煤尘组分对瓦斯/煤尘复合爆炸下限的影响研究

瓦斯和煤尘复合爆炸是煤矿井下爆炸灾害的主要形式之一,研究瓦斯/煤尘复合爆炸下限变化规律,是有效防治煤矿爆炸灾害的必备条件。为研究煤尘组分对瓦斯/煤尘复合爆炸下限的影响,特选用2种组分不同的煤尘(烟煤和无烟煤)。依据EN 14034标准,使用10 kJ化学点火头在标准20L球形爆炸容器中,分别对2种煤尘的最小爆炸浓度、相同试验条件下的瓦斯爆炸下限以及煤尘与瓦斯的复合爆炸下限进行了测量。试验测得烟煤和无烟煤的最小爆炸浓度分别为50 g/m^3和70 g/m^3,瓦斯爆炸下限为4%。当煤尘中分别通入1%、2%、3%、4%的瓦斯后,烟煤最小爆炸浓度分别降低至40、20、5、0 g/m^3,无烟煤最小爆炸浓度分别降低至50、20、5、0 g/m^3。基于上述测量结果,对比分析了煤尘组分对瓦斯/煤尘复合爆炸下限变化规律的影响,并探讨了Le Chatelier、Bartknecht、Jiang等气粉复合爆炸下限预测模型对瓦斯/煤尘复合体系的适用性。结果表明:2种煤尘的最小爆炸浓度均随瓦斯浓度的增大而降低,但挥发分含量低的煤尘降幅更大,即瓦斯对低挥发分煤尘最小爆炸浓度的影响更为显著。Jiang模型预测值远远偏离实际测量值;Le Chatelier模型预测值高于实际测量值,且误差随瓦斯浓度的增大而增大;Bartknecht模型适用性相对较好,且更适用于低挥发分瓦斯/煤尘复合体系。

甲烷/石松子粉尘混合体系爆炸下限的变化规律

基于标准20 L球形爆炸装置,在相同测试条件下,分别测量了石松子粉尘、甲烷和不同浓度配比的甲烷/石松子粉尘混合体系爆炸下限,并将测试结果与Le Chatelier’s law、Bartknecht curve、Jiang method等混合体系爆炸下限预测结果进行了对比。结果表明:低于爆炸下限的甲烷和低于爆炸下限的石松子粉尘混合后仍具有爆炸危险性。石松子粉尘爆炸下限随混合体系中甲烷体积分数的增高而减小。Le Chatelier’s law、Bartknecht curve、Jiang method均不能准确预测甲烷/石松子粉尘混合体系爆炸下限。Le Chatelier’s law对甲烷体积分数φ与甲烷爆炸下限φ_L之比φ/φ_L<0.5的混合体系爆炸下限的预测值偏小,而对φ/φ_L>0.5的混合体系预测值偏大;Bartknecht curve在预测φ/φ_L>0.5的混合体系爆炸下限时适用性较好,而对于φ/φ_L<0.5的混合体系预测值偏小;Jiang method不适用于预测甲烷/石松子粉尘混合体系爆炸下限。

甲烷/石松子两相混合体系爆炸强度参数

基于改进的20 L球形粉尘爆炸装置,在相同初始条件下分别测量了甲烷、石松子粉尘和甲烷/石松子两相混合体系的爆炸压力、爆炸压力上升速率和爆炸指数等参数,系统研究了甲烷/石松子粉尘两相混合体系爆炸特性变化规律。结果表明:甲烷的添加能显著提高低质量浓度石松子粉尘爆炸压力而降低高质量浓度石松子粉尘爆炸压力;甲烷对石松子粉尘最大爆炸压力没有显著影响,但能显著提高石松子粉尘最大爆炸压力上升速率。甲烷/石松子粉尘混合体系爆炸指数高于单相石松子粉尘爆炸指数,但甲烷/石松子粉尘混合体系和单相石松子粉尘爆炸指数均低于单相甲烷爆炸指数。工业生产过程中应避免粉尘混入可燃气体以降低粉尘爆炸危险性。

EVA树脂粉尘/甲烷/空气杂混物爆炸特性

在20 L爆炸实验装置中,开展了3种不同中值粒径的EVA树脂粉尘/甲烷/空气所组成的杂混物爆炸特性研究,探究了甲烷浓度对粉尘爆炸下限、最大爆炸压力的影响。结果表明,尽管添加的甲烷气体浓度低于爆炸下限,仍使得粉尘爆炸下限得以降低,粒径较大的EVA III粉尘,当甲烷体积分数为1%时,爆炸下限降低约25%;粒径较小的EVA I粉尘,当混入甲烷体积分数为4%时,爆炸下限则降低80%;甲烷体积分数每增加1%,可燃粉尘最大爆炸压力上升约10%,但对于粒径较小的EVA I粉尘,当甲烷体积分数为4%时,最大爆炸压力的上升呈现突变趋势,上升近50%。

瓦斯-煤尘混合爆炸中煤尘因素的影响广义化研究

为研究煤尘粒径和煤尘质量浓度对瓦斯-煤尘混合爆炸特性影响的普适性规律,通过自行搭建的试验管网进行瓦斯-沉积煤尘混合爆炸试验,广义化探究煤尘质量浓度和煤尘粒径对瓦斯-煤尘混合爆炸在复杂管网中产生的冲击波压力峰值、火焰波传播速度峰值和火焰波温度峰值的影响,并基于影响因素响应面理论分析验证了试验结论。结果表明:当煤尘粒径相同时,瓦斯-煤尘混合爆炸的冲击波压力峰值、火焰波传播速度峰值和火焰波温度峰值会随着煤尘质量浓度的增大呈现先增大后减小的趋势;当煤尘质量浓度相同时,瓦斯-煤尘混合爆炸产生的冲击波压力峰值、火焰波传播速度峰值和火焰波温度峰值同样会随着煤尘粒径的增大呈现先增大后减小的趋势;当煤尘粒径和煤尘质量浓度分别为50μm、100 g/m^(3)时,瓦斯-煤尘混合爆炸最为剧烈;煤尘质量浓度对瓦斯-煤尘混合爆炸产生的冲击波压力峰值和火焰波温度峰值的影响程度大于煤尘粒径,煤尘粒径对火焰波传播速度的影响程度大于煤尘质量浓度。该研究结果可为煤尘对瓦斯-煤尘混合爆炸的影响研究提供理论参考。

聚酰胺树脂粉尘/丙烷/空气杂混物爆炸特性

选取三种不同粒径的聚酰胺(PA)树脂粉尘,以激光粒度仪测量粒径分布。在20L爆炸试验装置中开展PA粉尘/丙烷/空气组成的杂混物爆炸特性研究,分析丙烷浓度对粉尘爆炸参数的影响规律。结果表明:在三种PA树脂粉尘/空气混合物中施加丙烷气体均导致粉尘爆炸下限呈现降低的趋势。对于粒径较小的PAⅢ树脂粉尘/空气混合物,施加的丙烷体积分数为2.0%时,爆炸下限降至原值的一半。与单纯的可燃粉尘/空气混合物相比,可燃气体与可燃粉尘热解生成的可燃挥发分相叠加,其最大爆炸压力升高。对于大粒径粉尘,该增强作用尤为显著。杂混物的最大压力上升速率也呈现增大的趋势。对于PAⅢ粉尘/空气混合物,施加的丙烷体积分数为2.0%时其最大爆炸压力成倍增长。

甲烷/煤尘复合爆炸火焰的传播特性

为揭示甲烷/煤尘复合爆炸火焰的传播机理,利用气粉两相混合爆炸实验系统,在低于甲烷爆炸下限条件下,采用高速摄影机记录火焰传播图像,通过热电偶采集火焰温度,研究了煤尘种类以及甲烷体积分数对甲烷/煤尘复合火焰传播特性的影响。结果表明:挥发分是衡量煤尘燃烧特性的主导因素;随着煤尘挥发分的升高,燃烧反应增强,火焰传播速度升高,火焰温度升高;挥发分含量差异较小时,水分含量越低,燃烧反应越剧烈;在相同条件下,焦煤的燃烧反应强度最高,其次为长焰煤,最后为褐煤;随着甲烷体积分数的增加,煤尘颗粒的燃烧可由释放挥发分的扩散燃烧转变为气相预混燃烧,燃烧反应增强,火焰传播速度和火焰温度显著升高;热辐射和热对流作用促进煤尘颗粒热解,释放挥发分进行燃烧反应,维持复合火焰的持续传播;随着混合体系中甲烷体积分数的增加,混合爆炸机制由粉尘驱动型爆炸转为气体驱动型爆炸,燃烧反应增强;甲烷/煤尘复合爆炸火焰可由未燃区、预热区、气相燃烧区、多相燃烧区和焦炭燃烧区5部分组成,湍流扰动导致燃烧介质空间分布存在差异,使得燃烧区无规则交错分布。

环氧丙烷蒸气-铝粉-空气杂混合物的爆炸特性研究

为了评估环氧丙烷蒸气-铝粉-空气杂混合物的爆炸危险性,在5L圆柱形爆炸装置中分别对铝粉、环氧丙烷蒸气及铝粉与环氧丙烷蒸气共存条件下的杂混合物进行了爆炸浓度下限的实验研究。结果表明:环氧丙烷蒸气可使杂混合物的爆炸下限浓度降低;杂混合物的最大爆炸压力上升速率由于环氧丙烷蒸气的存在而增强;当铝粉浓度较低时,环氧丙烷蒸气的加入使最大爆炸压力明显增加,之后随着铝粉浓度的增加,最大爆炸压力反而减小。