不同粒徑肥煤及其爆炸殘留物的爆炸條件和產物分析

劉貞堂，周西方，李曉亮，洪 森，林 松，錢繼發

（1.中國礦業大學 煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室，江蘇 徐州221116；2.中國礦業大學 安全工程學院，江蘇 徐州221116）

煤塵爆炸以其顯著的高溫、有毒煙氣、沖擊波等危害特性造成大量人員傷亡、財產損失，嚴重威脅礦井的安全生產，我國近90%的礦井煤塵具有爆炸性，煤塵爆炸危險普遍存在[1-2]。國內外學者對煤塵爆炸進行了廣泛研究，包括爆炸前后固體顆粒的灰分、揮發分等參數變化規律，粉塵濃度、環境壓力對煤塵爆炸特性的影響以及爆炸固態產物的分類、爆炸氣體體積分數的變化規律等[3-5]。前人的研究多集中于煤塵和固態殘留物的爆炸特性參數差異，而對于二者的爆炸臨界條件及爆炸產物研究較少。

1 實 驗

1）實驗試樣。實驗所用煤樣為肥煤，煤樣工業分析：水分0.52%，灰分30.05%，揮發分29.57%，固定碳39.86%。煤樣經破碎后，用標準篩篩選出粒徑為38 ～75 μm、125 ～180 μm、180 ～250 μm、250 ～425 μm、425～850 μm 的煤塵，裝入自封袋中以備實驗。

2）實驗系統。實驗所用爆炸裝置為20 L 標準爆炸球，該裝置由爆炸球裝置本體、噴粉裝置，點火裝置，氣壓裝置，集塵系統、控制系統和數據采集系統組成，20 L 球形爆炸裝置如圖1。

圖1 20 L 球形爆炸裝置Fig.1 20 L spherical explosive device

3）實驗步驟。選取實驗試樣制備的各粒徑煤塵在不同煤塵濃度、點火能量條件下，進行爆炸實驗。實驗分為4 組：①實驗組1：點火能量為2 kJ，煤塵濃度分別為50、100、150、200 g/m3；②實驗組2：煤塵濃度為50 g/m3，點火能量分別為2、5、10 kJ；③實驗組3：點火能量為2 kJ，煤塵濃度分別為50、100、150、200、300 g/m3；④實驗組4：煤塵濃度為50 g/m3，點火能量分別為2、5、10、15 kJ。實驗時，在20 L球形爆炸裝置的噴粉處放入一定質量的煤粉，再注入2 MPa 空氣。用噴粉裝置將煤塵吹揚起來形成煤塵云，實現煤塵混合。使用集塵系統收集各粒徑煤塵爆炸后的產物，在大氣環境下，進行后2 組煤塵固態殘留物爆炸實驗，用點火藥頭引燃煤塵爆炸。爆炸完成后，收集爆炸固態殘留物，將其作為再次爆炸實驗樣品，重復上述步驟進行煤塵固態殘留物爆炸實驗。

2 實驗結果

2.1 煤塵爆炸的臨界條件

實驗得到實驗組1、實驗組2 的煤塵爆炸實驗結果，不同煤塵濃度條件下煤塵爆炸如圖2，不同點火能條件下煤塵爆炸如圖3。

圖2 不同煤塵濃度條件下煤塵爆炸Fig.2 Coal dust explosion under different coal dust concentrations

圖3 不同點火能條件下煤塵爆炸Fig.3 Coal dust explosion under different ignition energy conditions

煤塵是否發生爆炸依據其爆炸壓力進行判定，一般認為，當升壓超過空白實驗（僅點火藥頭空爆）0.05 MPa 時可認為發生了爆炸。由圖2 可知，隨著粒徑的增大，最低爆炸濃度不斷增大，煤塵粒徑小于75 μm 時，煤塵在實驗濃度下均發生明顯的爆炸行為，煤塵粒徑大于125 μm 時，爆炸是否發生受煤塵濃度的影響較大。這是由于在煤塵濃度較低的情況下，大粒徑的沉降速度較快，形成的懸浮粉塵云濃度比相同質量的小粒徑煤塵低；此外，大粒徑煤塵熱阻較大，不利于煤塵粒徑內部快速升溫以及揮發分的析出，所以煤塵粒徑就成為了爆炸行為是否發生的主要制約因素。

從圖3 可以看出，在點火能量為2 kJ 時，只有粒徑為38～75 μm 的煤塵發生了爆炸行為；當點火能量達到5 kJ 時，除粒徑為425～840 μm 的煤塵未發生爆炸，其余粒徑煤塵均發生明顯的爆炸行為；點火能量升至10 kJ 時，425～840 μm 粒徑的煤塵也發生了爆炸，說明大粒徑煤塵在低煤塵濃度高點火能的情況下也可以發生爆炸。這是因為煤塵濃度為50 g/m3時，顆粒間隙較大，火焰增值效率低，揮發分成為制約煤塵爆炸敏感性的主要制約因素[6]。在點火能量由2 kJ 增加到5 kJ 后，增加了點火具的有效點火體積，提升了環境溫度[7]，從而使煤塵顆粒的初始燃燒效率、揮發效率明顯提高，火焰自增殖傳播效率較為高效,進而促使大粒徑煤塵發生爆炸行為。

為進一步確定不同粒徑煤塵發生爆炸行為的臨界值，根據實驗確定煤塵爆炸臨界條件，按10 g/m3的整數倍來確定實驗的煤塵爆炸濃度。煤塵爆炸下限濃度往往無法通過實驗準確的確定1 個值[8-9]，而是通過多組實驗確定1 個大致的范圍，所測煤塵爆炸下限如下：

式中：Cmin為煤塵爆炸下限；C1為至少3 次最大爆炸壓力小于0.08 MPa 的壓力；C2為至少3 次最大爆炸壓力大于0.08 MPa 的壓力。

大粒徑和小粒徑煤塵爆炸下限濃度分別見表1和表2。

表1 大粒徑煤塵爆炸下限濃度Table 1 Lower limit concentration of large particle size coal dust explosion

表2 小粒徑煤塵爆炸下限濃度Table 2 Lower limit concentration of small particle size coal dust explosion

由表1、表2 可知，大粒徑和小粒徑煤塵爆炸下限濃度Cmin1、C’min1分別為170 g/m3＜Cmin1＜180 g/m3，30 g/m3＜C’min1＜40 g/m3。測試結果表明：煤塵粒徑對于煤粉爆炸下限濃度影響較大，與小粒徑相比，大粒徑煤塵爆炸下限濃度約增加了3.5～4.7 倍。

2.2 煤塵爆炸固態殘留物的爆炸臨界條件

實驗得到實驗組3、實驗組4 的固態殘留物爆炸實驗結果，不同煤塵濃度條件下、不同點火能條件下煤塵固態殘留物爆炸分別如圖4、圖5。

圖4 不同煤塵濃度條件下煤塵固態殘留物爆炸Fig.4 Explosion of solid residues of coal dust under different coal dust concentrations

圖5 不同點火能條件下煤塵固態殘留物爆炸Fig.5 Explosion of coal dust solid residue under different ignition conditions

由圖4 可知，相對于煤塵，固態殘留物的爆炸區域減少，除粒徑為125～180 μm 和180～250 μm 煤塵，其余各粒徑煤塵爆炸固態殘留物的爆炸最低濃度均有所增加。在50 g/m3條件下，實驗粒徑下所有煤塵均未發生明顯的爆炸行為。實驗組3 數據表明：對于所有實驗粒徑的煤塵，煤塵爆炸產物發生爆炸的最低煤塵濃度均有所增加，爆炸危害性降低。

由圖5 可知，在煤塵濃度50 g/m3，點火能量2 kJ條件下，所有粒徑煤塵固態殘留物均未發生爆炸；大粒徑煤塵在15 kJ 的點火能量下才發生明顯地爆炸行為。以上實驗現象表明：煤塵粒子在發生過1次爆炸后，可爆性大大降低，在低點火能量（2 kJ）、低煤塵濃度下，即使是爆炸危害性較大的小粒徑初次爆炸產物也未能發生明顯的爆炸行為。隨著點火能量的增加，小粒徑初次爆炸產物依舊可以發生明顯的爆炸行為且具有較強的爆炸危害性，而大粒徑初次爆炸產物幾乎失去了爆炸性。

與前文確定煤塵爆炸下限濃度的方法相同，大粒徑、小粒徑煤塵固態殘留物爆炸下限濃度分別見表3、表4。

表3 大粒徑煤塵固態殘留物爆炸下限濃度Table 3 Lower explosive concentrations of solid residues in large diameter coal dust

表4 小粒徑煤塵固態殘留物爆炸下限濃度Table 4 Lower explosive concentration of coal dust solid residue with small particle size

由表3、表4 可知，大粒徑和小粒徑煤塵固態殘留 物 爆 炸 下 限 濃 度Cmin2、C’min2分 別 為240 g/m3＜Cmin2＜250 g/m3、70 g/m3＜C’min2＜80 g/m3。煤塵粒徑對于煤塵固態殘留物爆炸下限濃度影響較大，與小粒徑相比，大粒徑煤塵固態殘留物爆炸下限濃度約增加了2.1～2.4 倍。此外，無論粒徑大小，煤塵固態殘留物爆炸下限濃度相對于煤塵爆炸下限濃度都有不同幅度的增加。

2.3 爆炸產物的掃描電鏡與能譜

基于熱爆炸理論，Krazinski 等[10]實驗證實不同的粉塵爆炸動力學過程會導致固體爆炸產物的表面結構差異。分析爆炸產物結構可以為粒徑對煤塵及其爆炸殘留物的影響提供一定的有效信息，因而對原煤和固態殘留物、殘留物的爆炸產物分別做掃描電鏡（SEM）和能譜（EDS）分析，不同粒徑煤塵和固態殘留物爆炸產物掃描電鏡圖、能譜圖分別如圖6、圖7。

圖6 不同粒徑煤塵和固態殘留物爆炸產物掃描電鏡圖Fig.6 Scanning electron microscopy of explosive products of coal dust and solid residues of different particle sizes

由圖6 可知，大粒徑煤塵初次爆炸產物燃燒不完全，同時存在部分燃燒和未燃燒顆粒，絮狀結構孔洞結構發育不完全；其固態殘留物的爆炸產物中未反應顆粒大量降低，絮狀結構以及孔隙結構進一步發展，但顆粒破碎程度仍然較低。相較于大粒徑煤塵，小粒徑煤塵爆炸產物燃燒程度進一步加深，顆粒出現腔體結構，存在大量的孔洞；而其固態殘留物的爆炸產物進一步破碎，且腔體壁厚減小，孔洞發育更加完全。不同粒徑煤塵爆炸產物掃描電鏡圖直觀的說明了大小粒徑爆炸參數差異的原因，煤塵爆炸條件的不同是由自身性質顆粒粒徑的大小決定的。

圖7 不同粒徑煤塵和固態殘留物爆炸產物能譜圖Fig.7 Energy spectra of different particle size coal dust and solid residue explosion products

爆炸固體產物主要元素（C、O、Si）的分布規律如圖7，圖中不同顏色代表不同元素，區域亮點數量越多、富集越明顯表示該元素含量越多。由圖7 可知：原煤、煤塵固態殘留物的爆炸固體產物中C、O元素的空間分布較為均勻，呈現點狀分布；而Si 元素呈現塊狀分布。此外，對比分析C、O 能譜圖可以發現，C、O 元素分布區域出現重合現象，這表明該區域可能是碳氧化物。與大粒徑及其固態殘留物的爆炸產物相對比，小粒徑煤塵及其固態殘留物的爆炸產物中O、Si 區域的分布面積更大元素的含量更多，而C 元素含量相對較少。

Si 元素含量的增加主要是因為隨著反應的進行，碳元素以氧化氣體以及烴類氣體的形式擴散至空氣中，從而使爆炸固體產物中碳元素含量大量下降，而Si 形成的化合物無法以氣體擴散至空氣中，而是以固體的形式存在于爆炸產物中，從而使這些元素的相對含量增加。O 元素含量增多是因為，原煤發生爆炸反應時存在大量未反應粒子，隨著反應的進行，固態殘留物爆炸時煤塵顆粒的孔隙結構不斷發展，從而給空氣中的氧氣更多的機會進入顆粒內部形成金屬和非金屬氧化物。而這些化合物最終以灰分的形式存在于爆炸產物中[11]，從而導致氧含量的增加。碳元素含量的降低，氧含量的增加都表明小粒徑煤塵的反應更充分。

3 結 論

1）隨著煤塵粒徑的減少，煤塵及其爆炸固態殘留物發生爆炸所需的反應條件（煤塵濃度、點火能量）同步降低；所有實驗粒徑的煤塵，其爆炸固態殘留物的爆炸危害性降低。

2）煤塵粒徑對于煤粉、固態殘留物爆炸下限濃度影響較大，大粒徑煤塵及爆炸固態殘留物爆炸下限 濃 度Cmin1、Cmin2分 別 為170 g/m3＜Cmin1＜180 g/m3，240 g/m3＜Cmin2＜250 g/m3；小粒徑煤塵及其爆炸固態殘留物的爆炸下限濃度C’min1、C’min2分別為30 g/m3＜C’min1＜40 g/m3，70 g/m3＜C’min2＜80 g/m3。

3）大粒徑煤塵及其爆炸固態殘留物的爆炸產物均未出現腔體結構，顆粒完整性較好；小粒徑煤塵及其爆炸固態殘留物的固體產物燃燒更加充分，孔洞腔體結構發育完全，顆粒破碎程度大。小粒徑煤塵及其固態殘留物的爆炸產物O、Si 2 種元素的含量較高而C 元素含量較低。