甲烷/石墨粉与甲烷/煤粉爆炸特性对比研究

裴蓓，徐梦娇，韦双明，郭佳琪，李世梁，胡紫维

（1 河南理工大学煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创作中心，河南 焦作 454003；2 河南理工大学安全科学与工程学院，河南 焦作 454003）

引 言

煤炭是我国的主体能源，2021 年国家统计局发布的中国统计年鉴显示：2020 年煤炭在国家能源消费中占比56.8%[1]。然而在煤炭开采过程中，瓦斯∕煤尘爆炸往往会造成大量的人员伤亡和巨大的财产损失。石墨粉由于挥发分含量极低，对比研究甲烷∕石墨粉和甲烷∕煤粉的爆炸特性有助于深入理解挥发分对甲烷∕煤粉等气粉两相体系爆炸特性的影响。

在甲烷∕石墨粉爆炸特性研究方面，Torrado 等[2]研究了甲烷气体和石墨粉颗粒气粉两相混合体系的爆炸危险性，发现当甲烷的浓度较低时，石墨粉的加入能将两相体系的爆炸超压提高约10%。Denkevits 等[3-4]发现：石墨粉的粒径对体系的爆炸特性有重要影响，且初始粒径的大小对石墨粉的爆炸特性有着明显影响。Kosinski 等[5]对石墨粉颗粒和气体两相混合物爆炸严重程度的研究表明：当纳米级石墨粉的质量浓度较低时，两相体系的爆炸严重程度较高。王景伟等[6]对墨粉在不同升温速率下燃烧热失重的分析研究表明：墨粉一旦达到着火点燃烧剧烈，燃烧过程处在动力区的时间较短。吴月浩等[7-8]发现墨粉爆炸指数较大，最大爆炸指数可达27.28 MPa·m∕s，爆炸下限较低，墨粉的着火敏感性较高，爆炸危险等级高。

甲烷∕煤粉爆炸特性研究方面，毕明树等[9]针对甲烷-煤尘共存的爆炸威力展开了研究，结果表明：甲烷的加入使得煤尘∕空气复合体系的爆炸下限显著下降，压力峰值升高。裴蓓等[10-11]使用有机玻璃管道研究了甲烷∕煤尘复合体系火焰的传播特性，表明当甲烷体积分数接近当量比时，两相体系的爆炸超压和爆炸压力上升速率明显增加，到达压力峰值的时间缩短，且火焰传播速度明显上升。曲志明等[12]通过水平燃烧爆炸管道阐明了甲烷∕煤尘混合体系的爆炸特征。陈东梁等[13-14]对管道内甲烷∕煤尘复合体系火焰的研究发现，随着火焰传播过程的发展，煤粉颗粒逐渐参与燃烧，形成了甲烷∕煤尘复合火焰。王晓彬等[15]借助20 L 球对甲烷∕煤尘复合体系的爆炸特性研究发现，点火延迟时间较长时，能够显著降低甲烷∕煤尘复合体系的最大压升速率。李庆钊等[16]认为，随粉尘质量浓度的增加，瓦斯∕煤粉的爆炸超压及超压上升速率均呈现先增加后下降的趋势；加入少量的瓦斯，使得复合体系的爆炸危险性增加。李润之等[17]研究表明，随着瓦斯浓度的增加，煤尘的爆炸下限呈指数衰减；瓦斯浓度存在某临界点，高于此临界点，复合体系爆炸过程中瓦斯起主导作用，表现为“强瓦斯”性。司荣军等[18]发现当瓦斯体积分数大于最佳爆炸体积分数时，煤尘对瓦斯爆炸压力和压力上升速率有抑制作用。王博等[19]借助Fluent 数值模拟软件来研究煤尘粒径对甲烷∕煤尘爆炸的影响，结果表明在大小颗粒混合的复合爆炸中，最大爆炸压力一直处于一个范围之间，并且混合煤尘中小颗粒粒径越小，最大爆炸压力、火焰传播速度越大。

此外，宋佰超等[20-25]研究了煤粉的挥发分对甲烷∕煤尘两相体系爆炸特性的影响，结果表明，煤粉的挥发分含量越大，其最低点火温度越高，爆炸越容易进行，挥发分是影响煤尘爆炸特性的首要因素；煤尘的挥发分含量与其爆炸下限呈反比的关系，与爆炸超压峰值、爆炸压升速率峰值呈正比关系。

综上所述，当前关于甲烷∕石墨粉爆炸的研究比较少，现有的研究主要集中在石墨粉的质量浓度对爆炸特性的影响方面，然而随着石墨粉在核能与新能源等领域的广泛应用，石墨粉与可燃性气体的混合物的爆炸危险性不可忽视，甲烷∕石墨粉等气粉两相体系的爆炸特性研究存在很大的空间。另外，现有文献虽然开展了挥发分对不同煤种∕甲烷爆炸特性的影响研究，然而由于石墨是高变质无烟煤在高温、高压环境下持续脱氧去氢的产物，挥发分含量低且含碳量高，系统对比研究甲烷∕石墨粉和甲烷∕煤粉爆炸特性的异同，可深入了解挥发分对气粉混合物爆炸过程的影响。

为此，本文开展了甲烷浓度、粉尘的质量浓度和粒径对甲烷∕石墨粉和甲烷∕煤粉两相体系爆炸压力峰值、压升速率峰值、爆燃指数、火焰发展速度等爆炸特性参数的影响研究，并对比了爆炸前后粉体工业分析和微观结构变化，分析挥发分对两种气粉两相体系爆炸特性的影响，以期为甲烷∕煤粉、甲烷∕石墨粉等气粉混合物爆炸事故防治提供参考。

1 实验系统及方案

1.1 实验系统

本文的实验在20 L 球爆炸特性测试系统内完成，主要由20 L 球形爆炸罐体、自动喷粉系统、点火系统、配气系统、纹影仪和高速摄像机、计算机控制系统与数据采集系统组成，实验系统如图1 所示。20 L 球形爆炸罐体为双层球形结构，隔层可通入恒温水使球体内部温度恒定；球体的耐压能力可达2.0 MPa，顶部为可拆卸法兰盖。自动喷粉系统包括粉尘仓(容积为0.6 L)、电磁阀、快速搅拌器，由计算机控制完成喷粉。实验采用电火花点火，点火电极由两根钨丝组成，点火位置位于球体中心。配气系统包括真空泵和高压气瓶。高速摄像机配合纹影仪来完成对球体内爆炸火焰传播过程的实时拍摄。高速摄像机型号为Speed Sense VEO 710，像素设置为1280×800，拍摄频率为6000 帧∕秒。纹影仪型号为CQW 300，主要由光源、狭缝、小反射镜、主反射镜和刀口组成。压力传感器为型号PMC131G，量程为-0.1～2.0 MPa，精度为0.1%。两个高频压力传感器分别安装在球形爆炸罐体侧壁面和粉尘仓壁面，用来采集球形罐体内的压力和粉尘仓的压力，并通过无线传输系统将采集到的压力数据传输给计算机，整个实验装置平台通过无线传输设备由计算机远程控制。

图1 实验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system

实验主要步骤如下：实验开始之前调试设备使之处于正常的工作状态；用高精度电子天平称取相应质量的石墨粉或煤粉，加入粉尘仓，对粉尘仓加压至2.1MPa。启动真空泵，将球体内的压力抽为负压约20 kPa，利用分压定律通入相应体积的甲烷，配气完成后，补入空气使球体内的压力与粉仓的压力之和达到设定值。操作计算机使粉体喷入球体内部，点火电极进行点火，同时高速摄像机进行实时拍摄。点火延迟为1300 ms，数据采集时间2 s。爆炸结束后，保存图片和压力数据。最后对球体进行卸压，清除爆炸产生的废气和剩余的粉体，准备进行下一组实验。每个工况重复三次实验，取三组数据的平均值，以减小实验误差。

1.2 实验工况及方案

实验中，煤样采用褐煤(120目)，其中值粒径(D50)为83 μm；石墨粉采用微米级天然鳞片石墨，粒径分别为200、300、800 目，对应的中值粒径分别为75、18、7 μm。石墨粉及煤粉的质量浓度设置为：10、30、60、100、200、250、300 和400 g∕m3。甲烷浓度为6%（vol）和9%（vol）。

本文所采用石墨粉、煤粉的工业分析见表1。由表1可知，石墨粉含有较多的固定碳，少量的灰分和挥发分。相比于石墨粉，煤粉固定碳的含量少，但含有较多的灰分和挥发分。

表1 石墨粉、煤粉的工业分析Table 1 Industrial analysis of graphite powder and pulverized coal

2 结果与分析

2.1 压力峰值分析

图2 为不同甲烷浓度下三种粒径甲烷∕石墨粉爆炸压力峰值随质量浓度变化曲线。由图2(a)可知，甲烷浓度为6%时，随着石墨粉粒径的增加，爆炸压力峰值-质量浓度曲线由单峰转为双峰，爆炸压力峰值逐步降低，最佳质量浓度逐步增加。7 μm的石墨粉在最佳质量浓度60 g∕m3时达到最大压力峰值且大于另外两种粒径甲烷∕石墨粉体系的爆炸压力峰值，此后随着质量浓度的增加，压力峰值呈现下降趋势，这是由于石墨粉本身的挥发分极低，主要为石墨粉自身的燃烧，由于石墨粉粒径小，比表面积大，更容易被引燃，当质量浓度增加时，导致复合体系放热量小于周围石墨粉的吸热量，为此，爆炸压力峰值出现下降的情况。18 μm 和75 μm 的甲烷∕石墨粉爆炸体系压力峰值随质量浓度变化先后出现两次峰值且前后两次爆炸强度相当，第一次石墨粉质量浓度均在30 g∕m3，这是由于石墨粉质量浓度低，此时爆炸体系内的甲烷释放的能量能够引燃体系内大部分的石墨粉颗粒，故此时爆炸压力峰值增加；随着石墨粉质量浓度的增加，由于石墨粉的吸热作用，甲烷∕石墨粉两相体系的爆炸压力峰值呈现下降趋势，质量浓度100 g∕m3时均达到最小值；然而，随着石墨粉质量浓度的继续增加，被引燃的石墨粉数量开始增多，爆炸压力峰值再次呈现上升趋势，18 μm 和75 μm 的甲烷∕石墨粉爆炸体系分别在质量浓度为200 g∕m3和300 g∕m3时达到第二次压力峰值，此时为6%甲烷∕石墨粉体系最佳质量浓度。另外，可以看出7 μm 和18 μm 的石墨粉在较高的质量浓度时不能被引燃，而75 μm 的石墨粉在质量浓度为400 g∕m3仍然能被引燃发生爆炸。可见，甲烷浓度低于化学计量浓度时，石墨粉的粒径越小，爆炸压力峰值越大且随着粉尘粒径的增加而减小。

由图2(b)可知，当甲烷浓度接近当量比时，三种粒径石墨粉的爆炸压力峰值均呈现逐渐减小的趋势，石墨粉的粒径越小，甲烷∕石墨粉两相体系的爆炸压力峰值越小。石墨粉质量浓度为400 g∕m3时，75 μm 石墨粉的压力峰值由0.759 MPa 减小至0.685 MPa，减小了9.7%；18 μm 石墨粉的压力峰值由0.766 MPa 减小至0.628 MPa，减小了18.0%；7 μm 石墨粉的压力峰值由0.762 MPa 减小至0.627MPa，减小了17.7%。这是因为在同等质量浓度下，粒径小的石墨粉比表面积大，受热分解快、耗氧量大。然而当甲烷的浓度接近当量比时，甲烷爆炸燃烧消耗了大量受限空间内的氧气，为此，两相体系爆炸压力峰值随着石墨粉粒径的降低而降低。

图2 三种粒径下甲烷∕石墨粉爆炸压力峰值随质量浓度的变化Fig.2 Variation curve of explosion pressure peak value of methane∕graphite powder with mass concentration of three particle sizes

为了进一步对比挥发分对两种气粉两相体系爆炸压力峰值的影响，分别选取粒径较为接近的D50为83 μm 的煤粉、D50为75 μm 的石墨粉体系进行了爆炸压力峰值的对比分析，如图3所示。由图3(a)可知，甲烷浓度为6%时，随着煤粉质量浓度的增加，甲烷∕煤粉两相体系的爆炸压力峰值呈现递增趋势，而甲烷∕石墨粉呈现双峰趋势。甲烷∕煤粉两相体系的爆炸压力峰值由0.579 MPa 增至0.724 MPa，提高了25.0%，由于实验中设置的煤粉质量浓度并未增加至最佳浓度，因此可以推测当煤粉质量浓度继续接近最佳质量浓度时，甲烷∕煤粉两相体系的爆炸压力峰值将继续增加。对于6%甲烷∕石墨粉爆炸体系，随着石墨粉质量浓度的增加，爆炸压力峰值低于6%甲烷∕煤粉体系。

由图3(b)可知，当甲烷浓度接近当量比时，甲烷∕煤粉两相体系的爆炸压力峰值呈现先增加后降低的趋势，在煤粉的质量浓度为60 g∕m3时压力峰值达到0.776 MPa，且由于煤粉的挥发分高达48.38%，甲烷∕煤粉两相体系的压力峰值大于甲烷∕石墨粉两相体系。随着石墨粉质量浓度的增加，甲烷∕石墨粉体系的爆炸压力峰值呈现递减趋势。对比图3(a)和(b)中粉尘质量浓度为10 g∕m3时，甲烷∕石墨粉的爆炸压力峰值大于甲烷∕煤粉体系，这可能是由于粉尘质量浓度极低，挥发分热解析出消耗了部分爆炸热量，但是由于煤粉量极少，挥发分析出对爆炸压力的影响不大；然而随着质量浓度的增加，挥发分对爆炸压力的影响逐步显现。

图3 甲烷∕石墨粉与甲烷∕煤粉爆炸压力峰值随质量浓度变化对比（煤粉D50:83 μm，石墨粉D50:75 μm）Fig.3 Comparison of peak explosion pressure of methane∕graphite powder and methane∕pulverized coal with mass concentration(pulverized coal D50:83 μm,graphite powder D50:75 μm)

2.2 压升速率峰值分析

压升速率峰值对应最快燃烧反应的瞬态，是衡量化学反应速率的重要参数[26]。图4 为不同甲烷浓度下三种粒径的甲烷∕石墨粉体系爆炸压升速率峰值随质量浓度变化曲线。由图4(a)可知，甲烷浓度为6%时，随着石墨粉粒径的增加，压升速率峰值-质量浓度曲线由单峰转为双峰。当石墨粉的质量浓度小于100 g∕m3时，石墨粉粒径越小，甲烷∕石墨粉两相体系的爆炸压升速率峰值越大，7 μm 的石墨粉爆炸压升速率峰值在60 g∕m3时达到最大值13.716 MPa∕s，此时爆炸体系的化学反应速率最快。18 μm和75 μm 的石墨粉在质量浓度为30 g∕m3时，压升速率峰值第一次达到最大值，分别为10.796 MPa∕s 和6.788 MPa∕s，18 μm 的石墨粉体系在质量浓度200 g∕m3时达到第二次峰值11.531 MPa∕s，75 μm的石墨粉体系在质量浓度300 g∕m3时达到第二次峰值5.880 MPa∕s。可见，低甲烷浓度时，石墨粉的粒径越小，两相体系爆炸反应进行的越快。

由图4(b)可知，甲烷浓度接近当量比时，随着石墨粉质量浓度的增加，三种粒径的甲烷∕石墨粉两相体系的爆炸压升速率峰值均呈现下降趋势。当石墨粉的质量浓度较小时，7 μm 石墨粉体系的爆炸压升速率较大；但随着石墨粉的质量浓度增加，75 μm石墨粉体系的爆炸压升速率峰值较大。这是因为质量浓度小时，粒径小的石墨粉的比表面积大，更容易被引燃；当石墨粉的质量浓度较大时，粒径小的石墨粉单位体积内分散的数目较多，但球体内氧气的浓度有限，反而会抑制爆炸的进行，故此时的反应速率降低。

图4 三种粒径甲烷∕石墨粉爆炸压升速率峰值随质量浓度的变化Fig.4 Variation curve of peak pressure rise rate of three particle sizes of methane∕graphite powder with mass concentration

图5为甲烷∕石墨粉、甲烷∕煤粉体系爆炸压升速率峰值对比。由图5(a)可以看出，甲烷浓度为6%时，甲烷∕煤粉的爆炸压升速率峰值大于甲烷∕石墨粉两相体系，且随着粉尘浓度的增加，二者的差距逐步加大。甲烷∕煤粉两相体系的压升速率峰值由7.221 MPa∕s 上升至11.520 MPa∕s，上升了59.53%。甲烷∕石墨粉两相体系的压升速率峰值分别在30 g∕m3和300 g∕m3时出现两次峰值，分别为6.788 MPa∕s和5.880 MPa∕s。可见在低甲烷浓度下，挥发分对两相体系压升速率的影响显著。

然而，由图5(b)可以看出，当甲烷浓度为9%时，随着粉尘质量浓度的增加，甲烷∕石墨粉的爆炸压升速率峰值呈现减小趋势，甲烷∕煤粉两相体系的爆炸压升速率峰值则呈现了先增加后降低的趋势，说明煤粉析出挥发分对受限空间氧气的争夺制约着甲烷∕煤粉体系爆炸威力。另外，与图4(b)类似，质量浓度小于30 g∕m3时，甲烷∕石墨粉体系的爆炸压升速率峰值大于甲烷∕煤粉体系，说明由于煤粉量极少，煤粉热解析出挥发分对爆炸体系的影响很小，然而煤粉挥发分析出吸热量大于石墨粉热解吸热量，因此此时甲烷∕煤粉的爆炸压力峰值低于甲烷∕石墨粉体系。质量浓度大于30 g∕m3后，随着煤粉质量浓度增加，挥发分量增多，加快了燃烧反应速率致使爆炸压力更高。

图5 甲烷∕石墨粉与甲烷∕煤粉爆炸压力峰值随质量浓度变化对比（煤粉D50:83 μm，石墨粉D50:75 μm）Fig.5 Comparison of peak explosion pressure of methane∕graphite powder and methane∕pulverized coal with mass concentration(pulverized coal D50:83 μm,graphite powder D50:75 μm)

2.3 火焰纹影图像和速度分析

为了更好地了解两种气粉两相体系火焰传播特征，本文利用高速纹影研究了20 L 爆炸球体内复合火焰的传播过程，并采用Matlab 图像处理技术[27-28]对火焰图像进行二值化和边缘识别算法检测火焰轮廓，获得火焰面积，然后根据等面积法计算火焰等效半径，进而对时间求导获得火焰传播速度。

图6 为甲烷∕石墨粉、甲烷∕煤粉火焰纹影图像。由图6(a)可以看出，甲烷浓度为6%时，与气粉两相爆炸对比，纯甲烷∕空气爆炸时，火焰发展更加规则，火焰表面光滑且几乎呈球形发展；而甲烷∕石墨粉、甲烷∕煤粉爆炸火焰呈不规则形状发展，火焰表面褶皱。这是由于6%甲烷浓度低于化学计量浓度，甲烷爆炸能量较低，因此引燃石墨粉数量少，未引燃的石墨粉起到了惰化作用，加之在同等质量浓度下，石墨粉的粒径越小，其团聚现象越明显，影响火焰规则发展；6%甲烷∕煤粉体系火焰不规则是由于实验中煤尘粒径大于三种石墨粉粒径，甲烷∕煤粉火焰则呈现下沉现象。另外，甲烷∕石墨粉火焰有上浮现象，且与甲烷∕煤粉相比，火焰更加明亮。当石墨粉D50为18 μm 和7 μm 时，石墨粉分散至整个球体，遮挡了光线的传播，因此在爆炸早期无法观察到视窗边缘。

由图6(b)可以看出，当甲烷浓度为9%时，纯甲烷∕空气爆炸火焰呈球形发展，火焰表面光滑。此时，甲烷∕石墨粉、甲烷∕煤粉爆炸火焰均呈近似球形发展，且火焰明亮。这是由于甲烷浓度为9%时，甲烷爆炸能量强，能够引燃大部分石墨粉和煤粉，为此，两种气粉混合物复合火焰均呈球形规则发展。

图6 甲烷∕石墨粉和甲烷∕煤粉纹影火焰结构图像（质量浓度:10 g∕m3）Fig.6 Schlieren flame structure images of methane∕graphite powder and methane∕pulverized coal

图7 为甲烷∕石墨粉、甲烷∕煤粉的火焰传播速度-时间曲线。由图7(a)可以看出，甲烷浓度为6%时，32.0 ms 之前，纯甲烷的火焰速度大于甲烷∕石墨粉和甲烷∕煤粉，且在28.8 ms 时达到速度最大值4.072 m∕s，之后火焰速度迅速下降，并维持在低速发展模式；甲烷∕煤粉的火焰速度呈现先增大后减小的趋势，在44.8 ms 时达到最大值1.332 m∕s。对于甲烷∕石墨粉体系而言，火焰速度呈现双峰值趋势，7 μm 和75 μm 的石墨粉在44.8 ms 时，速度达到最大值1.865 m∕s 和1.678 m∕s，18 μm 的石墨粉在52.8 ms时速度达到最大值2.597 m∕s，由此可见石墨粉在球体内的分散并不均匀。

图7 甲烷∕石墨粉和甲烷∕煤粉火焰速度-时间曲线（质量浓度:10 g∕m3）Fig.7 Flame velocity curves of methane∕graphite powder and methane∕pulverized coa

由图7(b)可以看出，当甲烷的浓度为9%时，气粉两相体系爆炸的火焰传播速度大于纯甲烷爆炸，火焰速度-时间曲线呈单峰特征。纯甲烷爆炸的火焰传播速度在10.4 ms 时达到最大值9.806 m∕s。对于甲烷∕石墨粉爆炸体系而言，7、75 μm 在10.4 ms时，火焰速度也达到了最大值15.566 m∕s 和18.264 m∕s，18 μm 在12.0 ms 时 火 焰 速 度 达 到 最 大 值15.116 m∕s。这说明当甲烷浓度接近当量比时，气粉两相体系爆炸火焰速度大于纯甲烷爆炸，且挥发分对复合火焰传播过程有重要影响。

2.4 爆燃指数

爆燃指数Kst可用来衡量爆炸气粉两相体系的爆炸严重程度。当容器的体积大于0.04 m3时，爆炸压力上升速率(dP∕dt)和容器体积(V)存在“三次方定律”，即Kst与爆炸压力上升速率的最大值(dP∕dt)max和反应容器体积(V)的1∕3 次方呈正比关系[29],其计算公式如式（1）。

图8 为不同甲烷浓度甲烷∕石墨粉和甲烷∕煤粉的爆燃指数对比。由图8 可知，首先，甲烷浓度为9%时的气粉两相体系的爆燃指数高于甲烷为6%时的气粉两相体系的爆燃指数，说明甲烷浓度对气粉两相体系爆炸危险程度的影响显著。其次，对于甲烷∕石墨粉两相体系，当甲烷浓度为6%时，爆炸指数随质量浓度的增加呈现双峰特征，质量浓度为30 g∕m3时其爆燃指数达到最大值1.830 MPa·m∕s；当甲烷浓度为9%时，在质量浓度为10 g∕m3时爆燃指数达到最大值5.408 MPa·m∕s，之后呈减小趋势。对比两种气粉两相体系，当甲烷浓度为6%时，甲烷∕煤粉的爆燃指数大于甲烷∕石墨粉体系，且随着质量浓度增大至煤粉最佳浓度时，二者差距呈扩大趋势；当甲烷浓度为9%时，粉尘质量浓度小于30 g∕m3，甲烷∕煤粉的爆燃指数小于甲烷∕石墨粉体系，而当粉尘质量浓度大于30 g∕m3，甲烷∕煤粉的爆燃指数大于甲烷∕石墨粉体系，最佳质量浓度为60 g∕m3，之后爆燃指数几乎维持在5.500 MPa∕s左右。

图8 不同甲烷浓度甲烷∕石墨粉和甲烷∕煤粉的爆燃指数Fig.8 Deflagration index of methane ∕graphite powder and methane∕pulverized coal with different methane concentrations

2.5 爆炸前后粉体工业分析和微观结构对比

气粉两相复合爆炸受粉体物理特性的影响，本节对两种气粉混合物爆炸前后样品进行了工业分析和电镜扫描微观结构对比研究。

图9 和图10 分别为甲烷∕石墨粉和甲烷∕煤粉爆炸前和爆炸后粉体的工业分析对比。可以看出，爆炸前工业分析显示石墨粉本身碳的含量极高，为98.53%，另外含有极少量的水分、灰分、挥发分；煤粉的含碳量为51.25%，但其含有的水分、灰分、挥发分比石墨粉的高。爆炸后，工业分析结果显示石墨粉水分降至0，灰分由0.51%增加至1.25%，挥发分由0.82%减少为0.39%，固定碳的含量由98.53%降至98.24%，固定碳和挥发分少量降低说明爆炸中有少部分石墨粉参与了燃烧。对于甲烷∕煤粉体系，爆炸后水分由7.08%减少为5.07%，灰分由12.98%增加至27.68%，挥发分由48.38%减少为46.93%，固定碳的含量由51.25%减少到35.6%，说明由于煤粉变质程度低且含有较多的挥发分，燃烧更为充分，更多焦炭参与了爆炸过程。可见，挥发分对气粉两相混合爆炸危险性有重要影响。

图9 石墨粉爆炸前后的工业分析Fig.9 Industrial analysis of graphite powder before and after explosion

图10 煤粉爆炸前后的工业分析Fig.10 Industrial analysis before and after pulverized coal explosion

为了对比石墨粉和煤粉表面结构异同对气粉两相体系反应的影响，采用扫描电镜分析了爆炸前后石墨粉、煤粉颗粒的表面微观结构图像，如图11所示。可以看出，石墨粉爆炸前的表面比较完整且光滑，为片状结构；爆炸后的石墨粉破碎为小的片状结构，边缘较光滑且出现了近似球体、结块的结构特征，近似球体的结构表面出现了破碎的孔洞，可见爆炸过程中有少部分碳粉颗粒参与到燃烧过程。煤粉在爆炸前表面有大量不规则的孔洞，且棱角分明，表面结构比较粗糙，爆炸后的煤粉由原来的大块变为零碎的小块，有近似球体的小颗粒，小颗粒边缘比较光滑，表现出酥化特征。与本文研究结论一致，来诚峰等[30-31]也发现煤颗粒原样的外表棱角分明，而发生爆炸后的残余物外表比较光滑，发生了表面软化和烧结成团现象。这说明石墨粉整体结构致密，而煤粉内部的大量孔洞增大了煤粉与空气的接触面积，有利于吸热和分解，因此爆炸过程煤粉氧化较石墨粉更为剧烈。

图11 石墨粉和煤粉爆炸前后电镜扫描图像Fig.11 SEM images of graphite powder and pulverized coal before and after explosion

3 结 论

（1）甲烷浓度对甲烷∕石墨粉和甲烷∕煤粉两相体系的爆炸压力有重要影响。当甲烷浓度为6%时，随着石墨粉粒径的增加，甲烷∕石墨粉体系的压力曲线由单峰转为双峰特征，当甲烷浓度为9%时，三种粒径下甲烷∕石墨粉体系的爆炸压力随石墨粉质量浓度的增加呈现递减趋势，且粒径越小爆炸压力越小；6%甲烷∕煤粉体系的爆炸压力随煤粉质量浓度接近最佳质量浓度而增加，而9%甲烷∕煤粉两相体系的爆炸压力峰值呈现先增加后降低的趋势。

（2）甲烷浓度对火焰发展特性有重要影响。当甲烷浓度为6%时，甲烷∕石墨粉和甲烷∕煤粉爆炸火焰均呈不规则形状发展且火焰表面出现褶皱结构；同时，甲烷∕石墨粉火焰有上浮现象，且与甲烷∕煤粉相比，火焰更加明亮，而甲烷∕煤粉火焰由于粒径较大出现了下沉现象。当甲烷浓度为9%时，甲烷∕石墨粉、甲烷∕煤粉爆炸火焰均呈近似球形发展，且火焰明亮，气粉两相体系爆炸火焰速度大于纯甲烷爆炸。

（3）甲烷浓度和粉尘质量浓度对爆燃指数有重要影响。当甲烷浓度由6%增加至9%时，两相体系的爆燃指数显著增高；当粉尘质量浓度大于30 g∕m3，甲烷∕煤粉的爆燃指数大于甲烷∕石墨粉体系，最佳质量浓度为60 g∕m3，之后爆燃指数几乎维持在5.5 MPa∕s左右。

（4）挥发分对气粉两相混合爆炸危险性有重要影响。具有较低挥发分的甲烷∕石墨粉体系在爆炸过程中只有少部分石墨粉参与到燃烧过程中，爆炸后的石墨粉破碎为小的片状结构，且出现了近似球体、结块和破碎的孔洞的结构特征；而具有较高挥发分的甲烷∕煤粉体系在爆炸过程中固定碳降低较大，挥发分降低明显，爆炸后的煤粉由原来的大块变为零碎的小块，有近似球体和酥化特征，说明挥发分的析出加剧了煤粉的燃烧反应，致使甲烷∕煤粉体系爆炸更为剧烈。