張江石，孫龍浩

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083; 2.華北科技學(xué)院 河北省礦井災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 三河 065201)

在煤礦生產(chǎn)過程中，工作面煤塵粒度分布不均勻且分散度較大，而實(shí)驗(yàn)條件下通過測量單一粒徑煤塵樣本的爆炸參數(shù)往往難以準(zhǔn)確評估爆炸風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。因此，研究分散度對粉塵爆炸的影響并找出一種合適的平均粒徑表述方式來評估爆炸危害才能降低煤塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

在多分散性條件下，小粒徑粉塵占比不同，分散度對粉塵爆炸特性影響也就不同。普遍認(rèn)為不同粒徑粉塵的燃燒方式不同。小粒徑粉塵以動(dòng)力控制為主，大粒徑粉塵則是擴(kuò)散控制或脫揮發(fā)作用控制為主[4-5]。隨著粒徑的減小，燃燒機(jī)理由擴(kuò)散控制變成動(dòng)力學(xué)控制[6]。非單一粒徑情況下，小粒徑粉塵的引入會(huì)縮短點(diǎn)火時(shí)間并加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?，同時(shí)還會(huì)使混合粉塵的火焰?zhèn)鞑ρ鯘舛茸兓舾衃7-8]。CASTELLANOS等[9]測量了中位徑均為15 μm而分散度不同的5種鋁粉爆炸烈度，結(jié)果表明即使中位徑不變，爆炸壓力最大值Pex和爆炸指數(shù)Kst隨著粒徑多分散性σD的增加而顯著增加，這要?dú)w因于懸浮在空中的小粒徑粉塵組分的濃度增加。因此他建議在描述爆炸危害時(shí)采用D3,2和σD表示平均粒徑，因?yàn)镈3,2作為平均粒徑的一種表示方式更能表征粒徑分布對Pex和Kst的影響。DUFAUD等[10]認(rèn)為D10的粉塵決定了著鋁粉的可爆性，而D3,2更能表征粒徑對氧化動(dòng)力學(xué)和(dp/dt)ex的影響。但關(guān)于煤粉的實(shí)驗(yàn)研究表明爆炸烈度隨著D50和σD的減小而增加，較細(xì)粉塵的濃度對爆炸動(dòng)力的影響較大，評估煤塵爆炸危害應(yīng)采用D50(中位徑)和σD(分散性)[11]。由此可見，雖然目前已有一些學(xué)者研究了應(yīng)采用哪種平均粒徑表示方式來準(zhǔn)確評估分散度對爆炸特性的影響，但是對于不同種類的粉塵似乎有不同的結(jié)果。

為了進(jìn)一步探究分散度對煤粉爆炸特性的影響，筆者利用20 L爆炸球測定了分散度不同煤樣的爆炸烈度參數(shù)，并通過后續(xù)熱值測定實(shí)驗(yàn)、掃描電鏡實(shí)驗(yàn)、斯皮爾曼相關(guān)性分析等方法詳細(xì)描述了分散度對煤塵爆炸烈度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)樣品、裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)所用煤樣取自布爾臺(tái)煤礦，按照GB/T 212—2008[12]標(biāo)準(zhǔn)的測量方法，采用GF-A6型自動(dòng)工業(yè)分析儀對煤樣工業(yè)特性進(jìn)行分析，測量結(jié)果見表1。

表1 煤樣工業(yè)分析Table 1 Industry analysis of coal sample

(1)

式中,Vr為煤塵爆炸指數(shù)，%;Vf為煤樣的揮發(fā)分，%;Ag為煤樣的灰分，%;Wf為煤樣的水分，%。

按照式(1)[13]計(jì)算煤塵爆炸指數(shù)得Vr=39.5%>15%，屬于易爆煤塵，適合進(jìn)行煤塵爆炸實(shí)驗(yàn)。

對煤樣進(jìn)行破碎、篩分后得到粒度分布范圍較小的原始煤粉樣品1～3，再利用3種原始煤樣按照下述方案的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例進(jìn)行復(fù)配，得到5種(A～E)粒徑范圍相同但分散度不同的實(shí)驗(yàn)樣品。配比方案:

(1)實(shí)驗(yàn)樣品A。原始煤粉樣品1∶原始煤粉樣品3=9∶1。

(2)實(shí)驗(yàn)樣品B。原始煤粉樣品1∶原始煤粉樣品3=7∶3。

(3)實(shí)驗(yàn)樣品C。原始煤粉樣品1∶原始煤粉樣品3=5∶5。

(4)實(shí)驗(yàn)樣品D。原始煤粉樣品1∶原始煤粉樣品3=3∶7。

(5)實(shí)驗(yàn)樣品E。原始煤粉樣品1∶原始煤粉樣品3=1∶9。

采用Winner 100D型粒度分析儀對3種原始煤粉樣品和5種混合實(shí)驗(yàn)樣品的粒徑分布情況(D10，D25，D50，D75，D90，D4,3)進(jìn)行測定，按照式(4)和式(5)分別計(jì)算D3,2和σD[14]。

(2)

式中，dV為體積等效直徑;dS為面積等效直徑，因?yàn)樵诒敬螌?shí)驗(yàn)中無法獲得此參數(shù)，將上式轉(zhuǎn)化得:

(3)

式中，AP為表面積；VP為體積，整理可得

(4)

煤塵分散度σD大小可按式(5)計(jì)算:

σD=(D90-D10)/D50

(5)

測量和計(jì)算結(jié)果見表2。

將制備并測量好的煤粉樣品裝瓶備用。在做煤粉爆炸實(shí)驗(yàn)前，需將煤粉樣品在60 ℃，-0.09 MPa的真空條件下干燥6 h。

表2 煤粉樣品粒度分布Table 2 Particle size distribution of coal dust samples

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

本實(shí)驗(yàn)按照GB/T 16426—1996[15]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，采用20 L爆炸球?qū)嶒?yàn)裝置對煤塵爆炸烈度參數(shù)進(jìn)行測定，其工作原理如圖1所示。首先稱量0.72 g硝酸鋇、0.72 g過氧化鋇和0.96 g鋯粉，混合均勻后制備10 kJ的煙火點(diǎn)火器。將點(diǎn)火器與兩個(gè)電極相連接，再加入5 g(保證爆炸球中粉塵濃度為250 g/m3)干燥好的待測煤樣于粉塵儲(chǔ)存室，接著將爆炸室抽真空至0.06 MPa,再向儲(chǔ)氣室通入2 MPa的壓縮空氣。準(zhǔn)備工作就緒，打開電磁閥5，煤粉將均勻分布于腔體，60 ms的點(diǎn)火延遲之后開始點(diǎn)火動(dòng)作，電腦終端自動(dòng)記錄時(shí)間和壓力，單次爆炸試驗(yàn)完成。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每個(gè)樣品做5次爆炸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值。

圖1 20 L爆炸球原理示意Fig.1 Schematic of the 20 L vessel apparatus

為了研究不同樣品的反應(yīng)程度，每次爆炸結(jié)束后將爆炸球內(nèi)殘?jiān)占：罄m(xù)按照GB/T 213—2008[16]的要求使用ZDHW-6B型全自動(dòng)量熱儀對其熱值進(jìn)行測定，與爆炸前樣品熱值比較，同時(shí)使用JSM-6700F型掃描電鏡對比不同煤塵樣品爆炸產(chǎn)物的表面結(jié)構(gòu)特征，評估分散度對反應(yīng)程度的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 典型壓力-時(shí)間曲線分析

煤塵爆炸涉及許多復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，從燃燒學(xué)角度來看，煤塵爆炸一般包括了2個(gè)典型的反應(yīng)過程:揮發(fā)分氣體均相燃燒以及固體碳的非均相燃燒。正是由于非均相燃燒的存在，才導(dǎo)致不同粒徑分布下煤塵反應(yīng)速率和反應(yīng)程度不同[2,17]。

實(shí)驗(yàn)中煤塵典型的壓力-時(shí)間曲線如圖2所示。圖中主要包括最大爆炸壓力(Pex)、最大爆炸壓力上升速率(dp/dt)ex、開始點(diǎn)火至最大爆炸壓力的時(shí)間段t1和開始點(diǎn)火至最大壓力上升速率的時(shí)間段t2四個(gè)參數(shù)。Pex用于表征反應(yīng)劇烈程度，后面3個(gè)參數(shù)用于評估反應(yīng)速率。

圖2 典型壓力-時(shí)間曲線Fig.2 Typical pressure-time curve during a dust explosion trial

2.2 分散度對爆炸烈度的影響分析

將3種原始煤塵樣品和5種混合煤塵樣品在250 g/m3的粉塵濃度條件下測得的最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率的數(shù)據(jù)繪制在圖3中。

圖3 分散度對爆炸壓力和壓力上升速率的影響Fig.3 Effect of dispersion on Pex and (dp/dt)ex

由圖3可知，對于原始樣品1和3，測量結(jié)果呈現(xiàn)出隨著粒徑的減小，煤塵的爆炸壓力上升速率增大的趨勢。通過方差分析，發(fā)現(xiàn)原始樣本1和3的粒徑與(dp/dt)ex的值之間存在顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(F=48.3,P< 0.000 1)。原始樣本1和2的測量結(jié)果不符合上述規(guī)律，這可能是由于它們的粒徑跨度(原始樣品1為119～175 μm，原始樣品2為94～131 μm)相似。從爆炸機(jī)理來看，粉塵爆炸嚴(yán)重程度隨粒徑的減小而增加。因?yàn)樾×矫簤m比表面積大，其可燃性揮發(fā)分氣體逸出并迅速發(fā)生氣相著火，加速大顆粒熱解、氣體析出與揮發(fā)分的釋放，爆炸發(fā)生，容器內(nèi)氣壓迅速升高[3]。但有實(shí)驗(yàn)表明濃度對Pex影響大于粒徑對Pex的影響，并且當(dāng)濃度大于最佳爆炸濃度時(shí)Pex會(huì)隨著濃度的增大而增大[18-19]。所以當(dāng)實(shí)驗(yàn)濃度(250 g/m3)大于原始樣品3的最佳爆炸濃度會(huì)導(dǎo)致其Pex下降，此時(shí)或許濃度代替粒徑成為了主控因素，導(dǎo)致原始樣品3的Pex小于原始樣品1，2。

對比5種分散度不同混合樣品的(dp/dt)ex值，發(fā)現(xiàn)隨著小粒徑粉塵的增多，煤塵最大爆炸壓力上升速率呈增大趨勢。主要是因?yàn)樾×矫簤m的增加會(huì)加速顆粒脫揮發(fā)分速率和火焰?zhèn)鞑ニ俾?，并使大粒徑煤塵的溫度升高，迅速引燃粉塵云區(qū)域，整體反應(yīng)速率增加[7-8]。

將8組煤樣的開始點(diǎn)火至最大爆炸壓力的時(shí)間段t1和開始火至最大壓力上升速率的時(shí)間段t2的測量值繪制于圖4。

圖4 分散度對t1，t2的影響Fig.4 Effect of dispersion on t1 and t2

對于5組混合樣品，盡管粒徑跨度相同，但粉塵爆炸反應(yīng)速率受分散度的影響很大。由圖可知，隨著小粒徑煤塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小，t1和t2基本呈增大的趨勢(F=15.63,P< 0.000 1;F=6.92,P=0.001 4)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明當(dāng)小粒徑煤塵顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近30%時(shí)，t1和t2明顯減小，但當(dāng)小粒徑煤塵顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過30%時(shí)，t1和t2的值保持穩(wěn)定。當(dāng)引入約30%的細(xì)微煤塵時(shí)，粉塵爆炸反應(yīng)速率加快。然而，本研究中未發(fā)現(xiàn)粒度分布對一定濃度和一定粒徑跨度下的爆炸壓力的顯著影響。這與萬杭煒等[19]的研究結(jié)果一致。他們的研究表明粒徑對Pex的影響比濃度對Pex的影響要小。

2.3 分散度對爆炸反應(yīng)程度的影響分析

煤塵爆炸是一種劇烈的燃燒反應(yīng)。顆粒表面預(yù)熱達(dá)到一定程度揮發(fā)出大量爆炸性氣體，從而發(fā)生爆炸。在一定時(shí)間內(nèi)，燃燒反應(yīng)越劇烈，煤塵反應(yīng)越充分，釋放的能量也就越大[3]。通常來說，粒徑越小，煤塵爆炸反應(yīng)越完全，爆炸產(chǎn)物熱值越低。本實(shí)驗(yàn)通過測量比較爆炸產(chǎn)物的熱值來研究相同煤塵濃度條件(250 g/m3)下分散度對爆炸反應(yīng)程度的影響。將8組煤樣的爆炸產(chǎn)物熱值的測量結(jié)果繪制于圖5。

圖5 爆炸產(chǎn)物熱值測量結(jié)果Fig.5 Calorific value measurement results

由圖5可知，對比σD近似相同的原始樣品1和3的爆炸產(chǎn)物熱值，發(fā)現(xiàn)原始樣品3比原始樣品1燃燒更充分。對于5組粒徑跨度相同的混合樣品，它們的燃燒產(chǎn)物熱值從A到E依次遞減。這也說明了分散度不同時(shí)小粒徑煤塵占比越大，燃燒產(chǎn)物熱值越小，反應(yīng)越充分。

煤塵爆炸產(chǎn)物的物理特征(爆炸產(chǎn)物顆粒的表面結(jié)構(gòu)特征)，可以直觀地反映煤塵爆炸特性的差異。煤燃燒的化學(xué)反應(yīng)及其物質(zhì)傳遞過程具有非線性動(dòng)力學(xué)特征，燃燒過程伴隨孔洞分形體的生長過程[20]。為了研究分散度對煤塵反應(yīng)程度的影響，實(shí)驗(yàn)采用JSM-6700F型掃描電鏡對原始樣品以及所收集的不同分散度煤塵的爆炸產(chǎn)物進(jìn)行了SEM分析，結(jié)果如圖6所示。由于煤種相同，原始樣品1和3表明結(jié)構(gòu)特征基本無差異。對比6(c)和(d)發(fā)現(xiàn)，原始樣品3的爆炸產(chǎn)物顆粒的表面形成較為豐富的孔洞結(jié)構(gòu)。這也說明了原始樣品3中小粒徑煤塵顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大，反應(yīng)較原始樣品1充分。但圖3中的Pex值并沒有隨著小粒徑粉塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，這可能是反應(yīng)過程中能量以其它形式散失掉了或者濃度代替了粒徑成為了主控因素，相關(guān)問題還需進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究。

圖6 不同煤塵爆炸產(chǎn)物的掃面電鏡圖片F(xiàn)ig.6 SEM pictures of different coal dust explosion products

圖7 σD相同粒徑分布不同樣品的爆炸特性Fig.7 Explosion characteristics of samples with the same σD but different particle size distribution

2.4 分散度與煤塵爆炸特性的相關(guān)性分析

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明煤塵爆炸特性不僅與粒徑大小有關(guān)，還與濃度和分散度有關(guān)。對比σD近似相同的3種原始樣品和混合樣品A的爆炸特性，如圖7所示，雖然σD近似相同，但原始樣品3的(dp/dt)ex明顯大于樣品1，2和A，t1和t2明顯小于樣品1，2和A。這也證明了粒徑分布對煤塵爆炸的影響很大。多分散性條件下，一般用D50表征粒徑分布特性。實(shí)驗(yàn)表明原始樣品2的D50小于原始樣品1和混合樣品A，但爆炸壓力上升速率小于樣品1和A。因此在描述粒徑分布時(shí)不能單一考慮D50[21]。

為了評價(jià)D10，D25，D50，D75，D90，D4,3和D3,2哪一個(gè)參數(shù)更適合于評價(jià)煤塵爆炸特性，對實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果進(jìn)行了斯皮爾曼相關(guān)性分析。斯皮爾曼相關(guān)性系數(shù)，通常也叫斯皮爾曼秩相關(guān)系數(shù)，用于分析變量之間的相關(guān)關(guān)系。通過式(6)進(jìn)行計(jì)算，考察D10，D25，D50，D75，D90，D4,3和D3,2與(dp/dt)ex，t1和t2的相關(guān)性。

(6)

其中，di為兩變量的等級差數(shù);n為等級個(gè)數(shù)。計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 煤塵爆炸特性與分散度的相關(guān)分性分析Fig.8 Correlation analysis of coal dust explosion characteristics and dispersion

結(jié)果表明D10，D25和D3,2與(dp/dt)ex的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)均大于0.8(p< 0.03)，屬于高度相關(guān)。同時(shí)，D10，D25和D3,2與t1和t2的相關(guān)系數(shù)都分布在顯著相關(guān)區(qū)域內(nèi)。但LI等[11]認(rèn)為的D50與測量參數(shù)并沒有呈現(xiàn)很好的相關(guān)性。這可能是由于煤塵樣品或濃度不同造成的差異，具體原因還需后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究。因此本研究認(rèn)為在煤塵濃度相同的情況下可以考慮采用D10，D25和D3,2三種參數(shù)來描述煤塵爆炸特性。

3 結(jié) 論

(1)在煤塵濃度相同、粒徑跨度相同的情況下，煤塵爆炸特性還會(huì)受到粒徑分布情況的影響。當(dāng)小粒徑粉塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%時(shí)，(dp/dt)ex值增加，而t1和t2的值減小。

(2)煤塵爆炸是一種劇烈的燃燒反應(yīng)，在一定時(shí)間內(nèi)，燃燒反應(yīng)越劇烈，煤塵反應(yīng)越充分，釋放的能量也就越大。小粒徑占比較大的原始樣本3的燃燒產(chǎn)物熱值為10 942 J/g，明顯小于其它樣品，這也證明了小粒徑粉塵越多，煤塵爆炸反應(yīng)越充分。

(3)(dp/dt)ex，t1和t2的值受D10，D25粒徑的粉塵顆粒影響較大，通過斯皮爾曼相關(guān)性分析，考慮用D10，D25和D3,2三種參數(shù)來描述煤塵爆炸特性較為合適。

(4)小粒徑粉塵越多，爆炸反應(yīng)越劇烈，但本研究中Pex的值并沒有隨著小粒徑粉塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，這可能是反應(yīng)過程中能量以其它形式散失掉了或者濃度代替了粒徑成為了主控因素，相關(guān)問題還需進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究。