多孔材料應(yīng)用于煤礦瓦斯阻隔爆的研究進(jìn)展

劉 旭，王亞軍，常 帥

(黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

多孔材料應(yīng)用于煤礦瓦斯阻隔爆的研究進(jìn)展

劉 旭，王亞軍，常 帥

(黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

瓦斯爆炸是我國(guó)煤礦的主要災(zāi)害之一，爆炸時(shí)火焰波和沖擊波的阻隔爆技術(shù)關(guān)系到災(zāi)害的擴(kuò)散及后續(xù)救援的難易程度。目前的瓦斯阻隔爆技術(shù)存在對(duì)湍流火焰無(wú)法完全抑制，對(duì)沖擊波不能起到減弱作用且存在一次爆炸后完全失效的問(wèn)題。在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)多孔材料的阻隔爆機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，對(duì)火焰波和沖擊波在多孔材料中的傳播數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬研究進(jìn)行總結(jié)，對(duì)可能應(yīng)用于煤礦井下的多孔材料材質(zhì)進(jìn)行篩選。在此基礎(chǔ)上，對(duì)應(yīng)用于煤礦井下的多孔材料研究的關(guān)鍵問(wèn)題提出了對(duì)策與建議。

煤礦；瓦斯；阻隔爆；多孔材料

瓦斯爆炸是煤礦的主要災(zāi)害之一，且瓦斯爆炸往往連續(xù)發(fā)生。因此，阻隔瓦斯爆炸的傳播是煤礦防治工作的重點(diǎn)。目前，煤礦井下的抑爆材料主要是水及惰塵等。由于爆炸火焰具有湍流流場(chǎng)的特征，導(dǎo)致現(xiàn)有的抑爆裝置有時(shí)會(huì)失效，無(wú)法完成多次防護(hù)任務(wù)。能夠同時(shí)滿足阻隔瓦斯爆炸的沖擊波、火焰波，且能抵御多次沖擊的多孔材料有望成為煤礦新型阻隔爆材料。

1 礦井阻隔瓦斯爆炸多孔材料的研究進(jìn)展

在礦井阻隔瓦斯爆炸方面已開(kāi)展研究的多孔材料包括金屬絲網(wǎng)、泡沫陶瓷、泡沫鐵鎳合金等[1]，研究者多以實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，從理論研究、數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬等方面對(duì)多孔材料的阻隔爆性能進(jìn)行研究。

1.1 理論分析

認(rèn)為多孔材料對(duì)火焰波的阻隔實(shí)質(zhì)是由于多孔介質(zhì)的孔隙率較高，火焰波通過(guò)多孔介質(zhì)時(shí)由于孔徑較小，有足夠厚度的情況下，火焰鋒面的活化分子在與材料固體壁面碰撞后使其銷毀，從而產(chǎn)生淬熄效應(yīng)。聶百勝等[2-3]認(rèn)為：當(dāng)爆炸火焰波進(jìn)入到多孔材料后，由于火焰在微孔中的拉伸導(dǎo)致其熱量損失，使火焰波在泡沫陶瓷內(nèi)發(fā)生焠熄。多孔材料中沖擊波的衰減是由初始爆炸波進(jìn)入材料后傳播時(shí)，由于材料中復(fù)雜的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致沖擊波在其中產(chǎn)生反射、散射現(xiàn)象，使其能量逐漸喪失，使爆炸前進(jìn)波不能產(chǎn)生周期反轉(zhuǎn)，和反射波不能相互干涉產(chǎn)生駐波，從而大大衰減沖擊波的應(yīng)力峰值[3]。郭長(zhǎng)銘[4]等證明多孔鋼板類材料既有吸收橫波、衰減爆轟波的作用，又有加強(qiáng)湍流和加快反應(yīng)促進(jìn)燃燒的作用，形成所謂的DDT現(xiàn)象。郭長(zhǎng)銘等還利用煙跡法得到了爆轟波經(jīng)過(guò)狹縫時(shí)材料胞格結(jié)構(gòu)的消失和恢復(fù)過(guò)程[5]。

從目前的研究成果看，多孔材料抑制火焰波/沖擊波的影響因素眾多，不但和自身的孔徑、厚度、導(dǎo)熱性等有關(guān)，且與爆炸的初始爆炸當(dāng)量、初始火焰速度和超壓有關(guān)。

1.2 實(shí)驗(yàn)研究

聶百勝[2]研究了泡沫陶瓷(Al2O3、SiC)對(duì)瓦斯爆炸傳播的阻隔影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明泡沫陶瓷對(duì)瓦斯爆炸具有較好的衰減效果。孫建華、魏春榮[6-7]等利用30 cm的正方形管道對(duì)不銹鋼金屬絲網(wǎng)、泡沫陶瓷產(chǎn)品(Al2O3、SiC)及兩者組合體、泡沫金屬進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為絲網(wǎng)與泡沫陶瓷組合體對(duì)沖擊波和火焰波的衰減效果優(yōu)于各自單體，發(fā)現(xiàn)多孔泡沫金屬的厚度、孔徑、體密度是影響火焰溫度衰減效果的重要因素。

從實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀看，研究者多使用自制設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。泡沫金屬因其高強(qiáng)度、阻隔效果好、耐沖擊，得到了社會(huì)的關(guān)注。

2 關(guān)鍵問(wèn)題與展望

綜上所述，由于多孔材料的優(yōu)越性能和良好的發(fā)展前景，眾多學(xué)者對(duì)多孔材料的阻隔爆性能進(jìn)行了研究。但若將多孔材料應(yīng)用到礦井的阻隔爆中還要對(duì)下述問(wèn)題進(jìn)行深入的研究。

2.1 粉塵的影響

在礦井環(huán)境中，煤礦巷道內(nèi)沉積大量的煤粉，爆炸發(fā)生瞬間會(huì)在沖擊波波前產(chǎn)生高速氣流，導(dǎo)致波前揚(yáng)塵的出現(xiàn)。隨著波前揚(yáng)塵先于火焰波/沖擊波到達(dá)多孔材料上，多孔材料的孔隙率、表面積、導(dǎo)熱性等參數(shù)也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，導(dǎo)致多孔介質(zhì)粹熄理論變得更加復(fù)雜，嚴(yán)重影響其作用的發(fā)揮，對(duì)爆炸事故的控制極為不利。因此，應(yīng)深入研究對(duì)于有粉塵參與的多相流在多孔材料中的傳播特性。

2.2 多次爆炸的影響

多孔材料作為新型的阻隔爆材料，其主要目的是在礦井發(fā)生多次爆炸時(shí)依然能夠發(fā)揮作用。泡沫鐵鎳合金在經(jīng)過(guò)一次爆炸波沖擊后，會(huì)發(fā)生一定的形變或破損。爆炸后多孔材料的殘余抗壓強(qiáng)度和殘余抗拉強(qiáng)度是否能滿足下一次沖擊波的沖擊，多孔材料的形變與抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系如何變化則不得而知，因此，應(yīng)深入研究爆炸次數(shù)與多孔材料阻隔爆性能之間的規(guī)律。

2.3 深入研究多孔材料中的傳熱傳質(zhì)機(jī)理

目前的研究多集中于對(duì)高溫火焰的抑制機(jī)理，對(duì)沖擊波和火焰溫度耦合作用未能深入研究。在微觀層面對(duì)多孔介質(zhì)的抑爆機(jī)制還沒(méi)有深入的研究。且由于粉塵的加入，對(duì)于氣固耦合的多相流在多孔材料中的傳熱傳質(zhì)機(jī)理尚未開(kāi)展研究。

2.4 深入開(kāi)展多孔材料抑爆的數(shù)值模擬研究

目前所采用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)氣體爆炸當(dāng)量較小，而應(yīng)用到井下時(shí)必然要增大材料的尺寸、增大爆炸的當(dāng)量，且多孔材料價(jià)格比較昂貴，無(wú)法開(kāi)展大規(guī)模實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展大尺寸條件下多孔材料的抑爆性能研究勢(shì)在必行。

3 結(jié)論

多孔材料可同時(shí)抑制爆炸火焰波和沖擊波的傳播，有可能成為井下阻隔爆的新型材料。應(yīng)用到煤礦井下時(shí)，必須考慮到井下的粉塵、多次爆炸對(duì)多孔材料的阻隔爆性能變化的影響，氣固耦合的多相流在多孔介質(zhì)中的傳播特性等問(wèn)題。此外，還應(yīng)從材料角度進(jìn)行改進(jìn)，提高材料的阻火、降壓性能，降低生產(chǎn)成本。

[1] 魏春榮，徐敏強(qiáng)，王樹(shù)桐．多孔材料抑制瓦斯爆炸火焰波的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，42(02)：206-213.

[2] Baisheng Nie, Xueqiu He, Ruming Zhang,et al．The roles of foam ceramics in suppression of gas explosion overpressure and quenching of flame propagation[J]．Journal of Hazardous Materials，2011，(192)：741-747.

[3] 張金鋒，鄭艷敏，孫忠強(qiáng),等．多孔材料對(duì)瓦斯爆炸傳播影響規(guī)律的研究[C]//2012(沈陽(yáng))國(guó)際安全科學(xué)與技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，2012.

[4] 邢志祥，張成燕．多孔材料在阻隔防爆中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]．工業(yè)安全與環(huán)保，2013，39(12)：30-33.

[5] C Guo,G Thomas,JLi,D Zhang.Experimental study of gaseous detonation propagation over acoustically absorbing walls[J].Shock Waves，2002，(11)：353-359.

[6] SUN J H,WEI C R. The comparative experimental study of the porous materials suppressing the gas explosion[C]//HE Xue-qiu, MITRIH, AZIZN. Progress on Mine Safety Science and Engineering. Beijing Elsevier Ltd，2011.

[7] 張如明．泡沫陶瓷隔爆棚抑制瓦斯爆炸的機(jī)理及數(shù)值模擬研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2012.

Research progress and prospect of porous materials applied to gas explosion suppression and isolation in coal mine

LIU Xu, WANG Ya-jun, CHANG Shuai

(School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150022, China)

Gas explosion is one of the main disasters in coal mines. The explosion suppression and isolation for flame and shock wave is directly related to the spread of the disaster and the difficulty of the subsequent rescue. The current problems of flame-proof for gas are that it cannot control the turbulence flame, cannot have attenuation effect of shock wave and the materials will failure after exploded. Based on sufficient investigation of literatures published in home and abroad, the paper reviewed the status quo of mechanism and experiment of porous materials for explosion suppression and isolation, summarized the mathematical models and numerical simulations of flame wave and shock wave spreading in porous materials, and filtrated the possible material applied in coal mine. Countermeasures and suggestions are put forward for the key problems of the porous materials probably applied in coal mine.

Coal Mine; Gas; Explosion suppression and isolation; Porous materials

X936

： A

： 1674-8646(2017)16-0148-02

2017-05-25

劉旭(1995-)，男，大學(xué)。