劉天奇，李雨成，羅紅波

（1. 沈陽航空航天大學(xué)安全工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)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(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)，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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)度特性的研究已取得一定進(jìn)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(qiáng)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(diǎn)火延遲時(shí)間的變化規(guī)律。結(jié)合煤塵爆炸影響因素復(fù)雜多變的特征，在充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)周期短和便于重復(fù)的優(yōu)勢基礎(chǔ)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(qiáng)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(xiàng)參數(shù)，兩者受實(shí)驗(yàn)工況和爆炸條件等因素的影響，具有很強(qiáng)的變化性和波動性，具有通過實(shí)驗(yàn)分析展開變化規(guī)律研究的價(jià)值。參照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)《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(shí)驗(yàn)研究。從圖1 可以看出，該裝置主要由自動噴塵、點(diǎn)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(shí)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(shí)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(shí)，噴塵壓力和點(diǎn)火延遲時(shí)間是影響煤塵入射速度和點(diǎn)火瞬間煤塵云湍流程度的重要參數(shù)。噴塵壓力默認(rèn)設(shè)置為2.0 MPa；點(diǎn)火延遲時(shí)間默認(rèn)設(shè)置為100 ms，該值可在0～1 000 ms 范圍內(nèi)調(diào)控。實(shí)驗(yàn)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(dá)到點(diǎn)火延遲時(shí)間后，2 個(gè)5 kJ 的化學(xué)點(diǎn)火頭同時(shí)點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)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(jī)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(shí)驗(yàn)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(dá)500 g/m3。實(shí)驗(yàn)工況為：煤塵粒徑，75 μm；噴塵壓力p0，2.0 MPa；點(diǎn)火延遲時(shí)間t0，100 ms；點(diǎn)火能量，10 kJ。4 種煤質(zhì)的煤塵爆炸壓力p 隨時(shí)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(dá)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)，褐煤、長焰煤、不黏煤和氣煤的爆炸強(qiáng)度依次降低。

圖 2 煤塵爆炸壓力隨時(shí)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(jìn)行煤樣工業(yè)分析測試，并將結(jié)果與原煤樣進(jìn)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?jǐn)?shù)最大，達(dá)到68.19%，長焰煤參與爆炸的揮發(fā)分含量所占質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)相對較小且較接近，分別達(dá)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?jǐn)?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(yīng)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(diǎn)火延遲時(shí)間的變化

在基于20 L 球形裝置的煤塵爆炸壓力特性實(shí)驗(yàn)中，噴塵壓力與點(diǎn)火延遲時(shí)間是影響密閉空間內(nèi)點(diǎn)火瞬間煤塵云湍流程度的兩項(xiàng)重要實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)工況不變的前提下，分別設(shè)置噴塵壓力p0為1.8、2.0 和2.2 MPa，設(shè)置點(diǎn)火延遲時(shí)間t0為60、80、100 和120 ms，將實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)火延遲時(shí)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(shí)，觀測到最大爆炸壓力時(shí)對應(yīng)的t0均為100 ms，說明在t0=100 ms 時(shí)，煤塵在近球形空間內(nèi)達(dá)到了最佳分散狀態(tài)，爆炸強(qiáng)度最高。在t0保持不變、p0變化時(shí)，觀測到4 種煤塵爆炸最大壓力時(shí)所對應(yīng)的p0均為2.0 MPa，說明在p0=2.0 MPa時(shí)，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(xiàng)實(shí)驗(yàn)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(yīng)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(qiáng)度隨之降低。

圖 3 最大爆炸壓力隨噴塵壓力和點(diǎn)火延遲時(shí)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(diǎn)火延遲時(shí)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(qiáng)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(qiáng)度。從表4 可以看出，4 種煤塵中：在p0保持不變、t0變化時(shí)，褐煤、不黏煤和氣煤的(dp/dt)max達(dá)最大時(shí)對應(yīng)的t0均為80 ms，而長焰煤為100 ms，說明在t0=80 ms時(shí)，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(shí)的(dp/dt)max值相對更大。在t0保持不變、p0變化時(shí)，觀測到(dp/dt)max最大值時(shí)所對應(yīng)的p0均為2.0 MPa，這與觀測pmax時(shí)的結(jié)果一致。

綜合考慮p0和t0這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)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(yīng)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(dāng)p0和t0在相應(yīng)工況附近不斷增大或不斷減小時(shí)，(dp/dt)max均逐漸減小，即爆炸強(qiáng)度隨之降低。

圖 4 最大爆炸壓力上升速率隨噴塵壓力和點(diǎn)火延遲時(shí)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(diǎn)火延遲時(shí)間條件下煤塵爆炸壓力特性變化的機(jī)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(diǎn)火延遲時(shí)間變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)在以爆炸壓力特性表征爆炸強(qiáng)度的條件下，爆炸強(qiáng)度最大的測試工況對應(yīng)了最佳噴塵壓力和最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間。從煤塵爆炸壓力特性變化機(jī)理的角度分析可知：噴塵壓力和點(diǎn)火延遲時(shí)間對爆炸強(qiáng)度均具有重要影響，當(dāng)噴塵壓力低于最佳噴塵壓力時(shí)，煤塵顆粒在受熱點(diǎn)火時(shí)的湍流度沒有達(dá)到最大，而當(dāng)噴塵壓力設(shè)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(diǎn)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(tuán)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(jìn)而導(dǎo)致爆炸強(qiáng)度向弱化的趨勢發(fā)生變化。另一方面，當(dāng)點(diǎn)火延遲時(shí)間小于或大于最佳點(diǎn)火延遲時(shí)間時(shí)，在點(diǎn)火源附近區(qū)域的煤塵云均無法達(dá)到最佳分散狀態(tài)和最大湍流度，因此造成爆炸強(qiáng)度大大降低。上述分析從煤塵爆炸壓力特性變化機(jī)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(diǎn)火延遲時(shí)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(shí)驗(yàn)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)，褐煤、長焰煤、不黏煤和氣煤4 種煤塵的爆炸強(qiáng)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?jǐn)?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(yīng)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(qiáng)度的條件下，在噴塵壓力p0=2.0 MPa，點(diǎn)火延遲時(shí)間t0=100 ms 時(shí)，4 種煤塵在近球形空間內(nèi)達(dá)到了最佳分散狀態(tài)和最大初始湍流度，爆炸強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度的條件下，褐煤、不黏煤和氣煤在p0=2.0 MPa，t0=80 ms 時(shí)，爆炸強(qiáng)度達(dá)最高。而長焰煤在p0=2.0 MPa，t0=100 ms 時(shí)，爆炸強(qiáng)度達(dá)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。