不同煤种对瓦斯煤尘爆炸影响的实验研究_景国勋.pdf

第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 不同煤种对瓦斯煤尘爆炸影响的实验研究 景国勋 １， ２， 邵泓源１， 吴昱楼１， 郭绍帅１， 刘 闯 １， 张胜旗１ （１．河南理工大学 安全科学与工程学院， 河南 焦作 ４５４０００； ２．安阳工学院， 河南 安阳 ４５５０００） 摘要为了进一步探究不同煤种参与的瓦斯煤尘爆炸的传播规律， 选取 ３ 种具有代表性的煤 尘在自制的半封闭管道内进行试验， 主要研究了瓦斯煤尘爆炸火焰传播速度、 火焰面发光强度 和最大爆炸压力。研究结果表明 瓦斯煤尘爆炸的最大爆炸压力和火焰传播速度皆随着煤尘浓 度的增加呈先上升后下降的趋势； 存在着一个最佳的瓦斯浓度和煤尘浓度， 使火焰传播速度达 到最大， 发光强度也达到最大； 火焰传播速度、 最大爆炸压力和爆炸产生的发光强度都是按褐 煤、 烟煤、 无烟煤依次降低。 关键词瓦斯煤尘爆炸； 最大爆炸压力； 火焰传播速度； 不同煤种； 发光强度 中图分类号TD712文献标志码A文章编号１００３－４９６Ｘ（２０２０）０５－0001-05 Experimental Study on the Influence of Different Coal Species on Gas and Coal Dust Explosion JING Guoxun1,2, SHAO Hongyuan1, WU Yulou1, GUO Shaoshuai1, LIU Chuang1, ZHANG Shengqi1 （1.School of Safety Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China;2.Anyang Institute of Technology, Anyang 455000, China） Abstract To further explore the propagation law of gas coal dust explosion with different coal species involved, 3 kinds of representative coal dust were tested in a self-made semi-enclosed pipe, and the flame propagation speed, flame surface luminescence intensity and maximum explosion pressure of gas coal dust explosion were studied. The results show that the maximum explosion pressure and flame propagation velocity of gas coal dust explosion rise first and then decrease with the increase of coal dust concentration, and there is an optimal gas concentration and coal dust concentration, which makes the flame propagation speed reach the maximum and the luminous intensity reach the maximum; flame propagation speed, the maximum explosion pressure and the luminous intensity produced by the explosion are reduced by lignite, bituminous coal and anthracite in turn. Key words gas coal dust explosion; maximum explosion pressure; flame propagation speed; different coal species; luminescent strength 大多数煤矿爆炸事故中均有煤尘的参与，煤尘 的参与使得爆炸的破坏力更强，从而造成更多的人 员伤亡和财产损失，严重威胁煤矿的安全生产和煤 矿工人的生命安全[1]。Klemens R 等人[2]在竖起的管 道内对贫燃煤的燃烧爆炸火焰结构进行了相关研 究； Cashdollar K L[3]主要针对瓦斯煤尘复合条件下 的点火能量进行了实验研究； Kundu S K 等[4]在球形 管道连通容器内研究了点火能量、管道长度对混合 爆炸特性的影响； 1878 年， Weber 教授首次指出了粉 尘粒子间作用力对爆炸的影响，拉开了世界粉尘爆 炸研究的序幕。目前国内外学者对瓦斯煤尘混合爆 炸传播规律的研究已经较为广泛[5-15]， 但对于半封闭 空间条件下的实验研究比较少，因此对半封闭管道 内煤尘浓度以及煤尘种类对爆炸产生的火焰进行研 究，分析瓦斯煤尘混合物在半封闭管道内的变化规 律，实验结论对煤矿瓦斯煤尘爆炸传播规律的研究 以及为今后矿井瓦斯煤尘爆炸的预防及应急救援提 供科学依据。 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.05.001 景国勋， 邵泓源， 吴昱楼， 等．不同煤种对瓦斯煤尘爆炸影响的实验研究 ［Ｊ］ ．煤矿安全， ２０２０， ５１ （５ ） 1-5. JING Guoxun, SHAO Hongyuan, WU Yulou, et al. Experimental Study on the Influence of Different Coal Species on Gas and Coal Dust Explosion ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （5） 1-5. 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51774120） 移动扫码阅读 试验 研究 1 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 1实验系统组成及条件 1.1实验系统的组成 实验装置如图 1， 实验平台是由爆炸管道、 传播 管道、 喷尘系统、 点火系统、 配气系统、 数据采集系 统、高速摄像图像采集系统等组成。爆炸管道采用 的是 120 mm120 mm500 mm 的透明有机玻璃， 有 机玻璃可承受最大爆炸压力为 2 MPa，在管道的顶 端用 PVC 薄膜和橡胶垫进行密封； 传播管道为 120 mm120 mm1 000 mm 的透明有机玻璃， 方便观察 拍摄火焰；喷尘系统位于爆炸管的底部，由锥形喷 嘴、 碗状储粉器和扬粉系统组成； 点火系统由 HEI19 系列的高热能点火器、 点火电极组成， 点火电压为 6 kV；配气系统是由甲烷和空气气瓶组成，通过安 装在通气管路上 2 个 Alicat 质量流量控制器来调节 通气管道中的气体流速； 数据采集系统是由 MD-HF 高频动态压力传感器、 USB-1608FS 数据采集卡和同 步控制器组成；高速摄像图像采集系统由是 High Speed Star 4G 高速摄像机、图像控制器和高速计算 机组成， 高速摄像机的拍摄速度可达 2 000 幅/s。 图1实验系统 Fig.1Experimental system diagram 1.2实验条件 主要研究内容是半封闭管道内煤尘浓度以及不 同煤种对混合物爆炸的影响规律，实验系统及方案 采用的是爆炸管道和传播管道连接而成，管道连接 处使用 PVC 薄膜和橡胶垫进行隔离与密封， 在实验 开始前的通气阶段，下部的管道处于封闭的阶段， 上部的管道始终是顶端开口的形式，形成了一种半 封闭的形式。 实验中使用的 3 种煤尘试样分别为褐煤、烟煤 和无烟煤， 煤粉的工业分析见表 1。3 种煤样经筛分 （200 目 （75 μm） 标准筛） 制样后用于实验， 使用的煤 尘质量浓度依次设为 25、 50、 100、 200 g/m3，瓦斯浓 度依次为 7、 8、 9。 为了保证喷粉时能让煤粉充 分在管道中均匀分布，且不接触薄膜，同时考虑到 形成的粉尘云在沉降过程中不会接触到管道底端， 经过多次试验， 确定喷粉压力为 0.3 MPa， 点火延时 时间为 100 ms。 实验环境温度为 17～20 ℃，空气相对湿度 RH 为 40～60， 每组实验进行 3 次， 选取实验效果较 优的组分。在实验开始的时候，首先将称量好的煤 尘放入碗状储粉器，打开实验装置的进气口与排气 口，采取 4 倍体积通入预混气的方法来排尽管道中 的原有气体[16]， 通过设置 2 个质量流量控制器的参 数， 来调节通入空气与甲烷气体的质量， 为了排尽管 道内的原有气体同时保证爆炸管道内的甲烷浓度趋 于稳定， 通入预混气的时间每次保持在 6 min， 然后 关闭进气口与排气口的阀门，最后利用同步控制器 控制喷粉和启动点火，随后触发高速摄像机和压力 传感器， 开始采集数据， 爆炸结束后清洗系统， 进行 下一次实验。利用 origin2017 软件来处理数据结果， 进行下一步的分析研究。 煤样灰分/水分/挥发分/ 褐煤10.472.7035.53 烟煤10.021.0423.36 无烟煤9.933.116.67 表1煤粉的工业分析 Table 1Industrial analysis of pulverized coal 2 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 图5不同煤种的爆炸火焰传播速度变化趋势 Fig.5The variation trend of flame propagation velocity in different coal types 2实验结果 2.1火焰传播速度变化趋势 对实验结果进行了分析， 褐煤、 烟煤、 无烟煤爆 炸火焰传播速度的变化趋势分别如图 2、图 3 和图 4， 同时分析了纯瓦斯爆炸的火焰传播速度数据， 当 瓦斯浓度为 7时， 火焰传播速度为 116.1 m/s； 当瓦 斯浓度为 9时， 火焰传播速度为 147.2 m/s； 当瓦斯 浓度为 11时， 火焰传播速度达到 135.4 m/s。 实验所选煤尘浓度依次为 25、 50、 100、 200 g/m3， 瓦斯浓度依次为 7、 9、 11。从图 2、 图 3 和图 4 中可以看出，瓦斯煤尘爆炸火焰传播速度随着煤尘 浓度的增加呈现先上升后下降的趋势，且存在 1 个 最佳的煤尘浓度和瓦斯浓度， 即当瓦斯浓度为 9， 煤尘浓度为 50 g/m3的时候火焰传播速度最大； 当 瓦斯浓度超过最佳浓度时， 火焰传播速度开始下降， 这是因为参与的瓦斯含量过多，导致系统内的氧浓 度下降， 部分煤尘无法参与爆炸， 从而使火焰速度下 降； 当煤尘浓度超出最佳浓度时， 由于系统内氧气量 是固定的， 所以化学计量比燃料质量也是一定的， 当 煤尘浓度过大时， 导致较多的煤尘不能充分燃烧， 所 以火焰速度也会下降。通过对没有煤尘参与的纯瓦 斯爆炸实验进行对比发现， 当加入一定量的煤尘， 可 以提高爆炸的火焰传播速度，这就说明煤尘在瓦斯 爆炸过程中有着促进的作用，这是因为瓦斯爆炸时 放出热量， 提高了煤尘的氧化速度， 使得系统内的总 热量变大，所以煤尘的参与提高了爆炸的火焰传播 速度。 2.2火焰传播速度与最大爆炸压力变化趋势 通过以上分析得知瓦斯煤尘爆炸火焰传播速 度存在 1 个最佳的瓦斯， 即当瓦斯浓度为 9， 使得 火焰传播速度最大。因此选择最佳的瓦斯浓度， 对 不同煤种的火焰传播速度进行研究，不同煤种的爆 炸火焰传播速度变化趋势如图 5；为了进一步研究 煤尘浓度对混合物爆炸的影响，同时根据前人的研 究， 瓦斯煤尘混合爆炸， 瓦斯最佳爆炸浓度为 9， 故选择最佳的瓦斯浓度，研究煤尘浓度和煤尘种类 对混合物爆炸最大压力的影响，不同煤种的最大爆 炸压力变化趋势如图 6。 由图 5 可以看出， 当煤尘浓度相同的情况下， 不 同煤种与瓦斯浓度为 9的混合物爆炸的火焰传播 图2褐煤爆炸火焰传播速度的变化趋势 Fig.2Variation trend of flame propagation velocity in lignite explosion 图3烟煤爆炸火焰传播速度的变化趋势 Fig.3Variation trend of flame propagation velocity in explosive of bituminous coal 图4无烟煤爆炸火焰传播速度的变化趋势 Fig.4 Variation trend of flame propagation velocity in anthracite explosion 3 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 速度依次按照褐煤、 烟煤、 无烟煤减少。这种情况的 发生是因为，当瓦斯浓度相同时，瓦斯参与爆炸时 所放出的热量是一定的，煤尘粒子在加热的情况下 所释放出的挥发分也是一定的；当煤尘浓度相同 时，煤尘参与爆炸需要需要的氧气量是一定的， 影 响爆炸火焰传播速度的主要原因是煤尘在加热情况 下释放出的可燃气量，即煤种的挥发分的含量。挥 发分越大，瓦斯煤尘爆炸火焰传播速度也就越大。 经过对煤尘的工业分析可以看出，褐煤的挥发分含 量是最大的， 烟煤次之， 无烟煤最小， 故褐煤的爆炸 火焰传播速度最大， 无烟煤最小。 由图 6 可以看出， 褐煤、 烟煤、 无烟煤在相同瓦 斯浓度的条件下，最大爆炸压力均随着煤尘浓度的 增加呈先上升后下降的趋势，均存在着 1 个最佳煤 尘浓度，使爆炸压力达到最大。褐煤的最大爆炸压 力对应的煤尘浓度为 58 g/m3， 烟煤的最大爆炸压力 对应的煤尘浓度为 63 g/m3， 无烟煤的最大爆炸压力 对应的煤尘浓度为 70 g/m3。最大爆炸压力按褐煤、 烟煤、无烟煤依次降低，造成这种现象的原因是由 煤种的挥发分导致的， 煤种挥发分按褐煤、 烟煤、 无 烟煤依次降低。 由此可见挥发分对瓦斯煤尘混合爆炸 的火焰传播速度和最大爆炸压力都有着重大的影响。 2.3火焰面变化趋势 通过高速摄像机可以更加直观的捕捉到火焰面 在管道内传播的过程，从实验数据中选取较为明显 的 3 组， 50 g/m3煤尘浓度爆炸火焰面变化趋如图 7， 不同煤种爆炸火焰面变化趋势如图 8， 9瓦斯浓 度爆炸火焰面变化趋势如图 9。 根据上述的研究表明，瓦斯煤尘混合爆炸的最 佳煤尘浓度为 50 g/m3， 故选用最佳煤尘浓度来研究 不同瓦斯浓度对混合物爆炸火焰面传播的影响（图 7） ， 其中选用的煤种为烟煤， 选取时间为爆炸 60 ms 后， 图中从左至右依次为 7瓦斯浓度、 9瓦斯浓度 和 11瓦斯浓度， 可以看出， 火焰的发光强度按瓦 斯浓度 9、 11、 7依次递减， 当瓦斯浓度为 9的 时候， 火焰面传播长度最长， 爆炸强度较大， 火焰传 播速度最快。 选取瓦斯煤尘爆炸的最佳瓦斯浓度和煤尘浓度 来进一步研究褐煤、 烟煤、 无烟煤 3 种煤种的区别， 选取时间为爆炸 60 ms 后，图 8 中从左至右依次为 无烟煤、 烟煤、 褐煤。可以看出， 火焰发光强度按褐 煤、 烟煤、 无烟煤依次递减， 且褐煤的火焰面长度最 图6不同煤种的最大爆炸压力变化趋势 Fig.6The variation trend of maximum explosion pressure of different types of coal 图750 g/m3煤尘浓度爆炸火焰面变化趋势 Fig.7Variation trend of flame surface of 50 g/m3coal dust concentration explosion 图8不同煤种爆炸火焰面变化趋势 Fig.8Variation trend of explosive flame surface of different types of coal 图99瓦斯浓度爆炸火焰面变化趋势 Fig.9Variation trend of 9 gas concentration explosion flame surface 4 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 长，无烟煤的火焰面长度最短，从而进一步证明了 挥发分对爆炸火焰传播具有重要的影响。 瓦斯煤尘爆炸的最佳瓦斯浓度为 9，选用最 佳的瓦斯浓度来研究煤尘浓度对混合物爆炸火焰面 传播的影响，图 9 中从左至右煤尘浓度依次为 20、 50、 100、 200 g/m3， 可以看出， 火焰的发光强度按 50、 100、 20、 200 g/m3依次递减，且当煤尘浓度 50 g/m3 的时候， 火焰面长度最长， 煤尘浓度为 200 g/m3的 时候，火焰面长度最短，进一步证明了煤尘的加入 增强了混合物的爆炸强度， 提高了火焰的传播速度。 3结论 1） 瓦斯煤尘爆炸火焰传播速度随着煤尘浓度的 增加呈先上升后下降的趋势，且存在着一个最佳的 瓦斯浓度 9和煤尘浓度 50 g/m3使爆炸的火焰传 播速度达到最大，当瓦斯浓度和煤尘浓度超出或者 低于这个最佳浓度， 火焰传播速度就会下降。 2） 瓦斯煤尘爆炸火焰传播速度和最大爆炸压力 按褐煤、 烟煤、 无烟煤依次递减， 这是因为褐煤的挥 发分最高， 烟煤次之， 无烟煤最低。 3） 当煤尘浓度一定时， 火焰的发光强度和火焰 面长度按瓦斯浓度为 9、 11、 7依次递减；当瓦 斯浓度一定时，火焰的发光强度和火焰面长度按煤 尘浓度为 50、 100、 20、 200 g/m3依次递减；当瓦斯和 煤尘浓度都一定时，火焰发光强度和火焰面长度按 褐煤、 烟煤、 无烟煤依次递减。 参考文献 ［１］ 王克全．煤尘与矿井特大爆炸伤亡事故的关系 ［Ｊ］ ．工 业安全与防尘， １９９８， ２４ （１） ２５－２９． ［２］ Klemens R, Kosinslti P, Wolanslci P, et al. 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