瓦斯、煤尘共存条件下爆炸极限变化规律实验研究

王　磊，李润之

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

瓦斯、煤尘共存条件下爆炸极限变化规律实验研究

王磊，李润之

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

摘要：采用20L近球形爆炸特性测试系统对瓦斯、煤尘共存条件下爆炸极限变化规律进行了实验研究。研究发现：在本实验条件下，煤尘的爆炸下限浓度随瓦斯浓度的增加而逐渐下降，纯煤尘时的爆炸下限浓度是28.4g/m3，当加入1.70%浓度瓦斯时，煤尘爆炸下限浓度下降到7.8g/m3，且煤尘爆炸下限与瓦斯浓度呈指数函数关系变化；瓦斯的爆炸极限随煤尘浓度的增加发生改变，且与煤尘浓度呈不同的指数函数关系；纯瓦斯的爆炸上限为15.8%，而加入100g/m3的煤尘后瓦斯的爆炸上限下降到了12.8%；瓦斯的爆炸下限随煤尘浓度的增加逐渐下降，纯瓦斯的爆炸下限为5.10%，而加入100g/m3的煤尘后瓦斯的爆炸下限下降到了3.1%。研究结果为煤矿井下瓦斯煤尘爆炸事故的防治提供理论依据。

关键词：瓦斯爆炸，煤尘爆炸，共存条件，爆炸极限

瓦斯爆炸事故造成的破坏巨大，并且可能引起煤矿井下沉积煤尘参与爆炸，造成更大的人员伤亡和财产损失。瓦斯、煤尘共存条件下的反应过程非常复杂，二者单独反应，同时又相互影响[1-3]。爆炸极限是爆炸的重要特征参数，处于极限浓度范围内的瓦斯、煤尘才能够发生爆炸。国内外学者通过研究得出了瓦斯煤尘复合体系爆炸下限比纯煤尘或纯甲烷在空气中测试结果相对降低，对应得到的爆炸压力增大[4-5]，粉尘的最小点火能量会随着可燃气体的混入而降低[6-7]。这些工作主要针对瓦斯对煤尘的影响开展研究，但对于瓦斯煤尘共存条件下二者的相互影响研究较少。因此，研究瓦斯、煤尘共存条件下爆炸极限变化规律将为煤矿井下瓦斯煤尘爆炸事故的防治提供理论依据。

1理论分析

瓦斯煤尘爆炸一直是危害煤矿安全生产的重要因素，目前国内外对于瓦斯煤尘共存爆炸机理的理论研究较少。仅有少量学者对气体粉尘共存情况下粉尘的爆炸下限进行了研究，认为粉尘-空气混合物中如果含有可燃气，则爆炸下限随可燃气浓度的增加急剧下降。国外学者根据研究总结了经验计算公式，如混合物爆炸下限的下降可根据弗·巴尔特克纳西特公式(式(1)计算。

(1)

式中：E为杂混合物中粉尘爆炸下限，g/m3；El为粉尘爆炸下限，g/m3；E2为可燃气爆炸下限，%；C为可燃气浓度，%。

式(1)涵盖了多种粉尘，对爆炸下限的下降趋势有较好的反应。下文会对瓦斯、煤尘、空气混合物的爆炸下限进行实验研究，并与公式计算结果进行比较。

2实验系统

2.1实验系统

采用20L近球形爆炸特性测试系统开展实验研究。该系统由爆炸罐体、喷尘系统、点火系统、数据采集系统、真空配气系统以及除尘装置六大部分组成。可用于测试气体、粉尘以及气体粉尘混合物的爆炸极限、爆炸压力和爆炸压力上升速率。其中，爆炸罐体为20L近球形容器，结构强度按爆炸过程中可能出现的最大爆炸压力设计；粉尘喷尘系统由粉尘储存仓、0.6L喷粉高压气室、快速电磁阀和连接管路组成，整个系统完全密闭；点火系统主要由点火火花杆、点火药头组成，并且与数据采集系统相连，点火的同时进行实时数据采集。

2.2点火能量的选择

点火系统的主要功能是保证试验时可燃气体或粉尘能够有效起爆。通常在常温和标准压力下测定甲烷的爆炸极限值采用10J的化学点火源[8]。煤尘的最小点火能量远高于甲烷，测定煤尘的爆炸极限时采用总能量为10KJ的化学点火源[9]。

2.3实验判据

判断瓦斯是否发生爆炸的准则参考美国标准ASTME918的规定，即点火后压力升高7%或以上作为发生爆炸的判断依据。爆炸极限实验测量方法参照GB/T12474-2008和美国标准ASTME681，利用渐近法测试甲烷在空气中的爆炸极限。

煤尘爆炸下限可以参照GB/T16425-1996 《粉尘云爆炸下限浓度测定方法》进行测定。

3瓦斯浓度对煤尘爆炸下限影响研究

3.1实验条件及结果

在常温、常压条件下，运用10KJ化学点火源，对纯煤尘爆炸下限浓度(瓦斯浓度为0 %)、低浓度瓦斯(瓦斯浓度为0.6%、1.0%、1.2%、1.5%、1.7%)参与条件下煤尘爆炸下限浓度进行了测量，并根据式(1)进行计算，所得实验结果见表1。

3.2结果分析

瓦斯浓度对煤尘爆炸下限的影响情况见图1。

对表1的数据进行拟合，得到了煤尘爆炸下限(y)和瓦斯浓度(x)间的关系式，如式(2)所示。

(2)

式中拟合函数(2)中各参数的意义及数值见表2。

表1　不同浓度瓦斯参与条件下煤尘爆炸下限浓度

图1　瓦斯浓度对煤尘爆炸下限的影响情况

参数A1t1R2下限35.907-0.27430.969

从图2和式(2)可知，煤尘的爆炸下限浓度随瓦斯浓度的增加而降低，且煤尘爆炸下限与瓦斯浓度呈指数函数关系变化。在纯煤尘条件下爆炸下限浓度较高，加入瓦斯后煤尘爆炸下限浓度下降的幅度明显。纯煤尘时的爆炸下限浓度是28.4g/m3，当加入1.7% 浓度瓦斯时，煤尘爆炸下限浓度下降到7.8g/m3，也就是说在这样的瓦斯浓度下，仅需极少量的煤尘就能被点爆。

另外，通过对比分析实验值和计算值，我们发现：当瓦斯浓度≤1%时，实验值和计算值较为接近；当瓦斯浓度>1%时，二者差别较大；计算值要高于实验值。这可能和瓦斯的参与程度有关，当瓦斯浓度≤1%时，瓦斯浓度对煤尘爆炸下限浓度影响较小，爆炸下限主要由煤尘自身影响；当瓦斯浓度>1%时，瓦斯浓度对煤尘爆炸下限浓度影响逐渐增大，此时爆炸下限主要由参与的瓦斯影响。因此弗·巴尔特克纳西特公式能够反映爆炸下限浓度的下降趋势，但与本实验条件下的实验结果无法很好的吻合。

4煤尘浓度对瓦斯爆炸极限影响研究

4.1实验条件及结果

在常温、常压条件下，运用10J化学点火源，对纯瓦斯爆炸极限、不同浓度煤尘(煤尘浓度为10g/m3、20g/m3、30g/m3、50g/m3、80g/m3、100g/m3)参与条件下瓦斯爆炸极限进行了测试，所得实验结果如表3所示。

表3　不同浓度煤尘参与条件下瓦斯爆炸极限浓度

4.2煤尘浓度对瓦斯爆炸上限影响研究

煤尘浓度对瓦斯爆炸极限的影响情况如图3所示。

从图3可以看出，在有煤尘参与的条件下，瓦斯的爆炸上限和爆炸下限均随煤尘浓度的增加逐渐下降。在本实验条件下，纯瓦斯的爆炸下限为15.8%，而加入100g/m3的煤尘后瓦斯的爆炸下限下降到了12.8%；纯瓦斯的爆炸下限为5.11%，而加入100g/m3的煤尘后瓦斯的爆炸下限下降到了3.1%。

对表2中的数据进行拟合，得到了瓦斯爆炸极限(y)和煤尘浓度(x)间的关系式，如式(3)所示。

y=A1*exp(-x/t1)+y0，0

(3)

其中拟合函数(3)中各参数的意义及数值见表4。

图3　煤尘浓度对瓦斯爆炸极限的影响情况

参数y0A1t1R2上限21.832-6.077-251.150.996下限4.992-0.006-1.23412E-40.991

5瓦斯、煤尘共存体系爆炸极限影响分析

通过上述工作，我们实验研究了瓦斯浓度对煤尘爆炸下限的影响、煤尘浓度对瓦斯爆炸极限的影响规律。在瓦斯、煤尘共存的复合体系中，一方浓度的改变对另一方的爆炸极限有很大的影响。

其中，瓦斯的存在会降低煤尘的爆炸下限，这和我们依靠经验认为的规律一致。瓦斯的存在对煤尘爆炸下限浓度的影响有它内在的原因。在煤尘爆炸下限浓度附近，煤尘浓度较低，化学反应处于富氧状态；加入瓦斯后反应消耗的氧含量不影响煤尘氧化反应所需要的氧浓度，具备煤尘和瓦斯全部氧化反应所需的含氧条件。而瓦斯参与反应又放出热量，有助于煤尘的着火，因此表现出爆炸下限浓度降低。

煤尘的存在会降低瓦斯的爆炸下限，这也和我们依靠经验认为的规律一致。这主要是因为：在化学点火源附件的煤尘周围充满了低浓度的瓦斯气体，点火时瓦斯首先被点燃，产生足够多的化学反应自由基和热量使得煤尘颗粒同时被点燃；在爆炸下限浓度附近，化学反应属于富氧状态，充足的氧气也可以促使瓦斯、煤尘的化学反应持续进行。

但是，在一定条件下，煤尘的存在会惰化反应体系，使得瓦斯爆炸上限呈现降低的趋势，这就和我们的经验规律完全相反，主要原因有以下两个方面。①瓦斯爆炸上限浓度附近属于负氧环境，当有煤尘存在时，点火后煤尘会吸收大量的热量，并受热析出可燃气体继续参与反应；所以煤尘的加入使得氧气浓度进一步降低，瓦斯爆炸上限也会随之降低。②本次实验使用10J化学点火源，通过前期的实验发现，在实验环境条件下10J点火能量不足以点燃煤尘发生爆炸。所以，煤尘虽然是可燃粉尘，但在负氧条件下，煤尘在共存体系中转变成为惰性粉尘，反而具有抑爆效果。

上述分析结果对我们煤矿的安全生产有一定的指导意义。在煤矿井下，除了对瓦斯浓度实时监测以外，还需要对煤尘浓度进行监测。因为，煤尘的存在可以使低于爆炸下限浓度的瓦斯发生爆炸，此时大家认知的“瓦斯爆炸下限为5%”已经失去意义。

6结论

1)在有瓦斯参与的条件下，煤尘的爆炸下限浓度随瓦斯浓度的增加而逐渐下降，且煤尘的爆炸下限与瓦斯浓度呈指数函数关系变化。纯煤尘时的爆炸下限浓度是28.4g/m3，当加入1.7%浓度瓦斯时，煤尘爆炸下限浓度下降到7.8g/m3。

2)在有煤尘参与的条件下，瓦斯的爆炸极限会随煤尘浓度的增加发生改变，爆炸上限下降，爆炸下限也下降，即爆炸极限的区间发生偏移；且瓦斯爆炸极限与煤尘浓度呈指数函数关系变化。

3)在本实验条件下，纯瓦斯的爆炸上限为15.8%，而加入100g/m3的煤尘后瓦斯的爆炸上限下降到了12.8%；纯瓦斯的爆炸下限为5.11%，而加入100g/m3的煤尘后瓦斯的爆炸下限下降到了3.1%。

参考文献

[1]黄子超，司荣军，张延松，等.初始温度对瓦斯爆炸特性影响的数值模拟[J].煤矿安全，2012，43(5):5-8.

[2]李润之.不同总量沉积煤尘在瓦斯爆炸诱导下的传播规律模拟研究[J].矿业安全与环保，2013，40(1):17-20.

[3]李润之.瓦斯煤尘爆炸事故调查的物证分析技术[J].煤矿安全，2013，44(5):83-85.

[4]张引合，张延松，任建喜.煤尘对低浓度瓦斯爆炸的影响研究[J].矿业安全与环保.2006，33(6)：20-21.

[5]刘义，孙金华，陈东梁，等.甲烷煤尘复合体系中煤尘爆炸下限的实验研究[J].安全与环境学报，2007，7(4):129-131.

[6]罗宏昌.粉尘爆炸及“杂混合物”对其特性的影响[J].交通部上海船舶运输科学研究所学报，2000，23(1):21-26.

[7]王陈.甲烷对煤尘爆炸特性影响的研究[C]//工业粉尘防爆与治理全国工业粉尘防爆与治理学术讨论会论文集，中国科学技术出版社.1990.

[8]赵衡阳.气体和粉尘爆炸原理[M].北京:北京理工大学出版社，1996:31.

[9]田仁曲，何朝远，张引合，等.GB/T16425-1996.粉尘云爆炸下限浓度测定方法[S].北京:国家技术监督局，1996.

Experimental study on the explosion limits change laws under gas and coal dust coexisting conditions

WANGLei，LIRun-zhi

(ChinaCoalTechnologyEngineeringGroupChongqingResearchInstitute，Chongqing400039，China)

Abstract:Using 20L nearly spherical explosion characteristic test system，studied the change laws of explosion limits under gas and coal dust coexisting conditions.The study found that：under the experimental conditions，coal dust lower explosion limit decreases with the increase of the gas concentration，pure coal dust lower explosion limit is 28.4g/m3，while adding 1.70% gas its lower explosion limit down to 7.8g/m3，coal dust lower explosion limit and gas concentration are exponential relationship；gas upper explosion limit alters with the increase of the coal dust concentration，pure gas upper explosion limit is 15.8%，while adding 100g/m3 dust its upper explosion limit down to 12.8%；gas lower explosion limit decreases with the increase of the coal dust concentration，pure gas lower explosion limit is 5.10%，while adding 100g/m3 dust its lower explosion limit down to 3.10%；gas upper explosion limit and lower explosion limit were exponential function relationship with coal dust concentration.The study results provided a theoretical basis for the prevention and control of coal mine gas and coal dust explosion accidents.

Key words：gas explosion；coal dust explosion；coexisting conditions；explosion limits

收稿日期：2015-07-08

基金项目：国家自然科学基金项目资助(编号：51374235；51274238)；中煤科工集团重庆研究院有限公司自立科研开发项目资助(编号：2013YBXM14)

作者简介：王磊(1983-)，男，助理研究员，硕士。E-mail：Clear8023@163.com。

中图分类号：TD12

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)04-0087-04