礦井煤塵爆炸及抑爆技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

杜雙利，張 玉，張 歡，3，秦宇輝，陶文飛

（1.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024； 2.華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000； 3.山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)具有煤塵爆炸危險(xiǎn)的煤礦高達(dá)60%以上。眾所周知的1942年本溪煤礦煤塵爆炸，死亡1 549人、受傷246人；1993年10月18日，徐州市煤炭工業(yè)公司大劉煤礦發(fā)生了一起重大煤塵爆炸事故，造成40人死亡、4人受傷；2021年12月15時(shí)，黑龍江加格達(dá)奇區(qū)發(fā)生一起煤塵閃爆事故，造成4人重傷、4人輕傷。以上數(shù)據(jù)表明，近幾年發(fā)生的煤塵爆炸事故死亡和受傷人數(shù)雖然明顯減少，但仍有發(fā)生，煤塵爆炸的相關(guān)研究工作仍然迫在眉睫。本文從煤塵爆炸機(jī)理、爆炸特性、爆炸傳播規(guī)律以及抑爆技術(shù)四個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有成果進(jìn)行總結(jié)，以期為抑爆材料的開(kāi)發(fā)提供新的研究思路。

1 煤塵爆炸特性研究

煤塵爆炸特性是從數(shù)值上對(duì)煤塵爆炸生成及發(fā)展過(guò)程中的各項(xiàng)物理指標(biāo)進(jìn)行表征[1-3]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要是從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的角度研究瓦斯含量、煤塵粒度、濃度以及揮發(fā)分等對(duì)煤塵爆炸極限氧濃度、爆炸壓力以及壓力上升速率等的影響。

Wang Yan等[4-5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究發(fā)現(xiàn)煤粉中添加甲烷能提高煤塵的爆炸壓力，且甲烷煤塵混合爆炸壓力隨煤塵和甲烷濃度的增加均呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)。李潤(rùn)之等[6-7]采用20 L球形爆炸裝置測(cè)試系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，瓦斯參與下的煤塵爆炸下限隨瓦斯?jié)舛鹊脑黾佣鴾p小，且瓦斯?jié)舛却嬖谂R界點(diǎn)。王博等[8-9]通過(guò)數(shù)值模擬研究得出，煤塵最大爆炸壓力隨著煤塵粒徑的減小而變大。裴蓓等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)煤塵的爆炸壓力和超壓上升速率隨著甲烷分?jǐn)?shù)的增加而增大。屈姣等[11]通過(guò)Godbert-Greenwald加熱爐和20 L近球形爆炸裝置研究發(fā)現(xiàn)，褐煤煤云層的最低著火溫度隨煤塵粒徑的減小而減小，褐煤—空氣最大爆炸壓力隨著點(diǎn)火時(shí)間延遲的增大先增大后減小。Liu Qingming等[12]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)煤塵爆炸裝置與煤粉粒度和煤塵濃度密切相關(guān)，且不同煤塵的最佳爆炸濃度為370～480 g/m3。Li Qingzhao等[13]通過(guò)20 L球形爆炸裝置實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，CH4、空氣、煤塵混合物的爆炸參數(shù)（如爆炸超壓和超壓上升速率）隨混合物中甲烷含量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且在甲烷體積分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)出現(xiàn)峰值。Ajrash等[14]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，提高點(diǎn)火能量能顯著增大甲烷、煤塵混合物的壓力波。近年來(lái)，煤塵爆炸特性研究方面取得了豐碩的成果，但還需對(duì)多因素及特殊環(huán)境下的煤塵爆炸特性進(jìn)行深入研究，且現(xiàn)有研究仍無(wú)法從本質(zhì)上揭示煤塵爆炸的致災(zāi)過(guò)程，還未形成完整的理論框架，仍需大量工作。

2 煤塵爆炸機(jī)理研究

煤塵爆炸過(guò)程涉及復(fù)雜的物理、化學(xué)、動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)變化等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要是通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)分析表征儀器分析爆炸過(guò)程中各物種的變化情況，進(jìn)而對(duì)爆炸機(jī)理進(jìn)行推測(cè)[15-17]。宋春香等[18-20]的研究結(jié)果表明，煤質(zhì)成分對(duì)煤塵爆炸有顯著影響，煤塵爆炸最大壓力及最大壓力上升速率均隨著揮發(fā)分含量的升高而增大。來(lái)誠(chéng)鋒等[21]認(rèn)為，煤塵爆炸實(shí)質(zhì)上是氣體爆炸，且煤粉爆炸強(qiáng)度隨著煤粉末揮發(fā)分含量的增高而增強(qiáng)。李延鴻[22]認(rèn)為，煤塵受熱后，表面能量增加，其表面的分子由于熱解或干餾作用變成氣體分散在煤塵周圍，與空氣形成爆炸性氣體，從而發(fā)火燃燒，燃燒產(chǎn)生熱能，使煤塵產(chǎn)生更多的氣體，如此循環(huán)反復(fù)。司榮軍等[23-24]認(rèn)為，煤塵爆炸鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的關(guān)鍵在于強(qiáng)的自由基，而強(qiáng)的自由基是由于熱反應(yīng)產(chǎn)生，因此，熱反應(yīng)和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)共同作用下導(dǎo)致了煤塵爆炸。冷杰宣等[25〗認(rèn)為，當(dāng)溫度達(dá)到300～400 ℃時(shí)，煤的表面通過(guò)干餾析出可燃性氣體（甲烷、乙烷等烷烴類化合物以及氫等可燃性氣體），這些可燃性氣體與空氣混合燃燒放熱，形成活化中心，當(dāng)能量達(dá)到一定程度后，引發(fā)鏈反應(yīng)，產(chǎn)生大量自由基，形成了粒塵的閃燃，閃燃釋放的熱量傳給鄰近的煤塵，燃燒范圍逐漸增大，一定臨界條件下燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)楸āＣ簤m非均相著火機(jī)理如圖1所示。

圖1 煤塵非均相著火機(jī)理示意Fig.1 Diagram of coal dust heterogeneous ignition mechanism

針對(duì)異常復(fù)雜的煤塵爆炸過(guò)程，實(shí)驗(yàn)手段由于風(fēng)險(xiǎn)高、投入大以及周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，科研工作者又將目光轉(zhuǎn)向了計(jì)算模擬。錢(qián)亞男[26]指出反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)和密度泛函理論相結(jié)合，不僅可以得到爆炸過(guò)程可能存在的反應(yīng)路徑，還可以精確獲得各路徑的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)，是揭示煤塵爆炸微觀反應(yīng)機(jī)理的新途徑。盧楠等[27]通過(guò)量子化學(xué)計(jì)算方法對(duì)煤結(jié)構(gòu)中模型分子的局部片段進(jìn)行了研究，結(jié)果表明煤塵的化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)自由基的生成更有利，更容易引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從分子的角度闡明了瓦斯煤塵爆炸過(guò)程中煤塵引爆瓦斯的機(jī)理。

目前，盡管國(guó)內(nèi)外專家在煤塵爆炸機(jī)理方面展開(kāi)了大量工作，但對(duì)于復(fù)雜的瓦斯煤塵爆炸鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理及中間產(chǎn)物的研究非常缺乏。此外，現(xiàn)有成果對(duì)煤塵二次爆炸以及揚(yáng)塵方面的機(jī)理研究甚少，尚未形成完整的理論框架。因此，采用分子模擬方法從微觀角度進(jìn)一步研究煤塵爆炸機(jī)理是安全領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。

3 煤塵爆炸傳播規(guī)律研究

煤塵爆炸的范圍對(duì)礦井設(shè)施及礦井人員生命安全至關(guān)重要，煤塵爆炸火焰和沖擊波傳播特性是體現(xiàn)煤塵爆炸強(qiáng)度的重要參數(shù)[28-31]。景國(guó)勛等[32]通過(guò)爆炸腔體和方形斷面管道實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)爆炸火焰區(qū)的傳播距離比原始煤塵積聚區(qū)長(zhǎng)度長(zhǎng)。李雨成等[33]采用小尺度玻璃管實(shí)驗(yàn)裝置研究發(fā)現(xiàn)低變質(zhì)煤塵爆炸的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，傳播距離遠(yuǎn)。Liu Yi等[34]的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)瓦斯可以明顯提高煤塵爆炸的火焰?zhèn)鞑ニ俣群妥罡呋鹧鏈囟取⒘x[35]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析得出，在一定的濃度范圍內(nèi)，煤塵爆炸過(guò)程中甲烷和煤塵中揮發(fā)分含量越多、煤塵粒徑越小，復(fù)合火焰的傳播速度越快。此外，甲烷煤塵混合爆炸的火焰結(jié)構(gòu)呈“月牙—S—下凹月牙—指尖”形狀（圖2）。

圖2 甲烷煤塵混合爆炸火焰結(jié)構(gòu)特征Fig.2 Flame characteristics of methane-coal dust explosion

Cao Weiguo等[36]為揭示煤塵爆炸過(guò)程中火焰?zhèn)鞑バ袨楹蜔彷椛湫?yīng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)半封閉垂直燃燒管中的煤塵爆炸現(xiàn)象展開(kāi)研究，結(jié)果表明煤塵中揮發(fā)分含量越高，火焰?zhèn)鞑サ酶?，溫度也更高。趙懿明等[37]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x、傳播速度隨著點(diǎn)火能量的增大而變遠(yuǎn)、變快。段新偉等[38]利用半封閉垂直管道爆炸裝置研究了瓦斯煤塵混合爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律，發(fā)現(xiàn)煤塵的加入顯著增大了瓦斯爆炸的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋颐簤m質(zhì)量濃度和瓦斯體積分?jǐn)?shù)存在最佳配比，偏離這個(gè)配比，火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆?。牛宜輝[39]采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究發(fā)現(xiàn)，角聯(lián)管網(wǎng)中瓦斯參與的煤塵爆炸產(chǎn)生的火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?、持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)且波及范圍更廣。景國(guó)勛等[40]發(fā)現(xiàn)障礙物誘導(dǎo)的湍流區(qū)可以促進(jìn)火焰的傳播，因而顯著提高了瓦斯煤塵的火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

綜上所述，目前對(duì)煤塵爆炸傳播規(guī)律的研究已開(kāi)展了大量的工作，且成果豐富，為煤塵爆炸的防治打下了良好的基礎(chǔ)。但目前大多實(shí)驗(yàn)在模擬管道中進(jìn)行，與實(shí)際礦井在空間尺度以及環(huán)境等方面存在差異，實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論如何在實(shí)際礦井中能夠發(fā)揮作用，還有待繼續(xù)深入研究。

4 煤塵爆炸抑爆技術(shù)研究

煤塵抑爆技術(shù)根據(jù)其作用機(jī)理可分為物理抑爆、化學(xué)抑爆和物理化學(xué)抑爆。物理抑爆是指通過(guò)添加物稀釋氧濃度、隔絕熱傳導(dǎo)以及失去結(jié)晶水吸熱等方式抑制煤塵爆炸傳播（如SiO2、巖粉）。化學(xué)抑爆是指通過(guò)吸收爆炸過(guò)程中的中間體和自由基達(dá)到抑爆的目的（如NaCl、KCl）。物理化學(xué)抑爆則指的是通過(guò)物理抑爆和化學(xué)抑爆相結(jié)合的方式阻止煤塵爆炸（如ABC粉、NaHCO3）。近年來(lái)，關(guān)于煤塵抑爆劑的研究有了長(zhǎng)足的發(fā)展。

劉建國(guó)[41]根據(jù)煤塵爆炸機(jī)理，提出可通過(guò)5種方式抑爆（圖3）。①通過(guò)噴灑抑塵劑、水等方式抑制煤塵發(fā)展為煤塵云；②通過(guò)吸收外界熱量（如噴灑吸熱型粉體抑爆劑）使得煤塵云無(wú)法析出大量的揮發(fā)性氣體而抑爆；③通過(guò)控制井下明火阻止煤塵被點(diǎn)燃；④通過(guò)控制第1次爆炸產(chǎn)生的熱量傳播阻止煤塵第2次爆炸（如懸掛隔爆水棚）；⑤通過(guò)對(duì)爆炸產(chǎn)生沖擊波的控制使得粉塵云無(wú)法形成而抑爆。

圖3 井下煤塵抑爆途徑Fig.3 Coal dust suppression approach

余明高等[42]通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段研究了改性高嶺土對(duì)瓦斯—煤塵爆炸的影響，發(fā)現(xiàn)改性高嶺土不僅改善了高嶺土的團(tuán)聚現(xiàn)象，同時(shí)提升了高嶺土的熱解與抑爆性能。Song Yifan等[43]在研究巖粉對(duì)沉積煤塵與瓦斯混合爆炸的影響中發(fā)現(xiàn)，巖粉粒徑越小，對(duì)爆炸抑制作用越明顯。Wang Huangxiang等[44]通過(guò)數(shù)值模擬方法建立了惰性粉末抑制煤塵爆炸的數(shù)學(xué)模型。Aazm等[45]通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究了粉塵粒徑和濃度與惰化用巖粉之間的關(guān)系，結(jié)果表明煤塵粒徑越小、巖粉粒徑越大，煤塵爆炸所需的惰化用巖粉的比例就越大。李杰[46]對(duì)CO2—超細(xì)水霧的抑爆機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)CO2的稀釋和超細(xì)水霧限制煤塵揮發(fā)分的析出，從而達(dá)到降低煤塵爆炸強(qiáng)度的效果。王相[47]通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法制備了碳酸氫鈉—貝殼粉復(fù)合抑爆劑，并對(duì)不同揮發(fā)分含量煤塵的抑爆機(jī)制進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)惰性粉體對(duì)低揮發(fā)分煤塵抑制效果較好，而活性抑爆劑對(duì)高揮發(fā)分煤塵的抑制效果更好。李振峰等[48]通過(guò)研究細(xì)水霧對(duì)煤塵爆炸的抑制作用發(fā)現(xiàn)，細(xì)水霧作用下，煤塵火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小、火焰溫度降低。陳彪等[49]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超細(xì)水霧可以使瓦斯煤塵復(fù)合爆炸超壓上升速度減慢，且煤塵濃度的增加使水霧的臨界抑爆濃度先增后減。黃子超[50]基于雙紫外爆炸信息感光技術(shù)，研制了適用于煤塵爆炸的主動(dòng)抑爆減災(zāi)系統(tǒng)。李孝斌等[51]采用改進(jìn)的20 L球形爆炸裝置（圖4）建立了尿素抑制甲烷爆炸的宏觀爆炸特性與微觀反應(yīng)機(jī)理之間的關(guān)系，為煤塵抑爆技術(shù)的發(fā)展提供了新的方

圖4 改進(jìn)的20 L球形爆炸裝置Fig.4 20 L spherical explosive device

向。

目前，由于成本、應(yīng)用效果以及政策等原因，我國(guó)對(duì)煤塵爆炸的控制措施仍以懸掛隔爆水袋、沙袋和灑水等為主，不僅浪費(fèi)了大量水資源，而且抑爆效果有限。因此，研發(fā)價(jià)格低廉、效果顯著、使用便捷的煤塵抑爆材料是當(dāng)前急需開(kāi)展的工作。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）現(xiàn)有煤塵爆炸特性研究仍無(wú)法從本質(zhì)上揭示煤塵爆炸的致災(zāi)過(guò)程，還未形成完整的理論框架，需結(jié)合爆炸機(jī)理，建立煤塵宏觀爆炸特性與微觀反應(yīng)機(jī)理之間的聯(lián)系。此外，需對(duì)多因素和特殊環(huán)境下的煤塵爆炸特性進(jìn)行深入研究。

（2）目前，關(guān)于煤塵爆炸鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過(guò)程中化學(xué)鍵和中間產(chǎn)物變化規(guī)律的研究較少，缺乏復(fù)雜煤塵爆炸的全景式分子作用機(jī)制；此外，現(xiàn)有成果對(duì)煤塵二次爆炸以及揚(yáng)塵方面的機(jī)理研究甚少，需借助反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)和量子化學(xué)計(jì)算方法，從分子層面揭示煤塵爆炸微觀反應(yīng)機(jī)理。

（3）煤塵爆炸傳播規(guī)律的研究大多在模擬管道中進(jìn)行，如何將實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論更好地應(yīng)用于實(shí)際礦井環(huán)境亟須進(jìn)一步研究；此外，多因素耦合作用（如高溫、氣體參與及沖擊波等）下的傳播規(guī)律尚缺乏系統(tǒng)性研究。

（4）研發(fā)價(jià)格低廉、效果顯著、使用便捷的煤塵抑爆材料是當(dāng)前急需開(kāi)展的工作。然而，煤塵爆炸的抑爆過(guò)程也極其復(fù)雜，需從本質(zhì)上明確抑爆材料的作用機(jī)理，才能有針對(duì)性地為新型高效抑爆材料的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)。