不同煤种对瓦斯煤尘爆炸影响的实验研究

景国勋，邵泓源，吴昱楼，郭绍帅，刘 闯，张胜旗

（1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作454000；2.安阳工学院，河南 安阳455000）

大多数煤矿爆炸事故中均有煤尘的参与，煤尘的参与使得爆炸的破坏力更强，从而造成更多的人员伤亡和财产损失，严重威胁煤矿的安全生产和煤矿工人的生命安全[1]。Klemens R 等人[2]在竖起的管道内对贫燃煤的燃烧爆炸火焰结构进行了相关研究；Cashdollar K L[3]主要针对瓦斯煤尘复合条件下的点火能量进行了实验研究；Kundu S K 等[4]在球形管道连通容器内研究了点火能量、管道长度对混合爆炸特性的影响；1878 年，Weber 教授首次指出了粉尘粒子间作用力对爆炸的影响，拉开了世界粉尘爆炸研究的序幕。目前国内外学者对瓦斯煤尘混合爆炸传播规律的研究已经较为广泛[5-15]，但对于半封闭空间条件下的实验研究比较少，因此对半封闭管道内煤尘浓度以及煤尘种类对爆炸产生的火焰进行研究，分析瓦斯煤尘混合物在半封闭管道内的变化规律，实验结论对煤矿瓦斯煤尘爆炸传播规律的研究以及为今后矿井瓦斯煤尘爆炸的预防及应急救援提供科学依据。

1 实验系统组成及条件

1.1 实验系统的组成

实验装置如图1，实验平台是由爆炸管道、传播管道、喷尘系统、点火系统、配气系统、数据采集系统、高速摄像图像采集系统等组成。爆炸管道采用的是120 mm×120 mm×500 mm 的透明有机玻璃，有机玻璃可承受最大爆炸压力为2 MPa，在管道的顶端用PVC 薄膜和橡胶垫进行密封；传播管道为120 mm×120 mm×1 000 mm 的透明有机玻璃，方便观察拍摄火焰；喷尘系统位于爆炸管的底部，由锥形喷嘴、碗状储粉器和扬粉系统组成；点火系统由HEI19系列的高热能点火器、点火电极组成，点火电压为6 kV；配气系统是由甲烷和空气气瓶组成，通过安装在通气管路上2 个Alicat 质量流量控制器来调节通气管道中的气体流速；数据采集系统是由MD-HF高频动态压力传感器、USB-1608FS 数据采集卡和同步控制器组成；高速摄像图像采集系统由是High Speed Star 4G 高速摄像机、图像控制器和高速计算机组成，高速摄像机的拍摄速度可达2 000 幅/s。

图1 实验系统Fig.1 Experimental system diagram

1.2 实验条件

主要研究内容是半封闭管道内煤尘浓度以及不同煤种对混合物爆炸的影响规律，实验系统及方案采用的是爆炸管道和传播管道连接而成，管道连接处使用PVC 薄膜和橡胶垫进行隔离与密封，在实验开始前的通气阶段，下部的管道处于封闭的阶段，上部的管道始终是顶端开口的形式，形成了一种半封闭的形式。

实验中使用的3 种煤尘试样分别为褐煤、烟煤和无烟煤，煤粉的工业分析见表1。3 种煤样经筛分（200 目（75 μm）标准筛）制样后用于实验，使用的煤尘质量浓度依次设为25、50、100、200 g/m3，瓦斯浓度依次为7%、8%、9%。为了保证喷粉时能让煤粉充分在管道中均匀分布，且不接触薄膜，同时考虑到形成的粉尘云在沉降过程中不会接触到管道底端，经过多次试验，确定喷粉压力为0.3 MPa，点火延时时间为100 ms。

实验环境温度为17～20 ℃，空气相对湿度RH为40%～60%，每组实验进行3 次，选取实验效果较优的组分。在实验开始的时候，首先将称量好的煤尘放入碗状储粉器，打开实验装置的进气口与排气口，采取4 倍体积通入预混气的方法来排尽管道中的原有气体[16]，通过设置2 个质量流量控制器的参数，来调节通入空气与甲烷气体的质量，为了排尽管道内的原有气体同时保证爆炸管道内的甲烷浓度趋于稳定，通入预混气的时间每次保持在6 min，然后关闭进气口与排气口的阀门，最后利用同步控制器控制喷粉和启动点火，随后触发高速摄像机和压力传感器，开始采集数据，爆炸结束后清洗系统，进行下一次实验。利用origin2017 软件来处理数据结果，进行下一步的分析研究。

表1 煤粉的工业分析Table 1 Industrial analysis of pulverized coal

2 实验结果

2.1 火焰传播速度变化趋势

对实验结果进行了分析，褐煤、烟煤、无烟煤爆炸火焰传播速度的变化趋势分别如图2、图3 和图4，同时分析了纯瓦斯爆炸的火焰传播速度数据，当瓦斯浓度为7%时，火焰传播速度为116.1 m/s；当瓦斯浓度为9%时，火焰传播速度为147.2 m/s；当瓦斯浓度为11%时，火焰传播速度达到135.4 m/s。

图2 褐煤爆炸火焰传播速度的变化趋势Fig.2 Variation trend of flame propagation velocity in lignite explosion

图3 烟煤爆炸火焰传播速度的变化趋势Fig.3 Variation trend of flame propagation velocity in explosive of bituminous coal

图4 无烟煤爆炸火焰传播速度的变化趋势Fig.4 Variation trend of flame propagation velocity in anthracite explosion

实验所选煤尘浓度依次为25、50、100、200 g/m3，瓦斯浓度依次为7%、9%、11%。从图2、图3 和图4中可以看出，瓦斯煤尘爆炸火焰传播速度随着煤尘浓度的增加呈现先上升后下降的趋势，且存在1 个最佳的煤尘浓度和瓦斯浓度，即当瓦斯浓度为9%，煤尘浓度为50 g/m3的时候火焰传播速度最大；当瓦斯浓度超过最佳浓度时，火焰传播速度开始下降，这是因为参与的瓦斯含量过多，导致系统内的氧浓度下降，部分煤尘无法参与爆炸，从而使火焰速度下降；当煤尘浓度超出最佳浓度时，由于系统内氧气量是固定的，所以化学计量比燃料质量也是一定的，当煤尘浓度过大时，导致较多的煤尘不能充分燃烧，所以火焰速度也会下降。通过对没有煤尘参与的纯瓦斯爆炸实验进行对比发现，当加入一定量的煤尘，可以提高爆炸的火焰传播速度，这就说明煤尘在瓦斯爆炸过程中有着促进的作用，这是因为瓦斯爆炸时放出热量，提高了煤尘的氧化速度，使得系统内的总热量变大，所以煤尘的参与提高了爆炸的火焰传播速度。

2.2 火焰传播速度与最大爆炸压力变化趋势

通过以上分析得知：瓦斯煤尘爆炸火焰传播速度存在1 个最佳的瓦斯，即当瓦斯浓度为9%，使得火焰传播速度最大。因此选择最佳的瓦斯浓度，对不同煤种的火焰传播速度进行研究，不同煤种的爆炸火焰传播速度变化趋势如图5；为了进一步研究煤尘浓度对混合物爆炸的影响，同时根据前人的研究，瓦斯煤尘混合爆炸，瓦斯最佳爆炸浓度为9%，故选择最佳的瓦斯浓度，研究煤尘浓度和煤尘种类对混合物爆炸最大压力的影响，不同煤种的最大爆炸压力变化趋势如图6。

图5 不同煤种的爆炸火焰传播速度变化趋势Fig.5 The variation trend of flame propagation velocity in different coal types

图6 不同煤种的最大爆炸压力变化趋势Fig.6 The variation trend of maximum explosion pressure of different types of coal

由图5 可以看出，当煤尘浓度相同的情况下，不同煤种与瓦斯浓度为9%的混合物爆炸的火焰传播速度依次按照褐煤、烟煤、无烟煤减少。这种情况的发生是因为，当瓦斯浓度相同时，瓦斯参与爆炸时所放出的热量是一定的，煤尘粒子在加热的情况下所释放出的挥发分也是一定的；当煤尘浓度相同时，煤尘参与爆炸需要需要的氧气量是一定的，影响爆炸火焰传播速度的主要原因是煤尘在加热情况下释放出的可燃气量，即煤种的挥发分的含量。挥发分越大，瓦斯煤尘爆炸火焰传播速度也就越大。经过对煤尘的工业分析可以看出，褐煤的挥发分含量是最大的，烟煤次之，无烟煤最小，故褐煤的爆炸火焰传播速度最大，无烟煤最小。

由图6 可以看出，褐煤、烟煤、无烟煤在相同瓦斯浓度的条件下，最大爆炸压力均随着煤尘浓度的增加呈先上升后下降的趋势，均存在着1 个最佳煤尘浓度，使爆炸压力达到最大。褐煤的最大爆炸压力对应的煤尘浓度为58 g/m3，烟煤的最大爆炸压力对应的煤尘浓度为63 g/m3，无烟煤的最大爆炸压力对应的煤尘浓度为70 g/m3。最大爆炸压力按褐煤、烟煤、无烟煤依次降低，造成这种现象的原因是由煤种的挥发分导致的，煤种挥发分按褐煤、烟煤、无烟煤依次降低。由此可见挥发分对瓦斯煤尘混合爆炸的火焰传播速度和最大爆炸压力都有着重大的影响。

2.3 火焰面变化趋势

通过高速摄像机可以更加直观的捕捉到火焰面在管道内传播的过程，从实验数据中选取较为明显的3 组，50 g/m3煤尘浓度爆炸火焰面变化趋如图7，不同煤种爆炸火焰面变化趋势如图8，9%瓦斯浓度爆炸火焰面变化趋势如图9。

图7 50 g/m3 煤尘浓度爆炸火焰面变化趋势Fig.7 Variation trend of flame surface of 50 g/m3 coal dust concentration explosion

图8 不同煤种爆炸火焰面变化趋势Fig.8 Variation trend of explosive flame surface of different types of coal

图9 9%瓦斯浓度爆炸火焰面变化趋势Fig.9 Variation trend of 9% gas concentration explosion flame surface

根据上述的研究表明，瓦斯煤尘混合爆炸的最佳煤尘浓度为50 g/m3，故选用最佳煤尘浓度来研究不同瓦斯浓度对混合物爆炸火焰面传播的影响（图7），其中选用的煤种为烟煤，选取时间为爆炸60 ms后，图中从左至右依次为7%瓦斯浓度、9%瓦斯浓度和11%瓦斯浓度，可以看出，火焰的发光强度按瓦斯浓度9%、11%、7%依次递减，当瓦斯浓度为9%的时候，火焰面传播长度最长，爆炸强度较大，火焰传播速度最快。

选取瓦斯煤尘爆炸的最佳瓦斯浓度和煤尘浓度来进一步研究褐煤、烟煤、无烟煤3 种煤种的区别，选取时间为爆炸60 ms 后，图8 中从左至右依次为无烟煤、烟煤、褐煤。可以看出，火焰发光强度按褐煤、烟煤、无烟煤依次递减，且褐煤的火焰面长度最长，无烟煤的火焰面长度最短，从而进一步证明了挥发分对爆炸火焰传播具有重要的影响。

瓦斯煤尘爆炸的最佳瓦斯浓度为9%，选用最佳的瓦斯浓度来研究煤尘浓度对混合物爆炸火焰面传播的影响，图9 中从左至右煤尘浓度依次为20、50、100、200 g/m3，可以看出，火焰的发光强度按50、100、20、200 g/m3依次递减，且当煤尘浓度50 g/m3的时候，火焰面长度最长，煤尘浓度为200 g/m3的时候，火焰面长度最短，进一步证明了煤尘的加入增强了混合物的爆炸强度，提高了火焰的传播速度。

3 结 论

1）瓦斯煤尘爆炸火焰传播速度随着煤尘浓度的增加呈先上升后下降的趋势，且存在着一个最佳的瓦斯浓度9%和煤尘浓度50 g/m3使爆炸的火焰传播速度达到最大，当瓦斯浓度和煤尘浓度超出或者低于这个最佳浓度，火焰传播速度就会下降。

2）瓦斯煤尘爆炸火焰传播速度和最大爆炸压力按褐煤、烟煤、无烟煤依次递减，这是因为褐煤的挥发分最高，烟煤次之，无烟煤最低。

3）当煤尘浓度一定时，火焰的发光强度和火焰面长度按瓦斯浓度为9%、11%、7%依次递减；当瓦斯浓度一定时，火焰的发光强度和火焰面长度按煤尘浓度为50、100、20、200 g/m3依次递减；当瓦斯和煤尘浓度都一定时，火焰发光强度和火焰面长度按褐煤、烟煤、无烟煤依次递减。