煤尘爆炸的研究现状及发展趋势

罗振敏，刘荣玮, 程方明,苏 彬，康晓峰

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054； 2.陕西省煤火害防治重点实验室，陕西 西安 710054)

煤尘爆炸是矿井五大灾害之一，严重影响着矿井生产安全和矿工作业安全。据统计[1]，在全世界每年发生的各类粉尘爆炸事故中，煤尘爆炸事故约占9%，而在中国这一比例更是高达35%。由于我国依然是最依赖煤炭的国家，我国的能源格局是多煤、少气、缺油，煤炭资源将在未来很长一段时间仍将占据我国能源的主导地位[2]。近年来，随着科学技术的创新和发展，煤矿开采的机械化、自动化程度不断提高，矿井工作人员安全管理能力和安全意识不断增强，重特大事故的发生频率显著下降，但由煤尘爆炸导致的较大及一般事故仍时有发生。因此，做好煤尘爆炸的研究工作具有重要意义。

1 煤尘的爆炸机理研究

近年来，国内外学者对煤尘的爆炸机理进行了大量理论研究。ECKHOFF R K[3]对粉尘爆炸的影响因素及本安化粉尘防爆的概念进行了探讨。CASHDOLLAR K L[4]研究了粉尘的燃烧特征和爆炸特性，并对比了气体爆炸特性，对粉尘爆炸机理进行了全面探讨。李延鸿[5]认为粉尘爆炸的实质是气相氧化反应：首先，粒子在能量与热量作用下产生可燃性气体；其次，气体与周围空气混合形成爆炸性气体，继续吸收能量然后迸发出火焰；最后，火焰释放的能量又加速粒子产生气体，整个过程循环进行。来诚锋等[6]的实验结果显示煤尘爆炸过程是挥发分释放并参与化学反应，其实质是气相爆炸。

当前，热爆炸及链式反应理论是解释煤尘爆炸机理的较为成熟的理论之一。当某一燃烧反应在一定空间内进行时，如果散热困难，反应温度持续升高，反应速度加快，则可能会发生爆炸，这种由于热效应引起的爆炸被称之为热爆炸[7]；赵江平等[8]基于热爆炸理论，提出煤尘爆炸的原因是热反应和支链反应；王春莲[9]、冷杰宣[10]等认为煤粉末在温度300～400 ℃的环境下，会释放出甲烷、乙烷等可燃性气体，这些可燃性气体与空气混合并吸收一定的能量，游离基被激活，链反应开始。煤尘发生燃烧，并通过链传递系统将化学反应持续进行下去，在此过程中能量不断以热辐射、热对流、热传导等方式传递至周围煤尘粒子表面，促使燃烧反应加剧，当火焰速度达到某一临界值时，煤尘的燃烧转变为爆炸。

尽管目前煤尘爆炸机理尚未被完全充分揭示，但各理论之间具有若干共性认识：煤尘粒子的表面在高温下会产生可燃性气体，即挥发分，其中包括甲烷、乙烷、氢气和其他碳氢化合物等，这些可燃性气体与空气混合遇高温会燃烧并释放出大量的热，受热后的煤粉末将其热量传递给附近悬浮的煤尘，使得这些煤尘受热后加速分解，继而产生可燃性气体并与空气混合燃烧、引爆，如此循环下去。煤尘爆炸机理如图1所示。

图1 煤尘爆炸机理示意图

目前，针对在瓦斯、煤尘共存条件下，二者相互影响的着火爆炸机理、瓦斯诱导沉积煤尘的扬尘机理的研究较少，煤尘爆炸发生的机理还未形成完整的理论体系，仍需进行大量的研究工作。

2 煤尘的爆炸特性研究

爆炸特性是从数值上衡量可燃物爆炸性质的物理参数，为了更好地了解煤尘爆炸发生、发展的过程及其影响因素，国内外学者对煤尘爆炸的特性参数进行了大量的研究。GOING J E等[11]采用1 m3和20 L爆炸装置对无烟煤、烟煤和天然沥青等的爆炸下限和极限氧浓度进行了研究，研究结果表明对于较小的试验体积，极限氧浓度往往显示出较低的结果；美国矿业局在20 L爆炸装置中的实验结果表明，高挥发性和小粒径煤尘更危险[12]；李庆钊等[13]研究了无烟煤、烟煤和褐煤3种煤尘在不同初始压力和瓦斯含量影响下的爆炸特性；高聪等[14]测试了煤样的爆炸下限，获得了其最大压力及最大压力上升速率的变化规律；SONG S X等[15]采用20 L球形爆炸容器对甲烷—煤尘气固混合物的爆炸特性进行了研究，指出在低煤尘浓度下，混合甲烷—煤尘爆炸的最大爆炸压力大于煤尘爆炸的最大爆炸压力，但随着煤尘浓度的不断增加，二者的最大爆炸压力趋于相等；刘义等[16]通过实验研究了甲烷—煤尘混合体系中煤尘爆炸下限的变化规律，显示甲烷体积分数的升高能明显降低混合体系内煤尘的爆炸下限；屈姣等[17]的实验结果表明在相同煤尘浓度下，随着(VCH4/VO2)的增大，褐煤—甲烷—空气混合物最大爆炸压力减小；刘浩雄、李润之等[18-20]通过实验对煤尘二次爆炸及瓦斯、煤尘共存条件下的爆炸特性进行了大量的研究。

山东科技大学、北京理工大学、南京理工大学、西安科技大学、中煤科工集团重庆研究院有限公司等单位通过大量的实验对煤尘的爆炸特性进行了研究，取得了一些研究成果[21-24]。现有单因素、空间和时间相对较小尺度的研究理论无法精确解释煤尘爆炸致灾过程，还需要攻克多因素及特殊环境下的煤尘爆炸研究难点。

3 煤尘爆炸的传播规律研究

煤尘爆炸火焰传播特性是体现煤尘爆炸强度的重要参数之一[25]。煤尘爆炸时，往往伴随着火焰和冲击波的快速传播，煤尘爆炸的传播范围决定了矿井事故发生的严重程度。因此研究煤尘爆炸过程中的火焰、冲击波传播规律显得尤为重要。

MOHAMMED J A等[26]在大型爆轰管中分别将质量浓度为10、30 g/m3的煤尘引入体积分数为5.0%和7.5%的甲烷体系中，研究了煤尘浓度对甲烷爆燃和爆燃火焰的影响规律；CAO W G[27]、GAO W[28]等研究了不同长度半封闭垂直燃烧管内煤尘爆炸过程中火焰的传播规律，研究表明随着管长的增加，极限火焰传播速度和火焰温度均逐渐升高；景国勋等[29]探究了煤尘爆炸的传播形式，发现了爆炸火焰区长度、火焰传播速度的相关规律及爆炸冲击气流沿程变化特征；刘天奇[30-31]、李雨成[32]等选用不同变质程度的煤尘，通过实验和模拟研究了其在水平管道内爆炸火焰的传播规律；段振伟等[33]在直线管道中完成了煤尘爆炸火焰传播规律的试验研究，研究结果表明煤尘爆炸火焰区长度远大于扬尘区长度，最大火焰速度和传播距离并不随煤尘量的增加而增大；蔡周全等[34]在658 m长的实验巷道内对瓦斯、煤尘爆炸过程进行研究，得到了爆炸冲击波的衰减规律；王新等[35]研究表明，瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸的过程存在着压力波回传现象，火焰区长度与煤尘区长度约为2倍的关系；LI Q Z等[36]研究发现火焰传播速度的影响在镜质体反射率较低的煤尘中体现的更为明显；李润之[37]通过体积分数为9%的CH4诱导不同量的煤尘爆炸进行了数值模拟，揭示了煤尘量对火焰冲击波和传播速度的影响规律；刘丹[38]、司荣军[39]等基于连续相、颗粒相数理模型成功开发了有效的模拟爆炸冲击传播速度的系统，获得了沉积煤尘扬尘爆炸和沉积煤尘火焰燃烧2种爆炸模式下的冲击波和火焰传播规律。

目前关于煤尘爆炸传播规律的研究在爆炸传播机理、冲击波、高温等因素耦合关系方面缺乏综合性分析。大尺度实验较少且试验模拟管道与矿井真实巷道相比，相对理想化，分析得出的结论如何有效地应用于矿井实际生产中还需深入研究。

4 煤尘爆炸的抑爆研究

煤尘爆炸抑爆是指在爆炸波传播通道上适时撒播水雾、粉体抑爆剂及注入惰性气体，以扑灭火焰、衰减激波，达到减小煤尘爆炸灾害损失程度和范围的目的[40]。

LIU Q M等[41]研究发现，ABC粉末、SiO2粉末和岩石粉末对甲烷—煤尘—空气混合物的爆炸具有抑制作用，可以显著降低爆炸超压和冲击波的传播速度；AZAM S等[42]研究了岩粉对煤尘爆炸的抑制作用，分析了测试煤尘的粒径和惰化用岩粉粒径的关系；蔡周全等[43]通过实验发现，灭火剂粒度大小对煤尘爆炸抑爆效果没有影响；金龙哲等[44]的测试结果显示，惰性岩粉对煤尘爆炸隔爆有双重作用，即惰性岩粉不仅对第一次煤尘爆炸起隔爆作用，且在二次爆炸过程中也能发挥隔爆作用，其隔爆效果的好坏与第一次投入的惰性岩粉量成正比；YUAN J J等[45]系统地研究了湿度对煤尘爆炸的影响，得到了水分与爆炸参数的关系；YOU H等[46]定性研究了水雾对气体和粉尘爆炸的抑制效率并分析了抑爆机理；裴蓓等[47]研究了CO2—超细水雾对瓦斯—煤尘爆炸体系的抑爆效果，研究结果表明其能够快速降低瓦斯—煤尘爆炸火焰传播速度和爆炸超压；李振峰等[48]运用细水雾对管道瓦斯与煤尘的爆炸进行抑制，发现其在减缓爆炸火焰传播速度、混合物爆炸火焰温度方面效果明显；伍毅等[49-52]采用Siwek 20 L 球形爆炸罐做了大量试验，对抑制煤尘爆炸效果的影响因素进行了探讨。

目前对煤尘爆炸的抑爆研究主要集中在固体粉末抑爆、水雾抑爆及注入惰性气体抑爆方面，而对粉体抑爆剂来说，需要突破防潮性技术难点。此外，煤矿采用的降尘抑爆装置以被动形式为主，如何变被动为主动，将煤尘爆炸抑制在引爆感应期，仍需进一步深入研究。

5 发展趋势及结语

1)现阶段针对煤尘爆炸机理研究还处于热力学阶段，需借助化学动力学和燃烧爆炸学，进一步研究煤尘爆炸的机理；加强对瓦斯诱导沉积煤尘扬尘机理、耦合爆炸发生过程的综合性和系统性研究；通过研究不同变质程度的煤和热分解机制及对爆炸过程中析出的气体分析，进而探讨煤尘的燃烧爆炸机理；从微观机理角度、爆炸诱发的化学动力学诱因和抑爆环境条件下加大对煤尘爆炸机理的研究力度。

2)对不同成分的煤粉对粉尘爆炸参数的影响和多因素多场耦合作用下煤尘爆炸的特性进行深入研究；特征参量的测定不能仅局限于一些基本的物理参量，还应涉及爆炸声学和光学等方面；对添加了惰性抑制剂条件下的煤尘爆炸特性规律展开深入研究；针对煤尘发生二次爆炸及特定环境下气、粉混合体系中煤尘爆炸特性的相关研究缺乏系统性，仍需深入研究。

3)加强对火焰的微观特性及管道内设置障碍物条件下火焰的传播规律研究，包括燃烧区、预热区的形态和厚度方面的研究，以及火焰区的结构特征研究；瓦斯—煤尘爆炸及传播规律的分析结果往往局限于定性描述或简单的半定量描述，需要建立多数据库和模型库，进行比对和深入分析，实现对爆炸传播规律的精确描述。

4)煤尘爆炸抑爆过程十分复杂，应从不同角度对其进行分析，对爆炸抑制机理进行精确描述，建立合理的理论模型，指导新型高效的抑爆剂开发；单一抑爆剂均有其抑爆特点，通过复配技术，确定不同抑爆原理的单一抑爆剂物质的比例，研制出具有新特性且经济、绿色环保的抑爆剂。

5)加强煤尘爆炸的数值模拟研究。数值模拟技术可以解决实验成本高、周期长、耗费大，以及实验环境条件难实现等问题，具有经济、快速的优点。但是目前我国研究煤尘爆炸过程使用的软件基本引自国外，急需攻破其核心技术，研发具有自主知识产权、易操作的数值模拟软件。