瓦斯-煤尘混合爆炸研究现状浅析

瓦斯-煤尘混合爆炸研究现状浅析

摘要：煤矿事故中瓦斯-煤尘混合爆炸是煤矿事故的重要组成，给人民的生命财产安全带来严重的损失。因此，本文介绍了国内外对瓦斯-煤尘混合爆炸的研究现状，着重说明了已有的研究设备、研究方法以及得出的主要结论并提出一些新想法和思路。

关键词：瓦斯;煤尘 ;混合爆炸; 研究现状

Abstract:The coal dust mixed gas accident in coal mine explosion - is an important component of coal mine accidents, serious damage to people’s life and property safety. Therefore, this paper introduces the present situation of research on gas - dust mixture explosion at home and abroad, explains the main conclusions of research equipment, and the existing and proposed some new ideas.

Keywords: gas; coal dust mixture explosion; research status;

1. 前言

根据统计资料表明，自1949年新中国成立直2005年底，我国共发生死亡人数超过100人的煤矿事故22起，其中11起爆炸事故有煤尘的参与，8起爆炸事故是瓦斯和煤尘共同参与发生的。有鉴于此，研究瓦斯-煤尘爆炸就具有其实际意义，而充分了解国内外对此的研究现状，对进一步的研究工作具有很好的帮助作用。本文正是从此角度出发，对瓦斯-煤尘爆炸的研究现状进行了整理分析，并提出了一些新的想法和思路。

2. 瓦斯-煤尘混合爆炸理论基础

当在煤尘中加入一定浓度的瓦斯时，形成了瓦斯-煤尘与空气的混合物，该混合物中增加了可燃性气体成分；但是减少了混合物中的氧浓度。因此，瓦斯加入到煤尘中,对煤尘爆炸性的影响，应该是这两方面作用的结果。

瓦斯和煤尘爆炸过程从时间上分为两个阶段:点火阶段和传播阶段。在传播阶段，当瓦斯和煤尘燃烧放热大于吸收的热量时，冲击波压力逐渐增大，火焰不断加速，成为一个带有化学反应区的冲击波,即爆炸波，化学反应区维持着冲击波向前传播。在衰减阶段，瓦斯煤尘燃烧殆尽爆炸波演变为惰性冲击波，由于内摩擦、壁面吸热和与介质的摩擦使冲击波处于衰减阶段，经过一段时间后，演变为声波。

在实际流动中，由于障碍物、壁面等的干扰，流场的湍流效应不能忽略，因此，瓦斯-煤尘爆炸现象研究的理论基础是将其视为多维、可压缩、粘性、带有化学反应的两相湍流流体。通常煤粉属于稀疏悬浮流，煤尘云达到一定浓度，遇到点火源燃烧爆炸，其氧化反应主要在气相中进行。爆炸时，颗粒群的输运取决

于气相间的相互作用而不是颗粒相间的相互作用[1]。

3． 瓦斯-煤尘混合爆炸研究现状

3.1 国外研究现状

国外在瓦斯混入煤尘，对煤尘爆炸下限的影响方面：Amyotte等[2]用5kJ的点火药头在26 L的球形容器中对挥发分为30.9%，平均粒径为30μm煤样进行了测试；Cashdollar在20L的球形容器中用2.5kJ的点火药头对挥发分为37%，平均粒径为48μm的煤样测试；Amyotte等(1991，1993)在26L球形容器中对煤尘和甲烷混合物的点火进行了实验研究。实验中在煤尘中加入了2%体积含量的甲烷。

Chatrathi在球形容器中研究了粉尘及粉尘-可燃气体混合爆炸特性参数。Torrent和Fuchs在20L的密闭容器中实验研究发现，空气中添加3%的甲烷时，可使煤尘的最大爆炸压力和最大压力上升速率提高30%。Gieras等研究了在粉尘及粉尘-可燃气体混合物中火焰传播机理。

前苏联、波兰、美、英、日以及德国等主要工业国家都相继建成了具有实际规模的大型地面或地下实验巷道，其中有些国家甚至建立了几条实验巷道，进行瓦斯煤尘防爆和隔爆措施的实验以及爆炸机理的研究。

3.2 国内研究现状

煤炭总院重庆分院的何朝远[3]等人研究了瓦斯的存在对煤尘爆炸下限浓度降低、爆炸压力和爆炸压力上升速度增大的影响。实验结论：瓦斯的存在，使煤尘的爆炸危险性、破坏性增大。中国石油大学的刘义，利用的实验设备为3.2L燃烧管道，采用小能量的高压点火装置，通过改变甲烷体积分数、煤尘种类与粒径，研究了甲烷-煤尘复合体系中煤尘爆炸下限的变化规律。张引合等人采用近球形的20L爆炸罐，使用2.5kJ化学点火源。山东科技大学的司荣军等人通过对不同浓度瓦斯与煤尘共存条件下的爆炸进行实验研究。大连理工大学的王洪雨[4]等人针对密闭空间甲烷、煤尘共存体系的爆炸压力场进行研究。王陈等在长9米、截面为0.15m×0.15m激波管中研究了甲烷对煤尘爆炸传播的影响，其研究主要是利用甲烷激波点燃管道内支架上的煤尘颗粒。

我国于上世纪80年代初在煤炭科学研究总院重庆分院建成大型瓦斯煤尘爆炸实验巷道，全长896m，断面7.2m2。煤科总院重庆分院的费国云在该实验巷道中进行实验，巷道的一端用防爆门密封，另一端开口，在封闭端可密封30、50、100和200m³体积的空间在封闭空间内充入一定量的瓦斯，通过搅拌形成能爆炸的瓦斯、空气混合气，作为诱发沉积煤尘爆炸的引爆源，研究了沉积煤尘在爆炸作用下飞扬和爆炸的物理模型。

中北大学的李延鸿[5]设计了水平管道式可燃气体、粉尘爆炸实验装置。中国矿业大学的张莉聪[1]采用数值模拟方法研究障碍物对甲烷和煤尘爆炸传播的

影响。

4. 总结

整理分析国内外对瓦斯-煤尘混合爆炸的研究，可以得出以下几方面的结论：

（1）国内外的研究者多采用高能量的点火装置，主要点火方式为化学能点火；也有使用低能量点火的，主要是电火花点火。（2）主要实验装置有：26L和20L的球形容器；3.2L的燃烧管道；1.2L哈特曼装置；水平管道式可燃气体、粉尘爆炸实验装置；长9米、截面为0.15m×0.15m激波管；具有实际规模的大型地面或地下实验巷道。（3）瓦斯混入能够明显降低煤尘的爆炸下限，一定范围内的瓦斯浓度，对粒径较大的煤尘爆炸下限的影响更明显；瓦斯的存在使得煤尘的最大爆炸压力上升速度大大增强，最大爆炸压力升高；瓦斯-煤尘混合爆炸的威力更大，破坏性更强。（4）在有瓦斯存在的情况下，即使单一无爆炸性的煤尘，也能够参与爆炸，扩大了灾害的范围。

5. 问题与展望

国内外多采用高能量点火，如此高能量的点火装置不仅与煤矿井下实际情况相差较大,而且增大了点火初期点火源附近的湍流,从而增加了实验误差，不利于实际的应用。可以考虑使用小能量点火，采用电火花点火等其他可行方式；已研究的方向主要集中在密闭容器内，且形状多为球形或柱形，与实际煤矿巷道中的情况存在差异，难以准确模拟。

煤矿事故中存在瓦斯爆炸诱导煤尘二次爆炸的情况，还有可能是诱导了瓦斯-煤尘混合物的二次爆炸，国内外对此方面的研究工作做的还不多；煤矿巷道中存在各种各样的工具设备，相当于障碍物，其对爆炸特性的影响还需要进一步系统全面的开展。

参 考 文 献

[1] 张莉聪.徐景德.甲烷-煤尘爆炸波与障碍物相互作用的数值研究.中国安全科学学报.2004,14（8）：83-85.

[2] AMYOTTE PR, MINTZKJ, PEGGMJ, et al. The ignitability of coal dust-air and methane-coal dust-air mixtures [J].Fuel, 1993, 72(5):671-679.

[3] 何朝远.瓦斯煤尘共存条件下的爆炸危险性的研究.煤矿安全.1996，12：5-7.

[4] 王洪雨.密闭空间甲烷-煤尘复合爆炸强度研究.硕士学位论文.大连理工大学,2007.

[5] 李延鸿.管道式气体-粉尘爆炸实验装置设计尺寸的确定.硕士学位论文.中北大学，2006.