煤塵揮發分及粒徑對爆炸火焰長度的影響研究*（安全）

                  王冬雪¹，劉  劍^1,2，高  科¹，王  東¹

（1．遼寧工程技術大學安全科學與工程學院，遼寧葫蘆島125105；2．礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧葫蘆島125105）

摘要：為研究煤塵揮發分及粒徑對爆炸火焰長度的影響及其變化規律，選取揮發分含量不同的四種典型煙煤煤樣，分別制備成31.5、44、62.5、81.5、119、>150m六種粒徑，利用煤塵爆炸性鑒定裝置測試其爆炸火焰長度，并對其爆炸火焰長度變化規律進行分析。結果表明：隨著揮發分含量的增加，不同粒徑級別的煤塵爆炸火焰長度均呈增長趨勢；在揮發分含量較低的區間，揮發分含量增加對爆炸火焰長度影響不大；在揮發分含量較高的區間，隨著揮發分含量的增加其爆炸火焰長度也急劇增加，并且粒徑越小增加的越快。對于同一實驗煤樣，隨著粒徑的增大，其爆炸火焰長度逐漸減小，粒徑增大到150m以上時爆炸火焰幾乎消失。爆炸火焰長度隨粒徑變化的變化率根據實驗煤樣的不同，呈現出兩種變化規律，揮發分含量為18. 99%和27. 52%煤樣的爆炸火焰變化率先增加再減小再增加，揮發分含量為32. 20%和39. 74%的煤樣呈現先增加再減小的趨勢，但四組實驗煤樣的爆炸火焰長度變化率都在44~ 62.5m的粒徑變化量時達到最大值。

關鍵詞：揮發分；粒徑；火焰長度

中圖分類號：X932   doi: 10. 11731/j．issn．1673 -193x．2016. 05. 008

0  引言

    爆炸火焰長度是判斷煤塵是否具有爆炸性，衡量煤塵爆炸強弱的重要指標之一。同時，爆炸產生火焰有助于爆炸傳播，增加爆炸產生的破壞力，因此研究煤塵的爆炸火焰長度變化規律具有重要的意義。國內外學者不斷改進實驗設備，通過實驗和理論分析等方法對爆炸火焰長度變化規律進行了研究。王杰、黃衛等將數字圖像處理技術引入到煤塵爆炸性鑒定系統中，解決了肉眼觀察火焰長度存在的測量精度差、重復性誤差大以及人為因素多等問題。張引合研究了煤塵爆炸性鑒定分析系統，使系統更智能化測量精度更高。李雨成、劉天奇等通過多元統計分析中的主成分分析法，從數據分析的角度證明了揮發分含量對煤塵爆炸火焰長度的影響作用最大，其次為灰分和固定碳因子。鄒明金、晏偉通過實驗測定了煙煤在不同粒徑、水分含量條件下的爆炸火焰長度值。張松山、劉貞堂等對煤塵爆炸性和揮發分含量的關系進行了研究，發現了揮發分與火焰長度近似呈指數函數關系，火焰長度與抑制煤塵爆炸最

低巖粉量近似呈對數函數關系。段振偉、李志強等對煤塵爆炸火焰傳播過程進行了實驗研究，得出最大火焰速度和傳播距離與煤塵量均不存在正比例關系。林柏泉、周世寧等對巷道面積突變和巷道分叉對瓦斯爆炸過程中火焰傳播速度的影響進行了試驗研究。司榮軍對煤塵爆炸傳播規律進行研究，在瓦斯煤塵爆炸實驗基礎上從爆炸火焰傳播和沖擊波傳播兩方面描述了礦井瓦斯煤塵爆炸傳播過程。李慶釗、林柏泉、馮永安、胡雙啟等利用20 L爆炸球實驗裝置對煤塵及瓦斯煤塵混合物的爆炸特性進行了研究，獲得了不同實驗條件下煤塵的爆炸特征參數及變化規律。

    綜上分析，國內外學者對爆炸火焰傳播機理、煤塵爆炸的爆炸壓力和爆炸壓力上升速率方面進行了大量研究，對爆炸火焰長度及其變化規律方面的研究較少，這很大程度上是因為爆炸火焰的瞬時性導致精確觀察火焰長度很困難。近年隨著數字圖像處理技術的發展，使得精確觀察爆炸火焰長度成為可能，為研究爆炸火焰長度的影響因素提供了條件。本文利用帶有高速攝像機的煤塵爆炸性鑒定裝置研究煤塵揮發分及粒徑對爆炸火焰長度的影響及其變化規律，為現場控制爆炸危害程度提供理論參考。

1  實驗研究

1.1  實驗煤樣的制備

    將實驗煤樣用顎式破碎機破碎到1mm以下，之后用球磨機繼續粉碎，將篩子按從下到上25、38、50、75、88、150m的粒徑順序放到振篩機上，將球磨機粉碎后的實驗煤樣篩分成25~38、38~50、50~75、75~88、88~ 150、>150m六種粒徑區間。將篩分后的實驗煤樣放在白鐵盤中，置于電熱鼓風干燥箱中于105 0C干燥60min，把實驗煤樣取出放到干燥皿中冷卻至室溫備用。

1.2  實驗設備及原理  

    實驗采用符合AQ 1045 - 2007《煤塵爆炸性鑒定規范》規定的MCB - III智能型煤塵爆炸性鑒定裝置，該裝置在滿足國家規范要求的原理和參數外，還具有高速視頻采集功能，可采集存儲實驗煤樣形成煤塵云發生煤塵爆炸的全過程并按照最高每秒50幀速度精確畫面回放爆炸的全過程，同時具有截屏功能，可在爆炸火焰最長的瞬間截取爆炸火焰圖像以便精確觀察記錄最大爆炸火焰長度，圖1為MCB - III智能型煤塵爆炸性鑒定裝置的原理圖，實物圖如圖2所示。

    實驗時，使用感量0.1 g電子天平稱量出1±0.1 g干燥煤樣裝入試樣管（如圖1）中，通過電腦控制程序設置實驗為自動操作，點擊自動操作按鈕，鉑絲、加熱器瓷管、熱電偶共同組成的加熱裝置會自動升溫到1100±1⁰C，氣室逐步加壓至0.05 MPa，溫度壓力達到要求后，試樣管中的煤樣被吹進玻璃管中形成粉塵云通過加熱裝置，觀察是否產生爆炸火焰。實驗結束后，除塵箱、吸塵器組成的清掃系統采用吹塵風機和吸塵器配合清掃玻璃管，同時人工采用小毛刷清掃加熱裝置。高速攝像機會記錄下從粉塵吹出到吹掃停止的整個實驗過程并通過電腦中配套的視頻軟件慢速回放。

    除此之外，實驗還利用YX - GYFX7701型雙爐全自動工業分析儀對實驗煤樣進行工業分析。圖3為YX -GYFX7701型雙爐全自動工業分析儀實物圖。

1.3  實驗方案

    每個實驗煤樣有25~38、38~50、50~75、75~88、88~150、>150m六種粒徑區間，選取每一粒徑區間的中間粒徑值表示該區間的粒徑大小，分別為31.5、44、62.5、81.5、119、>150m。利用YX - GYFX7701型雙爐全自動工業分析儀對實驗煤樣進行工業分析得到其水分、灰分和揮發分含量。之后利用MCB - III智能型煤塵爆炸性鑒定裝置分別測量每一煤樣每一粒徑的爆炸火焰長度。每次實驗重復五次，取五次實驗結果的平均值作為該煤樣在該粒徑下的爆炸火焰長度值。

2  實驗結果與分析

    在對大量煤樣進行實驗測試的基礎上，選取揮發分含量相差較大的四種典型煤樣分別編號為1^#~4^#實驗煤樣（見表1）進行數據分析。根據中國煤炭分類標準，1^#煤樣為低揮發分煙煤，2^#煤樣為中揮發分煙煤，3^#煤樣為中高揮發分煙煤，4^#煤樣為高揮發分煙煤。工業分析結果見表1。

    由工業分析結果可知，1^#~4^#實驗煤樣的揮發分含量依次增加，同一煤樣制備成不同粒徑，其揮發分含量波動范圍在0. 9%內，這其中也有儀器誤差的因素，可忽略不計，近似認為同一煤樣各粒徑的揮發分含量相同。

2.1  爆炸火焰長度與揮發分含量的實驗結果及分析

    根據測得的數據，繪制不同實驗煤樣相同粒徑級別的爆炸火焰長度圖，如圖4所示。

    1^#~4^#煤樣，其揮發分含量分別為18. 99%、27. 52%、32. 20%、39. 74%，依次增加。從圖4可以看出，隨著揮發分含量的增加，每一粒徑級別的實驗煤樣的爆炸火焰長度均呈增加趨勢。這是因為實驗煤樣中揮發分含量越高，煤樣遇熱越容易析出可燃氣體，遇熱爆炸強度越劇烈，表現之一即為爆炸火焰長度更長。揮發分含量為18. 99%的1#煤樣在六種粒徑級別其爆炸火焰長度都很小，而揮發分含量為39. 74%的4#煤樣在粒徑為31.5m時，火焰長度為1500 mm，說明爆炸火焰長度跟揮發分含量有很大關系。在粒徑大于150m的情況下，揮發分含量為18. 99%、27. 52%、32. 20%、39. 74%的四組實驗煤樣的爆炸火焰長度分別為0、0、0.5和0.6 mm，爆炸火焰長度幾乎為0 mm，這是由于其粒徑較大，與空氣接觸的表面積小導致氧化能力弱。同時也說明，隨著揮發分含量的增加，在較大粒徑區間，當

揮發分含量大到一定數值的時候，也會產生微弱的爆炸火焰。1^#~2^#煤樣曲線的斜率很小，2^#~3^#和3^#～4^#煤樣的曲線斜率逐漸增大，說明在揮發分含量較低的區間，揮發分含量的增加對爆炸火焰長度影響不大；在揮發分含量較高的區間，隨著揮發分含量的增加其爆炸火焰長度也急劇增加，并且粒徑越小，增加的越快。

2.2粒徑與爆炸火焰長度及其變化率的實驗結果及分析

    根據四組不同粒徑煤樣的爆炸火焰長度實測數據，繪制爆炸火焰長度隨粒徑變化曲線，見圖5。

    從圖5可以看出，隨著煤塵粒徑增大，四組不同揮發分含量的實驗煤樣的爆炸火焰長度均逐漸減小，當粒徑增大到150m以上時，爆炸火焰幾乎消失。這是因為實驗煤樣的粒徑越小，與空氣接觸的表面積越大，氧化能力顯著增強，受熱單位時間內能夠吸收更多的熱量，放出大量的可燃氣體以及揮發分聚集于塵粒周圍，進而導致遇熱爆炸產生的火焰長度越長。

    根據基礎數據，計算出每一實驗煤樣每個粒徑變化點處的爆炸火焰長度的變化率繪制出爆炸火焰變化率隨粒徑變化的曲線圖，如圖6。

    從圖6可見，隨著粒徑增大，爆炸火焰變化率呈現出兩種變化趨勢。隨著煤樣粒徑的增大，1^#、2^#實驗煤樣的爆炸火焰長度變化率呈現先增加后減小再增加的鋸齒形變化，整體變化相對平穩，實驗的粒徑區間內，在粒徑從44m增加到62.5m時，爆炸火焰長度變化率達到最大值；在粒徑從62.5m增加到81.5m時，爆炸火焰長度減小率達到最小值；3^#、4^#實驗煤樣變化曲線呈現先增加后減小的趨勢，在44~ 62.5m的粒徑變化量時達到最大值。四種煤樣的爆炸火焰長度變化率均在粒徑從44m增加到62.5m時達到最大值，說明煤塵粒徑從44m增加到62.5m時，爆炸火焰長度減小最快。

    四組實驗煤樣的爆炸火焰長度的變化率呈現兩種不同的變化趨勢是實驗煤樣的揮發分、灰分和水分含量等因素共同作用的結果。

3  結  論

    通過對揮發分含量為18. 99%、27. 52%、32. 20%和39. 74%的四種典型煤樣分別在31.5、44、62.5、81.5、119、> 150m六種粒徑時的爆炸火焰長度數據的處理分析，得出以下結論：

    1)煤塵粒徑相同時，揮發分含量越高，爆炸火焰長度值越大；在揮發分含量較低的區間，揮發分含量的增加對爆炸火焰長度影響不大，在揮發分含量較高的區間，隨著揮發分含量的增加其爆炸火焰長度急劇增加，并且粒徑越小，增加的越快。

    2)對于同一煤樣，隨著粒徑的增大爆炸火焰長度減小，當粒徑增大到150m以上時，爆炸火焰幾乎消失。

    3)四組實驗煤樣的爆炸火焰長度變化率呈現兩種變化趨勢，隨著粒徑增大，揮發分含量分別為18. 99%和27. 52%的1^#、2^#煤樣呈現先增加后減小再增加的鋸齒形變化，揮發分含量為32. 20%和39. 74%的3^#、4^#煤樣呈現先增加后減小的變化趨勢，但四組煤樣都在44~62.5m的粒徑變化量時達到最大值。