不同煤质煤尘云与煤尘层最低着火温度实验研究

刘天奇

不同煤质煤尘云与煤尘层最低着火温度实验研究

刘天奇

(沈阳航空航天大学安全工程学院，沈阳 110136)

为研究不同煤质的煤尘云与煤尘层最低着火温度特性，选取褐煤、长焰煤、不粘煤、气煤、焦煤、瘦煤、贫煤和无烟煤8种不同变质程度煤尘样品，对煤尘云与煤尘层最低着火温度展开测试分析．结果表明：煤尘变质程度越低，C越小，受限空间内煤尘云越容易着火，煤尘爆炸潜在危险性就越大．通过建立C与ad、的三维拟合模型，发现ad越大且越小，C越小，即越容易着火，爆炸危险性就越大．褐煤L最小，仅为240℃，变质程度相对较高的瘦煤、贫煤和无烟煤的L分别为褐煤L的1.29倍、1.33倍和1.49倍．分析发现小粒径、大厚度的煤尘层相对更容易着火，这是由于小粒径煤尘颗粒间孔隙率较小，厚度的增大有利于热量的持续积累，从而大大减小热量散失速率．对比8种煤质的煤尘云与煤尘层最低着火温度，发现相同粒径条件下，8种煤尘的C明显大于L，且两者比值C/L介于[2.1，2.5]，通过建立C与L之间的指数增长拟合关联模型，为不同状态下煤尘最低着火温度特性的确定提供了理论基础．

煤尘云；煤尘层；最低着火温度；变质程度

煤尘爆炸是煤矿井下重大自然灾害，爆炸发生关键前提条件是煤尘在外界环境作用下着火，因此煤尘着火难易程度从根本上决定了煤尘爆炸敏感度[1]．通常无论是飞扬的煤尘云还是堆积的煤尘层，都有发生着火的可能，进而引发链式爆炸[2]，因此对煤尘云和煤尘层最低着火温度展开研究十分必要．由于我国已探明煤质种类达10余种，不同煤质的煤尘着火难易程度往往差别很大[3]，因此本文以不同变质程度煤样为研究对象，展开煤尘云与煤尘层最低着火温度 研究．

在粉尘爆炸着火敏感特性研究方面，Emmanuel等[4]采用G炉装置，测试分析了5种不同粉尘与6种可燃气体分别混合后的最低着火温度特性，发现少量粉尘的加入会降低可燃气体的最低着火温度和爆炸下限浓度；李海涛等[5]采用模拟方法研究了湍流状态下瓦斯煤尘预混、着火及爆炸特征；刘贞堂等[6]研究了受限空间煤尘爆燃气体产物生成特性；刘天奇等[7]研究了煤尘着火后不同时刻火焰焰峰传播规律；钟英鹏等[8]使用G炉研究了粒径大小、粉尘云浓度、分散压力对金属镁粉最低着火温度的影响作用；庞磊  等[9-10]选取两种农业粉尘(石松子粉与面粉)和化工粉尘，分析了小尺度粒径条件下农业粉尘云最低着火温度变化规律，以及不同浓度和喷尘压力条件下HDPE粉尘云最低着火温度变化规律；赵江平等[11]、王庆慧等[12]、任瑞娥[13]分别研究了桑木粉尘、玉米淀粉和硫磺粉尘的粉尘云最低着火温度变化特性．可见，目前在粉尘爆炸着火敏感特性方面的研究已取得一定成果，但在不同煤质煤尘云与煤尘层最低着火温度方面的研究尚未充分展开．

鉴于此，选取褐煤、长焰煤、不粘煤、气煤、焦煤、瘦煤、贫煤和无烟煤8种不同变质程度的煤尘样品，使用相关实验装置分别对8种煤尘的煤尘云和煤尘层最低着火温度展开测试分析，并对比煤尘云与煤尘层最低着火温度的差异性和关联性．研究结果对了解不同煤质的煤尘着火难易程度和爆炸敏感程度具有重要意义．

1 实验装置与实验原理

选取褐煤、长焰煤、不粘煤、气煤、焦煤、瘦煤、贫煤和无烟煤共8种不同变质程度的煤尘样品，分别使用煤尘云最低着火温度实验装置(图1)和煤尘层最低着火温度实验装置(图2)展开测试．其中，煤尘云最低着火温度实验装置主要由加热炉、喷尘系统、温度控制系统和温度记录系统组成．为使喷尘系统达到均匀分散煤尘云的效果，调节电磁阀出口到储尘器的距离为480mm．加热炉安装在支撑座上，加热石英管下端安设有反光镜，可通过玻璃管观测给定温度的加热炉内是否着火．通过不断减小加热炉温度，从而找到能使煤尘云着火的最小值，记为煤尘云最低着火温度．

使用的煤尘层最低着火温度实验装置主要由加热器及其底座、热板表面及其控制热电偶与记录热电偶、煤尘层热电偶组成，通过数据采集系统远程传输信号．热板上方安装金属圆环，热板表面温度控制热电偶附近安装温度记录热电偶，与温度记录仪相连，用以记录实验过程中热板温度．热板表面上方3mm安装煤尘层热电偶，可实时观测实验期间煤尘层温度．通过不断减小热板表面温度，从而找到可使煤尘层着火的最小值，记为煤尘层最小着火温度．热板温度上限为400℃．判定煤尘层着火的三类标准，其中，为煤尘层温度，℃；1为热板表面温度，℃；为实验时间，min．A类标准表示煤尘层温度持续上升，并可观测到到明显火焰；B类标准表示在观测不到火焰的情况下，煤尘层表面温度可以升高到超过热板表面温度250℃以上；C类标准表示在观测不到火焰的情况下，煤尘层表面温度可达450℃，也可判定为 着火．

1—加热炉；2—连接头；3—储尘器；4—电磁阀；5—闸阀；6—储气罐；7—稳压电源；8—U型管；9—温度控制仪；10—温度记录仪

1—弹簧；2—热电偶高度调节旋钮；3—加热器底座；4—热板表面记录热电偶；5—热板表面；6—加热器；7—金属圆环；8—热板表面控制热电偶；9—加热器引出线；10—煤尘层热电偶

2 不同煤质煤尘云与煤尘层最低着火温度实验结果分析

2.1 不同煤质煤尘云最低着火温度实验结果分析

选取58~75μm粒径的褐煤、长焰煤、不粘煤、气煤、焦煤、瘦煤、贫煤和无烟煤8种煤尘云最低着火温度C测试结果见表1，可知：随挥发分含量ad在7.65%～36.88%内增大，C呈显著减小趋势，说明煤变质程度越低，单位时间内煤尘颗粒之间挥发出的可燃性气体量越大，煤尘云越容易着火，爆炸潜在危险性越大．因此，开采未变质褐煤、低变质长焰煤与不粘煤、中变质气煤与焦煤的企业，更应杜绝高温热源及明火，严防煤尘云着火进而酿成爆炸类事故．

进一步测试粒径为48～58μm、38～48μm、25～38μm、0～25μm条件下8种煤样的C，结合表1数据，绘制出C与ad、的三维拟合曲面，建立C随ad、变化的三维拟合模型(图3)．从中看出：ad越大且越小，C越小，即越容易着火，爆炸危险性就越大．反之，ad越小、越大，C越大，即爆炸着火危险性越小．从爆炸机理角度分析：低变质煤尘本身挥发分含量较大，而小粒径煤尘颗粒比表面积相对更大，单位时间释放出可燃挥发性气体含量更大，所需的最低着火温度相对更小．由C三维曲面拟合模型C＝924.53－16.11ad－0.56＋0.11ad2＋0.022＋0.02ad

可实现对相应范围内不同煤质、不同粒径条件下C值的定量预测(2＝0.95)．

表1 煤尘云最低着火温度测试结果

Tab.1 Test result of TC

图3 TC与Vad、r三维拟合结果

2.2 不同煤质煤尘层最低着火温度实验结果分析

在煤尘层厚度5mm、煤尘粒径58~75μm条件下，测试出8种煤尘层最低着火温度L(表2)．可知：随变质程度增大，L由240℃不断增大．变质程度相对较高的瘦煤、贫煤和无烟煤的L分别为310℃、320℃和350℃，分别是褐煤L的1.29倍、1.33倍和1.49倍．前4类煤样与后4类煤样在着火类型与着火时间上差异明显：褐煤、长焰煤、不粘煤与气煤为A类着火，在加热后18～22min，观测到明显火焰或火星现象；焦煤、瘦煤、贫煤和无烟煤为C类着火，说明在9～15min后观察到煤尘层温度升高到450℃，但未出现明显火焰或火星．从煤尘着火机理角度分析：由于前4类煤样在热板表面加热时间较长，使煤尘颗粒间有充足时间积聚热量，所以最低着火温度相对偏低．而后4种煤尘变质程度相对较高，单位时间内释放挥发分气体含量偏小，造成最低着火温度升高，正是由于热板表面温度较高，所以缩短了着火时间．

表2 8种煤尘的L

Tab.2 Values of TL for eight types of coal dust

在此基础上使用12.5mm和15mm规格金属圆环，来改变实验过程中煤尘层厚度，同时制取450～500μm、300～450μm、200～300μm、150～200μm、125～150μm、100～125μm、0～100μm粒径的煤尘进行煤尘层最低着火温度测试(部分见图4)．综合考虑与对L的影响作用，发现八类不同变质程度煤样在L特性上，均表现出随粒径减小、煤尘层厚度增加而逐渐减小的趋势．从煤尘层着火机理分析可知：随不断减小，煤尘颗粒间孔隙率随之减小，使受热条件下挥发分释放速率增大，而由于煤尘层着火是颗粒持续受热并积累能量的过程，随不断增大，热量散失速率减小，有利于煤尘层热量积累．因此，对于煤矿企业而言，小粒径、厚度大的煤尘层具有更大的着火敏感性与爆炸潜伏性，尤其对褐煤、长焰煤、不黏煤、气煤与焦煤这五类煤质，其在最不易着火工况(＝0.5mm、＝5mm)下，L值均小于400℃，爆炸危险性相对更大，更应加强煤尘堆积防范措施．

图4 TL与r、d关系

3 不同煤质煤尘云与煤尘层最低着火温度对比分析

3.1 不同煤质煤尘云与煤尘层最低着火温度差异性分析

将8种煤质(58～75μm粒径)的煤尘云最低着火温度C与煤尘层最低着火温度L进行差异性分析：发现相同粒径大小的煤尘云与煤尘层的最低着火温度之间存在显著差异，且C明显大于L，说明煤尘层更容易着火．从煤尘云与煤尘层最低着火温度差异性形成机理角度分析：一方面由于煤尘层最低着火温度实验所用煤样质量大于煤尘云最低着火温度测试实验；另一方面，煤尘云最低着火温度测试实验过程在瞬间完成，不利于热量积累，而煤尘层则是在相对更长时间内吸收并累积了热板表面传递的能量．此外，根据C与L值算出C与L的比值，发现8种煤样的C/L介于[2.1，2.5]区间(表3)，这不仅说明C与L之间存在明显的倍数关系，同时证明两者之间可能存在一定关联．

表3 煤尘云与煤尘层最低着火温度数据对比

Tab.3 Contrast of data between TC and TL

3.2 不同煤质煤尘云与煤尘层最低着火温度关联性分析

为进一步分析煤尘云与煤尘层最低着火温度特性之间的关联性，将褐煤、长焰煤、不粘煤、气煤、焦煤、瘦煤、贫煤与无烟煤8种煤质的C与L数据进行拟合，并绘成图5．选取的ExpGro1指数增长拟合模型较好地反映出C与L之间的定量关联性，得出ExpGro1指数增长拟合模型(1)为

C＝3.317exp(L/72.63)＋490.16(1)

ExpGro1指数增长拟合模型(1)判定系数2＝0.91653，说明拟合取得了良好效果．建立C与L的ExpGro1指数增长拟合模型可为不同状态下煤尘最低着火温度特性的确定提供定量判据，同时给煤尘爆炸敏感特性指标间的关联性分析提供理论依据．

图5 煤尘云与煤尘层最低着火温度拟合曲线

表4C与L拟合模型验证结果

Tab.4 Verification result of fitting model between TC and TL

4 结 论

(1) 测试分析了8种煤质煤尘云最低着火温度，研究发现：煤尘变质程度越低，C越小，受限空间内煤尘云越容易着火，煤尘爆炸潜在危险性就越大．通过建立C与ad、的三维拟合模型，发现ad越大且越小，C越小，即越容易着火，爆炸危险性就越大．反之，爆炸着火危险性越小．

(2) 测试分析了8种煤质煤尘层最低着火温度，结果表明：褐煤L最小，仅为240℃，变质程度相对较高的瘦煤、贫煤和无烟煤的L分别为褐煤L的1.29倍、1.33倍和1.49倍．通过分析与对L的影响作用，发现小粒径、大厚度的煤尘层相对更容易着火，这是由于小粒径煤尘颗粒间孔隙率较小，厚度的增大有利于热量的持续积累，从而大大减小热量散失速率．

(3) 对比分析了8种煤质的煤尘云与煤尘层最低着火温度的差异性和关联性，结果发现：相同粒径条件下，8种煤尘的C明显大于L，且两者比值介于C/L介于[2.1，2.5]之间，这主要由于煤尘层最低着火温度实验所用煤样质量较大，同时煤尘云最低着火温度实验是在瞬间完成，从而不利于热量的积累．通过建立C与L之间的指数增长拟合关联模型，不仅为不同状态下煤尘最低着火温度特性的确定提供定量判据，还给不同状态下煤尘最低着火温度关联性定量分析及相互换算提供了理论基础．

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Experimental Study on Minimum Ignition Temperature of Coal Dust Cloud and Coal Dust Layer of Different Metamorphism

Liu Tianqi

(College of Safety Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China)

To study the minimum ignition temperature characteristics of coal dust cloud and coal dust layer of different metamorphism，eight types of dust samples(i.e.，lignite，long flame coal，non-stick coal，gas coal，coking coal，meagre coal，lean coal and anthracite)were selected，and the minimum ignition temperatures of coal dust cloud and coal dust layer were tested and analyzed．Results show that the lower the degree of coal dust metamorphism，the smaller the value ofC，the more easily the coal dust cloud will catch fire in a confined space，and the greater the potential danger of coal dust explosion．By establishing a three-dimensional fitting model ofCin relation toadand，it is found that the larger the value ofadand the smaller the value of，the smaller the value ofC，i.e.，it is easier to catch fire，at a greater risk of explosion．TheLof lignite is the smallest，i.e.，only 240℃，and those of meagre coal，lean coal and anthracite with relatively higher metamorphism are 1.29，1.33 and 1.49 times that of lignite，respectively．It is also found that the coal dust layer with small particle size and large thickness is relatively easier to catch fire，which is because that the porosity between small-size coal dust particles is smaller，and the increase in thickness is beneficial for the continuous accumulation of heat，thus greatly reducing the heat loss rate．From the comparison of minimum ignition temperature of coal dust cloud and coal dust layer among eight coal types，it is found that theCof eight types of coal dust is significantly larger thanLunder the same particle size conditions，and the ratio ofCtoLis between 2.1 and 2.5．An exponential growth fitting model betweenCandLis established，providing a theoretical basis for determining the minimum ignition temperature characteristics of coal dust under different conditions．

coal dust cloud；coal dust layer；minimum ignition temperature；metamorphism

X936

A

1006-8740(2019)05-0445-06

10.11715/rskxjs.R201807010

2018-12-07.

国家自然科学基金资助项目(51774168，51675133)；沈阳航空航天大学引进人才科研启动基金资助项目(18YB25)；辽宁省教育厅青年科技人才“育苗”项目(JYT19038).

刘天奇（1990—  ），男，博士，讲师.

刘天奇，liutianqi613@163.com.