煤尘浓度和粒度对煤尘燃烧爆炸特性影响的实验研究

王育德，曲志明

(河北工程大学土木工程学院，河北 邯郸 056038)

1 概述

煤尘是煤矿生产过程中产生的直径小于1mm的煤粒。煤尘在浮游状态时，遇有一定温度的热源，能单独爆炸、传播爆炸或参与爆炸。煤尘在井下存在的状态有两种：一种是飞扬在井下空气中的煤尘，叫浮游煤尘或浮尘，直径小于1μm，在井下空气中基本不下沉；另一种是在井下空气中因自重沉降，附在巷道周边的煤尘，叫沉积煤尘。沉积煤尘爆炸必须具备以下三个条件：①煤尘本身具有爆炸性。一般来讲，挥发分指数Vr>10％才具有爆炸性。其中：Vr=挥发分/(挥发分+固定碳)×100％。②煤尘在空气中呈悬浮状态而且要达到一定浓度。根据试验，我国煤尘爆炸下限浓度是：褐煤为45～55g/m3，烟煤为110～335g/m3，上限浓度一般为1500～2000g/m3。③有足够能量的引爆火源。煤尘引燃温度一般为700～800℃。尽管煤尘具有爆炸性，但粒度大于1mm时，不能长期悬浮于空气中而不能参与爆炸；粒度极其微小的煤尘在空气中很快氧化，同样不会爆炸；只有粒度为0.075mm左右的煤尘，才是参与爆炸的主体[1]。

1.1 煤尘爆炸机理

煤本身存在着足够数量容易氧化的游离基，常温条件下容易氧化，生成更多的游离基，使链式反应得以持续。若煤被破碎成微细的颗粒，其总表面积显著增加，吸氧和氧化能力也随之大大增强。受到外界高温热源作用时，大约300～400℃时，就可以放出高温分解的可燃气体，其主要成分为甲烷以及乙烷、丙烷、氢气和1％左右的其他碳氢化合物。这些可燃气体集聚于煤尘颗粒周围，形成气体外壳。当这个外壳内的气体达到一定浓度并吸收一定能量时，链式反应过程开始，游离基迅速增加，发生颗粒的闪燃。若氧化放出的能量有效的传递给周围的颗粒，并使之参与链式反应，反应速度急剧增加，达到一定程度时，便发展成爆炸[2]。

1.2 影响煤尘爆炸的主要参数

1) 煤的挥发分。煤的挥发分数量和质量是影响煤尘爆炸的最重要因素。煤尘的不爆炸率,随挥发分的增加而下降。表1为不同种类煤尘的爆炸性鉴定结果[1]。

表1 煤尘爆炸性试验鉴定结果

2) 煤的灰分和水分。煤的灰分是不燃性物质，能吸收热量，阻挡热辐射，破坏链式反应，降低煤尘的爆炸性。煤的灰分对爆炸的影响，还与挥发分含量的多少有关。挥发分小于15％的煤尘，灰分的影响比较显著，大于15％时，天然灰分对煤尘的爆炸性几乎没有影响。适量水分能降低煤尘的爆炸性，因为水的吸热能力大，能促使细微颗粒聚结为较大的颗粒，减少颗粒的表面积，还能降低沉积煤尘的飞扬能力[3]。

3) 煤尘粒度。粒度小于1mm的煤尘都能参与爆炸，而且爆炸的危险性随粒度的减小而迅速增加，小于0.075mm的煤尘最危险。

4) 煤尘浓度。与甲烷类似，煤尘的爆炸浓度也有上限和下限。煤尘的爆炸下限变化很大，它决定于煤的挥发分和灰分。挥发分小于15％的不同灰分含量的煤尘，爆炸下限没有一定的规律；挥发分15％～30％和灰分小于30％的煤尘，爆炸下限随挥发分的增加而减少；挥发分大于30％时，爆炸下限近似为常数。

本文主要讨论实验中煤尘的粒度和浓度对煤尘燃烧爆炸特性的影响。

2 煤尘浓度对煤尘-空气燃烧爆炸特性影响的实验研究

根据煤尘爆轰参数的计算，当化学当量比为1时，封闭段需喷入煤尘87.6g,封闭段共34个燃料室，所以每个燃料室需加煤粉2.58g。考虑到煤尘的爆炸浓度特性，即煤尘的最佳浓度一般为化学计量浓度的3～4倍[4-8]，所以取每个燃料室分别加入2g、4g、6g、8g、10g煤粉进行实验，此时喷入封闭段后的煤尘浓度分别为92g/m3、184g/m3、276g/m3、368g/m3、469g/m3。根据煤尘粒度对煤尘-空气燃烧爆炸特性影响的研究，取粒度为45～75μm的煤尘，进行煤尘在不同浓度下燃烧爆炸特性研究[9-12]。

实验条件：实验管道安装好两张泄爆膜，封闭段抽真空至-0.049MPa；封闭段34个燃料室加入煤尘后，用标准点火段进行实验；点火段10个燃料室,每个加入环氧丙烷10mL，高压气室充压至0.8MPa；所有44个电磁阀同时启动，喷入空气后，点火段压力1.4MPa，封闭段压力为常压，延迟0.32s后点火。

表2为不同浓度煤尘的爆压、爆速。表3为不同浓度煤尘的封闭段爆压参数。图1为不同浓度煤尘的爆压、爆速随管长分布图。图2～6为不同浓度煤尘下管道内不同测点处的压力-时间曲线。

表2 不同浓度煤尘的爆压、爆速

表3 不同浓度煤尘的封闭段爆压参数

图1 不同浓度煤尘的爆压和爆速随管长分布图

图2 煤尘浓度92g/m3下管道内不同测点处的压力-时间曲线

图3 煤尘浓度184g/m3下管道内不同测点处的压力-时间曲线

根据对表2、表3，图1～6中的实验结果，分析18.55m之后的情况，我们可以得出以下结论：①每个燃料室加入2g煤粉时，爆压变化范围为0.34～1.55MPa；4g煤粉时，爆压变化范围为0.67～2.01MPa；6g煤粉时，爆压变化范围为1.49～3.67MPa；8g煤粉时，爆压变化范围为1.59～5.59MPa；10g煤粉时，爆压变化范围为0.78～2.02MPa。②每个燃料室加入2g煤粉时，爆速变化范围为618～1240m/s；4g煤粉时，爆速变化范围为956～1392m/s；6g煤粉时，爆速变化范围为1129～1561m/s；8g煤粉时，爆速变化范围为1152～1711m/s；10g煤粉时，爆速变化范围为896～1271m/s。③每个燃料室加入6g煤粉、8g煤粉后，爆轰效果明显，且8g煤粉爆轰效果更好；加入4g、10g煤粉后出现局部爆轰，在25.55m之后爆轰状态明显减弱。④通过分析可知，此种煤尘爆炸的最优浓度在368g/m3左右。

图4 煤尘浓度276g/m3下管道内不同测点处的压力-时间曲线

图5 煤尘浓度368g/m3下管道内不同测点处的压力-时间曲线

图6 煤尘浓度469g/m3下管道内不同测点处的压力-时间曲线

3 煤尘粒度对煤尘-空气燃烧爆炸特性影响的实验研究

为了研究煤尘粒度对爆压、爆速的影响，选用了粒度分别为45～75μm、75～113μm、113～200μm的煤粉进行实验对比。

实验条件：封闭段抽真空至-0.049MPa；封闭段每个燃料室加入煤粉8g，煤尘浓度368g/m3；点火段10个燃料室每个加入环氧丙烷10mL；高压气室充压至0.8MPa；44个电磁阀同时启动，喷入空气后，点火段压力1.4MPa，封闭段为常压，延迟0.32s后点火。

表4为不同粒度煤尘的爆压、爆速结果，图7不同粒度煤尘爆压、爆速随管长分布。

表4 不同粒度煤尘的爆压、爆速结果

从表4、图7中可以看出：爆压随着煤尘粒度的减小而增大，45～75μm粒度煤尘出现稳定的爆轰过程；在75～113μm煤尘也出现爆轰，但爆轰状态不稳定，逐渐减弱；113～200μm煤尘出现局部爆轰，在23.45m之后呈爆燃状态。根据上面分析，采用45～75μm粒度煤尘进行燃烧爆炸特性实验研究是非常合理的。

图7 不同粒度煤尘爆压和爆速随管长分布

4 结论

1) 每个燃料室加入2g煤粉后，爆压、爆速很低，说明一直处于较弱的爆燃状态；加入4g煤粉、10g煤粉后，爆压、爆速变化呈逐渐减小趋势，说明是局部爆轰，爆轰波没有稳定传播；而加入6g煤粉、8g煤粉后，爆压、爆速出现正常波动，未象其他浓度一样出现逐渐减小趋势，且爆压、爆速明显偏高。所以在本实验条件下，当煤尘浓度368g/m3时，煤尘出现稳定爆轰。

2) 爆压随着煤尘粒度的减小而增大，45～75μm粒度煤尘出现稳定的爆轰过程。根据分析，采用45～75μm粒度煤尘进行燃烧爆炸特性实验研究是非常合理的。

致谢:论文受到横向课题《煤矿井下主动抑爆技术研究与应用》资助，特此致谢。

[1]艾存慧.煤尘爆炸特征及预防措施[J].煤炭技术，2005(7):57-58.

[2]李润之.瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸的研究[D].北京：煤炭科学研究总院，2007.

[3]李文民.煤尘爆炸的特征及控制初探[J].山西煤炭，2005(3)：6-8.

[4]张奇，白春华，梁慧敏.燃烧与爆炸基础[M].北京：北京理工大学出版社，2007.

[5]Liu Qingming,Bai Chunhua,Li Xiaodong,etal.Coal dust/air explosions in a large-scale tube[J].Fuel,2010(89):329-335.

[6]Qingming Liu,Chunhua Bai,Xiaodong Li.Deflagration to detonation transition in aluminum dust-air mixture under weak ignition condition[J].Cornbustion and flame，2009，156(4):914-921.

[7]Qingming Liu,Chunhua Bai,Li Jiang.Deflagration to detonation transition in nitromethane mist aluminum dust air mixtures[J].Combustion and flame，2010，157(1):106-117.

[8]Cashdollar K.L.Coal dust explosibility[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,1996,9(1):65-76.

[9]林柏泉.瓦斯爆炸动力学特征参数的测定及其分析[J].煤炭学报,2002,27(2):164-167.

[10]浦以康,胡俊,贾复.高炉喷吹用烟煤煤粉爆炸特性的实验研究[J].爆炸与冲击,2000,20(4):303-312.

[11]Gardner B.R,Wintey R.J,Moore M.J.Explosion development and deflagration to detonation transition in coal dust/air suspensions[J].21stSymposium on Combustion,1988,21(1):335-343.

[12]毕明树,王洪雨.甲烷-煤尘复合爆炸威力实验[J].煤炭学报,2008,33(7):784-788.