水平管内不同煤质煤尘爆炸火焰传播特性实验研究*

刘天奇，郑秋雨，苏长青

(沈阳航空航天大学 安全工程学院，辽宁 沈阳 110136)

0 引言

煤尘爆炸火焰传播特性是表征煤尘爆炸强度的一项重要参数[1]，爆炸火焰在受限空间内传播的距离、持续的时间及其发展状态，会对爆炸威力和破坏效果产生巨大影响作用[2-3]。由于煤矿井下作业环境与操作条件复杂多变且影响因素较多，所以在不同因素的干扰下，煤尘爆炸火焰传播特性在其产生与传播过程中的变化性很大[4-6]，同时考虑到不同变质程度的煤尘样品爆炸火焰传播特性差异较大，因此，采用实验研究的方法，以水平玻璃管煤尘爆炸实验装置为依托，研究不同煤质煤尘爆炸过程中火焰传播特性，研究结果对系统掌握爆炸火焰传播规律及合理制定抑爆措施意义重大。

目前国内外在煤尘爆炸强度特性方面，Eckhoff[7]分析了粒径分散度、粉尘云聚合度、粉尘云浓度和湍流度对爆炸强度影响作用；Elaine[8]研究了瓦斯爆炸驱动作用下煤尘爆炸的火焰传播速度与火焰结构特征；Pawel等[9]采用连通容器，研究了管体参数与管体内部粉尘爆炸压力特性的关系；蔡周全与罗振敏[10]研究了658 m巷道中瓦斯煤尘爆炸冲击波能量与传播速度衰减规律；刘贞堂[11]使用20 L球分析了煤尘爆炸火焰场与温度场变化过程；刘义等[12]使用3.2 L管体研究了瓦斯含量、煤尘种类与粒径对煤尘爆炸下限浓度影响作用；曹卫国等[13]、李雨成等[14]分别采用半封闭竖直管、水平玻璃管研究了煤尘爆炸火焰特性。综上所述，目前在煤尘爆炸强度特性方面的研究已取得一定进展，但在不同变质程度煤尘爆炸火焰传播特性方面的研究尚未充分展开。

鉴于此，以褐煤、长焰煤、不粘煤、气煤4种不同变质程度的煤尘样品为研究对象，以水平玻璃管道空间内煤尘爆炸火焰传播特性表征爆炸强度，探究4种煤尘在爆炸火焰发展阶段焰峰变化规律与火焰传播距离随火焰传播时间变化规律。研究结果对认识不同煤质煤尘爆炸火焰传播特性及制定有效的防爆、抑爆、隔爆措施均具有重要意义。

1 水平管道煤尘爆炸火焰传播特性测试装置与测试原理

煤尘爆炸火焰传播特性是表征煤尘爆炸强度的一项重要参数，爆炸火焰在受限空间内传播的距离、持续的时间及其发展状态，会对爆炸威力和破坏效果产生巨大影响作用。由于煤矿井下作业环境条件复杂多变且影响因素较多，所以在不同因素的干扰下，煤尘爆炸火焰特性在其产生与传播过程中的变化性很大。为研究不同条件下煤尘爆炸火焰传播特性及其变化规律，采用水平玻璃管实验装置(实物如图1所示，结构如图2所示)展开实验分析与理论研究。

图1 水平玻璃管煤尘爆炸实验系统Fig.1 Coal dust explosion test system of horizontal glass tube

1.玻璃管；2.集尘仓；3.吸尘器；4.压力表；5.气室；6.电磁阀；7.调节阀；8.微型空气压缩机；9.煤样管；10.弯管；11.铂丝；12.加热器瓷管；13.热电偶；14.高速摄像机。图2 水平玻璃管煤尘爆炸实验装置结构Fig.2 Coal dust explosion test device structure ofhorizontal glass tube

火焰传播特性主要包括火焰长度、火焰持续时间、焰体亮度与焰体结构等，火焰长度和火焰持续时间分别从空间和时间角度定量描述了火焰传播特性。水平玻璃管爆炸装置主要包括玻璃管体系统、喷尘系统、高温点火系统、高速摄像系统、支架导轨系统、数据采集系统与管体吹扫系统。玻璃管体两端开口，管长1.4 m，截面内径80 mm，管壁厚3 mm，管壁上以mm为单位标有长度尺度，可使用高速摄像机收集不同时刻火焰图像并读取长度数据。喷尘方式为气流携带式，煤样管中盛好一定质量煤尘后，微型空气压缩机会形成高压空气，将煤样管中煤尘带进玻璃管形成悬浮云团，在高温铂丝附近区域(通过热电偶测量温度)发生爆炸，高温铂丝距煤样管0.2 m。

水平玻璃管煤尘爆炸实验装置的优点主要包括：实验装置的测试工况可灵活操控、实验过程可远程遥控、实验结果采集方便及实验周期相对较短。在实验过程与原理方面，需根据相关实验要求进行参数设置。其中，初始扬尘压力默认0.05 MPa，该参数可影响煤尘云湍流程度及爆炸火焰初始速度，调节步长为±0.01 MPa；高温铂丝点火温度默认1 100℃，受玻璃管工作温度限制，点火温度最高可设置1 200℃；每次实验装入煤样管煤尘质量为2 g，煤尘粒径75 μm(即200目)，该粒径下火焰观测效果较明显，实验前称量100 g煤样放入105℃干燥箱内50 min，随后打开干燥箱上侧孔，待温度自然降到40℃，将煤样取出放入干燥皿备用。实验所选的4种煤质分别为褐煤、长焰煤、不粘煤、气煤，分别来自于内蒙古、辽宁、新疆和吉林，从地域上涵盖了华北、东北和西北3大区域，所选煤样均来自各大矿区具有代表性的掘进面。

2 水平管道内不同煤质煤尘爆炸火焰传播特性测试分析

2.1 不同煤质煤尘爆炸火焰发展阶段焰峰变化规律研究

煤尘爆炸火焰在传播中会经历焰体生成发展及焰体衰退消亡过程，这一过程持续时间极短。由于焰峰位于焰体最前端，焰峰形态结构、宽度与亮度等特性与火焰传播距离、传播持续时间密切相关，可以说焰峰的发展直接影响爆炸猛烈程度，因此，针对褐煤、长焰煤、不粘煤与气煤爆炸火焰发展阶段的焰峰变化规律进行研究。由于焰体衰退阶段爆炸波及范围及威力均逐渐减小，所以暂不研究焰体衰退过程。水平玻璃管实验装置参数设置为：初始扬尘压力0.05 MPa，点火温度1 100℃，喷尘质量2 g。受实验条件所限，高速摄像系统每1/8 s拍摄1次火焰图像(如图3所示，火焰长度见表1)。

根据图3做如下3点分析：

1)褐煤爆炸火焰发展阶段焰峰变化规律分析

褐煤爆炸后0～500 ms及长焰煤、不粘煤、气煤爆炸后0～375 ms都经历了火焰由生成到发展的阶段，焰峰的形态结构、宽度与亮度显示出一定演化规律。先以褐煤为例进行分析：t=125 ms时，褐煤焰峰结构十分尖锐，而焰峰宽度不大，没有占满整个管体截面，t=250 ms时，焰峰形状由尖锐向平滑的趋势发生演变，到t=500 ms，焰峰轮廓基本钝化，不存在明显凹凸点或尖锐部分。整体上看，在t=0～500 ms过程中，褐煤焰峰的宽度、横截面积以及亮度均不断增大，而在t=125 ms时，焰峰出现局部破裂现象，明显显露出玻璃管体上的尺度标记，从爆炸火焰演化角度分析，这是由爆炸过程中可燃挥发分气体、可燃固体焦炭与管体中氧气反应不充分导致的。t=125 ms火焰初步生成且未发展完全，此时焰峰具有很强的传播扩散能力，t=500 ms火焰形态结构发展相对完全，此时焰峰具有更强的破坏威力。

2)长焰煤与不粘煤爆炸火焰发展阶段焰峰变化规律分析

与褐煤相比，长焰煤、不粘煤爆炸火焰发展完全所需时间相对较短，在0～375 ms内，长焰煤与不粘煤焰峰的形状由相对尖锐向平滑逐渐过渡，最终趋于钝化。焰峰及附近区域亮度、横截面积、焰体宽度均逐渐增大。长焰煤、不粘煤与褐煤不同之处在于，在t=375 ms时两者焰峰前端区域出现明显焰体分离现象。从煤尘爆炸传播角度分析，爆炸火焰区域代表了爆炸化学反应波及的空间范围，爆炸火焰携带有相当一部分从煤尘爆炸起点区域产生的能量，进而促使焰峰向前一直传播，但受玻璃管体装置冷壁效应与空间尺度效应作用，以及煤尘燃料与空间氧气的消耗，导致t=375 ms出现焰峰与焰体破裂分离现象，火焰传播也就此终止。

此外，t=250 ms时，长焰煤焰峰图像上观察到黑色颗粒状物质，对其产生机理分析可知：随高温点火后爆炸的发生，煤尘中水分、挥发分和固定碳成分都释放出来或参与爆炸反应，剩下惰性极强的灰分成分并不参与爆炸反应，甚至起到阻碍爆炸作用，这也是黑色颗粒状物质的主要成分，这也从“灰分抑制爆炸反应”观点解释了t=375 ms时长焰煤焰峰出现破裂分离现象的原因。

3)气煤爆炸火焰发展阶段焰峰变化规律分析

相比之下，气煤爆炸火焰发展阶段焰峰传播特性与褐煤、长焰煤、不粘煤均不同，虽然在0～250 ms内气煤焰峰的横截面积、宽度、亮度均有明显增大，然而从拍摄图像发现，包括焰峰在内的火焰始终没有铺满整个管体截面空间。在焰峰亮度与结构形态方面，t=250 ms时气煤焰峰亮度达到最大，而在t=375 ms焰峰亮度明显减弱，并出现明显的大面积的火焰碎纹，随即焰体终止传播，说明气煤爆炸火焰猛烈传播的持续时间相对较短，整体爆炸强度也相对较弱。

2.2 不同煤质煤尘爆炸火焰传播规律对比分析

为研究水平管体空间内不同煤质煤尘爆炸火焰传播距离随时间变化规律，在第1章实验工况下对不同时刻褐煤、长焰煤、不粘煤、气煤爆炸火焰传播距离进行测试，结果见表1。为便于对比不同t时刻爆炸火焰传播距离l变化趋势，绘制图4。

图3 不同时刻煤尘爆炸火焰焰峰图像Fig.3 Flame peak images of coal dust explosion at different time

根据表1和图4做2点分析：

1)不同煤质煤尘爆炸火焰加速传播规律对比分析

在火焰加速传播阶段，随爆炸后时间t的增加，4种煤质中，不粘煤与气煤的l随t的变化率总体呈先变大、后变小趋势，而褐煤与长焰煤的l随t的变化率呈先变大、后减小、再变大趋势，说明不粘煤与气煤的爆炸火焰在传播过程中存在1次加速，而褐煤与长焰煤的爆炸火焰存在2次间断性加速。从火焰传播机理分析这种差异性可知：褐煤与长焰煤爆炸火焰在2次加速之间有1次减速，这与玻璃管体空间受限及常温管壁散热而造成的阻碍火焰加速传播效应密切相关，同时，由于管体内褐煤与长焰煤爆炸火焰传播相对较为猛烈，局部助燃氧气出现瞬间空间空缺与不足现象，于是在1次火焰加速后出现间断性焰体减速传播，但从第2次火焰重新加速中可以判断，由玻璃管体两端向焰体间隙中补充而来的氧气快速有效地起到了及时助燃助爆作用。

表1 不同时刻爆炸火焰长度Tab.1 Flame length of coal dust explosion at different time

图4 火焰传播距离与时间的关系Fig.4 Relationship of flame propagation distance and time

2)不同煤质煤尘爆炸火焰传播规律对比分析

在不同煤尘爆炸火焰传播距离与持续时间方面，褐煤爆炸火焰传播距离最大达740 mm，明显大于长焰煤、不粘煤与气煤最大距离，说明褐煤大约在爆炸后400～600 ms内火焰2次加速完全，其余3种煤尘几乎均在300～500 ms内火焰传播到最远，达450～600 mm，当t>800 ms后，长焰煤、不粘煤与气煤火焰传播距离均小于100 mm，说明焰体基本趋于燃尽消失状态，表明低变质褐煤爆炸火焰持续时间更长，火焰传播距离更远且传播更剧烈，这与褐煤可燃挥发分含量较高有直接关系。因此建议针对生产褐煤的煤矿应加大粉尘防治力度，及时采取控尘降尘措施，严防爆炸事故发生。此外，虽然气煤火焰最远传播距离比长焰煤大30 mm，但从图3可知，气煤火焰在375 ms左右出现大片火焰碎纹，焰体亮度、宽度与横截面积也都不如长焰煤。

3 结论

1)4种煤尘在爆炸火焰发展阶段，褐煤在500 ms内焰峰的形状由尖锐向平滑再向钝化不断演变，长焰煤与不粘煤在375 ms时焰峰前端出现明显焰体分离现象，分析认为这与管体冷壁效应、空间尺度效应及空间氧气消耗直接相关。气煤在250 ms焰峰亮度达最大，而在375 ms时焰峰出现大面积火焰碎纹，说明气煤爆炸火焰猛烈传播的持续时间相对较短，整体爆炸强度相对较弱。

2)在火焰加速传播阶段，不粘煤与气煤的爆炸火焰在传播过程中存在1次加速，而褐煤与长焰煤爆炸火焰存在2次间断性加速，分析认为褐煤与长焰煤爆炸火焰在2次加速之间有1次减速，这不仅与玻璃管体空间受限及常温管壁散热而造成的阻碍火焰加速传播效应密切相关，还由于褐煤与长焰煤爆炸火焰在管内传播相对较为猛烈，导致局部助燃氧气出现瞬间空间空缺与不足。由于管体两端的氧气快速有效地补充到焰体间隙中，及时起到助燃助爆作用，从而使褐煤、长焰煤爆炸火焰出现了第2次重新加速。

3)褐煤大约在爆炸后400～600 ms内火焰2次加速完全，火焰传播距离达740 mm，明显大于长焰煤、不粘煤与气煤。当t>800 ms后，长焰煤、不粘煤与气煤爆炸火焰传播距离均小于100 mm，说明焰体基本趋于燃尽消失状态，表明低变质褐煤爆炸火焰持续时间更长，火焰传播距离更远且传播更剧烈。此外，虽然气煤火焰最远传播距离比长焰煤大30 mm，但由于气煤火焰在375 ms左右出现大片火焰碎纹，因此气煤整体的爆炸强度小于长焰煤。