饒運章 劉志軍 洪訓(xùn)明 楊明山 陳 斌

(1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000;2.江西省礦業(yè)工程重點實驗室，江西 贛州 341000)

在硫化礦粉塵云爆炸研究過程中，通常用最小點火能(Minimum Ignition Energy，MIE)界定粉塵云點火敏感性進而表征粉塵云爆炸難易程度[1]。文獻[2]表明，影響粉塵云最小點火能數(shù)值大小的因素主要有：粉塵濃度、粉塵粒徑及級配、揮發(fā)份含量(有機粉塵)、粉塵濕度、溫度(包括粉塵溫度和環(huán)境溫度)、初始壓力、粉塵分散度、粉塵湍流度和環(huán)境氧濃度等，表1為粉塵云最小點火能隨著各因素的增大所呈現(xiàn)出的變化規(guī)律。

饒運章等[3-9]在對硫化礦粉塵云進行了大量研究后得出，影響硫化礦粉塵云各燃燒爆炸特性的主要因素為含硫量。因此，本項目控制其他影響因素相同，

表1 粉塵云最小點火能主要影響因素與影響規(guī)律Table 1 Main factors and laws for affecting theminimum ignition energy of dust cloud

研究含硫量對硫化礦粉塵云最小點火能的影響。

1 實驗裝置

目前，用于測試粉塵云最小點火能的裝置，按點火頭的形式可分為0.1 mJ～16 J低能量電火花點火頭測試裝置和2 kJ～100 kJ大能量化學(xué)點火頭測試裝置[5]。電火花點火頭測試裝置主要有符合國標(biāo)GB/15929—1995的雙層振動篩落爆炸實驗裝置[10]、符合IEC(International Electrotechnical Commission)標(biāo)準(zhǔn)[11]的Hartmann管以及依據(jù)其改進后符合EN標(biāo)準(zhǔn)的具有更高準(zhǔn)確性的Mike 3管；采用化學(xué)點火頭點火的測試裝置主要有容積為1 m3或20 L的標(biāo)準(zhǔn)爆炸球。本研究考慮硫化礦粉塵云最小點火能處于kJ級別[5]，因此選用帶化學(xué)點火頭的20 L爆炸球作為測試裝置。

根據(jù)ISO/DIS-6184/1《爆炸預(yù)防系統(tǒng)》規(guī)定，為制備20 L爆炸球化學(xué)點火頭，分別在2個點火具中加入40%鋯粉、30%硝酸鋇和30%過氧化鋇。制備完成后，在每個點火具上各有1個化學(xué)點火頭，并且每個點火頭質(zhì)量都為1.2 g、點火能量皆為5 kJ。為了能準(zhǔn)確測定不同含硫量的硫化礦粉塵云最小點火能，配備若干個能量值為12 kJ、10 kJ、9 kJ、8 kJ、6 kJ、4 kJ、2 kJ、1 kJ的化學(xué)點火頭用于實驗。因為化學(xué)點火頭爆炸性質(zhì)不穩(wěn)定，所以每次測試結(jié)果偏差較大，從而最終取得的最小點火能是1個區(qū)間值。

2 樣品制作

從某銅礦山將硫化礦取回，經(jīng)破碎、烘干、篩分后進行粒度測定，所測硫化礦粉塵按粒徑分為500目、300目和200目。將各粒徑分布下的硫化礦粉塵按含硫量由高到低依次分為A(含硫量40%～30%)、B(含硫量30%～20%)、C(含硫量20%～10%)3組。用標(biāo)準(zhǔn)天平分別稱取4.0 g的A500(含硫量35.90%)、B500(含硫量25.60%)、C500(含硫量15.96%)；A300(含硫量36.65%)、B300(含硫量26.18%)、C300(含硫量15.46%)；A200(含硫量36.90%)、B200(含硫量25.68%)、C200(含硫量17.12%)粉塵樣品放入20 L爆炸球的儲粉罐中，設(shè)定A、B、C 3組粉塵樣品的實驗條件(硫化礦塵濃度200 g/m3、點火延遲的時間60 ms、噴粉壓力2 MPa)相同，按照國標(biāo)GB/16428—1996相關(guān)規(guī)定進行硫化礦粉塵云最小點火能實驗。

3 最小點火能計算方法

雖然國內(nèi)外測試粉塵云最小點火能的標(biāo)準(zhǔn)和裝置都不盡相同，但歸根結(jié)底是以某能量下點火是否成功為依據(jù)，將多次點火成功的能量值作為最小點火能的數(shù)值或范圍值[12]。GB/15929—1995規(guī)定：粉塵云的點火概率服從以點火能量為隨機變量的對數(shù)正態(tài)分布，也就是說，點火概率作為因變量服從以點火能量的對數(shù)為自變量的正態(tài)分布。Baldermann等[13-14]提出將最小點火能視為概率事件，并通過計算驗證了其準(zhǔn)確性。李磊等[15]在Mike 3管上測試了不同濃度煙酸粉塵云最小點火能，并將測得的結(jié)果用3種方法計算。對比3種方法后表明，用Logistic回歸模型得出相關(guān)參數(shù)，并將參數(shù)代入計算不同點火概率下最小點火能的方法最佳。鑒于此，本研究亦使用Logistic回歸模型方法，在SPSS 19軟件[16]中實現(xiàn)硫化礦粉塵云最小點火能相關(guān)參數(shù)的計算。

Logistic回歸模型從廣義上而言是一種線性回歸分析的概率型模型，通常用于預(yù)測實際生活生產(chǎn)中某事件發(fā)生的概率值。應(yīng)用Logistic回歸法計算粉塵云最小點火能時，首先將著火成功與否視為概率事件，記著火成功時概率P=1、記著火失敗時概率P=0，將概率P作為因變量，點火能量E視為自變量，建立兩者的Logistic回歸方程(下式(1))。然后，根據(jù)所得實驗數(shù)據(jù)，應(yīng)用SPSS軟件中的Logistic回歸分析模塊，計算出Logistic回歸方程中的參數(shù)β0和β1，將方程參數(shù)β0、β1重新代回Logistic回歸方程，經(jīng)過變形處理后構(gòu)建出最小點火能和概率的關(guān)系(下式(2)和下式(4))。最后，根據(jù)表達式(4)繪制出以點火能量E為橫坐標(biāo)，著火概率P為縱坐標(biāo)關(guān)系曲線圖，進而，很好地將點火能量和點火概率對應(yīng)起來。歸結(jié)起來，它是以影響結(jié)果發(fā)生的因素點火能量為自變量，以結(jié)果著火發(fā)生的概率為因變量，建立回歸模型進行分析的方法。

根據(jù)Logistic回歸模型，本文將著火概率P作Logit變換。經(jīng)變換后的著火概率與點火能量為一次函數(shù)關(guān)系式，即因變量L(P)是Emin為自變量的一次函數(shù)：

(1)

式中，β0、β1為系數(shù)，可通過SPSS軟件計算得到。

(2)研究區(qū)域土壤重金屬Cd、Pb、Cu、Zn和Ni均已殘渣態(tài)為主要存在形態(tài)，除Cu元素外，其余4種元素的3種活性組分之和比例均較高，尤其是Cd元素，其有效態(tài)略高于穩(wěn)定態(tài)，生物活性最強，生物有效性大小順序為Cd>Pb>Ni>Zn>Cu。

由式(1)可得，一定點火概率P下最小點火能計算式：

(2)

式(2)存在以下缺點：當(dāng)點火概率P=1和0時，最小點火能Emin的值將無法通過(2)式計算。因此，為了表示點火概率P=1和0時對應(yīng)的最小點火能值，我們用置信上限Eucl和置信下限Elcl來表示此時的最小點火能：

(3)

式中，σ00、σ11為β0和β1的方差，可通過SPSS軟件得出；σ01為β0和β1的協(xié)方差，σ01=η(σ00σ11)1/2，η為相關(guān)系數(shù)，可通過SPSS軟件得出；Za/2為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布曲線上的a/2分位點，若置信區(qū)間1-a=95%時，a/2=0.025，查正態(tài)分布表，得Za/2=1.960。

由式(1)可得，一定點火能量E下對應(yīng)著火概率計算式：

(4)

由式(4)可得出任意點火能時粉塵云的著火概率，結(jié)合式(3)可繪制出點火能量下的著火概率曲線圖。

4 結(jié)果分析

圖1 硫化礦粉塵云最小點火能概率分布曲線Fig.1 Probability distribution curve of minimum ignition energy of sulfide mine dust cloud表2 硫化礦粉塵云最小點火能計算結(jié)果Table 2 Minimum ignition energy calculation results of sulfide dust cloud

粉塵樣品β0β1EminP=10%()/kJEminP=90%()/kJ實驗數(shù)據(jù)/kJA500-126.56535.9743.4573.5793～4B500-125.01317.8496.8807.1276～8C500>12A300-88.3535.0972.4552.5802～3B300-91.56618.354.875.1104～6C300>12A200-85.87634.0992.4542.5832～3B200-131.9618.7766.9117.1456～8C200>12

由該方法得出的硫化礦粉塵云不同著火概率下的最小點火能，更為準(zhǔn)確地表述最小點火能這一概率性事件，能為礦山預(yù)防礦塵爆炸工作提供指導(dǎo)。

現(xiàn)將表2中10%著火概率和90%著火概率條件下的A、B、C 3組硫化礦粉塵云最小點火能估計值，繪成最小點火能隨含硫量變化曲線，如圖2所示。硫化礦粉塵云最小點火能隨含硫量的增高呈遞減趨勢，這恰好與煤粉等有機粉塵最小點火能隨揮發(fā)份含量增高呈遞減趨勢規(guī)律一致。

圖2 最小點火能隨含硫量變化曲線Fig.2 Curve of the minimum ignition with the sulfur content■—500目；●—300目；▲—200目

在點火過程中，煤粉等有機粉塵受熱逸出的揮發(fā)份，在遇有氧氣時便會與之發(fā)生氣相燃燒反應(yīng)并釋放熱量，且揮發(fā)份含量越高燃燒反應(yīng)就越充分其所釋放的熱量就越多，從而使得點火所需點火能越小[18-19]。與之類似地，硫化礦粉塵在點火過程中受熱產(chǎn)生硫蒸氣[20-21]。硫蒸氣與空氣發(fā)生燃燒放熱反應(yīng)，含硫量愈高生成的硫蒸氣愈多，反應(yīng)放出的燃燒熱愈大，硫化礦粉塵著火由點火頭提供的能量就愈少，所測得的硫化礦粉塵最小點火能就越小。因此，隨著含硫量增高，硫化礦粉塵云最小點火能反而減小。

5 結(jié) 論

(1)用20 L球形爆炸容器測試了不同含硫量硫化礦粉塵云最小點火能，基于Logistic回歸模型分析實驗結(jié)果，得出A、B、C 3組硫化礦粉塵云最小點火能為：A500組3～4 kJ、B500組6～8 kJ、C500組>12 kJ；A300組2～3 kJ、B300組4～6 kJ、C300組>12 kJ；A200組2～3 kJ；B200組6～8 kJ；C200組>12 kJ。

(2)硫化礦粉塵云最小點火能的測定通常是以點火成功與否為依據(jù)，通過實驗最終得到了最小點火能的一個范圍區(qū)間。

(3)通過運用Logistic模型分析計算得出硫化礦塵不同點火概率下的最小點火能，能夠得到一個比較精確的結(jié)果。

(4)通過硫化礦粉塵云最小點火能實驗得出，最小點火能隨含硫量的增高呈遞減趨勢，亦即含硫量越高最小點火能越低、爆炸危險性越大。

(5)硫化礦粉塵云含硫量愈高，點火時受熱生成的氣相單質(zhì)硫就愈多，由硫燃燒釋放的熱量愈充足，硫化礦塵發(fā)生著火爆炸所需的最小點火能越小。

[1] 李新光,董洪光,Radandt S,等.粉塵云最小點火能測試方法的比較與分析[J].東北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2004,25(1):44-47.

Li Xinguang，Dong Hongguang,Radandt S，et al.Comparison and analysis of minimum ignition energy of dust cloud[J] .Journal of Northeastern University：Natural Science，2004,25(1):44-47.

[2] 任純力.粉塵云最小點火能實驗研究與數(shù)值模擬[D].沈陽：東北大學(xué)，2011.

Ren Chunli.Experimental Investigation and Numerical Simulation of the Minimum Ignition Energy of Dust Cloud[D].Shenyang:Northeastern University，2011.

[3] 饒運章,黃蘇錦,肖廣哲.高硫金屬礦井礦塵爆炸防治關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用[J].金屬礦山，2009(S1):766-768.

Rao Yunzhang，Huang Sujin，Xiao Guangzhe.Key technology of dust explosion prevention and treatment of high sulfur metal mine and its engineering applications[J] .Metal Mine，2009(S1):766-768.

[4] 饒運章,陳 斌,孫 翔,等.硫化礦塵層氧化自熱初始溫度實驗研究[J].金屬礦山,2016(4):151-153.

Rao Yunzhang，Chen Bin，Sun Xiang，et al.Test of oxidation and self-heating initial temperature of sulfide ore dust[J] .Metal Mine，2016(4):151-153.

[5] 饒運章,袁博云,吳衛(wèi)強,等.基于GRNN模型的硫化礦石堆氧化自熱溫度預(yù)測[J].金屬礦山，2016(6):149-152.

Rao Yunzhang，Yuan Boyun，Wu Weiqiang，et al.Prediction of oxidation and self-heating temperature of sulfide ore heap based on GRNN model[J] .Metal Mine，2016(6):149-152.

[6] 陳 斌.硫化礦粉塵云最小點火能實驗研究[D].贛州:江西理工大學(xué),2016.

Chen Bin.Experimental Study on the Minimum Ignition Energy of Sulfide Ore Dust[D].Ganzhou:Jiangxi University of Science and Technology，2016.

[7] 吳衛(wèi)強.硫化礦石堆與硫化礦塵層氧化自熱研究[D].贛州:江西理工大學(xué),2015.

Wu Weijiang.Research on Oxidation to Self-heating of Sulfide Ore Heap and Mine Dust Layer[D].Ganzhou:Jiangxi University of Science and Technology，2015.

[8] 袁博云.硫化礦塵云爆炸強度與爆炸下限濃度實驗研究[D].贛州:江西理工大學(xué),2016.

Yuan Boyun.Experimental Study on the Explosive Strength and the Minimum Explosive Concentration of Dust Cloud of sulfide Ore[D].Ganzhou:Jiangxi University of Science and Technology，2016.

[9] 孫 翔,饒運章,李 闖,等.硫化礦塵云最低著火溫度試驗研究[J].金屬礦山,2017(6):175-179.

Sun Xiang，Rao Yunzhang，Li Chuang，et al.Test study on minimum ignition temperature of sulfide ore dust cloud[J] .Metal Mine，2017(6):175-179.

[10] GB/15929—1995.粉塵云最小點火能測試方法—雙層振落篩法(積分計算能量)[S].北京：國家技術(shù)監(jiān)督局，1995.

GB/15929—1995.Determination of the Minimum Ignition Energy of Dust Cloud——A Method of Dust-falling for Double-deck Shaking Sieve (Integrated Calculation of Energy)[S].Beijing:State Bureau of Technical Supervision，1995.

[11] IEC 61241-2-3.Electrical Apparatus for Use in the Presence of Combustible Dust-Part 2:Test Methods-Section 3:Method for Determining Minimum Ignition Energy of Dust/Air Mixtures[S].Geneva:International Electrotechnical Commission，1994.

[12] BS EN 13821:2002.Potentially Explosive Atmospheres-explosion Prevention and Protection-determination of Minimum Ignition Energy of Dust/Air Mixtures[S].Brussels:European Committee for Standardization，2002.

[13] Baldermann S，Kato M，Kurosawa M，et al.Statistical method for the determination of the ignition energy of dust cloud-experimental validation[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2010，23(3):404-411.

[14] Bane S P M，Zigeler J L，Boettcher P A，et al.Investigation of spark ignition in hydrogen，hexane and kerosene:experiment and simulation[C]∥8th International Symposium on Hazards，Prevention and Mitigation of Industrial Explosions.Yokohama，Japan:[s.n.]，2010.

[15] 李 磊,劉慶明,高克平,等.粉塵云電火花最小點火能的統(tǒng)計分析[J].高壓物理學(xué)報,2014(5):577-584.

Li Lei，Liu Qingming，Gao Keping，et al.Statistical analysis of minimum electrostatic spark ignition energy of dust cloud[J] .Chinese Journal of High Pressure Physics，2014(5):577-584.

[16] 杜 強,賈麗艷.SPSS統(tǒng)計分析:從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

Du Qiang，Jia Liyan.SPSS Statistical Analysis:from Entry to Master[M].Beijing:Tsinghua University Press，2012.

[17] 張建偉.Origin 9.0科技繪圖與數(shù)據(jù)分析超級學(xué)習(xí)手冊[M].北京：人民郵電出版社，2014.

Zhang Jianwei.Origin 9 Super Learning Handbook for Technology Drawing and Data Analysis[M].Beijing:People Post and Telecommunications Press，2014.

[18] 徐 偉,張淑娟,王振剛.硫化亞鐵自燃溫度影響研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2015,41(6):36-38.

Xu Wei，Zhang Shujuan，Wang Zhengang.Study on auto-ignition temperature of ferrous sulfide[J].Industrial Safety and Environmental Protection，2015,41(6):36-38.

[19] 馬新艷.硫化亞鐵自燃的危害及預(yù)防[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2012,11(24):91-92.

Ma Xinyan.Harm and prevention of spontaneous combustion of ferrous sulfide[J].Industrial and Science Tribune，2012,11(24):91-92.

[20] 楊永喜,蔣軍成,趙聲萍,等.硫化亞鐵氧化熱重實驗及動力學(xué)分析[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2010,36(12):5-7.

Yang Yongxi，Jiang Juncheng，Zhao Shengping，et al.Experiment and kinetic analysis of thermal oxidation of ferrous sulfide[J] .Industrial Safety and Environmental Protection，2010,36(12):5-7.

[21] 王伯平,劉 通.基于熱重的硫化亞鐵自燃特性分析[J].消防科學(xué)與技術(shù),2015,34(7):850-852.

Wang BoPing，Liu Tong.Analysis on the FeS spontaneous combustion characteristic based on TG[J].Fire Science and Technology，2015,34(7):850-852.