游天龙，谭迎新，许 航

(中北大学化工与环境学院，山西太原030051)

0 引言

煤炭资源在我国能源格局中占有主导地位，约占能源消耗总量的70%以上，若保持每年8.9%的增速，2015年前将占世界消耗的 1/2[1]，煤炭对我国具有重要的战略意义.然而我国的煤矿事故却是世界上主要采煤国家煤矿死亡总人数的4倍以上[2]，是世界上煤矿事故最严重的国家之一，这些事故给人们带来了巨大的身心伤害.因此，如何减少和防止瓦斯煤尘爆炸事故的发生并降低事故造成的危害，是目前亟待解决的问题.

针对甲烷-煤粉混合爆炸危害性研究的课题，国内外学者主要从理论和试验两方面进行了研究，研究主要集中在甲烷-煤尘爆炸极限、火焰传播特性、燃烧特性、爆炸特性及障碍物影响等方面，并取得了一定的成果[3-9].主要试验装置多为哈特曼管和20 L球形装置.由于甲烷-煤尘爆炸试验影响条件较多，以及试验装置的局限，迄今为止对于甲烷-煤尘爆炸的试验研究仍不充分，特别是基于水平管道对甲烷-煤粉爆炸的研究很少[10-12].为此，本文利用自制的水平管道气体粉尘爆炸试验装置，对不同甲烷和煤粉浓度配比、煤尘粒径及点火延迟时间条件下的甲烷-煤尘最大爆炸压力的规律进行了研究.

1 试验装置及原理

1.1 试验系统

试验系统由六部分组成，包括水平爆炸管道、扬粉系统、配气系统、点火系统、数据采集系统和控制箱，具体结构如图1所示.其中，水平爆炸管道为断面呈圆形的管状容器，长度0.7 m，内径139 mm，厚度10 mm，管道后部由法兰封闭，装有排气阀，管道侧边开有安全视窗孔.扬粉系统包括储气室、电磁阀、粉尘仓，扬粉时，电磁阀打开，高压空气携带试验粉尘进入水平爆炸管道.配气系统由真空泵、甲烷气瓶、真空压力表组成.点火系统采用高压放电火花点火，点火电压为10 kV;数据采集系统主要包括压电传感器、电荷放大器以及动态数据记录分析仪.控制箱主要控制真空泵、空压机的开关、延迟时间设定及点火.

图1 爆炸试验装置Fig.1 Experiment device of explosion system

1.2 试验样品

试验所用煤尘为低灰分弱粘结性煤，通过筛分，煤尘的粒度大概有5个范围105～125 μm，74 ～ 88 μm，55 ～ 63 μm，43 ～ 55 μm， ＜ 43 μm，试验前将煤尘样品放于60℃烘箱中烘干24 h，以去除其中的水分.

1.3 试验原理

利用分压法在水平管道内配置好甲烷-空气混合气体，将粉尘加入粉尘仓中，在控制箱上设置好点火延迟时间，试验开始后储气室中的高压空气携带煤粉通过扬粉管进入管道后，点火电极放电点燃甲烷气体，进而引发煤尘的燃烧.

2 试验结果与分析

2.1 甲烷-煤尘配比浓度对爆炸压力的影响

试验在室温条件下，煤尘粒径选用43～55 μm，点火延迟时间80 ms，本试验中的数据均为多次测量取平均后所得平均值，得到爆炸压力随甲烷-煤尘浓度配比变化的关系图2.

从图2中可以看出，随着甲烷煤尘配比浓度的增加，最大爆炸压力先增大后减小，出现一个最大峰值，此时的甲烷煤尘配比浓度为5%甲烷，400 g/m3煤尘浓度，最大爆炸压力为0.48 MPa.各浓度甲烷取得最大爆炸压力时所对应的煤尘浓度不同，各曲线的形状也不同，3%甲烷浓度曲线和5%甲烷浓度曲线之间最大爆炸压力增加明显，增幅达42%.此外，当甲烷浓度大于5%后，最大爆炸压力的下降也十分显著，5%与7%，7%与8%甲烷浓度曲线之间存在明显的落差，分别为17%和52%，说明甲烷-煤尘配比浓度对最大爆炸压力有很大的影响.

图2 甲烷煤尘配比浓度对复合爆炸最大压力的影响Fig.2 The effect of methane-coal dust concentration on the maximum explosion pressure of composite explosion

甲烷浓度的变化直接导致爆炸威力的变化，而爆炸威力的改变使得爆炸产生的冲击波强度也发生改变，冲击波直接作用于呈飘散状态的煤粉，使煤粉进一步卷扬并引爆，起到吹粉和点火的作用[13].冲击波强度的不同导致吹粉压力和点火能量的不同.当冲击波强度增加时，一方面使得吹粉压力增大，进而爆炸压力也会增加[14];另一方面，冲击波强度的增加导致点火能量的增大，点火能量与反应初始能量相关联，点火能量的增大实质上使得反应初始能量增加，这也会导致爆炸压力的增大.另外，煤尘在其爆炸极限内存在一个最佳爆炸浓度，当煤尘处于此浓度时，煤尘粒子能够最有效吸收甲烷爆炸所释放的热量，使得粒子分解速率最大，表现为稳定、持续的燃烧 ，煤尘在此浓度下爆炸压力最大.在本试验中，5%甲烷，400 g/m3煤尘浓度时，甲烷浓度和煤粉浓度处于最佳配比状态，能充分爆炸，其爆炸威力最大，输出能量也最大，因此，爆炸压力也最大.其他甲烷-煤尘配比浓度下，均不能达到最佳爆炸极限，所以产生的爆炸压力与5%甲烷，400 g/m3煤尘浓度配比相比有明显的降低.

2.2 煤尘粒径对爆炸压力的影响

在2.1节基础上选取3% －420 g/m3，5% －400 g/m3，7% －350 g/m3三种甲烷-煤尘配比浓度，点火时间为80 ms，以及不同煤尘粒径时，最大爆炸压力的变化规律如图3所示，图中横坐标1～5分别表示煤尘粒径 ＜43 μm，43 ～55 μm，55 ～ 63 μm，74 ～ 88 μm，105 ～ 125 μm.

图3 煤尘粒径对复合爆炸最大爆炸压力的影响Fig.3 The effect of coal dust particle size on the maximum explosion pressure of composite explosion

图3 中，爆炸压力随煤尘粒径的增加而不断减小，3种甲烷-煤尘配比浓度下均在煤尘粒径为＜43 μm时取得最大爆炸压力，分别是3%甲烷对应的最大爆炸压力为0.43 MPa，5%甲烷对应的最大爆炸压力为0.62 MPa，7%甲烷对应的最大爆炸压力为0.56 MPa.3条曲线均呈线性关系，随着煤尘粒径的增大最大爆炸压力下降明显，3条曲线分别下降了74%，71%，77%，说明煤尘粒径对爆炸压力的影响十分显著.

煤尘粒径越小，其比表面积越大.比表面积与粒子吸收热量的速率成正比，小粒径煤尘在爆炸时能够更加迅速地吸收周围环境中爆炸和燃烧产生的热量，更快达到活化温度，缩短煤尘整体参加反应的时间，反应更加充分，释放能量更大.另外，比表面积大还缩短了氧气向颗粒表面扩散的时间，加快了反应热的释放[13].煤尘粒径越小，则其比表面积越大，能够更加快速、充分地完成反应，释放的能量越大，爆炸压力也越大.相反，煤尘粒径越大，则爆炸压力越小.在本试验中，煤尘粒径在 ＜43 μm时颗粒粒径最小，比表面积最大，爆炸时煤尘反应最充分，释放能量最多，爆炸压力最大.

3 结论

1)随着甲烷-煤尘配比浓度的增加，最大爆炸压力先增大后减小，存在一个最危险甲烷-煤尘配比浓度，使得爆炸压力最大;

2)各甲烷煤尘配比浓度所对应的最大爆炸压力不同，且相互之间差异明显;

3)煤尘粒径增大时，最大爆炸压力不断减小，曲线呈线性趋势，煤尘粒径对爆炸压力的影响显著.

4)通过本试验装置所得出的最危险爆炸条件为:甲烷浓度为5%，煤尘浓度为400 g/m3，煤尘粒径为 ＜43 μm，最大爆炸压力为0.68 MPa.

[1]王宏峰.从《世界能源统计年鉴》看世界能源供需变化[J].能源研究与利用，2013，4:8-9.Wang Hongfeng.The world＇s energy supply and demand change by referring to《Statistical Review of World Energy》[J].Energy Research ＆ Utilization，2013，4:8-9.(in Chinese)

[2]高平，宋焕虎.煤矿事故致因及其防治措施[J].河北理工大学学报(自然科学版)，2009，31(3):147-152.Gao Ping，Song Huanhu.The causes of coal mine accidents and the control measures[J].Journal of He Bei Polytechnic University(Natural Science Edition)，2009，31(3):147-152.(in Chinese)

[3]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.Liu Yi，Sun Jinhua，Chen Dongliang，et al.On lower limit of explosive coal dust in coal dust mixture with methane[J].Journal of Safety and Environment，2007，7(4):129-131.(in Chinese)

[4]谭迎新，秦涧.置障条件下甲烷爆炸压力测试研究[J].中北大学学报(自然科学版)，2013，34(3):271-274.Tan Yingxin，Qin Jian.Experimental investigation on methane explosion pressure under obstacles[J].Journal of North University of China(Natural Science Edition)，2013，34(3):271-274.(in Chinese)

[5]秦涧，谭迎新.环形障碍物对瓦斯爆炸影响的实验研究[J].中北大学学报(自然科学版)，2011，32(6):717-722.Qin Jian，Tan Yingxin.Experimental study of ring-shaped obstacles’effects on gas explosion[J].Journal of North University of China(Natural Science Edition)，2011，32(6):717-722.(in Chinese)

[6]Cashdollar K L.Overview of dust explosibility characteristics[J].Journal of Loss Prevent in the Process Industries，2000，13:183-199.

[7]Liu Yi，Sun Jinhua，Chen Dongliang.Flame propagation in hybrid mixture of coal dust and methane[J].Journal of Loss Prevent in the Process Industries，2007，20:691-697.

[8]张莉聪，徐景德，吴兵，等.甲烷-煤尘爆炸波与障碍物相互作用的数值研究[J].中国安全科学学报，2004，14(8):82-85.Zhang Licong，Xu Jingde，Wu Bing，et al.Study on numerical value of reaction between barrier and explosion wave of methane-coal dust[J].China Safety Science Journal，2004，14(8):82-85.(in Chinese)

[9]Klemens R，Kosinski P，Wolanski P，et al.Numerical study of dust lifting in a channel with vertical obstacles[J].Journal of Loss Prevent in the Process Industries，2001，14:469-473.

[10]毕树明，李江波.密闭管内甲烷-煤粉复合爆炸火焰传播规律的实验研究[J].煤炭学报，2010，35(8):1298-1302.Bi Shuming，Li Jiangbo.Flame propagation of methanecoal dust explosion in closed vessel[J].Journal of China Coal Society，2010，35(8):1298-1302.(in Chinese)

[11]冯永安，胡双启，胡立双，等.基于20 L球形爆炸装置的甲烷煤尘混合爆炸实验[J].中国安全生产科学技术，2012，8(7):16-19.Feng Yongan，Hu Shuangqi，Hu Lishuang，et al.Coal dust/methane mixture explosion experiment based on 20 L spherical explosive device[J].Journal of Safety Science and Technology，2012，8(7):16-19.(in Chinese)

[12]Rockwell S R，Rangwala A R.Influence of coal dust on premixed turbulent methane-air flames[J].Combustion and Flame，2013，160:635-640.

[13]尉存娟，谭迎新，郭紫晨.瓦斯爆炸激波诱导沉积煤尘爆炸的试验研究[J].煤炭科学技术，2009，37(11):37-39.Yu Cunjuan，Tan Yingxin，Guo Zichen.Expeiiment research on deposited coal dust explosion occurred by gas explosion shock wave[J].Coal Science and Technology，2009，37(11):37-39.(in Chinese)

[14]杨胜强.煤炭粉尘防治理论[M].徐州:中国矿业大学出版社，2007.