劉天奇，李雨成，羅紅波

（1. 沈陽航空航天大學安全工程學院，遼寧 沈陽 110136；2. 遼寧工程技術(shù)大學安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000）

煤塵爆炸特性主要由煤塵爆炸著火敏感特性和強度特性兩方面組成[1]。前者反映了煤塵爆炸的著火難易程度，從爆炸發(fā)生概率角度描述爆炸發(fā)生的可能性，而后者反映了煤塵爆炸的猛烈程度，從爆炸后波及范圍和損傷程度描述爆炸產(chǎn)生的威力及造成的破壞性[2-3]。體現(xiàn)煤塵爆炸強度特性的因素很多，包括爆炸火焰、壓力、溫度、沖擊氣流等[4]，本文中以煤塵爆炸壓力特性為出發(fā)點，考慮到影響煤塵爆炸壓力特性的因素眾多，很多情況下某些因素的變化會極大影響爆炸強度，甚至改變爆炸性質(zhì)，例如：某些因素改變后爆炸不再發(fā)生，或由簡單的輕爆轉(zhuǎn)為爆燃，甚至由相對溫和的爆燃轉(zhuǎn)為猛烈爆轟等[5-6]。而爆炸強度特性的變化特征往往呈現(xiàn)出顯著的變化規(guī)律性，因此研究不同變質(zhì)程度煤塵爆炸壓力特性變化規(guī)律，對探索煤塵爆炸發(fā)展過程及發(fā)展有效防爆技術(shù)意義重大。

目前在煤塵爆炸強度特性方面，Eckhoff[7]分析了粒徑分散度、粉塵云聚合度、粉塵云濃度和湍流度對爆炸強度的影響；蔡周全等[8]研究了658 m 巷道中瓦斯煤塵爆炸沖擊波能量和傳播速度的衰減規(guī)律；劉貞堂[9]使用20 L 球形爆炸容器分析了煤塵爆炸火焰場和溫度場的變化過程；司榮軍[10]使用大型實驗巷道研究了煤塵爆炸火焰和壓力的傳播特性；劉義等[11]使用3.2 L 管體研究了瓦斯含量、煤塵種類和粒徑對煤塵爆炸下限濃度的影響；曹衛(wèi)國等[12]、程磊[13]分別采用半封閉豎直管、單向分叉管研究了煤塵爆炸火焰特性。綜上所述，目前對煤塵爆炸強度特性的研究已取得一定進展，但對不同變質(zhì)程度煤塵爆炸壓力特性的變化規(guī)律尚未充分展開研究。

鑒于此，本文中選取褐煤、長焰煤、不黏煤、氣煤4 種不同變質(zhì)程度的煤塵樣品為研究對象，以近球形空間內(nèi)煤塵爆炸最大壓力和最大壓力上升速率表征爆炸強度，探究褐煤、長焰煤、不黏煤、氣煤4 種煤質(zhì)的煤塵爆炸壓力特性隨噴塵壓力、點火延遲時間的變化規(guī)律。結(jié)合煤塵爆炸影響因素復雜多變的特征，在充分發(fā)揮實驗裝置的實驗周期短和便于重復的優(yōu)勢基礎上，分析不同測試參數(shù)條件下爆炸壓力特性的變化規(guī)律。

1 煤塵爆炸壓力特性測試裝置與測試原理

1.1 煤塵爆炸壓力特性測試裝置

煤塵爆炸壓力特性是煤塵爆炸強度的重要體現(xiàn)。煤塵爆炸壓力特性主要包括爆炸最大壓力pmax和最大壓力上升速率(dp/dt)max兩項參數(shù)，兩者受實驗工況和爆炸條件等因素的影響，具有很強的變化性和波動性，具有通過實驗分析展開變化規(guī)律研究的價值。參照國家相關(guān)標準《GB/T 16426-1996 粉塵云最大爆炸壓力和爆炸指數(shù)測定方法》[14]，采用國際上通用的煤塵爆炸壓力特性測試裝置，開展實驗研究。從圖1 可以看出，該裝置主要由自動噴塵、點火數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)無線傳輸及自動水循環(huán)降溫模塊構(gòu)成，可自動繪制壓力-時間曲線。裝置為雙層不銹鋼結(jié)構(gòu)，容積為20 L，粉塵貯槽容積為0.6 L，壓力檢測范圍為-0.1～2.0 MPa，檢測精度為0.001 MPa，數(shù)據(jù)采樣時間間隔為0.2 ms，最大采樣深度12 s。

圖 1 爆炸壓力特性測試裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structural sketch of the test device for explosion pressure characteristics

1.2 煤塵爆炸壓力特性測試原理

在測試煤塵爆炸壓力特性時，噴塵壓力和點火延遲時間是影響煤塵入射速度和點火瞬間煤塵云湍流程度的重要參數(shù)。噴塵壓力默認設置為2.0 MPa；點火延遲時間默認設置為100 ms，該值可在0～1 000 ms 范圍內(nèi)調(diào)控。實驗裝置在噴塵壓力的作用下，利用壓縮空氣將貯槽中的煤塵吹送到20 L 球體中，在達到點火延遲時間后，2 個5 kJ 的化學點火頭同時點火，通過直徑為20 mm 的圓形石英玻璃窗判斷爆炸情況，隨后壓力特性檢測單元開始檢測記錄數(shù)據(jù)，并無線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接收端，數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)存到Excel 做進一步分析。裝置下端配有取樣接口，具有自動排除殘粉功能。該裝置的優(yōu)點主要有自動噴粉、數(shù)據(jù)自動采集處理、快速循環(huán)水降溫、無線監(jiān)控、人機分離保證人身安全等。

2 不同變質(zhì)程度煤塵爆炸壓力特性的變化規(guī)律

2.1 不同變質(zhì)程度煤塵爆炸壓力特性的變化

為便于觀測不同變質(zhì)程度煤塵爆炸壓力特性并分析其變化規(guī)律，選取的煤質(zhì)為褐煤、長焰煤、不黏煤和氣煤。每次實驗在貯槽中放置的煤塵質(zhì)量為10 g，在球體內(nèi)分散均勻的前提下，煤塵云濃度可達500 g/m3。實驗工況為：煤塵粒徑，75 μm；噴塵壓力p0，2.0 MPa；點火延遲時間t0，100 ms；點火能量，10 kJ。4 種煤質(zhì)的煤塵爆炸壓力p 隨時間t 的變化情況如圖2 所示，將最大壓力pmax和最大壓力上升速率(dp/dt)max匯總于表1。

從圖2 和表1 可以看出：在所選取的4 種不同變質(zhì)程度的煤塵樣品中，變質(zhì)程度最低的褐煤的pmax最大，達到0.71 MPa。而隨變質(zhì)程度升高，長焰煤、不黏煤和氣煤的pmax依次明顯降低，分別為0.60、0.55 和0.47 MPa；而在最大壓力上升速率方面，褐煤的(dp/dt)max也是最大，達到65.69 MPa/s。隨變質(zhì)程度升高，長焰煤、不黏煤和氣煤的(dp/dt)max依次減小。上述分析結(jié)果說明：在同等測試條件下，以爆炸最大壓力和最大壓力上升速率為標準，褐煤、長焰煤、不黏煤和氣煤的爆炸強度依次降低。

圖 2 煤塵爆炸壓力隨時間變化情況Fig. 2 Temporal evolution of coal dust explosion pressure

表 1 不同煤質(zhì)煤塵爆炸壓力特性測試數(shù)據(jù)Table 1 Explosion pressure charateristics of coal dust with different metamorphism

2.2 爆炸前后不同煤質(zhì)煤塵揮發(fā)分含量對比

20 L 近球形煤塵爆炸壓力特性測試裝置下端配有取樣接口，可收集到爆炸后的殘塵樣品。將4 種煤樣爆炸后的殘塵干燥后，重新進行煤樣工業(yè)分析測試，并將結(jié)果與原煤樣進行對比，見表2。由表2 可以看出：4 種煤塵爆炸后揮發(fā)分含量均大幅度下降，其中，褐煤樣品參與爆炸的揮發(fā)分含量所占質(zhì)量分數(shù)最大，達到68.19%，長焰煤參與爆炸的揮發(fā)分含量所占質(zhì)量分數(shù)為58.33%，而不黏煤和氣煤參與爆炸的揮發(fā)分含量所占質(zhì)量分數(shù)相對較小且較接近，分別達到46.28%和47.65%。

通過上述爆炸前后煤樣揮發(fā)分含量對比分析，可知在所選用的4 種樣品中，參與爆炸的揮發(fā)分含量所占的質(zhì)量分數(shù)范圍為46.28%～68.19%，該結(jié)果對判定爆炸現(xiàn)場煤塵是否參與爆炸反應及確定爆炸波及的空間范圍具有重要意義。

表 2 爆炸前后不同煤質(zhì)煤塵揮發(fā)分含量對比Table 2 Comparison of volatile content among coal samples with different metamorphisms before and after explosion

3 爆炸壓力特性隨噴塵壓力和點火延遲時間的變化

在基于20 L 球形裝置的煤塵爆炸壓力特性實驗中，噴塵壓力與點火延遲時間是影響密閉空間內(nèi)點火瞬間煤塵云湍流程度的兩項重要實驗工況參數(shù)，兩者與爆炸壓力特性的關(guān)系十分密切。為定量探究這一關(guān)系，在保持其他實驗工況不變的前提下，分別設置噴塵壓力p0為1.8、2.0 和2.2 MPa，設置點火延遲時間t0為60、80、100 和120 ms，將實測結(jié)果匯總于表3～4，并繪制出關(guān)系圖如圖3～4 所示，以下分別從最大壓力和最大壓力上升速率兩方面展開變化規(guī)律分析。

表 3 不同實驗工況下煤塵爆炸最大壓力Table 3 Maximum pressure of coal dust explosion under different test conditions

表 4 不同實驗工況下煤塵爆炸最大壓力上升速率Table 4 Maximum pressure rise rate of coal dust explosion under different test conditions

3.1 煤塵爆炸最大壓力隨噴塵壓力和點火延遲時間的變化

由表3 可知：褐煤、長焰煤、不黏煤和氣煤4 種煤塵在p0保持不變、t0變化時，觀測到最大爆炸壓力時對應的t0均為100 ms，說明在t0=100 ms 時，煤塵在近球形空間內(nèi)達到了最佳分散狀態(tài)，爆炸強度最高。在t0保持不變、p0變化時，觀測到4 種煤塵爆炸最大壓力時所對應的p0均為2.0 MPa，說明在p0=2.0 MPa時，煤塵在近球形空間內(nèi)具有最高的初始湍流程度。

綜合考慮p0和t0這兩項實驗工況參數(shù)對最大爆炸壓力的影響，圖3 給出的褐煤、長焰煤、不黏煤和氣煤pmax與p0、t0之間的關(guān)系式分別為：

從圖3 可見，4 種煤樣的pmax擬合函數(shù)曲面均有極大值，分別為0.71、0.60、0.55 和0.47 MPa，相應的測試工況均為p0=2.0 MPa，t0=100 ms，而隨p0和t0在該工況附近不斷增大或不斷減小，pmax均逐漸減小，即爆炸強度隨之降低。

圖 3 最大爆炸壓力隨噴塵壓力和點火延遲時間的變化關(guān)系Fig. 3 Maximum explosion pressure pmax as a function of dispersion pressure p0 and ignition delay time t0

3.2 煤塵爆炸最大壓力上升速率隨噴塵壓力和點火延遲時間的變化

(dp/dt)max與pmax的不同之處在于，pmax從壓力峰值角度體現(xiàn)了爆炸強度，而(dp/dt)max則是從壓力變化率最大值的角度體現(xiàn)了爆炸強度。從表4 可以看出，4 種煤塵中：在p0保持不變、t0變化時，褐煤、不黏煤和氣煤的(dp/dt)max達最大時對應的t0均為80 ms，而長焰煤為100 ms，說明在t0=80 ms時，褐煤、不黏煤和氣煤的(dp/dt)max值相對更大，而長焰煤在t0=100 ms 時的(dp/dt)max值相對更大。在t0保持不變、p0變化時，觀測到(dp/dt)max最大值時所對應的p0均為2.0 MPa，這與觀測pmax時的結(jié)果一致。

綜合考慮p0和t0這兩項實驗工況參數(shù)對(dp/dt)max的影響，圖4 給出的褐煤、長焰煤、不黏煤和氣煤(dp/dt)max與p0、t0之間的關(guān)系式分別為：

結(jié)合(dp/dt)max與p0和t0的關(guān)系式及擬合曲面(圖4)可以看出，4 種煤樣的(dp/dt)max在擬合曲面上均有極大值，分別為67.81、46.13、45.03 和37.29 MPa/s，相應的褐煤、不黏煤和氣煤測試工況均為p0=2 MPa，t0=80 ms，長焰煤的測試工況為p0=2 MPa，t0=100 ms，當p0和t0在相應工況附近不斷增大或不斷減小時，(dp/dt)max均逐漸減小，即爆炸強度隨之降低。

圖 4 最大爆炸壓力上升速率隨噴塵壓力和點火延遲時間的變化關(guān)系Fig. 4 Maximum pressure rise rate (dp/dt)max as a function of dispersion pressure p0 and ignition delay time t0

3.3 不同噴塵壓力和點火延遲時間條件下煤塵爆炸壓力特性變化的機理

在綜合分析了煤塵爆炸最大壓力、最大壓力上升速率隨噴塵壓力和點火延遲時間變化規(guī)律的基礎上，發(fā)現(xiàn)在以爆炸壓力特性表征爆炸強度的條件下，爆炸強度最大的測試工況對應了最佳噴塵壓力和最佳點火延遲時間。從煤塵爆炸壓力特性變化機理的角度分析可知：噴塵壓力和點火延遲時間對爆炸強度均具有重要影響，當噴塵壓力低于最佳噴塵壓力時，煤塵顆粒在受熱點火時的湍流度沒有達到最大，而當噴塵壓力設置超過最佳噴塵壓力后，煤塵顆粒受高壓氣流的噴射作用，會使點火源頭附近的煤塵云濃度低于最佳濃度，從而減少了整體煤塵云團表面的自由基數(shù)量和種類，降低了煤塵粒子之間的活化能，進而導致爆炸強度向弱化的趨勢發(fā)生變化。另一方面，當點火延遲時間小于或大于最佳點火延遲時間時，在點火源附近區(qū)域的煤塵云均無法達到最佳分散狀態(tài)和最大湍流度，因此造成爆炸強度大大降低。上述分析從煤塵爆炸壓力特性變化機理的角度解釋了最大壓力、最大壓力上升速率隨噴塵壓力和點火延遲時間變化的原因。

4 結(jié) 論

選取褐煤、長焰煤、不黏煤和氣煤4 種不同變質(zhì)程度煤塵樣品，使用近球形煤塵爆炸實驗裝置，測試分析了煤塵爆炸最大壓力和最大壓力上升速率變化規(guī)律。

(1)在所選取的4 種煤塵樣品中，褐煤的爆炸最大壓力pmax和最大壓力上升速率(dp/dt)max均最大，分別達到0.71 MPa 和65.69 MPa/s。隨變質(zhì)程度的升高，長焰煤、不黏煤和氣煤的pmax和(dp/dt)max均明顯減小，說明以爆炸最大壓力和最大壓力上升速率為標準，褐煤、長焰煤、不黏煤和氣煤4 種煤塵的爆炸強度依次降低。4 種煤塵爆炸后揮發(fā)分含量均大幅度下降，參與爆炸的揮發(fā)分含量所占的質(zhì)量分數(shù)范圍為46.28%～68.19%，該結(jié)果對判定爆炸現(xiàn)場煤塵是否參與爆炸反應及確定爆炸波及的空間范圍具有重要意義。

(2)以最大壓力表征爆炸強度的條件下，在噴塵壓力p0=2.0 MPa，點火延遲時間t0=100 ms 時，4 種煤塵在近球形空間內(nèi)達到了最佳分散狀態(tài)和最大初始湍流度，爆炸強度最高，隨p0和t0在該工況附近不斷增大或不斷減小，pmax均逐漸減小，即爆炸強度隨之降低。通過構(gòu)建pmax與p0、t0之間的三維空間曲面模型，得出4 種煤樣的pmax擬合函數(shù)曲面均有極大值，分別為0.71、0.60、0.55 和0.47 MPa。

(3)以最大壓力上升速率表征爆炸強度的條件下，褐煤、不黏煤和氣煤在p0=2.0 MPa，t0=80 ms 時，爆炸強度達最高。而長焰煤在p0=2.0 MPa，t0=100 ms 時，爆炸強度達最高。通過構(gòu)建(dp/dt)max與p0、t0三維空間曲面模型，得出4 種煤樣的(dp/dt)max擬合函數(shù)曲面均有極大值，分別為67.81、46.13、45.03 和37.29 MPa/s。

研究結(jié)果對摸清不同測試條件對煤塵爆炸壓力特性的影響具有重要意義。