瓦斯煤尘爆炸特性及抑爆方法研究进展

聂百胜教授 王晓彤 宫 婕 尹斐斐 彭 超

(1.中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院，北京 100083；2.共伴生能源精准开采北京市重点实验室，北京 100083；3.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083)

0 引言

煤炭是我国能源的主体，由于煤炭生产的高效集约化发展以及煤矿复杂的地质条件，使得瓦斯煤尘爆炸等灾害事故成为制约煤炭开采技术发展的重要因素，严重威胁煤矿的生产安全。据统计，近20年来，我国发生煤矿重特大事故620余起，其中煤尘瓦斯爆炸事故360余起，共造成5 600多人死亡，给煤矿的安全生产带来极大的威胁。如：2014年辽宁省恒大煤业发生重大煤尘爆燃事故，造成28人死亡，50人受伤，直接经济损失6 668.16万元；2016年重庆市金山沟煤业发生重大瓦斯爆炸事故，造成33人死亡，1人受伤，直接经济损失3 682万元。可见，瓦斯煤尘爆炸不仅造成人员伤亡，也带来巨大的财产损失，因此研究瓦斯煤尘爆炸规律并找到抑制方法势在必行。

国内外学者对于瓦斯煤尘爆炸特性展开大量研究，分析总结瓦斯煤尘爆炸的特性规律和机理，为进一步的研究提供理论基础。Ajrash等研究点火能量和煤尘浓度对甲烷/煤尘混合燃烧压力以及火焰传播速度的影响，结果表明提高初始点火能量能加速火焰前沿传播和压力波增大。Moon等和曹卫国利用同步热分析法研究煤尘火焰燃烧过程及特性。Liu等通过对几种不同煤尘样品进行爆炸试验研究发现煤粉粒径和浓度与爆炸过程密切相关，即粒径越小其爆炸速度越快，且不同粒径煤尘最佳爆炸浓度为370～480g/m。Li等采用20L标准爆炸球，研究H、CH、空气和CH、煤尘、空气混合物以及固体爆炸产物的爆炸特性，结果表明CH、煤尘、空气混合物爆炸参数随甲烷含量增加呈现先增后减的趋势。在前人的研究成果基础上，本文研究瓦斯、煤尘爆炸的宏观特性，定量分析煤尘爆炸气固产物以及表面官能团变化等微观规律，并且提出利用图像相关系数计算瓦斯爆炸火焰速度的方法并精细分析火焰动态传播特征，建立利用辐射测温原理计算火焰传播过程的温度场。

瓦斯煤尘爆炸是煤矿重大事故之一，经常发生多次连续爆炸，造成严重伤亡，因此寻找有效可靠的抑爆方式成为目前煤矿安全生产急需解决的研究目标。Zhang等通过一系列实验研究多层金属丝网结构对连接容器中甲烷—空气混合爆炸的抑制作用，结果表明相同网格数情况下层数越多，抑爆效果越好，且7层60目丝网结构抑爆效果最好。Cui等通过一系列实验研究金属丝网对连接管道的球形容器内CH-空气混合爆炸的双重抑制作用，结果表明二次抑爆效果优于单次抑爆，其效果随丝网层数的增加而变强，且金属丝网的放置位置也对抑爆效果有一定影响。张巨峰等基于横截面积为200mm×200mm的方形实验管道研究多层金属丝网条件下预混可燃气体爆炸火焰传播，结果表明多层金属丝网对预混可燃气体爆炸火焰传播具有很大的影响，可以淬熄较弱火焰。由上述研究可看出近年来多孔介质对火焰淬熄作用以及衰减效能引起了国内外专家的重视，但多集中于金属丝网对气体爆炸火焰的研究，而有关泡沫陶瓷对瓦斯爆炸火焰传播影响规律较少。JF等为揭示泡沫陶瓷抑制瓦斯爆炸的机理，应用VHX-600超深三维显微镜对泡沫陶瓷微观结构进行测量和分析，然后结合链式反应和壁面效应理论，量化气体爆炸反应和泡沫陶瓷壁面效应。而本文主要针对泡沫陶瓷种类、厚度及孔隙大小来研究其多因素对瓦斯多次连续爆炸的抑制作用。该研究结果对于抑制瓦斯煤尘爆炸具有重要理论支撑和实践意义。

1 瓦斯爆炸特性研究

1.1 基于辐射测温的气体爆炸火焰温度分析

温度是分析火焰传播规律的一项重要参数，通常学者采用热电偶来进行测温，但由于热电偶所测温度局限于某点处的温度，故本文利用位于爆炸管道透明窗口高速摄像机拍摄的图像来获得更加详细的温度信息，提出一种用辐射测温法计算预混气体爆炸火焰温度分布的方法，该方法的主要思想即为建立图像灰度与火焰温度之间的关系式。

如果物体温度高于绝对零度(-273.15℃)，内部电子振动向周边发射电磁波的现象被称之为热辐射，物体在发射电磁波过程中还可以吸收周围其他物体发射的辐射能。而能够吸收所有入射辐射能的物体则称为黑体，其光谱辐射强度可用普朗克辐射定律表示：

(1)

黑体辐射率用Stefan-Boltzmann定律表示为：

(2)

但真实物体并不是黑体，故本文引入灰体，灰体的发射率

ε

(

λ

,

T

)与波长无关，故

ε

(

λ

,

T

)=

ε

(

T

)，总发射率

ε

即为绝对温度

T

的函数。由于灰体的辐射能量分布有着黑体均匀辐射的特性，管道内火焰辐射特性接近灰体辐射，因此可将气体爆炸火焰视为灰体。可将式(2)改写为：

(3)

式(3)则为辐射测温的基本公式，火焰在管道中的辐射率

L

(

T

)可通过高速摄影机的光电传感器和电路转换为火焰图像的亮度(图像灰度，

N

(

T

))且

L

(

T

)与

N

(

T

)之间存在正比线性关系。假设管道每边的可见光与红外光辐射强度比例一致，则式(3)可以改写为：

N

(

T

)=

Cε

(

T

)

σT

(4)

N

(

T

)∝

ε

(

T

)

σT

(5)

式中：

N

(

T

)—火焰图像中像素的灰度；

C

—比例系数；

ε

(

T

)—管道内火焰总辐射率。如果

T

表示高灰度

N

的对应温度，

T

表示低灰度

N

的对应温度，则由式(5)可得：

(6)

假设总发射率

ε

与温度

T

呈线性关系，且当火焰温度为2 300K时

ε

取0.79，当火焰温度为1 473K时

ε

取0.52，利用上述2组数据构造出总发射率与温度的函数关系式，从而计算其他温度下的发射率，其关系式为：

ε

=3.265×10

T

+3.896×10

(7)

将式(7)代入式(6)，得到式(8)：

(8)

(9)

通过测量某一高灰度图像像素点的最大温度

T

和灰度

N

，可以得到某点低灰度

N

的对应温度

T

。然而不同物体有不同的总发射率，只有分子结构呈现偶极运动的气体，其辐射率才可以出现在光谱波长为380～780um(可见光)的范围内。分子结构呈非极性对称的气体，如N、H、O在低温下基本看不见辐射；具有极性分子结构的气体，如CO、HO、CO、HCI和碳氢化合物，其辐射发生在不连续窄带的某个范围内，有时很弱。在预混气体爆炸火焰中，CO和HO是主要的辐射源，但HO和CO是非灰发射器，其发射率是路径长度的函数，故本文将波长变化引起的误差归结为发射率的误差，因此可以简化计算模型。取

T

为973.15K时CO和HO的总发射率

ε

为0.256，

T

为1 300k时

ε

为0.182，则以上2组数据上火焰总发射率与温度的线性关系如式(10)所示。

ε

=-1.227×10

T

+0.375 4

(10)

将式(10)代入式(6)，得式(11)，即为上火焰图像灰度与温度的关系。

(11)

通过灰度与上行的关系分析计算下行火焰温度，则需要先计算上行火焰和下行火焰的边界。从火焰传播图像可知，上下火焰图像的灰度差异较大，因此边界可以认为是灰度差异最大的位置，在图像处理中称为亮度边缘。灰度图像中点、线、边缘检测主要有2种方法：差分检测和模型拟合，则可以通过差分检测来计算上行和下行火焰图像的边界。空间处理中原始图像

F

(

j

,

k

)生成空间变化较大的差分图像

G

(

j

,

k

)，然后通过差分检测来检测出差异显著的像素位置。利用式(11)和上述检测边界的方法可以计算出预混气体爆炸火焰在窗口的二维投影温度分布，即瓦斯爆炸火焰的温度等温线，如图1。

图1 火焰温度场分布图Fig.1 Flame temperature field distribution

另外，将计算的爆炸火焰平均温度与热电偶测量的实验结果进行比较(如图2)，发现两者曲线规律较为接近，从而验证计算温度方法的正确性和可行性。实验结果表明火焰前缘温度在刚开始时急剧上升，然后上升速率逐渐减慢，直至达到最高温度，并在最高温度保持稳定一段时间后开始下降。并且火焰前沿的化学反应最强烈，在大量离子的作用下使得反应物在火焰前沿不能完全反应并成团聚集，导致达到最高温度的时间滞后于火焰前沿。该方法克服了热电偶只能在单点测量温度和红外摄像机成像速度慢的缺点，从火焰图像中获得瓦斯爆炸温度场，可广泛应用于爆炸火焰传播领域，为瓦斯爆炸规律的研究提供理论基础。

图2 测量和计算的火焰温度曲线图Fig.2 Measured and calculated flame temperature curves

1.2 基于图像处理的瓦斯爆炸火焰传播速度分析

研究瓦斯爆炸火焰的动态变化常采用火焰速度测量系统和粒子图像测速法(PIV法) 测量火焰传播速度和用高速摄影技术拍摄瓦斯火焰传播特征。利用高速摄影技术可以直观观测火焰传播规律，但由于爆炸过程中火焰速度极端不稳定和火焰结构不断变化，因此很难对火焰传播规律进行量化。目前一些研究人员开始采用图像处理的方法分析瓦斯爆炸火焰传播规律，但其测量和计算的主要是火焰前锋传播速度，本文将采用图像相关系数法计算和分析瓦斯爆炸过程中火焰速度的动态变化特征。首先对原始图像进行预处理，把图像四周受影响的边缘部分进行裁剪，从而减少误差，如图3。

图3 相邻两张瓦斯爆炸火焰图像预处理前后对比Fig.3 Comparison of two adjacent flame images of gas explosion before and after preprocessing

假设火焰传播速度为80m/s，火焰完全穿过视窗的时间为2.5ms，但高速摄影机采样周期为0.5ms，满足采样定理的要求，故所得数据才更加真实可靠。采样定理是指当采样频率不小于信号中最高频率的2倍时，采样后的数字信号可以完整的保留原信号的信息，公式表示为：

f

≥2

f

(12)

式中：

f

—采样频率；

f

—信号频率。若取Δ

T

为采样时间间隔，则：

(13)

由于采样频率很高，相邻2张图像中的火焰像素及形状变化极小，则可假设瓦斯爆炸火焰传播过程中相邻2幅图中相同位置的亮度和形状保持不变，然后分别对相邻2幅图像进行裁剪(如图4)，得到2幅图像在裁剪过程中的相关系数。数字图像实质上是一个整数矩阵，矩阵中的每个元素即代表相应的图像像素：

(14)

假设图像大小和灰度值域是有限的，则可将图像

f

(

x

,

y

)和

g

(

x

,

y

)的相关系数定义为：

(15)

式中：

r

—相邻2图像的相关系数；

σ

—2个矩阵的协方差；

σ

σ

—分别为阵的均方差。

(16)

图4将火焰反向传播时相邻的2幅图像，分别将第一幅图像右侧和第二幅图像左侧沿着单位长度(图像中的单位像素)同时进行裁剪，裁剪的单位像素列数分别记为1，2，…，

N

，…，[

N

/2]，每裁剪单位像素就求取2幅图的相似系数

σ

，

σ

，…，

σ

，…，

σ

/2。若裁剪单位像素列数为

N

时得到2幅图的相关系数最大，即为：

σ

=max[

σ

],

i

=1,2,…,[

N

/2]

(17)

式中：

N

—火焰在图像中运动的像素距离。

图4 相邻2帧火焰传播图像的裁剪Fig.4 Cropping of flame propagation images of two adjacent frames

由于事先无法确定火焰传播方向，需将正反方向裁剪图像的相关系数进行计算并找出最大相关系数，相关系数一般呈现先增后减的趋势，当其达到最大时，其像素将代表火焰位移的缩影，但需要用系数

k

转换为实际位移(Δ

L

)，从而求解火焰在整个传播过程中任意部分的火焰传播速度，其计算公式为：

v

=Δ

L

/Δ

t

=

N

k

/Δ

t

(18)

本文采用上述方法计算了甲烷浓度分别为8%、9.5%和11%时的火焰动态传播速度，揭示了甲烷在管道中爆炸时的火焰传播规律。由图5可看出火焰经历一个不稳定的传播过程，其经历4个阶段，即连续加速、减速、反向加速和减速。这是因为管道两端为封闭状态，火焰撞击管道一端后反弹回来，因此火焰存在反向传播，并持续振荡，火焰反向速度有时大于前进速度。另外，由图5中可以看出9.5%甲烷的最大速度低于8%和11%甲烷的最大速度，不同甲烷浓度下火焰加速机理可能存在细微差异，即8%和11%的爆炸在火焰波初始阶段的加速能力可能高于9.5%，而9.5%甲烷在后一阶段时其未燃混合物的燃速较高。

图5 不同甲烷浓度下的火焰速度Fig.5 Flame velocities at different methane concentrations

火焰是立体传播，为了更加细观研究瓦斯爆炸火焰的传播规律，又针对火焰图像分别进行纵向和横向的裁剪等分计算(如图6)，然后计算出不同部分的火焰传播分速度变化。通过分析图像等分后速度的变化趋势发现其变化趋势与整体速度变化较为符合，从而验证相关系数法的正确性。另外通过对其横向和纵向等分计算结果分析发现前方火焰传播速度有滞后性，且各部分由于受压力、化学动力影响较大，其分速度变化规律也各不相同。该图像细化处理方法为研究瓦斯爆炸火焰传播速度提供新思路。

图6 图像2等分和4等分示意Fig.6 Image 2 bisection and 4 bisection schematic

1.3 瓦斯爆炸火焰分形特性研究

甲烷爆炸是一个复杂的物理化学过程，且对其进行定量分析十分困难。分形维数的变化率可以定量地反映爆炸化学反应强度，但目前对甲烷爆炸火焰几何分形特性研究主要集中在分形维数1～2之间，很少考虑分形维数在2～3之间的问题。故本文采用高速摄像机拍摄5种甲烷浓度(8%、9.5%、9.7%、10%、11%)爆燃火焰图像，并利用分形理论对火焰图像分析，从而研究火焰传播规律。

对于二维图像，可以将像素的灰度作为其空间深度，从而形成三维空间，因此可以将基于三棱柱表面积的分形维数方法引入二维图像的研究中。选取一些正方形(

δ

×

δ

)覆盖一幅二维数字图像，通过正方形

h

(

i

,

j

)、

h

(

i

,

j

+1)、

h

(

i

+1,

j

)、

h

(

i

+1,

j

+1)4个顶点的灰度值确定A、B、C、D的位置(如图7)。通过公式(19)计算正方形中心的灰度值并根据4点的位置确定E点位置：

(19)

图7 TPSA方法示意图Fig.7 Schematic diagram of TPSA method

三角形ABE的面积为：

(20)

式中：

l

=(

a

+

b

+

c

)/2；

同理计算三角形ACE、CDE、BDE的面积，则总面积可表示为：

S

,=

S

+

S

+

S

+

S

(21)

对于二维数字图像，3个棱柱形的总表面积可表示为:

(22)

式中：

N

(

δ

)—覆盖整个二维数字图像的方格数。在分形几何中，TPSA与正方形边长和二维图像分形维数(D)之间存在如下关系:

S

(

δ

)∝

δ

2-

(23)

D

=2-

b

(24)

根据TSPA的定义可知，火焰表面分形维数

D

表示图像中每个像素的灰度值不同。

D

值越大，爆炸图像各区域均匀性较差，火焰表面复杂程度高，瓦斯爆炸反应更加强烈。因此对火焰表面图像分形维数的研究有助于了解甲烷爆炸火焰的内部化学反应强度。本文计算不同浓度甲烷爆炸图像的分形维数，由实验可知不同甲烷浓度下传播火焰的分形维数呈现出相似变化规律，即分形维数变化率在振荡前先达到一个正的最大值，然后逐渐趋于0。不同甲烷浓度最大维数变化规律则(见表1)为

D

>

D

>

D

>

D

>

D

，则当甲烷浓度接近化学计量浓度时，分形维数更接近2.293 7，爆炸反应最为强烈，这对甲烷爆炸中火焰传播的动力学特性有一定的指导意义。

表1 火焰分形维数Tab.1 Fractal dimension of flame

1.4 瓦斯爆炸化学动力学分析

化学动力学计算软件CHEMKIN为研究瓦斯爆炸机理及其影响因素提供一种有效的方法。本文基于CHEMKIN III Pro详细机理(GRI-Mech3.0)进行瓦斯爆炸化学动力学分析，研究气体爆炸产物自由基的种类，并对关键的基元反应进行敏感性分析，找出可能抑制瓦斯爆炸反应的方法。

物种方程建立如下所示：

(25)

式中：

Y

和

W

—分别表示物种

i

的质量分数和分子量；

v

—混合物的比热容；

k

—物种总数；

(26)

式中：

N

—反应步骤数；

X

—物种

j

的摩尔分数；

t

—时间；

k

—基本反应步骤

k

的正反应速率常数，

k

可由Arrhenius函数给出：

(27)

式中：

A

和

b

—分别为正反应

k

的指前因子和热常数；

T

—混合物温度；

E

—反应

k

的活化能；

R

—混合气体常数。

由于反应器内气体与外界隔离，因此处于绝热状态。能量方程可建立为：

(28)

式中：

c

—恒容比热容；

e

—内能。假设变量

Z

表示为：

(29)

式中：

Z

=(

Y

,

Y

,…

Y

)为物种

k

的质量分数；

a

=(

A

,

A

,…

A

)表示指前因子。随着反应值的变化，相应的质量分数也随之变化。敏感性分析是确定物种组分的变化程度，该变化程度依赖于

a

值，其敏感性系数可表示为:

(30)

气体爆炸过程中，化学链式反应以O、H及OH自由基为主，这些自由基的化学反应速率决定了爆炸火焰的传播速度和严重程度，本文研究了CH初始浓度对自由基生成量的影响，结果表明3种自由基生成浓度均在不同CH初始浓度下都先出现一个突变峰，而后下降到一个稳定值。这是因为自由基浓度的突变是气体热解的结果，早期链式反应在高温下会产生大量自由基，但随着链式反应的进行，一些自由基被消耗掉，故呈现下降趋势直至稳定。图8显示3种自由基最终生成浓度与CH初始浓度的关系。结果表明，自由基最终浓度与CH初始浓度呈倒U型关系，CH初始浓度在10%左右时，O和OH自由基的浓度均达到最大值，而H自由基的最终浓度则随着CH初始浓度的增加而增大。

图8 自由基最终浓度与初始CH4浓度关系图Fig.8 Relationship between final concentration of free radicals and initial concentration of CH4

图9 主要自由基的关键基元反应分析Fig.9 Reaction analysis of key elements of major free radicals

2 煤尘爆炸特性研究

2.1 影响煤尘爆炸的因素分析

传统煤尘爆炸通常采用煤粉粒径、质量浓度作为自变量来研究，忽略了煤粉中灰分、挥发分等自身因素不同对其影响。因此本文根据煤粉爆炸当量比概念，结合工业分析中各煤样中灰分的含量，得出化学计量比浓度与实际煤粉质量浓度的对应关系，从而研究不同当量比浓度对煤粉爆炸火焰传播的影响。

图10(a)为不同当量比下煤粉火焰传播压力变化图，可以看出，对于无烟煤(ZX)，最大爆炸压力(

P

)随着当量比(

Φ

)的增大而增大，而对于褐煤(GC)在当量比

Φ

=2.5和

Φ

=3的条件下，各测点最大爆炸压力要低于其他的当量比情况。这是因为褐煤所含挥发分较高，随着当量比增大，挥发分的燃烧释放热量要用来加热其他未燃煤粉颗粒，故其最大爆炸压力反而下降。图10(b)是不同当量比下煤尘爆炸平均火焰传播速度变化图，可以发现对于无烟煤，其平均火焰传播速度在较低的当量比下(

Φ

=0.7)较快，而烟煤和褐煤在当量比

Φ

=1和

Φ

=2时的平均火焰传播速度要高于其他情况。从最大压力分布和爆炸火焰平均传播速度可以看出，对于不同的煤尘颗粒，在最佳当量比的2倍左右时可以达到最大爆炸压力和最大火焰传播速度，说明此时爆炸强度最大。

图10 不同当量比下煤粉火焰传播压力及速度Fig.10 Propagation pressure and velocity of pulverized coal flame at different equivalence ratios

挥发分作为煤粉另一重要组成物质，可以用来表征煤粉的爆炸程度大小，为比较含有不同挥发分煤样的爆炸严重程度，本实验取各煤样沿管道的最大爆炸压力和最大传播速度作为煤样的最大爆炸参数。图11(a)是煤尘最大爆炸压力与镜质组反射率的关系图，可以看出褐煤的最大爆炸压力要低于烟煤，烟煤的最大爆炸压力又高于无烟煤，即最大爆炸压力整体上的趋势是烟煤>褐煤>无烟煤。从褐煤到无烟煤，煤尘的挥发分逐渐减低。图11(b)为煤尘最大火焰传播速度与镜质组反射率的关系图，发现火焰传播速度也是随着煤化程度的增加呈先增大后减小的趋势。

2.2 煤尘爆炸产物分析

煤尘爆炸后固体残留物能够反应爆炸过程中粉尘参与反应的信息，煤粉颗粒在爆炸过程中会受热发生化学反应，其表面结构以及大分子官能团均发生改变。本文通过工业分析、SEM电镜扫描、红外光谱分析等方法研究煤尘爆炸前后的物理化学变化，并利用气相色谱仪分析爆炸生成气体的种类和浓度，为煤粉爆炸的防治研究起到基础作用。

图11 煤粉爆炸最大压力和速度与镜质组反射率关系Fig.11 Relationship between the maximum pressure and velocity of pulverized coal explosion andvitrinite reflectance

通过对不同煤样在20L爆炸球内爆炸前后工业分析参数对比发现挥发分变化规律为：无烟煤<高变质程度烟煤<低变质程度烟煤；然而固定碳含量的减少与煤样变质程度相关性并不明显，所有煤样的碳含量普遍减少在40%以上。煤粉爆炸后不仅自身因素发生改变，其表面结构也有变化，通过对煤样进行SEM分析可以看出其爆炸残留物均呈近球形的结构，部分颗粒有烧蚀的孔洞，结构多不完整，其中烟煤残留物的表面孔洞最多，如图12。

图12 烟煤爆炸前后SEM图片Fig.12 SEM images of bituminous coal before and after explosion

煤尘爆炸特征与挥发分有关，挥发分的析出来自煤粉大分子中各官能团的热解，可以将官能团作为表征参数来探究煤粉爆炸反应微观机理。图13(a)为无烟煤(SH)爆炸前后红外光谱图，可以看出除了背景光谱CO导致的峰比较突出外，爆炸前后各峰位基本相同。图13(b)为烟煤(YW)爆炸前后的红外光谱图，发现含氧官能团谱带(1 200-1 430cm)爆炸前主峰1 430cm右边有几个较弱肩峰，爆炸后基本重叠或者消失，分别是芳基醚中C-O、CH-C=O和CH-Ar变形振动，脂肪结构(2 800-3 000cm)则在爆炸前的煤样中有产生明显的吸收峰，爆炸后基本消失。图13(c)可从红外光谱图中发现褐煤(MTG)含氧官能团谱带爆炸前在1 500cm左右有2个肩峰，而爆炸后合并成一个峰。

图13 爆炸前后官能团变化Fig.13 Changes of functional groups before and after explosion

煤粉爆炸后不仅有上述表面及微观结构的变化，也会产生大量气体，其中有些气体带有毒性会给人类带来危害，因此研究煤粉爆炸后的气体种类和浓度也是很有必要。本文利用气相色谱仪分析多种煤样爆炸后气体的种类和浓度，所测煤样种类，见表2。图14为煤尘爆炸后主要生成气体(N、O、CO)含量的变化规律，可以发现爆炸后气体中N浓度含量在80%左右，O浓度普遍低于16%，而CO浓度范围则为3.89%～8.63%。另外，SH、GZ、DSC、HL等无烟煤或高变质程度的烟煤爆炸后残留的O含量高于低变质程度的烟煤和褐煤，故煤化程度较高煤尘颗粒在爆炸过程中耗氧量要低于煤化程度低的煤尘颗粒。

表2 煤粉种类Tab.2 Types of pulverized coal

图14 煤尘爆炸后气体浓度Fig.14 Gas concentration after coal dust explosion

3 泡沫陶瓷抑制瓦斯爆炸的规律及机理研究

本文提出利用泡沫陶瓷对多次爆炸和连续爆炸抑爆的技术方法，并基于200mm×200mm的方形爆炸实验管道来探究泡沫陶瓷抑制瓦斯火焰传播的规律机理，实验主要选用AlO和SiC 2种类型泡沫陶瓷作为实验样品。图15即为添加50mm厚的AlO泡沫陶瓷后瓦斯爆炸火焰传播图，泡沫陶瓷则放置在距离点火端10.338m处。由图15可看出，火焰前锋在1.5ms时于视窗中出现，然后不断向右传播且火焰越来越亮。火焰前沿在20.5ms到达陶瓷表面之后，停留在陶瓷的表面上，并没有穿透，并且火焰亮度开始降低，说明泡沫陶瓷对于火焰传播起到抑制作用。

为了进一步探究泡沫陶瓷对瓦斯爆炸火焰抑制的作用，选取不同厚度和孔隙的AlO以及SiC泡沫陶瓷进行实验，从而得到其对瓦斯爆炸能量的影响规律图,如图16。结果表明，不同厚度的泡沫陶瓷具有不同的抑制效果。爆炸能量在泡沫陶瓷前有轻微的增加，然后随着冲击波通过泡沫陶瓷而衰减，而爆炸能量的突然上升可以归因于来自封闭端的反射波。在大多数情况下，AlO泡沫陶瓷具有较好的抑制性能。另外，孔隙大小对抑制爆炸能量也起重要作用，孔隙较大的泡沫陶瓷对爆炸能量有较好的抑制作用。

泡沫陶瓷由孔和支柱组成，骨架结构为三维网络结构，其抑制效果是通过器壁效应实现的。泡沫骨架在高温下与火焰相互作用后正在烧结，这意味着自由基和孔壁之间的剧烈碰撞。当火焰通过泡沫陶瓷时，与多孔壁碰撞的自由基被消除，大多数的化学链式反应被终止。此外，由于陶瓷中含有大量蜂窝细胞，燃烧火焰在通过时被迫与孔壁进行热交换，火焰热量散失温度开始迅速下降直至淬火温度以下，达到火焰淬熄，从而达到抑制火焰传播的目的。

图15 添加Al2O3泡沫陶瓷(50mm)爆炸火焰传播图像Fig.15 Flame propagation image of explosion with Al2O3 foam ceramic (50mm)

图16 Al2O3和SiC泡沫陶瓷对爆炸能量的抑制Fig.16 Suppression of explosive energy by Al2O3 and SiC foam ceramics

4 未来研究计划

将围绕瓦斯链式反应机理、煤尘宏细微观多尺度爆炸反应机制、极低浓度瓦斯掺混爆炸规律及利用、煤粉连续爆轰能电转化规律等方面开展研究：

(1)瓦斯链式反应机理及中间产物。探究瓦斯链式反应过程中化学键和自由基的变化规律，揭示爆炸过程中的链式反应机理及其中间产物的种类和特征。

(2)煤尘宏细微观多尺度爆炸反应机制及抑爆机理。分析煤中官能团、表面晶格结构和自由基浓度等参数变化，建立煤尘微观化学结构特征与煤尘爆炸性的相关关系，探究煤尘爆炸反应机制；研究多孔材料对于煤尘爆炸的抑制原理，探寻新型经济实用的抑爆技术。

(3)极低浓度瓦斯掺混爆炸规律及利用新方法。研究极低浓度瓦斯与不同助燃剂混合爆炸的特性参数及规律，分析极低浓度瓦斯和助燃剂掺混爆燃发电的能量转换效率和能量损失特征，提高极低浓度瓦斯的利用率；研究低浓度瓦斯和风排乏风瓦斯掺混催化剂利用新技术。

(4)煤粉连续爆轰能电转化规律。揭示易燃易爆剂与煤粉相互耦合引爆机理，构建能量转化模型，优化最佳技术参数，提出煤粉掺混爆轰发电技术，深入研究流态化开采过程的煤粉燃爆能电转化技术。

5 结论

本文主要针对瓦斯爆炸特性、煤尘爆炸特性以及泡沫陶瓷抑爆技术等方面开展实验，并对其宏观和微观机制变化规律进行探究，其主要研究结果如下：

(1)提出利用图像相关系数计算瓦斯爆炸火焰速度的方法，精细分析火焰动态传播特征；建立利用辐射测温原理计算温度场的数学模型并计算火焰传播过程的温度场。

(2)火焰分形维数可以定量地反映爆炸化学反应强度，不同甲烷浓度最大维数变化规律则为

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，当甲烷浓度接近化学计量浓度时，分形维数更接近2.293 7，爆炸反应最为强烈。

(3)煤粉爆炸后气体中N浓度含量在80%左右，O浓度普遍低于16%，而CO浓度范围则为3.89%～8.63%；煤化程度较高煤尘颗粒在爆炸过程中的耗氧量要低于煤化程度低的煤尘颗粒。

(4)采用泡沫陶瓷对瓦斯的多次爆炸和连续爆炸进行抑爆，发现孔隙较大的泡沫陶瓷对爆炸能量抑制效果更优；一般情况下，AlO泡沫陶瓷具有较好的抑制性能。

(5)在已有研究基础上，展望未来的研究方向。