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煤塵濃度和粒度對(duì)煤塵燃燒爆炸特性影響的實(shí)驗(yàn)研究

文檔作者：王育德，曲志明文檔來(lái)源：河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院		更新日期： 2026年03月06日	點(diǎn) 擊數(shù)：
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第22卷第8期
2013年8月
中 國(guó) 礦 業(yè)
CHINA M INING M AGAZINE
Vo1．22，No．8
Aug． 2013
煤塵濃度和粒度對(duì)煤塵燃燒爆炸特性
影響的實(shí)驗(yàn)研究
王育德，曲志明
(河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北邯鄲056038)
摘要：煤塵粒度和濃度對(duì)煤塵燃燒爆炸存在重要影響，爆炸的危險(xiǎn)性隨粒度的減小而迅速增加。
揮發(fā)分15 ～3O 和灰分小于3O 的煤塵的爆炸下限隨揮發(fā)分的增加而減少。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燃料室
中分別加入不同濃度的煤粉而發(fā)生燃燒爆炸時(shí)，混合物的爆壓和爆速變化也各不相同。煤粉加入量少，爆
壓、爆速很低，混合物處于爆燃狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)煤塵濃度為276g／m。、368g／m。時(shí)，煤塵出現(xiàn)穩(wěn)定爆轟。爆
壓隨著煤塵粒度的減小而增大，45～75 m粒度煤塵出現(xiàn)穩(wěn)定的爆轟過(guò)程，采用此粒度等級(jí)煤塵進(jìn)行燃燒
爆炸特性實(shí)驗(yàn)研究是非常合理的。
關(guān)鍵詞：煤塵；濃度和粒度；燃燒爆炸；爆壓和爆速
中圖分類(lèi)號(hào)：TD714 ．5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—4051(2013)08-0136—05
Experimental study on the im pact of coal dust concentration and particles on
combustion and explosion characteristics
WANG Yu—de，QU Zhi—ming
(School of Civil Engineering，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China)
Abstract： The particle size and concentration of coal dust is very important during combustion
explosion．The explosion danger is increased rapidly with the size reduction．Using volatile content between
1 5 and 30 and ash content 1ess than 30 ，the coal dust explosion limit iS decreased with the volatile
content increasing．Through the experiment，while different concentrations of coal powder are added tO the
fue1 chamber，the mixture detonation pressure and detonation velocity are not the same．The less the addition
of coal powder is，the lower the detonation pressure and velocity are，and the mixture is in deflagration．
When the dust concentration is 276g／m。Or 368g／m。。stable detonation appears during coal dust explosion．
The detonation pressure is increased as the coal dust particle size is decreased，and a stable detonation
process is occurred with coal dust particle size of 45 to 75um．Therefore，studying the experimental
combustion and explosion characteristics iS very reasonable under such conditions．
Key words： coal dust； concentration and particles； combustion and explosion； explosion pressure and
velocity
1 概述
煤塵是煤礦生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的直徑小于lmm
的煤粒。煤塵在浮游狀態(tài)時(shí)，遇有一定溫度的熱源，
能單獨(dú)爆炸、傳播爆炸或參與爆炸。煤塵在井下存
在的狀態(tài)有兩種：一種是飛揚(yáng)在井下空氣中的煤塵，
叫浮游煤塵或浮塵，直徑小于1 m，在井下空氣中
基本不下沉；另一種是在井下空氣中因自重沉降，附
收稿日期：201 2-09一l4
基金項(xiàng)目： 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目資助(編號(hào)
2005CB22l506)
在巷道周邊的煤塵，叫沉積煤塵。沉積煤塵爆炸必
須具備以下三個(gè)條件：① 煤塵本身具有爆炸性。一
般來(lái)講，揮發(fā)分指數(shù) >1O 才具有爆炸性。其
中：Vr一揮發(fā)分／(揮發(fā)分+固定碳)×i00 。②煤
塵在空氣中呈懸浮狀態(tài)而且要達(dá)到一定濃度。根據(jù)
試驗(yàn)，我國(guó)煤塵爆炸下限濃度是：褐煤為45～55g／
rfl。
，煙煤為I10~335g／m。，上限濃度一般為1500～
2000g／m。。③有足夠能量的引爆火源。煤塵引燃
溫度一般為700~800℃ 。盡管煤塵具有爆炸性，但
粒度大于lmm 時(shí)，不能長(zhǎng)期懸浮于空氣中而不能
第8期 王育德，等：煤塵濃度和粒度對(duì)煤塵燃燒爆炸特性影響的實(shí)驗(yàn)研究 137
參與爆炸；粒度極其微小的煤塵在空氣中很快氧化，
同樣不會(huì)爆炸；只有粒度為0．075ram左右的煤塵，
才是參與爆炸的主體[1]。
1．1 煤塵爆炸機(jī)理
煤本身存在著足夠數(shù)量容易氧化的游離基，常
溫條件下容易氧化，生成更多的游離基，使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
得以持續(xù)。若煤被破碎成微細(xì)的顆粒，其總表面積
顯著增加，吸氧和氧化能力也隨之大大增強(qiáng)。受到
外界高溫?zé)嵩醋饔脮r(shí)，大約300～400℃ 時(shí)，就可以
放出高溫分解的可燃?xì)怏w，其主要成分為甲烷以及
乙烷、丙烷、氫氣和1 左右的其他碳?xì)浠衔铩＿@
些可燃?xì)怏w集聚于煤塵顆粒周?chē)纬蓺怏w外殼。
當(dāng)這個(gè)外殼內(nèi)的氣體達(dá)到一定濃度并吸收一定能量
時(shí)，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過(guò)程開(kāi)始，游離基迅速增加，發(fā)生顆粒
的閃燃。若氧化放出的能量有效的傳遞給周?chē)念w
粒，并使之參與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，反應(yīng)速度急劇增加，達(dá)到
一定程度時(shí)，便發(fā)展成爆炸[2]。
1．2 影響煤塵爆炸的主要參數(shù)
1)煤的揮發(fā)分。煤的揮發(fā)分?jǐn)?shù)量和質(zhì)量是影
響煤塵爆炸的最重要因素。煤塵的不爆炸率，隨揮
發(fā)分的增加而下降。表1為不同種類(lèi)煤塵的爆炸性
鑒定結(jié)果L1j。
表1 煤塵爆炸性試驗(yàn)鑒定結(jié)果
2)煤的灰分和水分。煤的灰分是不燃性物質(zhì)，
能吸收熱量，阻擋熱輻射，破壞鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，降低煤塵
的爆炸性。煤的灰分對(duì)爆炸的影響，還與揮發(fā)分含
量的多少有關(guān)。揮發(fā)分小于15 的煤塵，灰分的影
響比較顯著，大于15 時(shí)，天然灰分對(duì)煤塵的爆炸
性幾乎沒(méi)有影響。適量水分能降低煤塵的爆炸性，
因?yàn)樗奈鼰崮芰Υ螅艽偈辜?xì)微顆粒聚結(jié)為較大
的顆粒，減少顆粒的表面積，還能降低沉積煤塵的飛
揚(yáng)能力 J。
3)煤塵粒度。粒度小于lmm 的煤塵都能參與
爆炸，而且爆炸的危險(xiǎn)性隨粒度的減小而迅速增加，
小于0．075mm 的煤塵最危險(xiǎn)。
4)煤塵濃度。與甲烷類(lèi)似，煤塵的爆炸濃度也
有上限和下限。煤塵的爆炸下限變化很大，它決定
于煤的揮發(fā)分和灰分。揮發(fā)分小于15 的不同灰
分含量的煤塵，爆炸下限沒(méi)有一定的規(guī)律；揮發(fā)分
15 9／6～3O 和灰分小于3O 的煤塵，爆炸下限隨揮
發(fā)分的增加而減少；揮發(fā)分大于3O％ 時(shí)，爆炸下限
近似為常數(shù)。
本文主要討論實(shí)驗(yàn)中煤塵的粒度和濃度對(duì)煤塵
燃燒爆炸特性的影響。
2 煤塵濃度對(duì)煤塵一空氣燃燒爆炸特性影響的實(shí)驗(yàn)
研究
根據(jù)煤塵爆轟參數(shù)的計(jì)算，當(dāng)化學(xué)當(dāng)量比為1時(shí)，
封閉段需噴人煤塵87．6g，封閉段共34個(gè)燃料室，
所以每個(gè)燃料室需加煤粉2．58g。考慮到煤塵的爆
炸濃度特性，即煤塵的最佳濃度一般為化學(xué)計(jì)量濃
度的3～4倍[4 ]，所以取每個(gè)燃料室分別加入2g、
4g、6g、8g、lOg煤粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，此時(shí)噴入封閉段后的
煤塵濃度分別為92g／m。、184g／m。、276g／m。、368g／
m 。
、469g／m。。根據(jù)煤塵粒度對(duì)煤塵一空氣燃燒爆炸
特性影響的研究，取粒度為45～75 m 的煤塵，進(jìn)行
煤塵在不同濃度下燃燒爆炸特性研究 ¨]。
實(shí)驗(yàn)條件：實(shí)驗(yàn)管道安裝好兩張泄爆膜，封閉段
抽真空至一O．049MPa；封閉段34個(gè)燃料室加入煤塵
后，用標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)火段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；點(diǎn)火段1O個(gè)燃料室，每
個(gè)加入環(huán)氧丙烷1OraL，高壓氣室充壓至0．8MPa；所
有44個(gè)電磁閥同時(shí)啟動(dòng)，噴入空氣后，點(diǎn)火段壓力
1．4MPa，封閉段壓力為常壓，延遲0．32s后點(diǎn)火。
表2為不同濃度煤塵的爆壓、爆速。表3為不
同濃度煤塵的封閉段爆壓參數(shù)。圖1為不同濃度煤
塵的爆壓、爆速隨管長(zhǎng)分布圖。圖2～6為不同濃度
煤塵下管道內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)處的壓力一時(shí)問(wèn)曲線。
表2 不同濃度煤塵的爆壓、爆速
濃度(g／m ) 92 184 276 368 469
爆速／m／s 785 1253 1356 1332 lO78
備注：取18．55m之后的中位數(shù)，對(duì)于穩(wěn)定爆轟為爆速，對(duì)于局
部爆轟為爆炸波傳播速度。
表3 不同濃度煤塵的封閉段爆壓參數(shù)
m 92g／m0 184g／m0 276g／m3 368g／m3 469g／m3
1．607659 1．800983 1．845394 1．880228 1．885605
2．944467 2．752562 4．560954 3．779007 4．424216
4．40995 3．965539 3．955291 4．484443 4．704316
3．427496 3．394799 4．246892 4．1o7746 4．235196
2．536305 2．171866 3．423093 2．594637 4．637522
2．697203 2．425473 3．637035 3．965947 6．638486
1．34t903 2．740702 4．92Ol54 2．789057 6．585771
1．551778 1．793268 2．623278 5．59222 1．902114
o．953907 1．924905 1．792269 3．129449 2．02061
o．98861 1．715256 1．663759 2．679754 1．659867
o．784655 2．006059 2．608425 4．053499 1．707599
o．637796 1．84937 3．670858 3．357235 1．334336
o．599303 1．15349 1．725803 2．484805 1．255836
o．454464 o．804921 1．69lO85 3．024654 o．845974
o．404914 o．916989 1．935512 1．953846 1．049494
o．348261 o．673253 1．494371 1．589018 o．778035

140 中國(guó)礦業(yè) 第22卷
同粒度煤塵爆壓、爆速隨管長(zhǎng)分布。
表4 不同粒度煤塵的爆壓、爆速結(jié)果
備注：取18．55m之后的中位數(shù)，對(duì)于穩(wěn)定爆轟為爆速，對(duì)于局
部爆轟為爆炸波傳播速度。
謇
奮
從表4、圖7中可以看出：爆壓隨著煤塵粒度的
減小而增大，45～75 m 粒度煤塵出現(xiàn)穩(wěn)定的爆轟
過(guò)程；在75～113 m 煤塵也出現(xiàn)爆轟，但爆轟狀態(tài)
不穩(wěn)定，逐漸減弱；113～200~m煤塵出現(xiàn)局部爆
轟，在23．45m之后呈爆燃狀態(tài)。根據(jù)上面分析，采
用45～75 m粒度煤塵進(jìn)行燃燒爆炸特性實(shí)驗(yàn)研究
是非常合理的。
距離／m 距離，m
圖7 不同粒度煤塵爆壓和爆速隨管長(zhǎng)分布
4 結(jié)論
1)每個(gè)燃料室加入2g煤粉后，爆壓、爆速很
低，說(shuō)明一直處于較弱的爆燃狀態(tài)；加入4g煤粉、
10g煤粉后，爆壓、爆速變化呈逐漸減小趨勢(shì)，說(shuō)明
是局部爆轟，爆轟波沒(méi)有穩(wěn)定傳播；而加入6g煤粉、
8g煤粉后，爆壓、爆速出現(xiàn)正常波動(dòng)，未象其他濃度
一樣出現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)，且爆壓、爆速明顯偏高。所
以在本實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)煤塵濃度368g／m。時(shí)，煤塵
出現(xiàn)穩(wěn)定爆轟。
2)爆壓隨著煤塵粒度的減小而增大，45～
75#m粒度煤塵出現(xiàn)穩(wěn)定的爆轟過(guò)程。根據(jù)分析，
采用45～75p．m粒度煤塵進(jìn)行燃燒爆炸特性實(shí)驗(yàn)研
究是非常合理的。
致謝：論文受到橫向課題《煤礦井下主動(dòng)抑爆技術(shù)研
究與應(yīng)用》資助，特此致謝。 I
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