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煤塵揮發(fā)分及粒徑對(duì)爆炸火焰長(zhǎng)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(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧葫蘆島125105；2．礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧葫蘆島125105）

摘要：為研究煤塵揮發(fā)分及粒徑對(duì)爆炸火焰長(zhǎng)度的影響及其變化規(guī)律，選取揮發(fā)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(cè)試其爆炸火焰長(zhǎng)度，并對(duì)其爆炸火焰長(zhǎng)度變化規(guī)律進(jìn)行分析。結(jié)果表明：隨著揮發(fā)分含量的增加，不同粒徑級(jí)別的煤塵爆炸火焰長(zhǎng)度均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；在揮發(fā)分含量較低的區(qū)間，揮發(fā)分含量增加對(duì)爆炸火焰長(zhǎng)度影響不大；在揮發(fā)分含量較高的區(qū)間，隨著揮發(fā)分含量的增加其爆炸火焰長(zhǎng)度也急劇增加，并且粒徑越小增加的越快。對(duì)于同一實(shí)驗(yàn)煤樣，隨著粒徑的增大，其爆炸火焰長(zhǎng)度逐漸減小，粒徑增大到150m以上時(shí)爆炸火焰幾乎消失。爆炸火焰長(zhǎng)度隨粒徑變化的變化率根據(jù)實(shí)驗(yàn)煤樣的不同，呈現(xiàn)出兩種變化規(guī)律，揮發(fā)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(fā)分含量為32. 20%和39. 74%的煤樣呈現(xiàn)先增加再減小的趨勢(shì)，但四組實(shí)驗(yàn)煤樣的爆炸火焰長(zhǎng)度變化率都在44~ 62.5m的粒徑變化量時(shí)達(dá)到最大值。

關(guān)鍵詞：揮發(fā)分；粒徑；火焰長(zhǎng)度

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

0  引言

    爆炸火焰長(zhǎng)度是判斷煤塵是否具有爆炸性，衡量煤塵爆炸強(qiáng)弱的重要指標(biāo)之一。同時(shí)，爆炸產(chǎn)生火焰有助于爆炸傳播，增加爆炸產(chǎn)生的破壞力，因此研究煤塵的爆炸火焰長(zhǎng)度變化規(guī)律具有重要的意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析等方法對(duì)爆炸火焰長(zhǎng)度變化規(guī)律進(jìn)行了研究。王杰、黃衛(wèi)等將數(shù)字圖像處理技術(shù)引入到煤塵爆炸性鑒定系統(tǒng)中，解決了肉眼觀察火焰長(zhǎng)度存在的測(cè)量精度差、重復(fù)性誤差大以及人為因素多等問(wèn)題。張引合研究了煤塵爆炸性鑒定分析系統(tǒng)，使系統(tǒng)更智能化測(cè)量精度更高。李雨成、劉天奇等通過(guò)多元統(tǒng)計(jì)分析中的主成分分析法，從數(shù)據(jù)分析的角度證明了揮發(fā)分含量對(duì)煤塵爆炸火焰長(zhǎng)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(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了煙煤在不同粒徑、水分含量條件下的爆炸火焰長(zhǎng)度值。張松山、劉貞堂等對(duì)煤塵爆炸性和揮發(fā)分含量的關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了揮發(fā)分與火焰長(zhǎng)度近似呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，火焰長(zhǎng)度與抑制煤塵爆炸最

低巖粉量近似呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。段振偉、李志強(qiáng)等對(duì)煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(guān)系。林柏泉、周世寧等對(duì)巷道面積突變和巷道分叉對(duì)瓦斯爆炸過(guò)程中火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊戇M(jìn)行了試驗(yàn)研究。司榮軍對(duì)煤塵爆炸傳播規(guī)律進(jìn)行研究，在瓦斯煤塵爆炸實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上從爆炸火焰?zhèn)鞑ズ蜎_擊波傳播兩方面描述了礦井瓦斯煤塵爆炸傳播過(guò)程。李慶釗、林柏泉、馮永安、胡雙啟等利用20 L爆炸球?qū)嶒?yàn)裝置對(duì)煤塵及瓦斯煤塵混合物的爆炸特性進(jìn)行了研究，獲得了不同實(shí)驗(yàn)條件下煤塵的爆炸特征參數(shù)及變化規(guī)律。

    綜上分析，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)爆炸火焰?zhèn)鞑�機(jī)理、煤塵爆炸的爆炸壓力和爆炸壓力上升速率方面進(jìn)行了大量研究，對(duì)爆炸火焰長(zhǎng)度及其變化規(guī)律方面的研究較少，這很大程度上是因?yàn)楸�炸火焰的瞬時(shí)性導(dǎo)致精確觀察火焰長(zhǎng)度很困難。近年隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，使得精確觀察爆炸火焰長(zhǎng)度成為可能，為研究爆炸火焰長(zhǎng)度的影響因素提供了條件。本文利用帶有高速攝像機(jī)的煤塵爆炸性鑒定裝置研究煤塵揮發(fā)分及粒徑對(duì)爆炸火焰長(zhǎng)度的影響及其變化規(guī)律，為現(xiàn)場(chǎng)控制爆炸危害程度提供理論參考。

1  實(shí)驗(yàn)研究

1.1  實(shí)驗(yàn)煤樣的制備

    將實(shí)驗(yàn)煤樣用顎式破碎機(jī)破碎到1mm以下，之后用球磨機(jī)繼續(xù)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(jī)上，將球磨機(jī)粉碎后的實(shí)驗(yàn)煤樣篩分成25~38、38~50、50~75、75~88、88~ 150、>150m六種粒徑區(qū)間。將篩分后的實(shí)驗(yàn)煤樣放在白鐵盤(pán)中，置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中于105 0C干燥60min，把實(shí)驗(yàn)煤樣取出放到干燥皿中冷卻至室溫備用。

1.2  實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原理  

    實(shí)驗(yàn)采用符合AQ 1045 - 2007《煤塵爆炸性鑒定規(guī)范》規(guī)定的MCB - III智能型煤塵爆炸性鑒定裝置，該裝置在滿足國(guó)家規(guī)范要求的原理和參數(shù)外，還具有高速視頻采集功能，可采集存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)煤樣形成煤塵云發(fā)生煤塵爆炸的全過(guò)程并按照最高每秒50幀速度精確畫(huà)面回放爆炸的全過(guò)程，同時(shí)具有截屏功能，可在爆炸火焰最長(zhǎng)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(zhǎng)度，圖1為MCB - III智能型煤塵爆炸性鑒定裝置的原理圖，實(shí)物圖如圖2所示。

    實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(guò)電腦控制程序設(shè)置實(shí)驗(yàn)為自動(dòng)操作，點(diǎn)擊自動(dòng)操作按鈕，鉑絲、加熱器瓷管、熱電偶共同組成的加熱裝置會(huì)自動(dòng)升溫到1100±1⁰C，氣室逐步加壓至0.05 MPa，溫度壓力達(dá)到要求后，試樣管中的煤樣被吹進(jìn)玻璃管中形成粉塵云通過(guò)加熱裝置，觀察是否產(chǎn)生爆炸火焰。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，除塵箱、吸塵器組成的清掃系統(tǒng)采用吹塵風(fēng)機(jī)和吸塵器配合清掃玻璃管，同時(shí)人工采用小毛刷清掃加熱裝置。高速攝像機(jī)會(huì)記錄下從粉塵吹出到吹掃停止的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程并通過(guò)電腦中配套的視頻軟件慢速回放。

    除此之外，實(shí)驗(yàn)還利用YX - GYFX7701型雙爐全自動(dòng)工業(yè)分析儀對(duì)實(shí)驗(yàn)煤樣進(jìn)行工業(yè)分析。圖3為YX -GYFX7701型雙爐全自動(dòng)工業(yè)分析儀實(shí)物圖。

1.3  實(shí)驗(yàn)方案

    每個(gè)實(shí)驗(yàn)煤樣有25~38、38~50、50~75、75~88、88~150、>150m六種粒徑區(qū)間，選取每一粒徑區(qū)間的中間粒徑值表示該區(qū)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(dòng)工業(yè)分析儀對(duì)實(shí)驗(yàn)煤樣進(jìn)行工業(yè)分析得到其水分、灰分和揮發(fā)分含量。之后利用MCB - III智能型煤塵爆炸性鑒定裝置分別測(cè)量每一煤樣每一粒徑的爆炸火焰長(zhǎng)度。每次實(shí)驗(yàn)重復(fù)五次，取五次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值作為該煤樣在該粒徑下的爆炸火焰長(zhǎng)度值。

2  實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

    在對(duì)大量煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試的基礎(chǔ)上，選取揮發(fā)分含量相差較大的四種典型煤樣分別編號(hào)為1^#~4^#實(shí)驗(yàn)煤樣（見(jiàn)表1）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。根據(jù)中國(guó)煤炭分類標(biāo)準(zhǔn)，1^#煤樣為低揮發(fā)分煙煤，2^#煤樣為中揮發(fā)分煙煤，3^#煤樣為中高揮發(fā)分煙煤，4^#煤樣為高揮發(fā)分煙煤。工業(yè)分析結(jié)果見(jiàn)表1。

    由工業(yè)分析結(jié)果可知，1^#~4^#實(shí)驗(yàn)煤樣的揮發(fā)分含量依次增加，同一煤樣制備成不同粒徑，其揮發(fā)分含量波動(dòng)范圍在0. 9%內(nèi)，這其中也有儀器誤差的因素，可忽略不計(jì)，近似認(rèn)為同一煤樣各粒徑的揮發(fā)分含量相同。

2.1  爆炸火焰長(zhǎng)度與揮發(fā)分含量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

    根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，繪制不同實(shí)驗(yàn)煤樣相同粒徑級(jí)別的爆炸火焰長(zhǎng)度圖，如圖4所示。

    1^#~4^#煤樣，其揮發(fā)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(fā)分含量的增加，每一粒徑級(jí)別的實(shí)驗(yàn)煤樣的爆炸火焰長(zhǎng)度均呈增加趨勢(shì)。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)煤樣中揮發(fā)分含量越高，煤樣遇熱越容易析出可燃?xì)怏w，遇熱爆炸強(qiáng)度越劇烈，表現(xiàn)之一即為爆炸火焰長(zhǎng)度更長(zhǎng)。揮發(fā)分含量為18. 99%的1#煤樣在六種粒徑級(jí)別其爆炸火焰長(zhǎng)度都很小，而揮發(fā)分含量為39. 74%的4#煤樣在粒徑為31.5m時(shí)，火焰長(zhǎng)度為1500 mm，說(shuō)明爆炸火焰長(zhǎng)度跟揮發(fā)分含量有很大關(guān)系。在粒徑大于150m的情況下，揮發(fā)分含量為18. 99%、27. 52%、32. 20%、39. 74%的四組實(shí)驗(yàn)煤樣的爆炸火焰長(zhǎng)度分別為0、0、0.5和0.6 mm，爆炸火焰長(zhǎng)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(dǎo)致氧化能力弱。同時(shí)也說(shuō)明，隨著揮發(fā)分含量的增加，在較大粒徑區(qū)間，當(dāng)

揮發(fā)分含量大到一定數(shù)值的時(shí)候，也會(huì)產(chǎn)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(shuō)明在揮發(fā)分含量較低的區(qū)間，揮發(fā)分含量的增加對(duì)爆炸火焰長(zhǎng)度影響不大；在揮發(fā)分含量較高的區(qū)間，隨著揮發(fā)分含量的增加其爆炸火焰長(zhǎng)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(zhǎng)度及其變化率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

    根據(jù)四組不同粒徑煤樣的爆炸火焰長(zhǎng)度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制爆炸火焰長(zhǎng)度隨粒徑變化曲線，見(jiàn)圖5。

    從圖5可以看出，隨著煤塵粒徑增大，四組不同揮發(fā)分含量的實(shí)驗(yàn)煤樣的爆炸火焰長(zhǎng)度均逐漸減小，當(dāng)粒徑增大到150m以上時(shí)，爆炸火焰幾乎消失。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)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(qiáng)，受熱單位時(shí)間內(nèi)能夠吸收更多的熱量，放出大量的可燃?xì)怏w以及揮發(fā)分聚集于塵粒周?chē)�，進(jìn)而導(dǎo)致遇熱爆炸產(chǎn)生的火焰長(zhǎng)度越長(zhǎng)。

    根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算出每一實(shí)驗(yàn)煤樣每個(gè)粒徑變化點(diǎn)處的爆炸火焰長(zhǎng)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(jiàn)，隨著粒徑增大，爆炸火焰變化率呈現(xiàn)出兩種變化趨勢(shì)。隨著煤樣粒徑的增大，1^#、2^#實(shí)驗(yàn)煤樣的爆炸火焰長(zhǎng)度變化率呈現(xiàn)先增加后減小再增加的鋸齒形變化，整體變化相對(duì)平穩(wěn)，實(shí)驗(yàn)的粒徑區(qū)間內(nèi)，在粒徑從44m增加到62.5m時(shí)，爆炸火焰長(zhǎng)度變化率達(dá)到最大值；在粒徑從62.5m增加到81.5m時(shí)，爆炸火焰長(zhǎng)度減小率達(dá)到最小值；3^#、4^#實(shí)驗(yàn)煤樣變化曲線呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在44~ 62.5m的粒徑變化量時(shí)達(dá)到最大值。四種煤樣的爆炸火焰長(zhǎng)度變化率均在粒徑從44m增加到62.5m時(shí)達(dá)到最大值，說(shuō)明煤塵粒徑從44m增加到62.5m時(shí)，爆炸火焰長(zhǎng)度減小最快。

    四組實(shí)驗(yàn)煤樣的爆炸火焰長(zhǎng)度的變化率呈現(xiàn)兩種不同的變化趨勢(shì)是實(shí)驗(yàn)煤樣的揮發(fā)分、灰分和水分含量等因素共同作用的結(jié)果。

3  結(jié)  論

    通過(guò)對(duì)揮發(fā)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(shí)的爆炸火焰長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的處理分析，得出以下結(jié)論：

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

    2)對(duì)于同一煤樣，隨著粒徑的增大爆炸火焰長(zhǎng)度減小，當(dāng)粒徑增大到150m以上時(shí)，爆炸火焰幾乎消失。

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