高溫熱源表面點燃甲烷和煤塵實驗研究

王毅， 王海燕， 張雷， 胡浪

(中國礦業(yè)大學(北京) 應急管理與安全工程學院， 北京 100083)

0 引言

煤炭是我國工業(yè)和社會的主要能源。瓦斯爆炸對煤炭安全開采構成重大威脅。由于煤礦采空區(qū)內(nèi)部存在大量遺煤[1-2]，經(jīng)氧化后可形成煤自燃現(xiàn)象，當采空區(qū)涌出的瓦斯遇到煤自燃高溫區(qū)域時可導致瓦斯爆炸事故的發(fā)生[3]。例如，吉煤集團通化礦業(yè)集團公司八寶煤業(yè)公司“3·29”瓦斯爆炸事故中，誘發(fā)瓦斯爆炸的火源就是煤自燃[4]。同時，采空區(qū)內(nèi)部存在堆積的煤塵[5]，煤自燃高溫區(qū)域也可能誘發(fā)瓦斯/煤塵爆炸事故，使煤炭安全開采面臨重大挑戰(zhàn)[6]。開展煤自燃誘發(fā)瓦斯和煤塵燃燒與爆炸的研究對實現(xiàn)煤炭工業(yè)安全生產(chǎn)具有重大意義。

由于全面的礦井爆炸試驗十分昂貴且耗時，國內(nèi)外學者基于電火花誘發(fā)方式，使用實驗室規(guī)模設備對瓦斯和煤塵爆炸、傳播特性進行了研究。文獻[7]最早開展了煤塵和氣體爆炸研究，發(fā)現(xiàn)可燃粉塵與可燃氣體混合物的爆炸比單一爆炸更為容易和劇烈。C. H. Medina等[8]利用1 m3ISO爆炸容器試驗裝置對煤塵爆炸進行研究，發(fā)現(xiàn)高表面積煤塵由于煤焦的高孔隙率促進氧氣擴散，使爆炸更為嚴重。Liu Qingming等[9]采用大型爆炸管對甲烷和煤塵爆炸特性進行研究，發(fā)現(xiàn)甲烷和煤塵對壓力上升和火焰速度有較大影響。劉貞堂等[10]采用20 L球形爆炸裝置研究了煤塵濃度、粒徑、點火能量等對煤塵爆炸特征參數(shù)的影響。李曉亮等[11]采用20 L球形爆炸裝置研究了煤塵濃度、粒徑、點火能量對煤塵二次爆炸燃燒持續(xù)時間及殘留氣體的影響。

上述研究采用球形容器和管道容器，與煤礦采空區(qū)形狀差別較大，不能準確模擬采空區(qū)環(huán)境。高溫熱源表面、電弧電火花均可能成為導致瓦斯和煤塵爆炸的誘發(fā)源。上述研究所采用的誘發(fā)源均為電火花。目前尚未有高溫熱源表面誘發(fā)甲烷/煤塵爆炸的相關研究[12]。此外，傳統(tǒng)研究中，通過吹入的形式實現(xiàn)甲烷和煤塵混合，這與采空區(qū)內(nèi)瓦斯涌出后流經(jīng)煤自燃表面的過程差別較大，所得結論不能充分反映采空區(qū)內(nèi)煤自燃誘發(fā)瓦斯/煤塵爆炸的特性。本文采用自主研制的40 L氣體爆炸設備，設計高溫熱源表面點燃源模擬煤自燃區(qū)域，全面反映采空區(qū)煤自燃誘發(fā)甲烷/煤塵爆炸環(huán)境，研究煤自燃誘發(fā)甲烷/煤塵爆炸特性。

1 實驗部分

1.1 實驗設備

根據(jù)采空區(qū)內(nèi)煤自燃誘發(fā)瓦斯爆炸過程研制出與其具有相似統(tǒng)一性的40 L氣體爆炸設備。該設備由爆炸反應密閉容器、實驗樣品存儲倉、溫度測控裝置、壓力測控裝置、光學視窗、防爆型抽真空泵、高溫熱源、電火花發(fā)生裝置組成，如圖1所示。

圖1 氣體爆炸實驗設備Fig.1 Gas explosion experimental equipment

實驗采用的高溫熱源表面溫度最高可達1 273 K，表面積為38.47 cm2。采用MEMRECAM GX-3高速攝像機拍攝爆炸反應過程。

1.2 實驗材料

實驗采用的煤樣為遼寧撫順礦業(yè)集團老虎臺礦煙煤，煤樣工業(yè)分析為揮發(fā)分33.71%，固定碳51%，灰分11.74%，水分4%。將煤樣粉碎后，用篩分儀篩分后，使用Mastersizer3000測量煤塵的粒度分布特征，粒度(D90)為71.9 μm。通過ΣIGMA電鏡掃描儀掃描煤塵放大1 600倍的電子掃描圖像如圖2所示。在實驗開始前，將樣品放入DZX-6090B真空干燥箱中干燥12 h，采用瓦斯中主要成分甲烷(體積分數(shù)為99.5%)開展研究。通過自動控制系統(tǒng)將壓縮空氣與甲烷混合并以分壓法配比成不同濃度的甲烷/空氣混合氣體。

圖2 煤塵電子掃描圖像Fig.2 Electronic scan image of coal dust

1.3 實驗方法

通過抽真空泵在實驗準備階段實現(xiàn)真空環(huán)境。在上午8:00—11:00、下午3:00—6:00開展實驗。實驗環(huán)境：溫度為20±3 ℃，濕度為30%±5%。誘發(fā)源選用高溫熱源表面和電火花隙。瓦斯體積分數(shù)范圍為5.5%～13.5%，間隔體積分數(shù)為1%。煤塵濃度為300 g/m3。電火花能量為60 J，經(jīng)過計算，高溫熱源表面溫度為1 073 K[13]。開展煤塵爆炸實驗時，事先將煤塵按照圖3所示的方式鋪設在高溫熱源表面，通過自動控制系統(tǒng)打開電磁閥，甲烷/空氣沖入爆炸反應密閉容器內(nèi)，將煤塵揚起，由高溫熱源表面或電火花引爆。開展煤塵點燃實驗時，將不同濃度煤塵覆蓋在高溫熱源表面，使高溫熱源表面溫度升高，點燃煤塵。

圖3 煤塵鋪設狀態(tài)Fig.3 Coal dust laying status

2 實驗結果與分析

甲烷/煤塵的爆炸關鍵特征參數(shù)主要包括爆炸壓力Pgd、壓力上升速率(dP/dt)gd、爆炸溫度Tgd[14-16]，能夠衡量爆炸的嚴重程度。

2.1 甲烷/煤塵爆炸關鍵特征參數(shù)隨時間的變化規(guī)律

甲烷/空氣(甲烷體積分數(shù)為8.5%)與甲烷/煤塵(甲烷體積分數(shù)為8.5%，煤塵濃度為300 g/m3)爆炸壓力和爆炸溫度隨時間的變化規(guī)律如圖4所示(其中Pg為甲烷/空氣的爆炸壓力，Tg為甲烷/空氣的爆炸溫度)。甲烷/煤塵(甲烷體積分數(shù)為9.5%、煤塵濃度為300 g/m3)的Pgd和Tgd隨時間的變化規(guī)律如圖5所示。

圖4 甲烷/空氣與甲烷/煤塵爆炸壓力和爆炸溫度隨時間的變化規(guī)律Fig.4 Change law of methane/air and methane/coal dust explosion pressure and explosion temperature with time

根據(jù)圖4和圖5可知，甲烷/煤塵的Pgd隨時間的變化規(guī)律與甲烷/空氣的一致[17]，均可劃分為3個階段，這與文獻[18]通過電火花點火方式得到的規(guī)律一致。第Ⅰ階段，t1時刻甲烷/空氣沖入設備內(nèi)，將煤塵揚起，形成甲烷/煤塵混合物；t2時刻甲烷/煤塵混合物被點燃，進入第Ⅱ階段，即Pgd上升階段；Pgd急速上升，在t3時刻達到峰值；隨后爆炸結束，Pgd隨時間逐漸下降，此時為第Ⅲ階段。

為了更清晰地看到Pgd和Tgd隨時間的變化，將Pgd和Tgd上升過程放大，即圖5中的黃色部分。可看出Tgd的變化規(guī)律與Pgd一致，Tgd與Pgd上升時刻基本一致，表明Pgd的上升伴隨著Tgd的升高。其他濃度組合的甲烷/煤塵的Pgd和Tgd隨時間的變化規(guī)律基本一致。

2.2 甲烷/煤塵爆炸關鍵特征參數(shù)峰值隨甲烷濃度的變化規(guī)律

在甲烷體積分數(shù)5.5%～13.5%下，將甲烷/煤塵(煤塵濃度為300 g/m3)最大爆炸壓力Pgd-max、最大升壓速率(dP/dt)gd-max與最大爆炸溫度Tgd-max曲線，與甲烷/空氣的最大爆炸壓力Pg-max、最大升壓速率(dP/dt)g-max、最大爆炸溫度Tg-max進行對比，結果如圖6所示,其中R2為擬合優(yōu)度。

(a) 最大爆炸壓力

(b) 最大升壓速率

(c) 最大爆炸溫度圖6 甲烷/煤塵和甲烷/空氣爆炸關鍵特征參數(shù)隨瓦斯?jié)舛鹊淖兓?guī)律Fig.6 Change law of key characteristic parameters of methane/coal dust and methane/air explosion changes with the gas concentration

甲烷/煤塵的3個爆炸參數(shù)隨甲烷濃度的變化規(guī)律基本一致，在較低甲烷濃度下均隨甲烷濃度的增加而升高，在甲烷體積分數(shù)分別為9.5%，10.5%和9.5%時，Pgd，(dP/dt)gd和Tgd達到峰值，即為轉折濃度，然后隨甲烷濃度的升高而降低。

當甲烷濃度小于轉折濃度時，由于煤塵的加入，Pgd-max，(dP/dt)gd-max和Tgd-max分別大于Pg-max，(dP/dt)g-max和Tg-max。這是因為甲烷/煤塵爆炸過程中，甲烷先于煤塵被引燃[19]，釋放出大量的熱能，促進了煤塵顆粒的熱解，從而增強了煤塵的爆炸強度，使得煤塵爆炸特性增強。當甲烷濃度大于轉折濃度時，甲烷比例增大，氧氣比例減小，煤塵內(nèi)的揮發(fā)性物質(zhì)和甲烷競爭獲取氧氣的影響加劇，此時煤塵起到抑制作用，Pgd-max，(dP/dt)gd-max和Tgd-max分別小于Pg-max，(dP/dt)g-max和Tg-max。

高溫熱源誘發(fā)方式下，Pg-max，(dP/dt)g-max，Tg-max轉折體積分數(shù)均為11.5%，高于電火花的9.5%[17]，由于煤塵的加入，其轉折體積分數(shù)分別降為9.5%、10.5%和9.5%。這是由于高溫熱源誘發(fā)方式下，甲烷/空氣在11.5%時反應充分[17]，其氧氣含量足以使爆炸關鍵特征參數(shù)達到峰值。當加入300 g/m3煤塵后，一部分氧氣參與煤塵的氧化，發(fā)生甲烷/煤塵充分燃燒與爆炸則需要更多的氧氣，導致甲烷濃度降低。此外，由于煤塵的參與，Pg-max，(dP/dt)g-max和Tg-max分別增加了0.8%，6.9%和0.8%。

對各濃度下甲烷/煤塵的Pgd-max，(dP/dt)gd-max和Tgd-max進行擬合。由圖6可知，擬合優(yōu)度R2均較未加入煤塵時降低，說明由于煤塵的參與，Pgd-max，(dP/dt)gd-max和Tgd-max的規(guī)律性下降。

可看出煤塵的添加對Pg-max，(dP/dt)g-max，Tg-max存在明顯的影響，體現(xiàn)在轉折濃度下降，關鍵特征參數(shù)峰值升高，且規(guī)律性下降，煤塵與瓦斯共存增加了對煤礦開采的威脅。

2.3 點火方式對甲烷/煤塵爆炸的影響

不同點火方式下甲烷/煤塵(甲烷體積分數(shù)為8.5%、煤塵濃度為300 g/m3)Tgd隨時間的變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 不同點火方式下瓦斯/煤塵Tgd隨時間的變化規(guī)律Fig.7 Change law of gas/coal dust Tgd under different ignition modes with time

可看出在電火花點火方式下，Tgd在下降期出現(xiàn)再次升高的現(xiàn)象。這是因為甲烷/空氣沖入爆炸反應密閉容器后，吹起一部分煤塵，煤塵與甲烷混合燃燒，溫度迅速上升，出現(xiàn)第1個峰值。由于煤塵的存在，導致電火花引爆的球形火焰出現(xiàn)明顯的湍流(a)。當球形火焰?zhèn)鞑サ饺萜飨虏繒r，火焰對下部煤塵進行沖擊，導致煤塵迅速燃燒(c，d)，溫度再次上升，在溫度下降期再次出現(xiàn)溫度升高的現(xiàn)象。

在高溫熱源表面點火方式下，甲烷/煤塵的Tgd只出現(xiàn)了1個峰值，其變化規(guī)律與未加入煤塵前一致。這是因為在高溫熱源表面誘發(fā)條件下，煤塵鋪設在高溫熱源表面，其點火區(qū)域面積較電火花方式更大，導致爆炸時煤塵與瓦斯/空氣燃燒充分，促使溫度直接升高。到反應后期，煤塵已經(jīng)隨甲烷燃燒結束。該過程如圖8所示(爆炸壓力開始升高的時刻記做0 ms)。

圖8 甲烷/煤塵混合物爆炸火焰發(fā)展過程Fig.8 The explosive flame development process of the methane/ coal dust mixture

2.4 煤塵的點燃溫度

以往主要采用沖入煤塵、電火花點燃方式對煤塵爆炸進行研究。而采空區(qū)內(nèi)煤自燃高溫表面的煤塵以堆放的形式存在，與采空區(qū)內(nèi)煤塵的存在形式不符，其結果很難反應采空區(qū)內(nèi)煤自燃誘發(fā)瓦斯/煤塵爆炸過程。由于甲烷/煤塵沖入設備內(nèi)發(fā)生爆炸前，鋪設在高溫熱源表面的煤塵已發(fā)生熱分解，其氧化分解出的可燃氣體揮發(fā)分導致甲烷/空氣爆炸關鍵特征參數(shù)升高。為深入開展煤自燃誘發(fā)瓦斯/煤塵爆炸研究，通過1 073 K高溫熱源測試鋪設在其表面的煤塵點燃溫度，以了解在甲烷/空氣沖入設備前煤塵的熱解狀態(tài)。K. N. Palmer等[20]通過金屬熱表面對煤塵的點燃溫度進行實驗研究，發(fā)現(xiàn)隨著煤塵厚度的增加，煤塵被高溫表面點燃的溫度降低。

煤塵點燃溫度預測函數(shù)如圖9所示。K. N. Palmer等通過實驗列出6個數(shù)據(jù)點(藍色球形符號)，得出其符合線性規(guī)律的結論，式(1)為其線性擬合函數(shù)。對6個數(shù)據(jù)重新處理，得到紅色擬合曲線，式(2)為修正后的擬合函數(shù)。修正擬合函數(shù)R2較線性擬合提高了20.05%。

圖9 煤塵點燃溫度預測函數(shù)Fig.9 Coal dust ignition temperature prediction function

T=-1.401 93l+514.284 87,R2=0.784 51

(1)

T=-4.997 69l+0.053 6l2+549.861 13,

R2=0.981 36

(2)

式中：T為煤塵的點燃溫度，K；l為煤塵的鋪設厚度，mm。

通過高溫熱源表面，對100，200，300 g/m3煤塵的點燃溫度進行測試，本實驗測試得到的數(shù)據(jù)如圖9方形區(qū)域所示。3個濃度的煤塵鋪設在高溫熱源表面，厚度分別為1.7，3.4 ，5.2 mm，對應的點燃溫度分別為565，550，545 K。與修正后的擬合函數(shù)(式(2))得到的數(shù)值誤差分別為4.1%，3.0%，3.6%，誤差較小，驗證了修正擬合函數(shù)的正確性。

將實驗數(shù)據(jù)與文獻[20]中的測試數(shù)據(jù)相結合，得到新的擬合函數(shù)(式(3))，其R2達到0.974 34。可用于高溫熱源表面鋪設煤塵點燃溫度的預測。

T=-6.491 03l+0.073 87l2+568.491 3,

R2=0.974 34

(3)

3 結論

(1) 通過高溫熱源表面點火方式得到的甲烷/煤塵爆炸過程與甲烷/空氣爆炸過程一致，均可劃分為3個階段。

(2) 甲烷/煤塵的3個爆炸參數(shù)隨甲烷濃度的變化規(guī)律一致，即先隨著甲烷濃度的增加而升高，達到峰值后隨甲烷濃度的增加而降低；當甲烷濃度小于轉折濃度時，Pgd-max，(dP/dt)gd-max和Tgd-max分別大于Pg-max，(dP/dt)g-max和Tg-max；當甲烷濃度大于轉折濃度時，Pgd-max，(dP/dt)gd-max和Tgd-max分別小于Pg-max，(dP/dt)g-max和Tg-max；由于煤塵的加入，甲烷/空氣3個爆炸參數(shù)的轉折體積分數(shù)由11.5%分別降至9.5%，10.5%和9.5%，峰值分別增加了0.8%、6.9%和0.8%，且規(guī)律性下降。

(3) 由于點火方式不同，Tgd的變化規(guī)律不同：電火花引爆甲烷/煤塵后Tgd在下降階段(Ⅲ階段)再次出現(xiàn)升高的現(xiàn)象；高溫熱源表面引爆甲烷/煤塵后Tgd變化規(guī)律與未加入煤塵前保持一致。

(4) 對煤塵點燃溫度預測函數(shù)進行了修正，修正后的R2提高了20.05%；結合實驗數(shù)據(jù)得到了煤塵在高溫熱源表面點火方式下的點燃溫度預測函數(shù)。