裴蓓，徐夢嬌，韋雙明，郭佳琪，李世梁，胡紫維

（1 河南理工大學(xué)煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)作中心，河南 焦作 454003；2 河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003）

引 言

煤炭是我國的主體能源，2021 年國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的中國統(tǒng)計(jì)年鑒顯示：2020 年煤炭在國家能源消費(fèi)中占比56.8%[1]。然而在煤炭開采過程中，瓦斯∕煤塵爆炸往往會(huì)造成大量的人員傷亡和巨大的財(cái)產(chǎn)損失。石墨粉由于揮發(fā)分含量極低，對比研究甲烷∕石墨粉和甲烷∕煤粉的爆炸特性有助于深入理解揮發(fā)分對甲烷∕煤粉等氣粉兩相體系爆炸特性的影響。

在甲烷∕石墨粉爆炸特性研究方面，Torrado 等[2]研究了甲烷氣體和石墨粉顆粒氣粉兩相混合體系的爆炸危險(xiǎn)性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)甲烷的濃度較低時(shí)，石墨粉的加入能將兩相體系的爆炸超壓提高約10%。Denkevits 等[3-4]發(fā)現(xiàn)：石墨粉的粒徑對體系的爆炸特性有重要影響，且初始粒徑的大小對石墨粉的爆炸特性有著明顯影響。Kosinski 等[5]對石墨粉顆粒和氣體兩相混合物爆炸嚴(yán)重程度的研究表明：當(dāng)納米級石墨粉的質(zhì)量濃度較低時(shí)，兩相體系的爆炸嚴(yán)重程度較高。王景偉等[6]對墨粉在不同升溫速率下燃燒熱失重的分析研究表明：墨粉一旦達(dá)到著火點(diǎn)燃燒劇烈，燃燒過程處在動(dòng)力區(qū)的時(shí)間較短。吳月浩等[7-8]發(fā)現(xiàn)墨粉爆炸指數(shù)較大，最大爆炸指數(shù)可達(dá)27.28 MPa·m∕s，爆炸下限較低，墨粉的著火敏感性較高，爆炸危險(xiǎn)等級高。

甲烷∕煤粉爆炸特性研究方面，畢明樹等[9]針對甲烷-煤塵共存的爆炸威力展開了研究，結(jié)果表明：甲烷的加入使得煤塵∕空氣復(fù)合體系的爆炸下限顯著下降，壓力峰值升高。裴蓓等[10-11]使用有機(jī)玻璃管道研究了甲烷∕煤塵復(fù)合體系火焰的傳播特性，表明當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)接近當(dāng)量比時(shí)，兩相體系的爆炸超壓和爆炸壓力上升速率明顯增加，到達(dá)壓力峰值的時(shí)間縮短，且火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@上升。曲志明等[12]通過水平燃燒爆炸管道闡明了甲烷∕煤塵混合體系的爆炸特征。陳東梁等[13-14]對管道內(nèi)甲烷∕煤塵復(fù)合體系火焰的研究發(fā)現(xiàn)，隨著火焰?zhèn)鞑ミ^程的發(fā)展，煤粉顆粒逐漸參與燃燒，形成了甲烷∕煤塵復(fù)合火焰。王曉彬等[15]借助20 L 球?qū)淄楱M煤塵復(fù)合體系的爆炸特性研究發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)火延遲時(shí)間較長時(shí)，能夠顯著降低甲烷∕煤塵復(fù)合體系的最大壓升速率。李慶釗等[16]認(rèn)為，隨粉塵質(zhì)量濃度的增加，瓦斯∕煤粉的爆炸超壓及超壓上升速率均呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢；加入少量的瓦斯，使得復(fù)合體系的爆炸危險(xiǎn)性增加。李潤之等[17]研究表明，隨著瓦斯?jié)舛鹊脑黾?，煤塵的爆炸下限呈指數(shù)衰減；瓦斯?jié)舛却嬖谀撑R界點(diǎn)，高于此臨界點(diǎn)，復(fù)合體系爆炸過程中瓦斯起主導(dǎo)作用，表現(xiàn)為“強(qiáng)瓦斯”性。司榮軍等[18]發(fā)現(xiàn)當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)大于最佳爆炸體積分?jǐn)?shù)時(shí)，煤塵對瓦斯爆炸壓力和壓力上升速率有抑制作用。王博等[19]借助Fluent 數(shù)值模擬軟件來研究煤塵粒徑對甲烷∕煤塵爆炸的影響，結(jié)果表明在大小顆?；旌系膹?fù)合爆炸中，最大爆炸壓力一直處于一個(gè)范圍之間，并且混合煤塵中小顆粒粒徑越小，最大爆炸壓力、火焰?zhèn)鞑ニ俣仍酱蟆?/p>

此外，宋佰超等[20-25]研究了煤粉的揮發(fā)分對甲烷∕煤塵兩相體系爆炸特性的影響，結(jié)果表明，煤粉的揮發(fā)分含量越大，其最低點(diǎn)火溫度越高，爆炸越容易進(jìn)行，揮發(fā)分是影響煤塵爆炸特性的首要因素；煤塵的揮發(fā)分含量與其爆炸下限呈反比的關(guān)系，與爆炸超壓峰值、爆炸壓升速率峰值呈正比關(guān)系。

綜上所述，當(dāng)前關(guān)于甲烷∕石墨粉爆炸的研究比較少，現(xiàn)有的研究主要集中在石墨粉的質(zhì)量濃度對爆炸特性的影響方面，然而隨著石墨粉在核能與新能源等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，石墨粉與可燃性氣體的混合物的爆炸危險(xiǎn)性不可忽視，甲烷∕石墨粉等氣粉兩相體系的爆炸特性研究存在很大的空間。另外，現(xiàn)有文獻(xiàn)雖然開展了揮發(fā)分對不同煤種∕甲烷爆炸特性的影響研究，然而由于石墨是高變質(zhì)無煙煤在高溫、高壓環(huán)境下持續(xù)脫氧去氫的產(chǎn)物，揮發(fā)分含量低且含碳量高，系統(tǒng)對比研究甲烷∕石墨粉和甲烷∕煤粉爆炸特性的異同，可深入了解揮發(fā)分對氣粉混合物爆炸過程的影響。

為此，本文開展了甲烷濃度、粉塵的質(zhì)量濃度和粒徑對甲烷∕石墨粉和甲烷∕煤粉兩相體系爆炸壓力峰值、壓升速率峰值、爆燃指數(shù)、火焰發(fā)展速度等爆炸特性參數(shù)的影響研究，并對比了爆炸前后粉體工業(yè)分析和微觀結(jié)構(gòu)變化，分析揮發(fā)分對兩種氣粉兩相體系爆炸特性的影響，以期為甲烷∕煤粉、甲烷∕石墨粉等氣粉混合物爆炸事故防治提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方案

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文的實(shí)驗(yàn)在20 L 球爆炸特性測試系統(tǒng)內(nèi)完成，主要由20 L 球形爆炸罐體、自動(dòng)噴粉系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、紋影儀和高速攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示。20 L 球形爆炸罐體為雙層球形結(jié)構(gòu)，隔層可通入恒溫水使球體內(nèi)部溫度恒定；球體的耐壓能力可達(dá)2.0 MPa，頂部為可拆卸法蘭蓋。自動(dòng)噴粉系統(tǒng)包括粉塵倉(容積為0.6 L)、電磁閥、快速攪拌器，由計(jì)算機(jī)控制完成噴粉。實(shí)驗(yàn)采用電火花點(diǎn)火，點(diǎn)火電極由兩根鎢絲組成，點(diǎn)火位置位于球體中心。配氣系統(tǒng)包括真空泵和高壓氣瓶。高速攝像機(jī)配合紋影儀來完成對球體內(nèi)爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^程的實(shí)時(shí)拍攝。高速攝像機(jī)型號為Speed Sense VEO 710，像素設(shè)置為1280×800，拍攝頻率為6000 幀∕秒。紋影儀型號為CQW 300，主要由光源、狹縫、小反射鏡、主反射鏡和刀口組成。壓力傳感器為型號PMC131G，量程為-0.1～2.0 MPa，精度為0.1%。兩個(gè)高頻壓力傳感器分別安裝在球形爆炸罐體側(cè)壁面和粉塵倉壁面，用來采集球形罐體內(nèi)的壓力和粉塵倉的壓力，并通過無線傳輸系統(tǒng)將采集到的壓力數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置平臺(tái)通過無線傳輸設(shè)備由計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

實(shí)驗(yàn)主要步驟如下：實(shí)驗(yàn)開始之前調(diào)試設(shè)備使之處于正常的工作狀態(tài)；用高精度電子天平稱取相應(yīng)質(zhì)量的石墨粉或煤粉，加入粉塵倉，對粉塵倉加壓至2.1MPa。啟動(dòng)真空泵，將球體內(nèi)的壓力抽為負(fù)壓約20 kPa，利用分壓定律通入相應(yīng)體積的甲烷，配氣完成后，補(bǔ)入空氣使球體內(nèi)的壓力與粉倉的壓力之和達(dá)到設(shè)定值。操作計(jì)算機(jī)使粉體噴入球體內(nèi)部，點(diǎn)火電極進(jìn)行點(diǎn)火，同時(shí)高速攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝。點(diǎn)火延遲為1300 ms，數(shù)據(jù)采集時(shí)間2 s。爆炸結(jié)束后，保存圖片和壓力數(shù)據(jù)。最后對球體進(jìn)行卸壓，清除爆炸產(chǎn)生的廢氣和剩余的粉體，準(zhǔn)備進(jìn)行下一組實(shí)驗(yàn)。每個(gè)工況重復(fù)三次實(shí)驗(yàn)，取三組數(shù)據(jù)的平均值，以減小實(shí)驗(yàn)誤差。

1.2 實(shí)驗(yàn)工況及方案

實(shí)驗(yàn)中，煤樣采用褐煤(120目)，其中值粒徑(D50)為83 μm；石墨粉采用微米級天然鱗片石墨，粒徑分別為200、300、800 目，對應(yīng)的中值粒徑分別為75、18、7 μm。石墨粉及煤粉的質(zhì)量濃度設(shè)置為：10、30、60、100、200、250、300 和400 g∕m3。甲烷濃度為6%（vol）和9%（vol）。

本文所采用石墨粉、煤粉的工業(yè)分析見表1。由表1可知，石墨粉含有較多的固定碳，少量的灰分和揮發(fā)分。相比于石墨粉，煤粉固定碳的含量少，但含有較多的灰分和揮發(fā)分。

表1 石墨粉、煤粉的工業(yè)分析Table 1 Industrial analysis of graphite powder and pulverized coal

2 結(jié)果與分析

2.1 壓力峰值分析

圖2 為不同甲烷濃度下三種粒徑甲烷∕石墨粉爆炸壓力峰值隨質(zhì)量濃度變化曲線。由圖2(a)可知，甲烷濃度為6%時(shí)，隨著石墨粉粒徑的增加，爆炸壓力峰值-質(zhì)量濃度曲線由單峰轉(zhuǎn)為雙峰，爆炸壓力峰值逐步降低，最佳質(zhì)量濃度逐步增加。7 μm的石墨粉在最佳質(zhì)量濃度60 g∕m3時(shí)達(dá)到最大壓力峰值且大于另外兩種粒徑甲烷∕石墨粉體系的爆炸壓力峰值，此后隨著質(zhì)量濃度的增加，壓力峰值呈現(xiàn)下降趨勢，這是由于石墨粉本身的揮發(fā)分極低，主要為石墨粉自身的燃燒，由于石墨粉粒徑小，比表面積大，更容易被引燃，當(dāng)質(zhì)量濃度增加時(shí)，導(dǎo)致復(fù)合體系放熱量小于周圍石墨粉的吸熱量，為此，爆炸壓力峰值出現(xiàn)下降的情況。18 μm 和75 μm 的甲烷∕石墨粉爆炸體系壓力峰值隨質(zhì)量濃度變化先后出現(xiàn)兩次峰值且前后兩次爆炸強(qiáng)度相當(dāng)，第一次石墨粉質(zhì)量濃度均在30 g∕m3，這是由于石墨粉質(zhì)量濃度低，此時(shí)爆炸體系內(nèi)的甲烷釋放的能量能夠引燃體系內(nèi)大部分的石墨粉顆粒，故此時(shí)爆炸壓力峰值增加；隨著石墨粉質(zhì)量濃度的增加，由于石墨粉的吸熱作用，甲烷∕石墨粉兩相體系的爆炸壓力峰值呈現(xiàn)下降趨勢，質(zhì)量濃度100 g∕m3時(shí)均達(dá)到最小值；然而，隨著石墨粉質(zhì)量濃度的繼續(xù)增加，被引燃的石墨粉數(shù)量開始增多，爆炸壓力峰值再次呈現(xiàn)上升趨勢，18 μm 和75 μm 的甲烷∕石墨粉爆炸體系分別在質(zhì)量濃度為200 g∕m3和300 g∕m3時(shí)達(dá)到第二次壓力峰值，此時(shí)為6%甲烷∕石墨粉體系最佳質(zhì)量濃度。另外，可以看出7 μm 和18 μm 的石墨粉在較高的質(zhì)量濃度時(shí)不能被引燃，而75 μm 的石墨粉在質(zhì)量濃度為400 g∕m3仍然能被引燃發(fā)生爆炸。可見，甲烷濃度低于化學(xué)計(jì)量濃度時(shí)，石墨粉的粒徑越小，爆炸壓力峰值越大且隨著粉塵粒徑的增加而減小。

由圖2(b)可知，當(dāng)甲烷濃度接近當(dāng)量比時(shí)，三種粒徑石墨粉的爆炸壓力峰值均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，石墨粉的粒徑越小，甲烷∕石墨粉兩相體系的爆炸壓力峰值越小。石墨粉質(zhì)量濃度為400 g∕m3時(shí)，75 μm 石墨粉的壓力峰值由0.759 MPa 減小至0.685 MPa，減小了9.7%；18 μm 石墨粉的壓力峰值由0.766 MPa 減小至0.628 MPa，減小了18.0%；7 μm 石墨粉的壓力峰值由0.762 MPa 減小至0.627MPa，減小了17.7%。這是因?yàn)樵谕荣|(zhì)量濃度下，粒徑小的石墨粉比表面積大，受熱分解快、耗氧量大。然而當(dāng)甲烷的濃度接近當(dāng)量比時(shí)，甲烷爆炸燃燒消耗了大量受限空間內(nèi)的氧氣，為此，兩相體系爆炸壓力峰值隨著石墨粉粒徑的降低而降低。

圖2 三種粒徑下甲烷∕石墨粉爆炸壓力峰值隨質(zhì)量濃度的變化Fig.2 Variation curve of explosion pressure peak value of methane∕graphite powder with mass concentration of three particle sizes

為了進(jìn)一步對比揮發(fā)分對兩種氣粉兩相體系爆炸壓力峰值的影響，分別選取粒徑較為接近的D50為83 μm 的煤粉、D50為75 μm 的石墨粉體系進(jìn)行了爆炸壓力峰值的對比分析，如圖3所示。由圖3(a)可知，甲烷濃度為6%時(shí)，隨著煤粉質(zhì)量濃度的增加，甲烷∕煤粉兩相體系的爆炸壓力峰值呈現(xiàn)遞增趨勢，而甲烷∕石墨粉呈現(xiàn)雙峰趨勢。甲烷∕煤粉兩相體系的爆炸壓力峰值由0.579 MPa 增至0.724 MPa，提高了25.0%，由于實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的煤粉質(zhì)量濃度并未增加至最佳濃度，因此可以推測當(dāng)煤粉質(zhì)量濃度繼續(xù)接近最佳質(zhì)量濃度時(shí)，甲烷∕煤粉兩相體系的爆炸壓力峰值將繼續(xù)增加。對于6%甲烷∕石墨粉爆炸體系，隨著石墨粉質(zhì)量濃度的增加，爆炸壓力峰值低于6%甲烷∕煤粉體系。

由圖3(b)可知，當(dāng)甲烷濃度接近當(dāng)量比時(shí)，甲烷∕煤粉兩相體系的爆炸壓力峰值呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在煤粉的質(zhì)量濃度為60 g∕m3時(shí)壓力峰值達(dá)到0.776 MPa，且由于煤粉的揮發(fā)分高達(dá)48.38%，甲烷∕煤粉兩相體系的壓力峰值大于甲烷∕石墨粉兩相體系。隨著石墨粉質(zhì)量濃度的增加，甲烷∕石墨粉體系的爆炸壓力峰值呈現(xiàn)遞減趨勢。對比圖3(a)和(b)中粉塵質(zhì)量濃度為10 g∕m3時(shí)，甲烷∕石墨粉的爆炸壓力峰值大于甲烷∕煤粉體系，這可能是由于粉塵質(zhì)量濃度極低，揮發(fā)分熱解析出消耗了部分爆炸熱量，但是由于煤粉量極少，揮發(fā)分析出對爆炸壓力的影響不大；然而隨著質(zhì)量濃度的增加，揮發(fā)分對爆炸壓力的影響逐步顯現(xiàn)。

圖3 甲烷∕石墨粉與甲烷∕煤粉爆炸壓力峰值隨質(zhì)量濃度變化對比（煤粉D50:83 μm，石墨粉D50:75 μm）Fig.3 Comparison of peak explosion pressure of methane∕graphite powder and methane∕pulverized coal with mass concentration(pulverized coal D50:83 μm,graphite powder D50:75 μm)

2.2 壓升速率峰值分析

壓升速率峰值對應(yīng)最快燃燒反應(yīng)的瞬態(tài)，是衡量化學(xué)反應(yīng)速率的重要參數(shù)[26]。圖4 為不同甲烷濃度下三種粒徑的甲烷∕石墨粉體系爆炸壓升速率峰值隨質(zhì)量濃度變化曲線。由圖4(a)可知，甲烷濃度為6%時(shí)，隨著石墨粉粒徑的增加，壓升速率峰值-質(zhì)量濃度曲線由單峰轉(zhuǎn)為雙峰。當(dāng)石墨粉的質(zhì)量濃度小于100 g∕m3時(shí)，石墨粉粒徑越小，甲烷∕石墨粉兩相體系的爆炸壓升速率峰值越大，7 μm 的石墨粉爆炸壓升速率峰值在60 g∕m3時(shí)達(dá)到最大值13.716 MPa∕s，此時(shí)爆炸體系的化學(xué)反應(yīng)速率最快。18 μm和75 μm 的石墨粉在質(zhì)量濃度為30 g∕m3時(shí)，壓升速率峰值第一次達(dá)到最大值，分別為10.796 MPa∕s 和6.788 MPa∕s，18 μm 的石墨粉體系在質(zhì)量濃度200 g∕m3時(shí)達(dá)到第二次峰值11.531 MPa∕s，75 μm的石墨粉體系在質(zhì)量濃度300 g∕m3時(shí)達(dá)到第二次峰值5.880 MPa∕s?？梢姡图淄闈舛葧r(shí)，石墨粉的粒徑越小，兩相體系爆炸反應(yīng)進(jìn)行的越快。

由圖4(b)可知，甲烷濃度接近當(dāng)量比時(shí)，隨著石墨粉質(zhì)量濃度的增加，三種粒徑的甲烷∕石墨粉兩相體系的爆炸壓升速率峰值均呈現(xiàn)下降趨勢。當(dāng)石墨粉的質(zhì)量濃度較小時(shí)，7 μm 石墨粉體系的爆炸壓升速率較大；但隨著石墨粉的質(zhì)量濃度增加，75 μm石墨粉體系的爆炸壓升速率峰值較大。這是因?yàn)橘|(zhì)量濃度小時(shí)，粒徑小的石墨粉的比表面積大，更容易被引燃；當(dāng)石墨粉的質(zhì)量濃度較大時(shí)，粒徑小的石墨粉單位體積內(nèi)分散的數(shù)目較多，但球體內(nèi)氧氣的濃度有限，反而會(huì)抑制爆炸的進(jìn)行，故此時(shí)的反應(yīng)速率降低。

圖4 三種粒徑甲烷∕石墨粉爆炸壓升速率峰值隨質(zhì)量濃度的變化Fig.4 Variation curve of peak pressure rise rate of three particle sizes of methane∕graphite powder with mass concentration

圖5為甲烷∕石墨粉、甲烷∕煤粉體系爆炸壓升速率峰值對比。由圖5(a)可以看出，甲烷濃度為6%時(shí)，甲烷∕煤粉的爆炸壓升速率峰值大于甲烷∕石墨粉兩相體系，且隨著粉塵濃度的增加，二者的差距逐步加大。甲烷∕煤粉兩相體系的壓升速率峰值由7.221 MPa∕s 上升至11.520 MPa∕s，上升了59.53%。甲烷∕石墨粉兩相體系的壓升速率峰值分別在30 g∕m3和300 g∕m3時(shí)出現(xiàn)兩次峰值，分別為6.788 MPa∕s和5.880 MPa∕s。可見在低甲烷濃度下，揮發(fā)分對兩相體系壓升速率的影響顯著。

然而，由圖5(b)可以看出，當(dāng)甲烷濃度為9%時(shí)，隨著粉塵質(zhì)量濃度的增加，甲烷∕石墨粉的爆炸壓升速率峰值呈現(xiàn)減小趨勢，甲烷∕煤粉兩相體系的爆炸壓升速率峰值則呈現(xiàn)了先增加后降低的趨勢，說明煤粉析出揮發(fā)分對受限空間氧氣的爭奪制約著甲烷∕煤粉體系爆炸威力。另外，與圖4(b)類似，質(zhì)量濃度小于30 g∕m3時(shí)，甲烷∕石墨粉體系的爆炸壓升速率峰值大于甲烷∕煤粉體系，說明由于煤粉量極少，煤粉熱解析出揮發(fā)分對爆炸體系的影響很小，然而煤粉揮發(fā)分析出吸熱量大于石墨粉熱解吸熱量，因此此時(shí)甲烷∕煤粉的爆炸壓力峰值低于甲烷∕石墨粉體系。質(zhì)量濃度大于30 g∕m3后，隨著煤粉質(zhì)量濃度增加，揮發(fā)分量增多，加快了燃燒反應(yīng)速率致使爆炸壓力更高。

圖5 甲烷∕石墨粉與甲烷∕煤粉爆炸壓力峰值隨質(zhì)量濃度變化對比（煤粉D50:83 μm，石墨粉D50:75 μm）Fig.5 Comparison of peak explosion pressure of methane∕graphite powder and methane∕pulverized coal with mass concentration(pulverized coal D50:83 μm,graphite powder D50:75 μm)

2.3 火焰紋影圖像和速度分析

為了更好地了解兩種氣粉兩相體系火焰?zhèn)鞑ヌ卣?，本文利用高速紋影研究了20 L 爆炸球體內(nèi)復(fù)合火焰的傳播過程，并采用Matlab 圖像處理技術(shù)[27-28]對火焰圖像進(jìn)行二值化和邊緣識(shí)別算法檢測火焰輪廓，獲得火焰面積，然后根據(jù)等面積法計(jì)算火焰等效半徑，進(jìn)而對時(shí)間求導(dǎo)獲得火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

圖6 為甲烷∕石墨粉、甲烷∕煤粉火焰紋影圖像。由圖6(a)可以看出，甲烷濃度為6%時(shí)，與氣粉兩相爆炸對比，純甲烷∕空氣爆炸時(shí)，火焰發(fā)展更加規(guī)則，火焰表面光滑且?guī)缀醭是蛐伟l(fā)展；而甲烷∕石墨粉、甲烷∕煤粉爆炸火焰呈不規(guī)則形狀發(fā)展，火焰表面褶皺。這是由于6%甲烷濃度低于化學(xué)計(jì)量濃度，甲烷爆炸能量較低，因此引燃石墨粉數(shù)量少，未引燃的石墨粉起到了惰化作用，加之在同等質(zhì)量濃度下，石墨粉的粒徑越小，其團(tuán)聚現(xiàn)象越明顯，影響火焰規(guī)則發(fā)展；6%甲烷∕煤粉體系火焰不規(guī)則是由于實(shí)驗(yàn)中煤塵粒徑大于三種石墨粉粒徑，甲烷∕煤粉火焰則呈現(xiàn)下沉現(xiàn)象。另外，甲烷∕石墨粉火焰有上浮現(xiàn)象，且與甲烷∕煤粉相比，火焰更加明亮。當(dāng)石墨粉D50為18 μm 和7 μm 時(shí)，石墨粉分散至整個(gè)球體，遮擋了光線的傳播，因此在爆炸早期無法觀察到視窗邊緣。

由圖6(b)可以看出，當(dāng)甲烷濃度為9%時(shí)，純甲烷∕空氣爆炸火焰呈球形發(fā)展，火焰表面光滑。此時(shí)，甲烷∕石墨粉、甲烷∕煤粉爆炸火焰均呈近似球形發(fā)展，且火焰明亮。這是由于甲烷濃度為9%時(shí)，甲烷爆炸能量強(qiáng)，能夠引燃大部分石墨粉和煤粉，為此，兩種氣粉混合物復(fù)合火焰均呈球形規(guī)則發(fā)展。

圖6 甲烷∕石墨粉和甲烷∕煤粉紋影火焰結(jié)構(gòu)圖像（質(zhì)量濃度:10 g∕m3）Fig.6 Schlieren flame structure images of methane∕graphite powder and methane∕pulverized coal

圖7 為甲烷∕石墨粉、甲烷∕煤粉的火焰?zhèn)鞑ニ俣?時(shí)間曲線。由圖7(a)可以看出，甲烷濃度為6%時(shí)，32.0 ms 之前，純甲烷的火焰速度大于甲烷∕石墨粉和甲烷∕煤粉，且在28.8 ms 時(shí)達(dá)到速度最大值4.072 m∕s，之后火焰速度迅速下降，并維持在低速發(fā)展模式；甲烷∕煤粉的火焰速度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在44.8 ms 時(shí)達(dá)到最大值1.332 m∕s。對于甲烷∕石墨粉體系而言，火焰速度呈現(xiàn)雙峰值趨勢，7 μm 和75 μm 的石墨粉在44.8 ms 時(shí)，速度達(dá)到最大值1.865 m∕s 和1.678 m∕s，18 μm 的石墨粉在52.8 ms時(shí)速度達(dá)到最大值2.597 m∕s，由此可見石墨粉在球體內(nèi)的分散并不均勻。

圖7 甲烷∕石墨粉和甲烷∕煤粉火焰速度-時(shí)間曲線（質(zhì)量濃度:10 g∕m3）Fig.7 Flame velocity curves of methane∕graphite powder and methane∕pulverized coa

由圖7(b)可以看出，當(dāng)甲烷的濃度為9%時(shí)，氣粉兩相體系爆炸的火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥诩兗淄楸ǎ鹧嫠俣?時(shí)間曲線呈單峰特征。純甲烷爆炸的火焰?zhèn)鞑ニ俣仍?0.4 ms 時(shí)達(dá)到最大值9.806 m∕s。對于甲烷∕石墨粉爆炸體系而言，7、75 μm 在10.4 ms時(shí)，火焰速度也達(dá)到了最大值15.566 m∕s 和18.264 m∕s，18 μm 在12.0 ms 時(shí) 火 焰 速 度 達(dá) 到 最 大 值15.116 m∕s。這說明當(dāng)甲烷濃度接近當(dāng)量比時(shí)，氣粉兩相體系爆炸火焰速度大于純甲烷爆炸，且揮發(fā)分對復(fù)合火焰?zhèn)鞑ミ^程有重要影響。

2.4 爆燃指數(shù)

爆燃指數(shù)Kst可用來衡量爆炸氣粉兩相體系的爆炸嚴(yán)重程度。當(dāng)容器的體積大于0.04 m3時(shí)，爆炸壓力上升速率(dP∕dt)和容器體積(V)存在“三次方定律”，即Kst與爆炸壓力上升速率的最大值(dP∕dt)max和反應(yīng)容器體積(V)的1∕3 次方呈正比關(guān)系[29],其計(jì)算公式如式（1）。

圖8 為不同甲烷濃度甲烷∕石墨粉和甲烷∕煤粉的爆燃指數(shù)對比。由圖8 可知，首先，甲烷濃度為9%時(shí)的氣粉兩相體系的爆燃指數(shù)高于甲烷為6%時(shí)的氣粉兩相體系的爆燃指數(shù)，說明甲烷濃度對氣粉兩相體系爆炸危險(xiǎn)程度的影響顯著。其次，對于甲烷∕石墨粉兩相體系，當(dāng)甲烷濃度為6%時(shí)，爆炸指數(shù)隨質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)雙峰特征，質(zhì)量濃度為30 g∕m3時(shí)其爆燃指數(shù)達(dá)到最大值1.830 MPa·m∕s；當(dāng)甲烷濃度為9%時(shí)，在質(zhì)量濃度為10 g∕m3時(shí)爆燃指數(shù)達(dá)到最大值5.408 MPa·m∕s，之后呈減小趨勢。對比兩種氣粉兩相體系，當(dāng)甲烷濃度為6%時(shí)，甲烷∕煤粉的爆燃指數(shù)大于甲烷∕石墨粉體系，且隨著質(zhì)量濃度增大至煤粉最佳濃度時(shí)，二者差距呈擴(kuò)大趨勢；當(dāng)甲烷濃度為9%時(shí)，粉塵質(zhì)量濃度小于30 g∕m3，甲烷∕煤粉的爆燃指數(shù)小于甲烷∕石墨粉體系，而當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度大于30 g∕m3，甲烷∕煤粉的爆燃指數(shù)大于甲烷∕石墨粉體系，最佳質(zhì)量濃度為60 g∕m3，之后爆燃指數(shù)幾乎維持在5.500 MPa∕s左右。

圖8 不同甲烷濃度甲烷∕石墨粉和甲烷∕煤粉的爆燃指數(shù)Fig.8 Deflagration index of methane ∕graphite powder and methane∕pulverized coal with different methane concentrations

2.5 爆炸前后粉體工業(yè)分析和微觀結(jié)構(gòu)對比

氣粉兩相復(fù)合爆炸受粉體物理特性的影響，本節(jié)對兩種氣粉混合物爆炸前后樣品進(jìn)行了工業(yè)分析和電鏡掃描微觀結(jié)構(gòu)對比研究。

圖9 和圖10 分別為甲烷∕石墨粉和甲烷∕煤粉爆炸前和爆炸后粉體的工業(yè)分析對比?？梢钥闯?，爆炸前工業(yè)分析顯示石墨粉本身碳的含量極高，為98.53%，另外含有極少量的水分、灰分、揮發(fā)分；煤粉的含碳量為51.25%，但其含有的水分、灰分、揮發(fā)分比石墨粉的高。爆炸后，工業(yè)分析結(jié)果顯示石墨粉水分降至0，灰分由0.51%增加至1.25%，揮發(fā)分由0.82%減少為0.39%，固定碳的含量由98.53%降至98.24%，固定碳和揮發(fā)分少量降低說明爆炸中有少部分石墨粉參與了燃燒。對于甲烷∕煤粉體系，爆炸后水分由7.08%減少為5.07%，灰分由12.98%增加至27.68%，揮發(fā)分由48.38%減少為46.93%，固定碳的含量由51.25%減少到35.6%，說明由于煤粉變質(zhì)程度低且含有較多的揮發(fā)分，燃燒更為充分，更多焦炭參與了爆炸過程?？梢姡瑩]發(fā)分對氣粉兩相混合爆炸危險(xiǎn)性有重要影響。

圖9 石墨粉爆炸前后的工業(yè)分析Fig.9 Industrial analysis of graphite powder before and after explosion

圖10 煤粉爆炸前后的工業(yè)分析Fig.10 Industrial analysis before and after pulverized coal explosion

為了對比石墨粉和煤粉表面結(jié)構(gòu)異同對氣粉兩相體系反應(yīng)的影響，采用掃描電鏡分析了爆炸前后石墨粉、煤粉顆粒的表面微觀結(jié)構(gòu)圖像，如圖11所示?？梢钥闯?，石墨粉爆炸前的表面比較完整且光滑，為片狀結(jié)構(gòu)；爆炸后的石墨粉破碎為小的片狀結(jié)構(gòu)，邊緣較光滑且出現(xiàn)了近似球體、結(jié)塊的結(jié)構(gòu)特征，近似球體的結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)了破碎的孔洞，可見爆炸過程中有少部分碳粉顆粒參與到燃燒過程。煤粉在爆炸前表面有大量不規(guī)則的孔洞，且棱角分明，表面結(jié)構(gòu)比較粗糙，爆炸后的煤粉由原來的大塊變?yōu)榱闼榈男K，有近似球體的小顆粒，小顆粒邊緣比較光滑，表現(xiàn)出酥化特征。與本文研究結(jié)論一致，來誠峰等[30-31]也發(fā)現(xiàn)煤顆粒原樣的外表棱角分明，而發(fā)生爆炸后的殘余物外表比較光滑，發(fā)生了表面軟化和燒結(jié)成團(tuán)現(xiàn)象。這說明石墨粉整體結(jié)構(gòu)致密，而煤粉內(nèi)部的大量孔洞增大了煤粉與空氣的接觸面積，有利于吸熱和分解，因此爆炸過程煤粉氧化較石墨粉更為劇烈。

圖11 石墨粉和煤粉爆炸前后電鏡掃描圖像Fig.11 SEM images of graphite powder and pulverized coal before and after explosion

3 結(jié) 論

（1）甲烷濃度對甲烷∕石墨粉和甲烷∕煤粉兩相體系的爆炸壓力有重要影響。當(dāng)甲烷濃度為6%時(shí)，隨著石墨粉粒徑的增加，甲烷∕石墨粉體系的壓力曲線由單峰轉(zhuǎn)為雙峰特征，當(dāng)甲烷濃度為9%時(shí)，三種粒徑下甲烷∕石墨粉體系的爆炸壓力隨石墨粉質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)遞減趨勢，且粒徑越小爆炸壓力越??；6%甲烷∕煤粉體系的爆炸壓力隨煤粉質(zhì)量濃度接近最佳質(zhì)量濃度而增加，而9%甲烷∕煤粉兩相體系的爆炸壓力峰值呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。

（2）甲烷濃度對火焰發(fā)展特性有重要影響。當(dāng)甲烷濃度為6%時(shí)，甲烷∕石墨粉和甲烷∕煤粉爆炸火焰均呈不規(guī)則形狀發(fā)展且火焰表面出現(xiàn)褶皺結(jié)構(gòu)；同時(shí)，甲烷∕石墨粉火焰有上浮現(xiàn)象，且與甲烷∕煤粉相比，火焰更加明亮，而甲烷∕煤粉火焰由于粒徑較大出現(xiàn)了下沉現(xiàn)象。當(dāng)甲烷濃度為9%時(shí)，甲烷∕石墨粉、甲烷∕煤粉爆炸火焰均呈近似球形發(fā)展，且火焰明亮，氣粉兩相體系爆炸火焰速度大于純甲烷爆炸。

（3）甲烷濃度和粉塵質(zhì)量濃度對爆燃指數(shù)有重要影響。當(dāng)甲烷濃度由6%增加至9%時(shí)，兩相體系的爆燃指數(shù)顯著增高；當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度大于30 g∕m3，甲烷∕煤粉的爆燃指數(shù)大于甲烷∕石墨粉體系，最佳質(zhì)量濃度為60 g∕m3，之后爆燃指數(shù)幾乎維持在5.5 MPa∕s左右。

（4）揮發(fā)分對氣粉兩相混合爆炸危險(xiǎn)性有重要影響。具有較低揮發(fā)分的甲烷∕石墨粉體系在爆炸過程中只有少部分石墨粉參與到燃燒過程中，爆炸后的石墨粉破碎為小的片狀結(jié)構(gòu)，且出現(xiàn)了近似球體、結(jié)塊和破碎的孔洞的結(jié)構(gòu)特征；而具有較高揮發(fā)分的甲烷∕煤粉體系在爆炸過程中固定碳降低較大，揮發(fā)分降低明顯，爆炸后的煤粉由原來的大塊變?yōu)榱闼榈男K，有近似球體和酥化特征，說明揮發(fā)分的析出加劇了煤粉的燃燒反應(yīng)，致使甲烷∕煤粉體系爆炸更為劇烈。