不同粒径肥煤及其爆炸残留物的爆炸条件和产物分析

刘贞堂，周西方，李晓亮，洪 森，林 松，钱继发

（1.中国矿业大学 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏 徐州221116；2.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州221116）

煤尘爆炸以其显著的高温、有毒烟气、冲击波等危害特性造成大量人员伤亡、财产损失，严重威胁矿井的安全生产，我国近90%的矿井煤尘具有爆炸性，煤尘爆炸危险普遍存在[1-2]。国内外学者对煤尘爆炸进行了广泛研究，包括爆炸前后固体颗粒的灰分、挥发分等参数变化规律，粉尘浓度、环境压力对煤尘爆炸特性的影响以及爆炸固态产物的分类、爆炸气体体积分数的变化规律等[3-5]。前人的研究多集中于煤尘和固态残留物的爆炸特性参数差异，而对于二者的爆炸临界条件及爆炸产物研究较少。

1 实 验

1）实验试样。实验所用煤样为肥煤，煤样工业分析：水分0.52%，灰分30.05%，挥发分29.57%，固定碳39.86%。煤样经破碎后，用标准筛筛选出粒径为38 ～75 μm、125 ～180 μm、180 ～250 μm、250 ～425 μm、425～850 μm 的煤尘，装入自封袋中以备实验。

2）实验系统。实验所用爆炸装置为20 L 标准爆炸球，该装置由爆炸球装置本体、喷粉装置，点火装置，气压装置，集尘系统、控制系统和数据采集系统组成，20 L 球形爆炸装置如图1。

图1 20 L 球形爆炸装置Fig.1 20 L spherical explosive device

3）实验步骤。选取实验试样制备的各粒径煤尘在不同煤尘浓度、点火能量条件下，进行爆炸实验。实验分为4 组：①实验组1：点火能量为2 kJ，煤尘浓度分别为50、100、150、200 g/m3；②实验组2：煤尘浓度为50 g/m3，点火能量分别为2、5、10 kJ；③实验组3：点火能量为2 kJ，煤尘浓度分别为50、100、150、200、300 g/m3；④实验组4：煤尘浓度为50 g/m3，点火能量分别为2、5、10、15 kJ。实验时，在20 L球形爆炸装置的喷粉处放入一定质量的煤粉，再注入2 MPa 空气。用喷粉装置将煤尘吹扬起来形成煤尘云，实现煤尘混合。使用集尘系统收集各粒径煤尘爆炸后的产物，在大气环境下，进行后2 组煤尘固态残留物爆炸实验，用点火药头引燃煤尘爆炸。爆炸完成后，收集爆炸固态残留物，将其作为再次爆炸实验样品，重复上述步骤进行煤尘固态残留物爆炸实验。

2 实验结果

2.1 煤尘爆炸的临界条件

实验得到实验组1、实验组2 的煤尘爆炸实验结果，不同煤尘浓度条件下煤尘爆炸如图2，不同点火能条件下煤尘爆炸如图3。

图2 不同煤尘浓度条件下煤尘爆炸Fig.2 Coal dust explosion under different coal dust concentrations

图3 不同点火能条件下煤尘爆炸Fig.3 Coal dust explosion under different ignition energy conditions

煤尘是否发生爆炸依据其爆炸压力进行判定，一般认为，当升压超过空白实验（仅点火药头空爆）0.05 MPa 时可认为发生了爆炸。由图2 可知，随着粒径的增大，最低爆炸浓度不断增大，煤尘粒径小于75 μm 时，煤尘在实验浓度下均发生明显的爆炸行为，煤尘粒径大于125 μm 时，爆炸是否发生受煤尘浓度的影响较大。这是由于在煤尘浓度较低的情况下，大粒径的沉降速度较快，形成的悬浮粉尘云浓度比相同质量的小粒径煤尘低；此外，大粒径煤尘热阻较大，不利于煤尘粒径内部快速升温以及挥发分的析出，所以煤尘粒径就成为了爆炸行为是否发生的主要制约因素。

从图3 可以看出，在点火能量为2 kJ 时，只有粒径为38～75 μm 的煤尘发生了爆炸行为；当点火能量达到5 kJ 时，除粒径为425～840 μm 的煤尘未发生爆炸，其余粒径煤尘均发生明显的爆炸行为；点火能量升至10 kJ 时，425～840 μm 粒径的煤尘也发生了爆炸，说明大粒径煤尘在低煤尘浓度高点火能的情况下也可以发生爆炸。这是因为煤尘浓度为50 g/m3时，颗粒间隙较大，火焰增值效率低，挥发分成为制约煤尘爆炸敏感性的主要制约因素[6]。在点火能量由2 kJ 增加到5 kJ 后，增加了点火具的有效点火体积，提升了环境温度[7]，从而使煤尘颗粒的初始燃烧效率、挥发效率明显提高，火焰自增殖传播效率较为高效,进而促使大粒径煤尘发生爆炸行为。

为进一步确定不同粒径煤尘发生爆炸行为的临界值，根据实验确定煤尘爆炸临界条件，按10 g/m3的整数倍来确定实验的煤尘爆炸浓度。煤尘爆炸下限浓度往往无法通过实验准确的确定1 个值[8-9]，而是通过多组实验确定1 个大致的范围，所测煤尘爆炸下限如下：

式中：Cmin为煤尘爆炸下限；C1为至少3 次最大爆炸压力小于0.08 MPa 的压力；C2为至少3 次最大爆炸压力大于0.08 MPa 的压力。

大粒径和小粒径煤尘爆炸下限浓度分别见表1和表2。

表1 大粒径煤尘爆炸下限浓度Table 1 Lower limit concentration of large particle size coal dust explosion

表2 小粒径煤尘爆炸下限浓度Table 2 Lower limit concentration of small particle size coal dust explosion

由表1、表2 可知，大粒径和小粒径煤尘爆炸下限浓度Cmin1、C’min1分别为170 g/m3＜Cmin1＜180 g/m3，30 g/m3＜C’min1＜40 g/m3。测试结果表明：煤尘粒径对于煤粉爆炸下限浓度影响较大，与小粒径相比，大粒径煤尘爆炸下限浓度约增加了3.5～4.7 倍。

2.2 煤尘爆炸固态残留物的爆炸临界条件

实验得到实验组3、实验组4 的固态残留物爆炸实验结果，不同煤尘浓度条件下、不同点火能条件下煤尘固态残留物爆炸分别如图4、图5。

图4 不同煤尘浓度条件下煤尘固态残留物爆炸Fig.4 Explosion of solid residues of coal dust under different coal dust concentrations

图5 不同点火能条件下煤尘固态残留物爆炸Fig.5 Explosion of coal dust solid residue under different ignition conditions

由图4 可知，相对于煤尘，固态残留物的爆炸区域减少，除粒径为125～180 μm 和180～250 μm 煤尘，其余各粒径煤尘爆炸固态残留物的爆炸最低浓度均有所增加。在50 g/m3条件下，实验粒径下所有煤尘均未发生明显的爆炸行为。实验组3 数据表明：对于所有实验粒径的煤尘，煤尘爆炸产物发生爆炸的最低煤尘浓度均有所增加，爆炸危害性降低。

由图5 可知，在煤尘浓度50 g/m3，点火能量2 kJ条件下，所有粒径煤尘固态残留物均未发生爆炸；大粒径煤尘在15 kJ 的点火能量下才发生明显地爆炸行为。以上实验现象表明：煤尘粒子在发生过1次爆炸后，可爆性大大降低，在低点火能量（2 kJ）、低煤尘浓度下，即使是爆炸危害性较大的小粒径初次爆炸产物也未能发生明显的爆炸行为。随着点火能量的增加，小粒径初次爆炸产物依旧可以发生明显的爆炸行为且具有较强的爆炸危害性，而大粒径初次爆炸产物几乎失去了爆炸性。

与前文确定煤尘爆炸下限浓度的方法相同，大粒径、小粒径煤尘固态残留物爆炸下限浓度分别见表3、表4。

表3 大粒径煤尘固态残留物爆炸下限浓度Table 3 Lower explosive concentrations of solid residues in large diameter coal dust

表4 小粒径煤尘固态残留物爆炸下限浓度Table 4 Lower explosive concentration of coal dust solid residue with small particle size

由表3、表4 可知，大粒径和小粒径煤尘固态残留 物 爆 炸 下 限 浓 度Cmin2、C’min2分 别 为240 g/m3＜Cmin2＜250 g/m3、70 g/m3＜C’min2＜80 g/m3。煤尘粒径对于煤尘固态残留物爆炸下限浓度影响较大，与小粒径相比，大粒径煤尘固态残留物爆炸下限浓度约增加了2.1～2.4 倍。此外，无论粒径大小，煤尘固态残留物爆炸下限浓度相对于煤尘爆炸下限浓度都有不同幅度的增加。

2.3 爆炸产物的扫描电镜与能谱

基于热爆炸理论，Krazinski 等[10]实验证实不同的粉尘爆炸动力学过程会导致固体爆炸产物的表面结构差异。分析爆炸产物结构可以为粒径对煤尘及其爆炸残留物的影响提供一定的有效信息，因而对原煤和固态残留物、残留物的爆炸产物分别做扫描电镜（SEM）和能谱（EDS）分析，不同粒径煤尘和固态残留物爆炸产物扫描电镜图、能谱图分别如图6、图7。

图6 不同粒径煤尘和固态残留物爆炸产物扫描电镜图Fig.6 Scanning electron microscopy of explosive products of coal dust and solid residues of different particle sizes

由图6 可知，大粒径煤尘初次爆炸产物燃烧不完全，同时存在部分燃烧和未燃烧颗粒，絮状结构孔洞结构发育不完全；其固态残留物的爆炸产物中未反应颗粒大量降低，絮状结构以及孔隙结构进一步发展，但颗粒破碎程度仍然较低。相较于大粒径煤尘，小粒径煤尘爆炸产物燃烧程度进一步加深，颗粒出现腔体结构，存在大量的孔洞；而其固态残留物的爆炸产物进一步破碎，且腔体壁厚减小，孔洞发育更加完全。不同粒径煤尘爆炸产物扫描电镜图直观的说明了大小粒径爆炸参数差异的原因，煤尘爆炸条件的不同是由自身性质颗粒粒径的大小决定的。

图7 不同粒径煤尘和固态残留物爆炸产物能谱图Fig.7 Energy spectra of different particle size coal dust and solid residue explosion products

爆炸固体产物主要元素（C、O、Si）的分布规律如图7，图中不同颜色代表不同元素，区域亮点数量越多、富集越明显表示该元素含量越多。由图7 可知：原煤、煤尘固态残留物的爆炸固体产物中C、O元素的空间分布较为均匀，呈现点状分布；而Si 元素呈现块状分布。此外，对比分析C、O 能谱图可以发现，C、O 元素分布区域出现重合现象，这表明该区域可能是碳氧化物。与大粒径及其固态残留物的爆炸产物相对比，小粒径煤尘及其固态残留物的爆炸产物中O、Si 区域的分布面积更大元素的含量更多，而C 元素含量相对较少。

Si 元素含量的增加主要是因为随着反应的进行，碳元素以氧化气体以及烃类气体的形式扩散至空气中，从而使爆炸固体产物中碳元素含量大量下降，而Si 形成的化合物无法以气体扩散至空气中，而是以固体的形式存在于爆炸产物中，从而使这些元素的相对含量增加。O 元素含量增多是因为，原煤发生爆炸反应时存在大量未反应粒子，随着反应的进行，固态残留物爆炸时煤尘颗粒的孔隙结构不断发展，从而给空气中的氧气更多的机会进入颗粒内部形成金属和非金属氧化物。而这些化合物最终以灰分的形式存在于爆炸产物中[11]，从而导致氧含量的增加。碳元素含量的降低，氧含量的增加都表明小粒径煤尘的反应更充分。

3 结 论

1）随着煤尘粒径的减少，煤尘及其爆炸固态残留物发生爆炸所需的反应条件（煤尘浓度、点火能量）同步降低；所有实验粒径的煤尘，其爆炸固态残留物的爆炸危害性降低。

2）煤尘粒径对于煤粉、固态残留物爆炸下限浓度影响较大，大粒径煤尘及爆炸固态残留物爆炸下限 浓 度Cmin1、Cmin2分 别 为170 g/m3＜Cmin1＜180 g/m3，240 g/m3＜Cmin2＜250 g/m3；小粒径煤尘及其爆炸固态残留物的爆炸下限浓度C’min1、C’min2分别为30 g/m3＜C’min1＜40 g/m3，70 g/m3＜C’min2＜80 g/m3。

3）大粒径煤尘及其爆炸固态残留物的爆炸产物均未出现腔体结构，颗粒完整性较好；小粒径煤尘及其爆炸固态残留物的固体产物燃烧更加充分，孔洞腔体结构发育完全，颗粒破碎程度大。小粒径煤尘及其固态残留物的爆炸产物O、Si 2 种元素的含量较高而C 元素含量较低。