含煤尘瓦斯爆后气流传播速度的实验研究

张迎新， 李世超， 刘传海， 许世伟

(1.黑龙江科技大学 安全工程学院， 哈尔滨 150022； 2.双鸭山宝清县煤炭局， 黑龙江 双鸭山， 155600)

含煤尘瓦斯爆后气流传播速度的实验研究

张迎新1， 李世超1， 刘传海1， 许世伟2

(1.黑龙江科技大学 安全工程学院， 哈尔滨 150022； 2.双鸭山宝清县煤炭局， 黑龙江 双鸭山， 155600)

为获得含煤尘瓦斯爆炸后产生气流的传播速度，利用研制的瓦斯—煤尘爆炸实验系统进行甲烷、空气混合爆炸实验和不同煤尘参与后爆炸实验，由爆后气流随同火焰传播，获得爆炸火焰在主管路、支路管路的速度传播规律，从而分析煤尘对瓦斯爆炸火焰速度的影响及特点。结果表明：煤尘的参与可以提高瓦斯爆炸后气流传播速度，对比煤样的工业分析发现，挥发分高的煤尘更容易产生更大的气流速度，但灰分对其传播速度起到负反馈作用。

瓦斯爆炸； 煤尘； 挥发分； 气流传播速度

0 引 言

目前我国煤矿瓦斯爆炸依然是危害矿井安全生产最严重的灾害[1]，研究瓦斯爆炸和煤尘爆炸一直是国内外学者的关注焦点，对瓦斯爆炸和瓦斯煤尘爆炸在传播过程中的各参数规律进行了大量的实验和模拟研究[2-5]，并取得一定的成果。但对于瓦斯煤尘混合后爆炸产生的气流火焰在复杂系统管网中的传播特点研究文献较少。

矿井瓦斯爆炸事故均是由瓦斯在井下局部区域积聚达到了爆炸的界限并遇到高温热源引发的。爆炸后产生的高温气体随同火焰在井下沿巷道快速传播，在此过程中火焰直接危害井下人员，产生的CO是危害人员的主要因素。当有煤尘参与爆炸时，危害性增强，通过研究有煤尘参与时瓦斯爆炸过程火焰传播的特征，可以预先采取措施，防止瓦斯爆炸事故的发生或减小其造成的危害，亦可预判灾区遇险人员受影响情况。因而，研究煤尘与瓦斯协同爆炸后产生气流传播特征有着重要现实意义。

因瓦斯煤尘混合后爆炸产生的高温气流在实验管路中随同火焰波传播，鉴于此，文中通过研究甲烷爆炸与有不同种类煤尘参与的瓦斯爆炸的火焰速度传播规律对比，了解煤尘对于瓦斯爆炸的主要影响，以期为防治瓦斯爆炸事故、应急救援技术决策和指导安全生产提供参考。

1 实验系统与方案

1.1 实验系统

实验系统为爆炸检测实验系统，可以进行四大类的实验，包括瓦斯爆炸实验、煤尘爆炸实验、瓦斯煤尘爆炸实验以及扩散管路的煤尘引燃和引爆实验[6]。整个系统由三个系统配合运作，其中有高能点火系统、扬尘配气系统和高速动态数据采集分析系统(包括压力采集系统和火焰传播速度采集系统)，三个系统配合爆炸腔体和爆炸传播管道可以实现更多的不同爆炸实验，其具体结构见图1。

1.2 实验方案

首先进行瓦斯、空气混合爆炸的实验即空白实验，得到在爆炸界限范围内的混合气体在燃爆腔体及扩散管路中火焰传播规律。为下一步进行瓦斯、空气、煤尘的混合爆炸实验奠定基础。

实验条件设置，包括配气压力(该实验采用-20 kPa)，点火压力设定为固定值0 kPa，阀门迟滞时间设定为1 s，静电点火延时设定为60 ms，两点火电极之间距离(每次实验都为2～3 mm)，续弧电压(200 V，即点火能量440 J)，传感器采样频率，采样长度，触发方式等。

在爆炸实验系统扩散管路上共安设八支传感器(监测含火焰的爆生气体传播速度)，位置分别用①～⑧标示，距离第一个传感器的距离分别(从第二个开始计算)为150、300、375、500、505、750和850 cm，见图2。

图2 传感器布置

2 实验与结果分析

2.1 瓦斯爆炸实验

根据实验方案的初始条件，在爆炸腔体内配置6%、8%、9.5%、11%、13%的甲烷、空气混合气样进行爆炸实验。根据火焰传感器的位置和测得的数据绘制图3，实验现象见图4。

图3 不同浓度气样爆炸火焰平均速度对比

图4 气样爆炸火焰

2.2 添加不同煤尘后气样爆炸实验

(1)煤尘工业分析

实验采用三种不同煤样见表1。选取不同煤种，通过破碎机和筛煤机将煤尘进行破碎和筛选，得到实验需要的小于0.18mm的煤尘，实验测定煤尘爆炸性，对不同煤尘进行工业分析，得到其灰分w1、挥发分w2、水分w3等。

表1 不同煤样的工业分析

(2)加入煤尘后气样爆炸实验

加No.1煤样后，气样6%爆炸产生的火焰明亮长度达到30～40 cm，声大清脆，有大量烟雾。9.5%的瓦斯爆炸产生的火焰呈现暗红色达到45～55 cm。根据爆炸实验的传感器位置和采集的数据，得到火焰气流在爆炸管网的传播速度如图5，实验煤尘瓦斯气样爆炸效果见图6。

图5 加No.1煤尘样爆炸火焰速度曲线

图6 加入No.1煤尘瓦斯气样爆炸效果

加入No.2煤样后各气样爆炸效果与加入No.1煤尘相似，此实验将气样体积分数配置为4%时，发生了爆炸(如图7所示)，与传统的瓦斯爆炸下限浓度值5%相比，爆炸浓度下限下降，说明煤尘的参与降低了瓦斯的爆炸下限。

图7 加入No.2煤尘样爆炸火焰速度曲线

加入No.3煤样后根据爆炸实验的传感器位置和采集的数据，得到火焰在主管道和支路管道的传播速度，见图8。

图8 加No.3煤尘样爆炸火焰速度曲线

加煤粉后爆炸火焰速度平均值与瓦斯、空气混合爆炸火焰速度均值在主管道传播的对比情况见图9。加煤粉后爆炸火焰速度平均值与瓦斯、空气混合爆炸火焰速度均值在支管道传播的对比情况见图10。由图9加煤尘和无煤尘气样爆火焰在主管道传播平均速度对比曲线和图10可知，在主管道的火焰速度均小于在支路管道的火焰传播速度(即加煤尘和无煤尘规律相同)，火焰在管道上的传播整体上呈现先快速增加再缓慢减小的趋势，符合火焰最短路径传播规律。

图9 加煤尘和无煤尘气样爆炸火焰在主管道传播平均速度对比曲线

图10 加煤尘和无煤尘气样爆炸火焰在支路管道平均速度对比曲线

3 结果分析

(1)加入煤粉后对瓦斯爆炸的下限有一定影响，加入No.2煤尘实验时出现4%的浓度气样也能发生爆炸(正常实验瓦斯爆炸体积分数上下限为5%～16%)，因煤尘受到高温后，内部的挥发性可燃气体析出，形成了与瓦斯共存的可燃气体混合状态，从而彼此降低爆炸下限，由此可以看出，煤尘能够明显降低瓦斯爆炸下限。

(2)加入煤粉实验的爆炸火焰气流传播速度规律和纯甲烷爆炸火焰传播速度规律相近，都是随浓度的增加而呈现出先增大后减小的规律，在9.5%浓度时达到火焰速度最大值(和理论值相近)。加入No.1煤粉的气样爆炸火焰速度(主管道平均速度588.93 m/s，支管道平均速度677.92 m/s)大于加入No.3煤粉(主管道平均速度578.29 m/s，支管道平均速度659.13 m/s)，加入No.3煤粉的爆炸火焰速度大于No.2的煤粉爆炸火焰速度(主管道平均速度573.9 m/s，支管道平均速度648.68 m/s)，均大于无煤尘的爆炸气流(火焰)速度，加入煤粉后的爆炸火焰传播速度明显高于无煤粉的气样爆炸火焰传播速度，火焰的速度上升幅度也比无煤尘的要高，煤粉对增大瓦斯爆炸火焰传播速度上总体起到促进作用。对比分析三种煤粉的灰分、挥发分、水分发现，在爆炸火焰速度的增大上，挥发分起到主导作用，因煤尘参与瓦斯爆炸时，煤尘受热分解，析出大量可燃气体，增加了可燃物种类及数量，从而使挥发分高的煤粉更容易产生更大的爆炸火焰速度(如实验中的烟煤)，而灰分也是必要考虑因素，No.1煤尘挥发分低于No.3煤尘，可灰分却低，灰分对燃烧反应起到了抑制作用，所以出现了No.1火焰速度大于No.3的实验现象。

4 结 论

(1)有煤尘参与的甲烷、空气混合爆炸，煤尘可降低瓦斯的爆炸下限浓度。

(2)加入煤粉的爆生气流传播速度随瓦斯体积分数的增加而呈现出先增大后减小的规律，明显高于无煤粉的气样爆炸生成气流传播速度，火焰气流的速度上升幅度也比无煤尘时高，煤粉对增大瓦斯爆生气流传播速度上总体起到促进作用。对比分析三种煤粉的灰分、挥发分、水分发现，在爆炸火焰传播速度的增大上，挥发分起主导作用，挥发分大的煤粉(如烟煤)更容易产生更大的爆生气流传播速度，灰分对其产生负反馈作用。

[1] 俞启香. 矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社,1992.

[2] DUPONT L, ACCORSI A. Explosion characteristics of synthesized biogas at various temperatures [J]. Journal of Hazardous Materials, 2012, 136(3): 520-525.

[3] 李 刚, 李玉峰, 范春苗. 高温高压下CBM 的爆炸极限[J].东北大学学报, 2012, 33(4): 580-583.

[4] 林柏泉, 菅从光, 周世宁， 等. 受限空间瓦斯爆炸反射波及对火焰传播的影响[J]. 中国矿业大学学报, 2005, 34(1): 1-5.[5] 翟 成, 林柏泉, 营从光. 瓦斯爆炸火焰波在分叉管路中的传播规律[J].中国安全科学学报, 2005, 15(6): 69-72.

[6] 张迎新, 王 浩, 王中华. 水平管道内甲烷爆炸压力传播实验[J].黑龙江科技学院学报, 2013, 23(1): 16-20.

(编校 李德根)

Experimental study on flame velocity following explosion of gas containing coal dust

ZhangYingxin1,LiShichao1,LiuChuanhai1,XuShiwei2

(1.School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2.Coal Bureau of Baoqing County in Shuangyashan, Shuanyashan 155600, China)

The paper is aimed at an insight into the flame velocity following the explosion of gas containing coal dust. The study is done by performing mixed methane and air explosion experiments and different coal dust mixture experiments using gas-coal dust explosion experiment system; identifying the law how the flame velocity behaves in pipe and manifolds after airflow travels with the flame after explosion; and comparatively analyzing the effect of the coal dust on the flame velocity and its underlying characteristics. The study finds that the coal dust enables a greater flame velocity; the coal dust with a higher volatile matter is more likely to produce a greater air velocity; and the ash has the negative feedback effect on the flame velocity.

gas explosion； coal dust； volatile matter； flame velocity

2016-10-16

国家自然科学基金项目(50904026)

张迎新(1978-)，男，黑龙江省海伦人，副教授，博士研究生，研究方向：矿井通风，瓦斯灾害防治，E-mail:zhangyingxin01@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.06.006

TD713.1

2095-7262(2016)06-0617-04

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