水平管內(nèi)不同煤質煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦詫嶒炑芯?

劉天奇，鄭秋雨，蘇長青

(沈陽航空航天大學 安全工程學院，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦允潜碚髅簤m爆炸強度的一項重要參數(shù)[1]，爆炸火焰在受限空間內(nèi)傳播的距離、持續(xù)的時間及其發(fā)展狀態(tài)，會對爆炸威力和破壞效果產(chǎn)生巨大影響作用[2-3]。由于煤礦井下作業(yè)環(huán)境與操作條件復雜多變且影響因素較多，所以在不同因素的干擾下，煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦栽谄洚a(chǎn)生與傳播過程中的變化性很大[4-6]，同時考慮到不同變質程度的煤塵樣品爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦圆町愝^大，因此，采用實驗研究的方法，以水平玻璃管煤塵爆炸實驗裝置為依托，研究不同煤質煤塵爆炸過程中火焰?zhèn)鞑ヌ匦裕芯拷Y果對系統(tǒng)掌握爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律及合理制定抑爆措施意義重大。

目前國內(nèi)外在煤塵爆炸強度特性方面，Eckhoff[7]分析了粒徑分散度、粉塵云聚合度、粉塵云濃度和湍流度對爆炸強度影響作用；Elaine[8]研究了瓦斯爆炸驅動作用下煤塵爆炸的火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c火焰結構特征；Pawel等[9]采用連通容器，研究了管體參數(shù)與管體內(nèi)部粉塵爆炸壓力特性的關系；蔡周全與羅振敏[10]研究了658 m巷道中瓦斯煤塵爆炸沖擊波能量與傳播速度衰減規(guī)律；劉貞堂[11]使用20 L球分析了煤塵爆炸火焰場與溫度場變化過程；劉義等[12]使用3.2 L管體研究了瓦斯含量、煤塵種類與粒徑對煤塵爆炸下限濃度影響作用；曹衛(wèi)國等[13]、李雨成等[14]分別采用半封閉豎直管、水平玻璃管研究了煤塵爆炸火焰特性。綜上所述，目前在煤塵爆炸強度特性方面的研究已取得一定進展，但在不同變質程度煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦苑矫娴难芯可形闯浞终归_。

鑒于此，以褐煤、長焰煤、不粘煤、氣煤4種不同變質程度的煤塵樣品為研究對象，以水平玻璃管道空間內(nèi)煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦员碚鞅◤姸龋骄?種煤塵在爆炸火焰發(fā)展階段焰峰變化規(guī)律與火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x隨火焰?zhèn)鞑r間變化規(guī)律。研究結果對認識不同煤質煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦约爸贫ㄓ行У姆辣⒁直⒏舯胧┚哂兄匾饬x。

1 水平管道煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦詼y試裝置與測試原理

煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦允潜碚髅簤m爆炸強度的一項重要參數(shù)，爆炸火焰在受限空間內(nèi)傳播的距離、持續(xù)的時間及其發(fā)展狀態(tài)，會對爆炸威力和破壞效果產(chǎn)生巨大影響作用。由于煤礦井下作業(yè)環(huán)境條件復雜多變且影響因素較多，所以在不同因素的干擾下，煤塵爆炸火焰特性在其產(chǎn)生與傳播過程中的變化性很大。為研究不同條件下煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦约捌渥兓?guī)律，采用水平玻璃管實驗裝置(實物如圖1所示，結構如圖2所示)展開實驗分析與理論研究。

圖1 水平玻璃管煤塵爆炸實驗系統(tǒng)Fig.1 Coal dust explosion test system of horizontal glass tube

1.玻璃管；2.集塵倉；3.吸塵器；4.壓力表；5.氣室；6.電磁閥；7.調節(jié)閥；8.微型空氣壓縮機；9.煤樣管；10.彎管；11.鉑絲；12.加熱器瓷管；13.熱電偶；14.高速攝像機。圖2 水平玻璃管煤塵爆炸實驗裝置結構Fig.2 Coal dust explosion test device structure ofhorizontal glass tube

火焰?zhèn)鞑ヌ匦灾饕ɑ鹧骈L度、火焰持續(xù)時間、焰體亮度與焰體結構等，火焰長度和火焰持續(xù)時間分別從空間和時間角度定量描述了火焰?zhèn)鞑ヌ匦浴Ｋ讲ＡЧ鼙ㄑb置主要包括玻璃管體系統(tǒng)、噴塵系統(tǒng)、高溫點火系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)、支架導軌系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與管體吹掃系統(tǒng)。玻璃管體兩端開口，管長1.4 m，截面內(nèi)徑80 mm，管壁厚3 mm，管壁上以mm為單位標有長度尺度，可使用高速攝像機收集不同時刻火焰圖像并讀取長度數(shù)據(jù)。噴塵方式為氣流攜帶式，煤樣管中盛好一定質量煤塵后，微型空氣壓縮機會形成高壓空氣，將煤樣管中煤塵帶進玻璃管形成懸浮云團，在高溫鉑絲附近區(qū)域(通過熱電偶測量溫度)發(fā)生爆炸，高溫鉑絲距煤樣管0.2 m。

水平玻璃管煤塵爆炸實驗裝置的優(yōu)點主要包括：實驗裝置的測試工況可靈活操控、實驗過程可遠程遙控、實驗結果采集方便及實驗周期相對較短。在實驗過程與原理方面，需根據(jù)相關實驗要求進行參數(shù)設置。其中，初始揚塵壓力默認0.05 MPa，該參數(shù)可影響煤塵云湍流程度及爆炸火焰初始速度，調節(jié)步長為±0.01 MPa；高溫鉑絲點火溫度默認1 100℃，受玻璃管工作溫度限制，點火溫度最高可設置1 200℃；每次實驗裝入煤樣管煤塵質量為2 g，煤塵粒徑75 μm(即200目)，該粒徑下火焰觀測效果較明顯，實驗前稱量100 g煤樣放入105℃干燥箱內(nèi)50 min，隨后打開干燥箱上側孔，待溫度自然降到40℃，將煤樣取出放入干燥皿備用。實驗所選的4種煤質分別為褐煤、長焰煤、不粘煤、氣煤，分別來自于內(nèi)蒙古、遼寧、新疆和吉林，從地域上涵蓋了華北、東北和西北3大區(qū)域，所選煤樣均來自各大礦區(qū)具有代表性的掘進面。

2 水平管道內(nèi)不同煤質煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦詼y試分析

2.1 不同煤質煤塵爆炸火焰發(fā)展階段焰峰變化規(guī)律研究

煤塵爆炸火焰在傳播中會經(jīng)歷焰體生成發(fā)展及焰體衰退消亡過程，這一過程持續(xù)時間極短。由于焰峰位于焰體最前端，焰峰形態(tài)結構、寬度與亮度等特性與火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x、傳播持續(xù)時間密切相關，可以說焰峰的發(fā)展直接影響爆炸猛烈程度，因此，針對褐煤、長焰煤、不粘煤與氣煤爆炸火焰發(fā)展階段的焰峰變化規(guī)律進行研究。由于焰體衰退階段爆炸波及范圍及威力均逐漸減小，所以暫不研究焰體衰退過程。水平玻璃管實驗裝置參數(shù)設置為：初始揚塵壓力0.05 MPa，點火溫度1 100℃，噴塵質量2 g。受實驗條件所限，高速攝像系統(tǒng)每1/8 s拍攝1次火焰圖像(如圖3所示，火焰長度見表1)。

根據(jù)圖3做如下3點分析：

1)褐煤爆炸火焰發(fā)展階段焰峰變化規(guī)律分析

褐煤爆炸后0～500 ms及長焰煤、不粘煤、氣煤爆炸后0～375 ms都經(jīng)歷了火焰由生成到發(fā)展的階段，焰峰的形態(tài)結構、寬度與亮度顯示出一定演化規(guī)律。先以褐煤為例進行分析：t=125 ms時，褐煤焰峰結構十分尖銳，而焰峰寬度不大，沒有占滿整個管體截面，t=250 ms時，焰峰形狀由尖銳向平滑的趨勢發(fā)生演變，到t=500 ms，焰峰輪廓基本鈍化，不存在明顯凹凸點或尖銳部分。整體上看，在t=0～500 ms過程中，褐煤焰峰的寬度、橫截面積以及亮度均不斷增大，而在t=125 ms時，焰峰出現(xiàn)局部破裂現(xiàn)象，明顯顯露出玻璃管體上的尺度標記，從爆炸火焰演化角度分析，這是由爆炸過程中可燃揮發(fā)分氣體、可燃固體焦炭與管體中氧氣反應不充分導致的。t=125 ms火焰初步生成且未發(fā)展完全，此時焰峰具有很強的傳播擴散能力，t=500 ms火焰形態(tài)結構發(fā)展相對完全，此時焰峰具有更強的破壞威力。

2)長焰煤與不粘煤爆炸火焰發(fā)展階段焰峰變化規(guī)律分析

與褐煤相比，長焰煤、不粘煤爆炸火焰發(fā)展完全所需時間相對較短，在0～375 ms內(nèi)，長焰煤與不粘煤焰峰的形狀由相對尖銳向平滑逐漸過渡，最終趨于鈍化。焰峰及附近區(qū)域亮度、橫截面積、焰體寬度均逐漸增大。長焰煤、不粘煤與褐煤不同之處在于，在t=375 ms時兩者焰峰前端區(qū)域出現(xiàn)明顯焰體分離現(xiàn)象。從煤塵爆炸傳播角度分析，爆炸火焰區(qū)域代表了爆炸化學反應波及的空間范圍，爆炸火焰攜帶有相當一部分從煤塵爆炸起點區(qū)域產(chǎn)生的能量，進而促使焰峰向前一直傳播，但受玻璃管體裝置冷壁效應與空間尺度效應作用，以及煤塵燃料與空間氧氣的消耗，導致t=375 ms出現(xiàn)焰峰與焰體破裂分離現(xiàn)象，火焰?zhèn)鞑ヒ簿痛私K止。

此外，t=250 ms時，長焰煤焰峰圖像上觀察到黑色顆粒狀物質，對其產(chǎn)生機理分析可知：隨高溫點火后爆炸的發(fā)生，煤塵中水分、揮發(fā)分和固定碳成分都釋放出來或參與爆炸反應，剩下惰性極強的灰分成分并不參與爆炸反應，甚至起到阻礙爆炸作用，這也是黑色顆粒狀物質的主要成分，這也從“灰分抑制爆炸反應”觀點解釋了t=375 ms時長焰煤焰峰出現(xiàn)破裂分離現(xiàn)象的原因。

3)氣煤爆炸火焰發(fā)展階段焰峰變化規(guī)律分析

相比之下，氣煤爆炸火焰發(fā)展階段焰峰傳播特性與褐煤、長焰煤、不粘煤均不同，雖然在0～250 ms內(nèi)氣煤焰峰的橫截面積、寬度、亮度均有明顯增大，然而從拍攝圖像發(fā)現(xiàn)，包括焰峰在內(nèi)的火焰始終沒有鋪滿整個管體截面空間。在焰峰亮度與結構形態(tài)方面，t=250 ms時氣煤焰峰亮度達到最大，而在t=375 ms焰峰亮度明顯減弱，并出現(xiàn)明顯的大面積的火焰碎紋，隨即焰體終止傳播，說明氣煤爆炸火焰猛烈傳播的持續(xù)時間相對較短，整體爆炸強度也相對較弱。

2.2 不同煤質煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律對比分析

為研究水平管體空間內(nèi)不同煤質煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x隨時間變化規(guī)律，在第1章實驗工況下對不同時刻褐煤、長焰煤、不粘煤、氣煤爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x進行測試，結果見表1。為便于對比不同t時刻爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xl變化趨勢，繪制圖4。

圖3 不同時刻煤塵爆炸火焰焰峰圖像Fig.3 Flame peak images of coal dust explosion at different time

根據(jù)表1和圖4做2點分析：

1)不同煤質煤塵爆炸火焰加速傳播規(guī)律對比分析

在火焰加速傳播階段，隨爆炸后時間t的增加，4種煤質中，不粘煤與氣煤的l隨t的變化率總體呈先變大、后變小趨勢，而褐煤與長焰煤的l隨t的變化率呈先變大、后減小、再變大趨勢，說明不粘煤與氣煤的爆炸火焰在傳播過程中存在1次加速，而褐煤與長焰煤的爆炸火焰存在2次間斷性加速。從火焰?zhèn)鞑C理分析這種差異性可知：褐煤與長焰煤爆炸火焰在2次加速之間有1次減速，這與玻璃管體空間受限及常溫管壁散熱而造成的阻礙火焰加速傳播效應密切相關，同時，由于管體內(nèi)褐煤與長焰煤爆炸火焰?zhèn)鞑ハ鄬^為猛烈，局部助燃氧氣出現(xiàn)瞬間空間空缺與不足現(xiàn)象，于是在1次火焰加速后出現(xiàn)間斷性焰體減速傳播，但從第2次火焰重新加速中可以判斷，由玻璃管體兩端向焰體間隙中補充而來的氧氣快速有效地起到了及時助燃助爆作用。

表1 不同時刻爆炸火焰長度Tab.1 Flame length of coal dust explosion at different time

圖4 火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x與時間的關系Fig.4 Relationship of flame propagation distance and time

2)不同煤質煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律對比分析

在不同煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x與持續(xù)時間方面，褐煤爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x最大達740 mm，明顯大于長焰煤、不粘煤與氣煤最大距離，說明褐煤大約在爆炸后400～600 ms內(nèi)火焰2次加速完全，其余3種煤塵幾乎均在300～500 ms內(nèi)火焰?zhèn)鞑サ阶钸h，達450～600 mm，當t>800 ms后，長焰煤、不粘煤與氣煤火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x均小于100 mm，說明焰體基本趨于燃盡消失狀態(tài)，表明低變質褐煤爆炸火焰持續(xù)時間更長，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x更遠且傳播更劇烈，這與褐煤可燃揮發(fā)分含量較高有直接關系。因此建議針對生產(chǎn)褐煤的煤礦應加大粉塵防治力度，及時采取控塵降塵措施，嚴防爆炸事故發(fā)生。此外，雖然氣煤火焰最遠傳播距離比長焰煤大30 mm，但從圖3可知，氣煤火焰在375 ms左右出現(xiàn)大片火焰碎紋，焰體亮度、寬度與橫截面積也都不如長焰煤。

3 結論

1)4種煤塵在爆炸火焰發(fā)展階段，褐煤在500 ms內(nèi)焰峰的形狀由尖銳向平滑再向鈍化不斷演變，長焰煤與不粘煤在375 ms時焰峰前端出現(xiàn)明顯焰體分離現(xiàn)象，分析認為這與管體冷壁效應、空間尺度效應及空間氧氣消耗直接相關。氣煤在250 ms焰峰亮度達最大，而在375 ms時焰峰出現(xiàn)大面積火焰碎紋，說明氣煤爆炸火焰猛烈傳播的持續(xù)時間相對較短，整體爆炸強度相對較弱。

2)在火焰加速傳播階段，不粘煤與氣煤的爆炸火焰在傳播過程中存在1次加速，而褐煤與長焰煤爆炸火焰存在2次間斷性加速，分析認為褐煤與長焰煤爆炸火焰在2次加速之間有1次減速，這不僅與玻璃管體空間受限及常溫管壁散熱而造成的阻礙火焰加速傳播效應密切相關，還由于褐煤與長焰煤爆炸火焰在管內(nèi)傳播相對較為猛烈，導致局部助燃氧氣出現(xiàn)瞬間空間空缺與不足。由于管體兩端的氧氣快速有效地補充到焰體間隙中，及時起到助燃助爆作用，從而使褐煤、長焰煤爆炸火焰出現(xiàn)了第2次重新加速。

3)褐煤大約在爆炸后400～600 ms內(nèi)火焰2次加速完全，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x達740 mm，明顯大于長焰煤、不粘煤與氣煤。當t>800 ms后，長焰煤、不粘煤與氣煤爆炸火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x均小于100 mm，說明焰體基本趨于燃盡消失狀態(tài)，表明低變質褐煤爆炸火焰持續(xù)時間更長，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x更遠且傳播更劇烈。此外，雖然氣煤火焰最遠傳播距離比長焰煤大30 mm，但由于氣煤火焰在375 ms左右出現(xiàn)大片火焰碎紋，因此氣煤整體的爆炸強度小于長焰煤。