋?、無(wú)煙煤減少。這種情況的發(fā)生是因?yàn)?，?dāng)瓦斯?jié)舛认嗤瑫r(shí)，瓦斯參與爆炸時(shí)所放出的熱量是一定的，煤塵粒子在加熱的情況下所釋放出的揮發(fā)分也是一定的；當(dāng)煤塵濃度相同時(shí)，煤塵參與爆炸需要需要的氧氣量是一定的，影響爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊闹饕蚴敲簤m在加熱情況下釋放出的可燃?xì)饬?，即煤種的揮發(fā)分的含量。揮發(fā)分越大，瓦斯煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣纫簿驮酱蟆＝?jīng)過對(duì)煤塵的工業(yè)分析可以看出，褐煤的揮發(fā)分含量是最大的，煙煤次之，無(wú)煙煤最小，故褐煤的爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲?，無(wú)煙煤最小。

由圖6 可以看出，褐煤、煙煤、無(wú)煙煤在相同瓦斯?jié)舛鹊臈l件下，最大爆炸壓力均隨著煤塵濃度的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)，均存在著1 個(gè)最佳煤塵濃度，使爆炸壓力達(dá)到最大。褐煤的最大爆炸壓力對(duì)應(yīng)的煤塵濃度為58 g/m3，煙煤的最大爆炸壓力對(duì)應(yīng)的煤塵濃度為63 g/m3，無(wú)煙煤的最大爆炸壓力對(duì)應(yīng)的煤塵濃度為70 g/m3。最大爆炸壓力按褐煤、煙煤、無(wú)煙煤依次降低，造成這種現(xiàn)象的原因是由煤種的揮發(fā)分導(dǎo)致的，煤種揮發(fā)分按褐煤、煙煤、無(wú)煙煤依次降低。由此可見揮發(fā)分對(duì)瓦斯煤塵混合爆炸的火焰?zhèn)鞑ニ俣群妥畲蟊▔毫Χ加兄卮蟮挠绊憽?/p>

2.3 火焰面變化趨勢(shì)

通過高速攝像機(jī)可以更加直觀的捕捉到火焰面在管道內(nèi)傳播的過程，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中選取較為明顯的3 組，50 g/m3煤塵濃度爆炸火焰面變化趨如圖7，不同煤種爆炸火焰面變化趨勢(shì)如圖8，9%瓦斯?jié)舛缺ɑ鹧婷孀兓厔?shì)如圖9。

圖7 50 g/m3 煤塵濃度爆炸火焰面變化趨勢(shì)Fig.7 Variation trend of flame surface of 50 g/m3 coal dust concentration explosion

圖8 不同煤種爆炸火焰面變化趨勢(shì)Fig.8 Variation trend of explosive flame surface of different types of coal

圖9 9%瓦斯?jié)舛缺ɑ鹧婷孀兓厔?shì)Fig.9 Variation trend of 9% gas concentration explosion flame surface

根據(jù)上述的研究表明，瓦斯煤塵混合爆炸的最佳煤塵濃度為50 g/m3，故選用最佳煤塵濃度來研究不同瓦斯?jié)舛葘?duì)混合物爆炸火焰面?zhèn)鞑サ挠绊懀▓D7），其中選用的煤種為煙煤，選取時(shí)間為爆炸60 ms后，圖中從左至右依次為7%瓦斯?jié)舛取?%瓦斯?jié)舛群?1%瓦斯?jié)舛龋梢钥闯?，火焰的發(fā)光強(qiáng)度按瓦斯?jié)舛?%、11%、7%依次遞減，當(dāng)瓦斯?jié)舛葹?%的時(shí)候，火焰面?zhèn)鞑ラL(zhǎng)度最長(zhǎng)，爆炸強(qiáng)度較大，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁臁?/p>

選取瓦斯煤塵爆炸的最佳瓦斯?jié)舛群兔簤m濃度來進(jìn)一步研究褐煤、煙煤、無(wú)煙煤3 種煤種的區(qū)別，選取時(shí)間為爆炸60 ms 后，圖8 中從左至右依次為無(wú)煙煤、煙煤、褐煤。可以看出，火焰發(fā)光強(qiáng)度按褐煤、煙煤、無(wú)煙煤依次遞減，且褐煤的火焰面長(zhǎng)度最長(zhǎng)，無(wú)煙煤的火焰面長(zhǎng)度最短，從而進(jìn)一步證明了揮發(fā)分對(duì)爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ哂兄匾挠绊憽?/p>

瓦斯煤塵爆炸的最佳瓦斯?jié)舛葹?%，選用最佳的瓦斯?jié)舛葋硌芯棵簤m濃度對(duì)混合物爆炸火焰面?zhèn)鞑サ挠绊?，圖9 中從左至右煤塵濃度依次為20、50、100、200 g/m3，可以看出，火焰的發(fā)光強(qiáng)度按50、100、20、200 g/m3依次遞減，且當(dāng)煤塵濃度50 g/m3的時(shí)候，火焰面長(zhǎng)度最長(zhǎng)，煤塵濃度為200 g/m3的時(shí)候，火焰面長(zhǎng)度最短，進(jìn)一步證明了煤塵的加入增強(qiáng)了混合物的爆炸強(qiáng)度，提高了火焰的傳播速度。

3 結(jié) 論

1）瓦斯煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著煤塵濃度的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)，且存在著一個(gè)最佳的瓦斯?jié)舛?%和煤塵濃度50 g/m3使爆炸的火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到最大，當(dāng)瓦斯?jié)舛群兔簤m濃度超出或者低于這個(gè)最佳濃度，火焰?zhèn)鞑ニ俣染蜁?huì)下降。

2）瓦斯煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣群妥畲蟊▔毫Π春置?、煙煤、無(wú)煙煤依次遞減，這是因?yàn)楹置旱膿]發(fā)分最高，煙煤次之，無(wú)煙煤最低。

3）當(dāng)煤塵濃度一定時(shí)，火焰的發(fā)光強(qiáng)度和火焰面長(zhǎng)度按瓦斯?jié)舛葹?%、11%、7%依次遞減；當(dāng)瓦斯?jié)舛纫欢〞r(shí)，火焰的發(fā)光強(qiáng)度和火焰面長(zhǎng)度按煤塵濃度為50、100、20、200 g/m3依次遞減；當(dāng)瓦斯和煤塵濃度都一定時(shí)，火焰發(fā)光強(qiáng)度和火焰面長(zhǎng)度按褐煤、煙煤、無(wú)煙煤依次遞減。