0 引言
煤尘爆炸是煤矿最严重的事故之一，煤尘爆炸会产生高温、高压和大量有毒有害气体，严重危害井下工作人员的生命安全。国内外学者对煤尘爆炸特性做了大量的实验研究和分析。李雨成等[1]研究了煤质指标对煤尘爆炸火焰长度的影响，得出了挥发分含量对煤尘爆炸火焰长度的影响作用最大的结论。C.H.Medina等[2]对2种烟煤爆炸前后固体颗粒的粒径分布、挥发分、灰分等参数的变化规律进行了研究，并比较了2种煤尘固体残留物表面微观特性与元素变化，分析认为煤尘爆炸固态产物挥发分质量百分比减少是导致固态产物的元素质量百分比发生改变的原因。王育德等[3]研究了煤尘浓度和粒径对煤尘爆炸燃烧特性的影响，得到了煤尘出现稳定爆轰的最佳浓度和粒径。曹卫国等[4]对不同煤粉在20 L球形爆炸装置中的爆炸机理和规律进行了研究，得到了爆炸压力随煤尘浓度和点火具质量增加而增大的规律。李庆钊等[5]对煤尘爆炸特性进行分析，得到了煤尘爆炸严重性和火焰传播行为的特征规律。景国勋等[6]对受限空间煤尘爆炸毒害气体传播伤害进行了研究，指出毒气传播的峰值点随风流方向移动，其峰值点浓度逐渐变小。刘贞堂等[7-8]对煤尘爆炸残留物进行了研究，得到了不同条件下的气固残留物特征规律。
前人对煤尘爆炸的研究大多集中在煤尘的一次爆炸，对二次爆炸研究较少，特别是对二次爆炸的燃烧持续时间(爆炸压力由零上升至最大值所经历的时间)[9]及二次爆炸残留气体缺少必要的分析。与一次爆炸相比，二次爆炸通常更加危险：第一次爆炸时，煤矿井下建筑物内的防护装置会起到一定保护作用，因此损坏相对较小。而二次爆炸距离爆源点相对较远，且继续产生有毒有害气体，破坏性更大。同时，二次爆炸时间和地点的不确定性进一步增加了救援难度[10]。因此，需要更好地理解二次爆炸的性质。本文采用20 L球形爆炸装置来进行煤尘的一、二次爆炸实验，研究了煤尘浓度、粒径、点火能量对煤尘二次爆炸燃烧持续时间及残留气体的影响，并与煤尘一次爆炸进行对比分析。研究结果可为深入研究煤尘爆炸事故调查的物证分析技术提供依据。
1 煤尘爆炸实验
1.1 实验样品
实验采用的煤样为褐煤，煤样工业分析为水分3.67%、灰分18.63%、挥发分38.16%、固定碳39.54%。将煤样粉碎后，用标准筛子将其按照实验要求筛选成粒径分别为420～840，250～420，178～250，124～178，74～124，38～74 μm的煤尘，并将其放入密封袋内。在实验开始前将煤尘放入60 ℃恒温干燥箱内干燥24 h。
1.2 实验装置
实验在20 L球形爆炸装置内进行。该装置由爆炸球本体、喷粉装置、点火装置、控制系统、数据采集系统等组成，如图1所示。
图1 20 L球形爆炸装置
Fig.1 20 L spherical explosion device
1.3 实验方法
根据实验条件，分别改变煤尘浓度、粒径、点火能量来进行煤尘爆炸实验。20 L球形爆炸装置中的数据采集系统记录爆炸燃烧的起止时间及燃烧持续时间。在20 L球形爆炸装置的喷粉处放入一定质量的煤粉，再注入2 MPa空气。用喷粉装置将煤尘吹扬起来形成煤尘云，实现煤尘混合。用点火装置引燃煤尘爆炸。在爆炸球本体的排气口连接1根软管，开口用夹子夹住，爆炸完成后打开排气阀，用注射器抽取残留气体，将气体放入密封的气体袋内，如图2所示。用气相色谱分析仪对残留气体进行检测。煤尘一次爆炸后，用专用的残留固体收集装置收集固态残留物，如图3所示，并将其作为二次爆炸的实验样品。在二次爆炸开始前再次注入2 MPa空气，然后在20 L球形爆炸装置内重复上述操作，进行二次爆炸实验(本文中煤尘二次爆炸即为一次爆炸后固态残留物再次爆炸)。实验结束后整理数据，分析二次爆炸的特性，并与一次爆炸进行对比分析。
图2 残留气体收集
Fig.2 Residual gas collection
图3 残留固体收集装置
Fig.3 Residual solid collection device
煤尘爆炸实验中采集的压力曲线如图4所示，其中T1，T2分别为煤尘一、二次爆炸燃烧持续时间。20 L球形爆炸装置初始压力为-0.06 MPa。压力开始上升表明开始喷粉，高压气体和煤尘进入爆炸装置。之后发生爆炸，爆炸压力由零上升至最大值，之后逐渐下降。
2 煤尘爆炸实验结果与分析
2.1 燃烧持续时间
2.1.1 煤尘浓度对T2的影响
为了研究煤尘浓度对T2的影响，在煤尘粒径为38～74 μm、点火能量为5 kJ条件下,分别进行浓度为100，200，300，400，500，700 g·m-3的爆炸实验，结果如图5所示。
图4 煤尘爆炸压力曲线
Fig.4 Pressure curve of coal dust explosion
图5 不同煤尘浓度下煤尘爆炸燃烧持续时间
Fig.5 Combustion duration of coal dust explosion under
different coal dust concentrations
由图5可知，随着煤尘浓度的增大，T1，T2均先减小后增大，在浓度为400 g·m-3时均达到最小值，分别为50.21，91.43 ms；T1，T2的差值ΔT先减小后增大再减小，在煤尘浓度为400 g·m-3时达到最大值，为41.22 ms。原因可能是煤尘浓度为400 g·m-3时，密闭空间内的煤尘粒子数、点火能量及空间内的氧气达到最佳匹配，从而产生最大爆炸强度[11]。在最大爆炸强度下，煤尘颗粒的燃烧速率达到最大，燃烧持续时间最小。当煤尘浓度超过最佳浓度，未反应的煤尘颗粒增多，氧气成为制约反应进行的主要原因。此外，剩余未反应的煤尘颗粒吸收了反应产生的部分热量，导致燃烧速率降低，燃烧持续时间增大。
相同条件下，T2较T1大。分析认为一次爆炸时的煤样为原煤，颗粒内的固定碳和挥发分含量较高。发生一次爆炸时，煤尘颗粒内的固定碳和挥发分充分参与反应，燃烧速率较快。而二次爆炸时的煤样为一次爆炸后的固态残留物，经过一次爆炸后煤尘颗粒内部的固定碳和挥发分含量大量减少。同时，二次爆炸时煤尘颗粒内的灰分含量相对增多，一定程度上阻碍了反应的进行，导致燃烧速率降低，燃烧持续时间增大。
将相同条件下的ΔT与T1的比值定义为T2的影响率，其值越大，说明影响程度越大。经计算，煤尘浓度对T2的影响率均值为33.86%。
2.1.2 煤尘粒径对T2的影响
为了研究煤尘粒径对T2的影响，在煤尘浓度为400 g·m-3、点火能量为5 kJ条件下，分别进行煤尘粒径为420～840，250～420，178～250，124～178，74～124，38～74 μm的爆炸实验，结果如图6所示。
图6 不同煤尘粒径下煤尘爆炸燃烧持续时间
Fig.6 Combustion duration of coal dust explosion
under different particle sizes of coal dust
由图6可知，随着煤尘粒径减小，T1,T2不断减小。原因是随着煤尘粒径的减小，煤尘颗粒的比表面积增大，挥发分的释放率提高。同时由于比表面积增大，挥发分和氧气充分接触参与反应，燃烧速率不断增大，所以燃烧持续时间不断减小。相同条件下，T2较T1大。
随着煤尘粒径的减小，ΔT先增大后减小，煤尘粒径为124～178 μm时最大，为34.86 ms，煤尘粒径为420～840 μm时最小，为5.84 ms。这是因为大粒径煤尘的比表面积较小，爆炸过程中煤尘颗粒主要在其表面发生燃烧行为，大粒径煤尘对燃烧的“冷却”作用使得煤尘爆炸反应受阻[12]，挥发分释放率较低，燃烧速率较慢，燃烧时间较长。虽然大粒径煤尘在二次爆炸过程中进一步受到破坏，颗粒的比表面积有一定增大，但一次爆炸后的相对灰分增加，吸收了一定热量，燃烧时间也相对较长。因此，T1，T2较为接近，ΔT取得最小值。
经计算，煤尘粒径对T2的影响率均值为19.28%。
2.1.3 点火能量对T2的影响
为了研究点火能量对T2的影响，在煤尘浓度为400 g·m-3、煤尘粒径为38～74 μm条件下，分别进行点火能量为2，5，8，10，12 kJ的爆炸实验，结果如图7所示。
图7 不同点火能量下煤尘爆炸燃烧持续时间
Fig.7 Combustion duration of coal dust explosion
under different ignition energy
由图7可知，在点火能量为2 kJ时，T1，T2较为接近, ΔT取得最小值。原因是此时点火能量过小，煤尘颗粒获得的能量过少，密闭空间内的颗粒温度较低，挥发分释放率很低，燃烧速率较小，使得T1，T2接近。随着点火能量增大，T1,T2明显减小。分析认为增大点火能量使得单个煤尘颗粒获得的能量变多，活化分子数增多[13]，同时密闭空间内的温度升高，煤尘颗粒挥发分的释放率不断提高，所以T1,T2不断减小。在相同条件下，T2较T1大，ΔT先增大后减小，在点火能量为2 kJ时取得最小值，为8.47 ms，在点火能量为10 kJ时取得最大值，为35.85 ms。
经计算，点火能量对T2的影响率均值为40.25%。
2.2 残留气体
2.2.1 煤尘粒径对二次爆炸后残留气体的影响
为了研究煤尘粒径对二次爆炸后残留气体的影响，在煤尘浓度为400 g·m-3、点火能量为5 kJ条件下，分别进行煤尘粒径为420～840，250～420，178～250，74～124，38～74 μm的爆炸实验，所得残留气体体积分数如图8所示，一、二次爆炸后残留气体体积分数比值见表1。其中CO(1)，CO2(1)，CH4(1)，C2H4(1)， C2H6(1)，C3H6(1)，C2H2(1)为一次爆炸后残留气体；CO(2)，CO2(2)，CH4(2)，C2H4(2)，C2H6(2)，C3H6(2)，C2H2(2)为二次爆炸后残留气体；φCO(1)，φCO2(1)为一次爆炸后残留气体中CO，CO2体积分数；φCO(2)，φCO2(2)为二次爆炸后残留气体中CO，CO2体积分数。
由图8和表1可知，对于相同条件下的同种气体，二次爆炸后残留气体体积分数均小于一次爆炸后。原因是一次爆炸时的煤样为原煤，煤尘颗粒内的固定碳和挥发分含量较高。煤尘一次爆炸过程中固定碳和挥发分共同参与反应，二次爆炸时只有固定碳起主要作用。其次，二次爆炸时灰分起到一定的抑制爆炸作用，使得煤尘颗粒的热解和断裂受到一定的阻碍。因此，二次爆炸后残留气体体积分数均小于一次爆炸后。一、二次爆炸后残留气体中含量最高的有毒有害气体均为CO，烷烃类气体中含量最高的均为CH4。在一定范围内，随着粒径不断减小，φCO(1)，φCO(2)均不断减小；φCO2(1)先增大后减小，而φCO2(2)则在一定范围内波动。煤尘粒径为178～250 μm时，φCO2(1)，φCO2(2)均取得最大值，分别为348.61×10-6，246.47×10-6。随着煤尘粒径减小，φCO(1)/φCO2(1)，φCO(2)/φCO2(2)均趋于减小，φCO(1)/φCO2(1)大于φCO(2)/φCO2(2)。将各粒径条件下的φCO(1)/φCO(2)和φCO2(1)/φCO2(2)取均值发现，φCO(1)约为φCO(2)的1.69倍，φCO2(1)约为φCO2(2)的1.4倍。在一定范围内，一、二次爆炸产生的CH4体积分数均不断增大，煤尘粒径为74～124 μm时取得最大值，分别为336.39×10-6，176.09×10-6；一、二次爆炸后残留气体中C2H4，C2H6，C2H2，C3H6体积分数波动不大。
(a) CO，CO2体积分数
(b) CH4，C2H4体积分数
(c) 其他气体体积分数
图8 不同煤尘粒径下煤尘爆炸后残留气体体积分数
Fig.8 Volume fraction of residual gas after coal dust
explosion under different particle sizes of coal dust
表1 不同煤尘粒径下煤尘爆炸后残留气体体积分数比值
Table 1 Ratio of volume fraction of residual gas after
coal dust explosion under different particle sizes of coal dust
分析认为，在煤尘粒径为420～840 μm时，因煤尘粒径相对较大，热阻很大，所以热量不会迅速传递至煤尘颗粒内部[14]，导致煤尘颗粒的挥发分释放率较低，产生的CH4较少。随着煤尘粒径减小，煤尘颗粒的热阻变小，颗粒内部温度升高，挥发分释放率增大，使得产生的CH4增多。
2.2.2 点火能量对二次爆炸后残留气体的影响
为了研究点火能量对二次爆炸后残留气体的影响，在煤尘浓度为400 g·m-3、煤尘粒径为38～74 μm条件下，分别进行点火能量为2，5，8，10，12 kJ的爆炸实验，所得残留气体体积分数如图9所示，一、二次爆炸后残留气体体积分数比值见表2。
由图9和表2可看出，对于相同条件下的同种气体，一次爆炸后的残留气体体积分数均大于二次爆炸后。随着点火能量的增大，φCO(1)，φCO(2)不断增大；φCO2(1)在2～10 kJ点火能量范围内趋于增大，在10～12 kJ范围内趋于减小，φCO2(2)在一定范围内波动；一、二次爆炸后残留气体中的CH4体积分数不断增大，原因是煤尘颗粒受热析出的挥发分逐渐增多[15]；φCO(1)/φCO2(1)，φCO(2)/φCO2(2)均增大，原因是高点火能量会加速反应趋于不完全。另外，一、二次爆炸后残留的C2H4，C2H6，C2H2，C3H6体积分数波动均很小。
(a) CO，CO2体积分数
(b) CH4，C2H4体积分数
(c) 其他气体体积分数
图9 不同点火能量条件下煤尘爆炸后残留气体体积分数
Fig.9 Volume fraction of residual gas after coal dust
explosion under different ignition energy
将各点火能量条件下煤尘爆炸后残留的φCO(1)/φCO(2)和φCO2(1)/φCO2(2)取均值发现，φCO(1)约为φCO(2)的1.81倍，φCO2(1)约为φCO2(2)的1.56倍。φCO(2)/φCO2(2)小于φCO(1)/φCO2(1)，这也说明二次爆炸的不完全反应程度较一次爆炸时小。
表2 不同点火能量下煤尘爆炸后残留气体体积分数比值
Table 2 Ratio of volume fraction of residual gas after
coal dust explosion under different ignition energy
3 结论
(1) 相同条件下，煤尘发生二次爆炸时的燃烧持续时间大于一次爆炸时。煤尘浓度、煤尘粒径、点火能量对煤尘二次爆炸燃烧持续时间均有影响，其中点火能量影响最大，煤尘粒径影响最小。
(2) 当煤尘粒径和点火能量一定时，随着煤尘浓度的增大，二次爆炸燃烧持续时间先减小后增大，一、二次爆炸燃烧持续时间的差值先减小后增大再减小，在浓度为400 g·m-3时达到最大，为41.22 ms；当煤尘浓度和点火能量一定时，随着煤尘粒径的减小，二次爆炸燃烧持续时间不断减小，一、二次爆炸燃烧持续时间的差值先增大后减小，在粒径为124～178 μm时最大，为34.86 ms；当煤尘浓度和粒径一定时，随着点火能量的增大，二次爆炸燃烧持续时间明显减小，一、二次爆炸燃烧持续时间的差值先增大后减小，在点火能量为2 kJ时最大，为35.85 ms。
(3) 煤尘粒径及点火能量对二次爆炸后残留气体均有影响。相同条件下同种气体中，二次爆炸后残留气体体积分数均小于一次爆炸后。
(4) 当煤尘浓度和点火能量一定时，在一定范围内，随着煤尘粒径的减小，二次爆炸后残留的CO体积分数不断减小；一、二次爆炸后残留的CH4体积分数均不断增大，CO和CO2体积分数的比值呈减小趋势；一、二次爆炸后残留的C2H4，C2H6，C2H2，C3H6体积分数波动很小。当煤尘浓度和粒径一定时，随着点火能量的增大，二次爆炸后残留的CO和CH4体积分数均增大，CO和CO2体积分数的比值呈增大趋势。
参考文献：
[1] 李雨成,刘天奇,陈善乐,等.煤质指标对煤尘爆炸火焰长度影响作用的主成分分析[J].中国安全生产科学技术,2015,11(3):40-46.
LI Yucheng,LIU Tianqi,CHEN Shanle,et al.Principal component analysis of impact of coal quality index on flame length in coal dust explosion[J].Journal of Safety Science and Technology,2015,11(3):40-46.
[2] MEDINA C H,MACCOITIR B,SATTAR H,et al.Comparison of the explosion characteristics and flame speeds of pulverised coals and biomass in the ISO standard 1 m3dust explosion equipment[J].Fuel,2015,151(1):91-101.
[3] 王育德,曲志明.煤尘浓度和粒度对煤尘燃烧爆炸特性影响的实验研究[J].中国矿业,2013,22(8):136-140.
WANG Yude,QU Zhiming.Experimental study on the impact of coal dust concentration and particles on combustion and explosion characteristics[J].China Mining Magazine,2013,22(8):136-140.
[4] 曹卫国,黄丽媛,梁济元,等.球形密闭容器中煤粉爆炸特性参数研究[J].中国矿业大学学报,2014,43(1):113-119.
CAO Weiguo,HUANG Liyuan,LIANG Jiyuan,et al.Research on characteristic parameters of coal dust explosion in a spherical sealed container[J].Journal of China University of Mining & Technology,2014,43(1):113-119.
[5] 李庆钊,翟成,吴海进,等.基于20 L球形爆炸装置的煤尘爆炸特性研究[J].煤炭学报,2011,36(增刊1):119-124.
LI Qingzhao,ZHAI Cheng,WU Haijin,et al.Investigation on coal dust explosion characteristics using 20 L explosion sphere vessels[J].Journal of China Coal Society,2011,36(S1):119-124.
[6] 景国勋,程磊,杨书召.受限空间煤尘爆炸毒害气体传播伤害研究[J].中国安全科学学报,2010,20(4):55-58.
JING Guoxun,CHENG Lei,YANG Shuzhao.Study on dissemination injury of poisons gas from coal dust explosion in confined space[J].China Safety Science Journal,2010,20(4):55-58.
[7] 刘贞堂,张松山,李忠辉,等.基于20 L球形爆炸装置的煤尘爆炸残留物研究[J].中国矿业大学学报,2015,44(5):823-828.
LIU Zhentang,ZHANG Songshan,LI Zhonghui,et al.Research on coal dust explosion residue based on 20 L spherical explosive device[J].Journal of China University of Mining & Technology,2015,44(5):823-828.
[8] QIAN Jifa,LIU Zhentang,LIN Song,et al.Characteristics analysis of post-explosion coal dust samples by X-ray diffraction[J].Combustion Science & Technology,2017(1):1-15.
[9] LI Qingzhao,LIN Baiquan,DAI Huaming,et al.Explosion characteristics of H2/CH4/air and CH4/coal dust/air mixtures[J].Powder Technology,2012,229(6):222-228.
[10] HONG Sen,LIU Zhentang,ZHAO Enlai,et al.Comparison of behavior and microscopic characteristics of first and secondary explosions of coal dust[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2017,49:382-394.
[11] 刘贞堂,郭汝林,喜润泽.煤尘爆炸特征参数影响因素研究[J].工矿自动化,2014,40(8):30-33.
LIU Zhentang,GUO Rulin,XI Runze.Research of influence factors on characteristic parameters of coal dust explosion[J].Industry and Mine Automation,2014,40(8):30-33.
[12] DASTIDAR A G,AMYOTTE P R.Using calculated adiabatic flame temperatures to determine dust explosion inerting requirements[J].Process Safety & Environmental Protection,2004,82(2):142-155.
[13] 刘贞堂,张松山,喜润泽,等.受限空间煤尘爆炸残留气体特征分析[J].煤炭学报,2015,40(7):1574-1579.
LIU Zhentang,ZHANG Songshan,XI Runze,et al.Analysis on residual gas characteristics of coal dust explosion in confined space[J].Journal of China Coal Society,2015,40(7):1574-1579.
[14] LIU Zhentang,HONG Sen,ZHANG Songshan,et al.Experimental investigations on explosion behaviors of large-particle and formation rules of gas residues[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2017,46:37-44.
[15] 林松,刘贞堂,喜润泽,等.煤尘爆炸残留物特征影响因素研究[J].煤炭工程,2016,48(2):95-97.
LIN Song,LIU Zhentang,XI Runze,et al.Study on influencing factors of coal dust explosion residues character[J].Coal Engineering,2016,48(2):95-97.