煤粉尘对电气和非电气火花引燃瓦斯的影响机制

瓦斯爆炸是煤矿导致人员伤亡最为严重的事故类型，研究瓦斯煤粉耦合作用下的着火机制对于预防煤矿瓦斯煤尘着火爆炸具有重要意义。煤粉尘因燃点低容易被热源引着从而引发瓦斯爆炸，但现有文献主要涉及单纯瓦斯的自燃或引燃机理研究，忽略了井下煤粉尘易于自燃特性对瓦斯着火的影响。项目通过实验和理论研究，探索煤粉尘对热环境、电气火花和非电气火花三种热源引燃瓦斯的影响机制和规律。在热环境中引入煤粉尘粒子研究甲烷的自燃机理，利用真空继电和同轴传输技术提高电气火花的精度来测试煤粉尘对电气火花引燃瓦斯的影响，在摩擦和冲击面上预先敷设煤粉尘来研究非电气火花产生过程中煤粉对瓦斯着火的影响机制和规律。在此基础上，通过测试分析得到瓦斯煤尘混合物的热力学参数，利用热力学、化学反应动力学和燃烧学建立煤粉参与条件下瓦斯着火理论模型。研究结果填补了瓦斯煤尘耦合条件下的着火机制空白，有助于深入了解井下真实工况下的瓦斯着火规律及控制方法。

瓦斯爆炸是井下煤矿最为常见和严重的事故之一。研究瓦斯着火机理对于预防类似事故具有重要意义。本项目通过实验测试和理论分析系统研究了煤尘对恒温环境、摩擦火花、撞击火花和电气火花4种引燃源引燃瓦斯的影响规律。首先针对热环境，在改进G-G炉内研究煤粉对瓦斯着火的影响规律，发现当有煤粉存在时，瓦斯-煤粉-空气三成分耦合体系的最低着火温度比单纯瓦斯低340℃，约为其1/2。利用零值边界梯度法建立了瓦斯煤粉耦合体系的着火模型。该结论首次指出在煤矿井下这种瓦斯-煤粉-空气三成分耦合体系环境下，按瓦斯设计的防爆电气存在引燃风险。另搭建了管式恒温试验装置，选用褐煤、烟煤和无烟煤，研究发现层状煤颗粒对热环境引燃瓦斯的最低温度有明显的降低趋势。12mm粒径的1#烟煤使得引燃甲烷的热环境温度从595℃降低到500℃。分析表明，煤样的挥发份、硫分及大的空隙率对瓦斯着火温度的降低有积极意义；水分、过小的粒径不易引燃甲烷。其次针对摩擦和撞击热源，课题组参照标准GB138183搭建了旋转摩擦实验装置，通过高速摄像机和红外热像仪，确定了A3钢和钛金属棒连续摩擦过程中引燃瓦斯的是摩擦撞击产生的钛金属火花，而不是其他学者提出的摩擦热接触面。还发现加入煤粉后甲烷空气混合物着火延迟时间普遍变长。对于同类煤粉，粒径越小延迟时间越长，煤粉降低了摩擦火花引燃甲烷的能力。对于同一粒径的三种煤粉，着火延迟时间由长到短依次为褐煤、无烟煤、烟煤，其规律与煤粉含水量的多少一致，水分越多引燃延迟时间越长；但未发现和煤种挥发分有明显关系。课题组还搭建了撞击火花引燃装置，用来研究煤尘对撞击火花引燃瓦斯的影响规律。在15.7m/s撞击速度、30°角度和7%敏感浓度，平板上铺设不同煤种、粒径、含水量和厚度的煤样条件下进行的撞击引燃实验。表明撞击面间铺设的煤粉使得瓦斯着火时间延长，具有抑制着火的作用。最后研究了煤粉对电气火花引燃瓦斯的影响机制。课题组首先研制了mJ级微火花发生器，并利用Hartmann管搭建了适合瓦斯-煤粉-空气三成分体系的电火花引燃系统，以烟煤为例，对不同粒径的煤粉进行了大量实验，发现煤粉的存在使得体系的最小着火能升高，未发现煤粉增加电火花引燃瓦斯的危险性。综上，热环境条件下煤粉对瓦斯着火有促进作用，是安全生产的不利因素；摩擦、撞击和电气火花条件下，煤粉对瓦斯着火具有一定的抑制作用。