王　磊，李潤之

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

瓦斯、煤塵共存條件下爆炸極限變化規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

王磊，李潤之

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

摘要：采用20L近球形爆炸特性測(cè)試系統(tǒng)對(duì)瓦斯、煤塵共存條件下爆炸極限變化規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)：在本實(shí)驗(yàn)條件下，煤塵的爆炸下限濃度隨瓦斯?jié)舛鹊脑黾佣饾u下降，純煤塵時(shí)的爆炸下限濃度是28.4g/m3，當(dāng)加入1.70%濃度瓦斯時(shí)，煤塵爆炸下限濃度下降到7.8g/m3，且煤塵爆炸下限與瓦斯?jié)舛瘸手笖?shù)函數(shù)關(guān)系變化；瓦斯的爆炸極限隨煤塵濃度的增加發(fā)生改變，且與煤塵濃度呈不同的指數(shù)函數(shù)關(guān)系；純瓦斯的爆炸上限為15.8%，而加入100g/m3的煤塵后瓦斯的爆炸上限下降到了12.8%；瓦斯的爆炸下限隨煤塵濃度的增加逐漸下降，純瓦斯的爆炸下限為5.10%，而加入100g/m3的煤塵后瓦斯的爆炸下限下降到了3.1%。研究結(jié)果為煤礦井下瓦斯煤塵爆炸事故的防治提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：瓦斯爆炸，煤塵爆炸，共存條件，爆炸極限

瓦斯爆炸事故造成的破壞巨大，并且可能引起煤礦井下沉積煤塵參與爆炸，造成更大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。瓦斯、煤塵共存條件下的反應(yīng)過程非常復(fù)雜，二者單獨(dú)反應(yīng)，同時(shí)又相互影響[1-3]。爆炸極限是爆炸的重要特征參數(shù)，處于極限濃度范圍內(nèi)的瓦斯、煤塵才能夠發(fā)生爆炸。國內(nèi)外學(xué)者通過研究得出了瓦斯煤塵復(fù)合體系爆炸下限比純煤塵或純甲烷在空氣中測(cè)試結(jié)果相對(duì)降低，對(duì)應(yīng)得到的爆炸壓力增大[4-5]，粉塵的最小點(diǎn)火能量會(huì)隨著可燃?xì)怏w的混入而降低[6-7]。這些工作主要針對(duì)瓦斯對(duì)煤塵的影響開展研究，但對(duì)于瓦斯煤塵共存條件下二者的相互影響研究較少。因此，研究瓦斯、煤塵共存條件下爆炸極限變化規(guī)律將為煤礦井下瓦斯煤塵爆炸事故的防治提供理論依據(jù)。

1理論分析

瓦斯煤塵爆炸一直是危害煤礦安全生產(chǎn)的重要因素，目前國內(nèi)外對(duì)于瓦斯煤塵共存爆炸機(jī)理的理論研究較少。僅有少量學(xué)者對(duì)氣體粉塵共存情況下粉塵的爆炸下限進(jìn)行了研究，認(rèn)為粉塵-空氣混合物中如果含有可燃?xì)?，則爆炸下限隨可燃?xì)鉂舛鹊脑黾蛹眲∠陆?。國外學(xué)者根據(jù)研究總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，如混合物爆炸下限的下降可根據(jù)弗·巴爾特克納西特公式(式(1)計(jì)算。

(1)

式中：E為雜混合物中粉塵爆炸下限，g/m3；El為粉塵爆炸下限，g/m3；E2為可燃?xì)獗ㄏ孪蓿?；C為可燃?xì)鉂舛龋?。

式(1)涵蓋了多種粉塵，對(duì)爆炸下限的下降趨勢(shì)有較好的反應(yīng)。下文會(huì)對(duì)瓦斯、煤塵、空氣混合物的爆炸下限進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并與公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

采用20L近球形爆炸特性測(cè)試系統(tǒng)開展實(shí)驗(yàn)研究。該系統(tǒng)由爆炸罐體、噴塵系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、真空配氣系統(tǒng)以及除塵裝置六大部分組成?？捎糜跍y(cè)試氣體、粉塵以及氣體粉塵混合物的爆炸極限、爆炸壓力和爆炸壓力上升速率。其中，爆炸罐體為20L近球形容器，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度按爆炸過程中可能出現(xiàn)的最大爆炸壓力設(shè)計(jì)；粉塵噴塵系統(tǒng)由粉塵儲(chǔ)存?zhèn)}、0.6L噴粉高壓氣室、快速電磁閥和連接管路組成，整個(gè)系統(tǒng)完全密閉；點(diǎn)火系統(tǒng)主要由點(diǎn)火火花桿、點(diǎn)火藥頭組成，并且與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，點(diǎn)火的同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

2.2點(diǎn)火能量的選擇

點(diǎn)火系統(tǒng)的主要功能是保證試驗(yàn)時(shí)可燃?xì)怏w或粉塵能夠有效起爆。通常在常溫和標(biāo)準(zhǔn)壓力下測(cè)定甲烷的爆炸極限值采用10J的化學(xué)點(diǎn)火源[8]。煤塵的最小點(diǎn)火能量遠(yuǎn)高于甲烷，測(cè)定煤塵的爆炸極限時(shí)采用總能量為10KJ的化學(xué)點(diǎn)火源[9]。

2.3實(shí)驗(yàn)判據(jù)

判斷瓦斯是否發(fā)生爆炸的準(zhǔn)則參考美國標(biāo)準(zhǔn)ASTME918的規(guī)定，即點(diǎn)火后壓力升高7%或以上作為發(fā)生爆炸的判斷依據(jù)。爆炸極限實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法參照GB/T12474-2008和美國標(biāo)準(zhǔn)ASTME681，利用漸近法測(cè)試甲烷在空氣中的爆炸極限。

煤塵爆炸下限可以參照GB/T16425-1996 《粉塵云爆炸下限濃度測(cè)定方法》進(jìn)行測(cè)定。

3瓦斯?jié)舛葘?duì)煤塵爆炸下限影響研究

3.1實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果

在常溫、常壓條件下，運(yùn)用10KJ化學(xué)點(diǎn)火源，對(duì)純煤塵爆炸下限濃度(瓦斯?jié)舛葹? %)、低濃度瓦斯(瓦斯?jié)舛葹?.6%、1.0%、1.2%、1.5%、1.7%)參與條件下煤塵爆炸下限濃度進(jìn)行了測(cè)量，并根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

3.2結(jié)果分析

瓦斯?jié)舛葘?duì)煤塵爆炸下限的影響情況見圖1。

對(duì)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到了煤塵爆炸下限(y)和瓦斯?jié)舛?x)間的關(guān)系式，如式(2)所示。

(2)

式中擬合函數(shù)(2)中各參數(shù)的意義及數(shù)值見表2。

表1　不同濃度瓦斯參與條件下煤塵爆炸下限濃度

圖1　瓦斯?jié)舛葘?duì)煤塵爆炸下限的影響情況

參數(shù)A1t1R2下限35.907-0.27430.969

從圖2和式(2)可知，煤塵的爆炸下限濃度隨瓦斯?jié)舛鹊脑黾佣档?，且煤塵爆炸下限與瓦斯?jié)舛瘸手笖?shù)函數(shù)關(guān)系變化。在純煤塵條件下爆炸下限濃度較高，加入瓦斯后煤塵爆炸下限濃度下降的幅度明顯。純煤塵時(shí)的爆炸下限濃度是28.4g/m3，當(dāng)加入1.7% 濃度瓦斯時(shí)，煤塵爆炸下限濃度下降到7.8g/m3，也就是說在這樣的瓦斯?jié)舛认拢瑑H需極少量的煤塵就能被點(diǎn)爆。

另外，通過對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值，我們發(fā)現(xiàn)：當(dāng)瓦斯?jié)舛取?%時(shí)，實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值較為接近；當(dāng)瓦斯?jié)舛?1%時(shí)，二者差別較大；計(jì)算值要高于實(shí)驗(yàn)值。這可能和瓦斯的參與程度有關(guān)，當(dāng)瓦斯?jié)舛取?%時(shí)，瓦斯?jié)舛葘?duì)煤塵爆炸下限濃度影響較小，爆炸下限主要由煤塵自身影響；當(dāng)瓦斯?jié)舛?1%時(shí)，瓦斯?jié)舛葘?duì)煤塵爆炸下限濃度影響逐漸增大，此時(shí)爆炸下限主要由參與的瓦斯影響。因此弗·巴爾特克納西特公式能夠反映爆炸下限濃度的下降趨勢(shì)，但與本實(shí)驗(yàn)條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果無法很好的吻合。

4煤塵濃度對(duì)瓦斯爆炸極限影響研究

4.1實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果

在常溫、常壓條件下，運(yùn)用10J化學(xué)點(diǎn)火源，對(duì)純瓦斯爆炸極限、不同濃度煤塵(煤塵濃度為10g/m3、20g/m3、30g/m3、50g/m3、80g/m3、100g/m3)參與條件下瓦斯爆炸極限進(jìn)行了測(cè)試，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3　不同濃度煤塵參與條件下瓦斯爆炸極限濃度

4.2煤塵濃度對(duì)瓦斯爆炸上限影響研究

煤塵濃度對(duì)瓦斯爆炸極限的影響情況如圖3所示。

從圖3可以看出，在有煤塵參與的條件下，瓦斯的爆炸上限和爆炸下限均隨煤塵濃度的增加逐漸下降。在本實(shí)驗(yàn)條件下，純瓦斯的爆炸下限為15.8%，而加入100g/m3的煤塵后瓦斯的爆炸下限下降到了12.8%；純瓦斯的爆炸下限為5.11%，而加入100g/m3的煤塵后瓦斯的爆炸下限下降到了3.1%。

對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到了瓦斯爆炸極限(y)和煤塵濃度(x)間的關(guān)系式，如式(3)所示。

y=A1*exp(-x/t1)+y0，0

(3)

其中擬合函數(shù)(3)中各參數(shù)的意義及數(shù)值見表4。

圖3　煤塵濃度對(duì)瓦斯爆炸極限的影響情況

參數(shù)y0A1t1R2上限21.832-6.077-251.150.996下限4.992-0.006-1.23412E-40.991

5瓦斯、煤塵共存體系爆炸極限影響分析

通過上述工作，我們實(shí)驗(yàn)研究了瓦斯?jié)舛葘?duì)煤塵爆炸下限的影響、煤塵濃度對(duì)瓦斯爆炸極限的影響規(guī)律。在瓦斯、煤塵共存的復(fù)合體系中，一方濃度的改變對(duì)另一方的爆炸極限有很大的影響。

其中，瓦斯的存在會(huì)降低煤塵的爆炸下限，這和我們依靠經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為的規(guī)律一致。瓦斯的存在對(duì)煤塵爆炸下限濃度的影響有它內(nèi)在的原因。在煤塵爆炸下限濃度附近，煤塵濃度較低，化學(xué)反應(yīng)處于富氧狀態(tài)；加入瓦斯后反應(yīng)消耗的氧含量不影響煤塵氧化反應(yīng)所需要的氧濃度，具備煤塵和瓦斯全部氧化反應(yīng)所需的含氧條件。而瓦斯參與反應(yīng)又放出熱量，有助于煤塵的著火，因此表現(xiàn)出爆炸下限濃度降低。

煤塵的存在會(huì)降低瓦斯的爆炸下限，這也和我們依靠經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為的規(guī)律一致。這主要是因?yàn)椋涸诨瘜W(xué)點(diǎn)火源附件的煤塵周圍充滿了低濃度的瓦斯氣體，點(diǎn)火時(shí)瓦斯首先被點(diǎn)燃，產(chǎn)生足夠多的化學(xué)反應(yīng)自由基和熱量使得煤塵顆粒同時(shí)被點(diǎn)燃；在爆炸下限濃度附近，化學(xué)反應(yīng)屬于富氧狀態(tài)，充足的氧氣也可以促使瓦斯、煤塵的化學(xué)反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行。

但是，在一定條件下，煤塵的存在會(huì)惰化反應(yīng)體系，使得瓦斯爆炸上限呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，這就和我們的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律完全相反，主要原因有以下兩個(gè)方面。①瓦斯爆炸上限濃度附近屬于負(fù)氧環(huán)境，當(dāng)有煤塵存在時(shí)，點(diǎn)火后煤塵會(huì)吸收大量的熱量，并受熱析出可燃?xì)怏w繼續(xù)參與反應(yīng)；所以煤塵的加入使得氧氣濃度進(jìn)一步降低，瓦斯爆炸上限也會(huì)隨之降低。②本次實(shí)驗(yàn)使用10J化學(xué)點(diǎn)火源，通過前期的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件下10J點(diǎn)火能量不足以點(diǎn)燃煤塵發(fā)生爆炸。所以，煤塵雖然是可燃粉塵，但在負(fù)氧條件下，煤塵在共存體系中轉(zhuǎn)變成為惰性粉塵，反而具有抑爆效果。

上述分析結(jié)果對(duì)我們煤礦的安全生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。在煤礦井下，除了對(duì)瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以外，還需要對(duì)煤塵濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因?yàn)椋簤m的存在可以使低于爆炸下限濃度的瓦斯發(fā)生爆炸，此時(shí)大家認(rèn)知的“瓦斯爆炸下限為5%”已經(jīng)失去意義。

6結(jié)論

1)在有瓦斯參與的條件下，煤塵的爆炸下限濃度隨瓦斯?jié)舛鹊脑黾佣饾u下降，且煤塵的爆炸下限與瓦斯?jié)舛瘸手笖?shù)函數(shù)關(guān)系變化。純煤塵時(shí)的爆炸下限濃度是28.4g/m3，當(dāng)加入1.7%濃度瓦斯時(shí)，煤塵爆炸下限濃度下降到7.8g/m3。

2)在有煤塵參與的條件下，瓦斯的爆炸極限會(huì)隨煤塵濃度的增加發(fā)生改變，爆炸上限下降，爆炸下限也下降，即爆炸極限的區(qū)間發(fā)生偏移；且瓦斯爆炸極限與煤塵濃度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系變化。

3)在本實(shí)驗(yàn)條件下，純瓦斯的爆炸上限為15.8%，而加入100g/m3的煤塵后瓦斯的爆炸上限下降到了12.8%；純瓦斯的爆炸下限為5.11%，而加入100g/m3的煤塵后瓦斯的爆炸下限下降到了3.1%。

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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

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：51374235；51274238)；中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司自立科研開發(fā)項(xiàng)目資助(編號(hào)：2013YBXM14)

作者簡(jiǎn)介：王磊(1983-)，男，助理研究員，碩士。E-mail：Clear8023@163.com。

中圖分類號(hào)：TD12

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)04-0087-04