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水平管道内甲烷-煤尘混合爆炸的试验研究
摘要：
本文针对水平管道内甲烷-煤尘混合爆炸进行了试验研究。首先，介绍了甲烷和煤尘的基本性质以及混合物的形成条件。随后，我们详细介绍了试验设备和试验方法，并进行了实验数据的分析和结果讨论。最后，我们总结了试验成果，并提出了对于安全防范的一些建议。
1.引言
随着煤炭资源的日益枯竭，越来越多的煤炭企业开始通过煤尘的回收利用以及采用复杂的煤炭加工技术等手段来提高煤炭利用率。虽然这些措施有利于节省煤炭资源并提高产品附加值，但同时也会增加安全风险。特别是在处理煤尘的过程中，由于煤尘极易形成混合物并与空气中的氧气灰乱，造成了极大的爆炸安全隐患。
煤尘混合物爆炸具有极强的破坏力，容易导致人员和机器的伤亡。因此，对于煤尘混合物爆炸的研究显得尤为重要。本文针对水平管道内甲烷-煤尘混合爆炸进行了试验研究，以期为煤炭行业的安全防护工作提供一定的参考和借鉴。
2.煤尘混合爆炸的基本性质
2.1煤尘的基本性质
煤尘是由于煤炭加工、储存、运输等过程中物料表面力学能和静电能的积累产生的细粒粉尘。煤尘具有易燃性、易爆性和有毒性等危险性质。其中，易燃性是煤尘最主要的危险性质之一。由于煤尘的粒径小且面积巨大，因此可以形成更大的接触面积，并能吸收相当数量的氧气，这使得其着火温度极低，已有报道称煤尘的着火温度最低为300℃。
另外，煤尘还具有自灭能力较差的特点。煤尘着火后在热辐射和对流基础上，可以导致水化学反应生成大量的可燃气体，进一步促使煤尘的燃烧，加剧了火势。从而连锁反应地促进煤尘炸裂的发生。
2.2甲烷的基本性质
甲烷是天然气中的主要成分，也存在于煤矿中。它具有无色、无味、空气轻的物理性质，并且具有极强的易燃性。燃烧时雾香气味，并产生光。
同时，甲烷具有爆炸火灾的极高敏感性。当空气中甲烷浓度达到5%~15%时即可形成可燃混合气，当其超过15%时即可形成甲烷炸药，能够在极短时间内引发连锁反应，造成大面积火灾和爆炸事故。
2.3混合物的形成条件
甲烷-煤尘混合物的形成与煤尘粉尘颗粒的粒径、浓度、形状、新鲜度、热惯性和加热等方面的有关。当煤尘悬浮于空气中时，煤尘颗粒之间、煤尘颗粒和空气之间、煤尘颗粒和容器壁之间均存在摩擦力，这会使煤尘颗粒带静电。
在相同的境况下，煤尘颗粒越小，则带的静电越大，这就导致了煤尘混合物的形成。而此时，甲烷的介入，则增加了混合物的易爆危险程度。
3.实验设计与方法
3.1实验设备
本次试验选用了中心直径为50.8mm的不锈钢水平管道，实验装置如图1所示。
其中，图中P1~P4和T1~T4分别为压力传感器和温度传感器，SP为点火装置，F1为加料漏斗，V1~V4为阀门，R为加热器，PC为控制系统，由具有温度控制、进样控制和数据采集等功能的计算机组成。
图1甲烷-煤尘混合爆炸试验装置示意图
3.2实验方法
在实验前，首先对于模拟的煤尘流的物理数据进行了计算。之后，设置煤尘质量浓度变化，煤尘化学成分、煤炭粉碎度的影响等变量，给出了煤尘压力变化和温度变化的理论曲线，以便于直观的分析和比较实验结果。
本次实验以甲烷浓度为常数，煤尘粉尘颗粒直径与质量浓度为变量，分别采用逐步减少和逐步增加粉尘质量浓度两种方式，对于煤尘混合爆炸情况进行模拟和分析。如图2所示，实验中改变的是煤尘粉尘颗粒的大小和稀度，通过测量甲烷-煤尘混合物内的压强和温度来判断其燃烧的进程。
图2实验参数设定
4.实验结果与讨论
以甲烷浓度为10%时的实验结果为例，如图3所示，我们分别比较了逐步增加粉尘浓度和逐步减少粉尘浓度下的压力和温度变化。可以看出，两种情况下的曲线呈现相似的趋势。
图3甲烷浓度为10%时的压力和温度变化曲线比较
在实验过程中，我们还考察了不同甲烷浓度下的实验结果，如图4所示，展示了甲烷浓度为10%、12.5%、15%时的不同实验结果。可以看出，随着甲烷浓度的增加，煤尘-甲烷混合物的压力和温度均呈现上升趋势，且上升幅度随着浓度的提高而加大。
图4不同甲烷浓度下的压力和温度变化曲线
5.结论
本次试验针对水平管道内甲烷-煤尘混合爆炸的试验研究进行了实验，并取得了如下的结论：
1.当甲烷浓度一定时，煤尘的浓度、粉尘颗粒的大小和质量均对于煤尘混合物的爆炸过程产生显著影响。
2.在逐步增加和逐步减少粉尘浓度的情况下，煤尘混合物的压力和温度分别呈现上升和下降的趋势。
3.当甲烷浓度增加时，煤尘混合物的爆炸危险性增大，且燃烧进程呈现更剧烈的趋势。
综上所述，本次试验结果对于煤炭行业的安全防范工作有着重要的意义，对于制定有效安全措施和预防煤尘混合爆炸事故具有重要的参考价值。