煤尘挥发分及粒径对爆炸火焰长度的影响研究*（安全）

                  王冬雪¹，刘  剑^1,2，高  科¹，王  东¹

（1．辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，辽宁葫芦岛125105；2．矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁葫芦岛125105）

摘要：为研究煤尘挥发分及粒径对爆炸火焰长度的影响及其变化规律，选取挥发分含量不同的四种典型烟煤煤样，分别制备成31.5、44、62.5、81.5、119、>150m六种粒径，利用煤尘爆炸性鉴定装置测试其爆炸火焰长度，并对其爆炸火焰长度变化规律进行分析。结果表明：随着挥发分含量的增加，不同粒径级别的煤尘爆炸火焰长度均呈增长趋势；在挥发分含量较低的区间，挥发分含量增加对爆炸火焰长度影响不大；在挥发分含量较高的区间，随着挥发分含量的增加其爆炸火焰长度也急剧增加，并且粒径越小增加的越快。对于同一实验煤样，随着粒径的增大，其爆炸火焰长度逐渐减小，粒径增大到150m以上时爆炸火焰几乎消失。爆炸火焰长度随粒径变化的变化率根据实验煤样的不同，呈现出两种变化规律，挥发分含量为18. 99%和27. 52%煤样的爆炸火焰变化率先增加再减小再增加，挥发分含量为32. 20%和39. 74%的煤样呈现先增加再减小的趋势，但四组实验煤样的爆炸火焰长度变化率都在44~ 62.5m的粒径变化量时达到最大值。

关键词：挥发分；粒径；火焰长度

中图分类号：X932   doi: 10. 11731/j．issn．1673 -193x．2016. 05. 008

0  引言

    爆炸火焰长度是判断煤尘是否具有爆炸性，衡量煤尘爆炸强弱的重要指标之一。同时，爆炸产生火焰有助于爆炸传播，增加爆炸产生的破坏力，因此研究煤尘的爆炸火焰长度变化规律具有重要的意义。国内外学者不断改进实验设备，通过实验和理论分析等方法对爆炸火焰长度变化规律进行了研究。王杰、黄卫等将数字图像处理技术引入到煤尘爆炸性鉴定系统中，解决了肉眼观察火焰长度存在的测量精度差、重复性误差大以及人为因素多等问题。张引合研究了煤尘爆炸性鉴定分析系统，使系统更智能化测量精度更高。李雨成、刘天奇等通过多元统计分析中的主成分分析法，从数据分析的角度证明了挥发分含量对煤尘爆炸火焰长度的影响作用最大，其次为灰分和固定碳因子。邹明金、晏伟通过实验测定了烟煤在不同粒径、水分含量条件下的爆炸火焰长度值。张松山、刘贞堂等对煤尘爆炸性和挥发分含量的关系进行了研究，发现了挥发分与火焰长度近似呈指数函数关系，火焰长度与抑制煤尘爆炸最

低岩粉量近似呈对数函数关系。段振伟、李志强等对煤尘爆炸火焰传播过程进行了实验研究，得出最大火焰速度和传播距离与煤尘量均不存在正比例关系。林柏泉、周世宁等对巷道面积突变和巷道分叉对瓦斯爆炸过程中火焰传播速度的影响进行了试验研究。司荣军对煤尘爆炸传播规律进行研究，在瓦斯煤尘爆炸实验基础上从爆炸火焰传播和冲击波传播两方面描述了矿井瓦斯煤尘爆炸传播过程。李庆钊、林柏泉、冯永安、胡双启等利用20 L爆炸球实验装置对煤尘及瓦斯煤尘混合物的爆炸特性进行了研究，获得了不同实验条件下煤尘的爆炸特征参数及变化规律。

    综上分析，国内外学者对爆炸火焰传播机理、煤尘爆炸的爆炸压力和爆炸压力上升速率方面进行了大量研究，对爆炸火焰长度及其变化规律方面的研究较少，这很大程度上是因为爆炸火焰的瞬时性导致精确观察火焰长度很困难。近年随着数字图像处理技术的发展，使得精确观察爆炸火焰长度成为可能，为研究爆炸火焰长度的影响因素提供了条件。本文利用带有高速摄像机的煤尘爆炸性鉴定装置研究煤尘挥发分及粒径对爆炸火焰长度的影响及其变化规律，为现场控制爆炸危害程度提供理论参考。

1  实验研究

1.1  实验煤样的制备

    将实验煤样用颚式破碎机破碎到1mm以下，之后用球磨机继续粉碎，将筛子按从下到上25、38、50、75、88、150m的粒径顺序放到振筛机上，将球磨机粉碎后的实验煤样筛分成25~38、38~50、50~75、75~88、88~ 150、>150m六种粒径区间。将筛分后的实验煤样放在白铁盘中，置于电热鼓风干燥箱中于105 0C干燥60min，把实验煤样取出放到干燥皿中冷却至室温备用。

1.2  实验设备及原理  

    实验采用符合AQ 1045 - 2007《煤尘爆炸性鉴定规范》规定的MCB - III智能型煤尘爆炸性鉴定装置，该装置在满足国家规范要求的原理和参数外，还具有高速视频采集功能，可采集存储实验煤样形成煤尘云发生煤尘爆炸的全过程并按照最高每秒50帧速度精确画面回放爆炸的全过程，同时具有截屏功能，可在爆炸火焰最长的瞬间截取爆炸火焰图像以便精确观察记录最大爆炸火焰长度，图1为MCB - III智能型煤尘爆炸性鉴定装置的原理图，实物图如图2所示。

    实验时，使用感量0.1 g电子天平称量出1±0.1 g干燥煤样装入试样管（如图1）中，通过电脑控制程序设置实验为自动操作，点击自动操作按钮，铂丝、加热器瓷管、热电偶共同组成的加热装置会自动升温到1100±1⁰C，气室逐步加压至0.05 MPa，温度压力达到要求后，试样管中的煤样被吹进玻璃管中形成粉尘云通过加热装置，观察是否产生爆炸火焰。实验结束后，除尘箱、吸尘器组成的清扫系统采用吹尘风机和吸尘器配合清扫玻璃管，同时人工采用小毛刷清扫加热装置。高速摄像机会记录下从粉尘吹出到吹扫停止的整个实验过程并通过电脑中配套的视频软件慢速回放。

    除此之外，实验还利用YX - GYFX7701型双炉全自动工业分析仪对实验煤样进行工业分析。图3为YX -GYFX7701型双炉全自动工业分析仪实物图。

1.3  实验方案

    每个实验煤样有25~38、38~50、50~75、75~88、88~150、>150m六种粒径区间，选取每一粒径区间的中间粒径值表示该区间的粒径大小，分别为31.5、44、62.5、81.5、119、>150m。利用YX - GYFX7701型双炉全自动工业分析仪对实验煤样进行工业分析得到其水分、灰分和挥发分含量。之后利用MCB - III智能型煤尘爆炸性鉴定装置分别测量每一煤样每一粒径的爆炸火焰长度。每次实验重复五次，取五次实验结果的平均值作为该煤样在该粒径下的爆炸火焰长度值。

2  实验结果与分析

    在对大量煤样进行实验测试的基础上，选取挥发分含量相差较大的四种典型煤样分别编号为1^#~4^#实验煤样（见表1）进行数据分析。根据中国煤炭分类标准，1^#煤样为低挥发分烟煤，2^#煤样为中挥发分烟煤，3^#煤样为中高挥发分烟煤，4^#煤样为高挥发分烟煤。工业分析结果见表1。

    由工业分析结果可知，1^#~4^#实验煤样的挥发分含量依次增加，同一煤样制备成不同粒径，其挥发分含量波动范围在0. 9%内，这其中也有仪器误差的因素，可忽略不计，近似认为同一煤样各粒径的挥发分含量相同。

2.1  爆炸火焰长度与挥发分含量的实验结果及分析

    根据测得的数据，绘制不同实验煤样相同粒径级别的爆炸火焰长度图，如图4所示。

    1^#~4^#煤样，其挥发分含量分别为18. 99%、27. 52%、32. 20%、39. 74%，依次增加。从图4可以看出，随着挥发分含量的增加，每一粒径级别的实验煤样的爆炸火焰长度均呈增加趋势。这是因为实验煤样中挥发分含量越高，煤样遇热越容易析出可燃气体，遇热爆炸强度越剧烈，表现之一即为爆炸火焰长度更长。挥发分含量为18. 99%的1#煤样在六种粒径级别其爆炸火焰长度都很小，而挥发分含量为39. 74%的4#煤样在粒径为31.5m时，火焰长度为1500 mm，说明爆炸火焰长度跟挥发分含量有很大关系。在粒径大于150m的情况下，挥发分含量为18. 99%、27. 52%、32. 20%、39. 74%的四组实验煤样的爆炸火焰长度分别为0、0、0.5和0.6 mm，爆炸火焰长度几乎为0 mm，这是由于其粒径较大，与空气接触的表面积小导致氧化能力弱。同时也说明，随着挥发分含量的增加，在较大粒径区间，当

挥发分含量大到一定数值的时候，也会产生微弱的爆炸火焰。1^#~2^#煤样曲线的斜率很小，2^#~3^#和3^#～4^#煤样的曲线斜率逐渐增大，说明在挥发分含量较低的区间，挥发分含量的增加对爆炸火焰长度影响不大；在挥发分含量较高的区间，随着挥发分含量的增加其爆炸火焰长度也急剧增加，并且粒径越小，增加的越快。

2.2粒径与爆炸火焰长度及其变化率的实验结果及分析

    根据四组不同粒径煤样的爆炸火焰长度实测数据，绘制爆炸火焰长度随粒径变化曲线，见图5。

    从图5可以看出，随着煤尘粒径增大，四组不同挥发分含量的实验煤样的爆炸火焰长度均逐渐减小，当粒径增大到150m以上时，爆炸火焰几乎消失。这是因为实验煤样的粒径越小，与空气接触的表面积越大，氧化能力显著增强，受热单位时间内能够吸收更多的热量，放出大量的可燃气体以及挥发分聚集于尘粒周围，进而导致遇热爆炸产生的火焰长度越长。

    根据基础数据，计算出每一实验煤样每个粒径变化点处的爆炸火焰长度的变化率绘制出爆炸火焰变化率随粒径变化的曲线图，如图6。

    从图6可见，随着粒径增大，爆炸火焰变化率呈现出两种变化趋势。随着煤样粒径的增大，1^#、2^#实验煤样的爆炸火焰长度变化率呈现先增加后减小再增加的锯齿形变化，整体变化相对平稳，实验的粒径区间内，在粒径从44m增加到62.5m时，爆炸火焰长度变化率达到最大值；在粒径从62.5m增加到81.5m时，爆炸火焰长度减小率达到最小值；3^#、4^#实验煤样变化曲线呈现先增加后减小的趋势，在44~ 62.5m的粒径变化量时达到最大值。四种煤样的爆炸火焰长度变化率均在粒径从44m增加到62.5m时达到最大值，说明煤尘粒径从44m增加到62.5m时，爆炸火焰长度减小最快。

    四组实验煤样的爆炸火焰长度的变化率呈现两种不同的变化趋势是实验煤样的挥发分、灰分和水分含量等因素共同作用的结果。

3  结  论

    通过对挥发分含量为18. 99%、27. 52%、32. 20%和39. 74%的四种典型煤样分别在31.5、44、62.5、81.5、119、> 150m六种粒径时的爆炸火焰长度数据的处理分析，得出以下结论：

    1)煤尘粒径相同时，挥发分含量越高，爆炸火焰长度值越大；在挥发分含量较低的区间，挥发分含量的增加对爆炸火焰长度影响不大，在挥发分含量较高的区间，随着挥发分含量的增加其爆炸火焰长度急剧增加，并且粒径越小，增加的越快。

    2)对于同一煤样，随着粒径的增大爆炸火焰长度减小，当粒径增大到150m以上时，爆炸火焰几乎消失。

    3)四组实验煤样的爆炸火焰长度变化率呈现两种变化趋势，随着粒径增大，挥发分含量分别为18. 99%和27. 52%的1^#、2^#煤样呈现先增加后减小再增加的锯齿形变化，挥发分含量为32. 20%和39. 74%的3^#、4^#煤样呈现先增加后减小的变化趋势，但四组煤样都在44~62.5m的粒径变化量时达到最大值。