瓦斯、煤塵共存條件下爆炸極限變化規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究
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王 磊，李潤(rùn)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
中圖分類號(hào)：TD12 文章編號(hào)：1004-4051(2016)04-0087-04
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。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(guó)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，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。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(guó)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)為粉塵一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∠陆怠?guó)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。
式中：E為雜混合物中粉塵爆炸下限，g/m3；E1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。可用于測(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。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。
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(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E918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/T 12474-2008和美國(guó)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。
式中擬合函數(shù)(2)中各參數(shù)的意義及數(shù)值見表2。
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7.8 g／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?#8804;1%時(shí)，實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值較為接近；當(dāng)瓦斯?jié)舛?#62;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?#8804;1%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?#62;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。
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100 g／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100 g/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。
其中擬合函數(shù)(3)中各參數(shù)的意義及數(shù)值見表4。
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)�，煤塵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%。
