煤塵爆炸的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

羅振敏，劉榮瑋, 程方明,蘇 彬，康曉峰

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054； 2.陜西省煤火害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

煤塵爆炸是礦井五大災(zāi)害之一，嚴(yán)重影響著礦井生產(chǎn)安全和礦工作業(yè)安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，在全世界每年發(fā)生的各類粉塵爆炸事故中，煤塵爆炸事故約占9%，而在中國這一比例更是高達(dá)35%。由于我國依然是最依賴煤炭的國家，我國的能源格局是多煤、少氣、缺油，煤炭資源將在未來很長一段時間仍將占據(jù)我國能源的主導(dǎo)地位[2]。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，煤礦開采的機(jī)械化、自動化程度不斷提高，礦井工作人員安全管理能力和安全意識不斷增強(qiáng)，重特大事故的發(fā)生頻率顯著下降，但由煤塵爆炸導(dǎo)致的較大及一般事故仍時有發(fā)生。因此，做好煤塵爆炸的研究工作具有重要意義。

1 煤塵的爆炸機(jī)理研究

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對煤塵的爆炸機(jī)理進(jìn)行了大量理論研究。ECKHOFF R K[3]對粉塵爆炸的影響因素及本安化粉塵防爆的概念進(jìn)行了探討。CASHDOLLAR K L[4]研究了粉塵的燃燒特征和爆炸特性，并對比了氣體爆炸特性，對粉塵爆炸機(jī)理進(jìn)行了全面探討。李延鴻[5]認(rèn)為粉塵爆炸的實(shí)質(zhì)是氣相氧化反應(yīng)：首先，粒子在能量與熱量作用下產(chǎn)生可燃性氣體；其次，氣體與周圍空氣混合形成爆炸性氣體，繼續(xù)吸收能量然后迸發(fā)出火焰；最后，火焰釋放的能量又加速粒子產(chǎn)生氣體，整個過程循環(huán)進(jìn)行。來誠鋒等[6]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示煤塵爆炸過程是揮發(fā)分釋放并參與化學(xué)反應(yīng)，其實(shí)質(zhì)是氣相爆炸。

當(dāng)前，熱爆炸及鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論是解釋煤塵爆炸機(jī)理的較為成熟的理論之一。當(dāng)某一燃燒反應(yīng)在一定空間內(nèi)進(jìn)行時，如果散熱困難，反應(yīng)溫度持續(xù)升高，反應(yīng)速度加快，則可能會發(fā)生爆炸，這種由于熱效應(yīng)引起的爆炸被稱之為熱爆炸[7]；趙江平等[8]基于熱爆炸理論，提出煤塵爆炸的原因是熱反應(yīng)和支鏈反應(yīng)；王春蓮[9]、冷杰宣[10]等認(rèn)為煤粉末在溫度300～400 ℃的環(huán)境下，會釋放出甲烷、乙烷等可燃性氣體，這些可燃性氣體與空氣混合并吸收一定的能量，游離基被激活，鏈反應(yīng)開始。煤塵發(fā)生燃燒，并通過鏈傳遞系統(tǒng)將化學(xué)反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行下去，在此過程中能量不斷以熱輻射、熱對流、熱傳導(dǎo)等方式傳遞至周圍煤塵粒子表面，促使燃燒反應(yīng)加劇，當(dāng)火焰速度達(dá)到某一臨界值時，煤塵的燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)楸ā?/p>

盡管目前煤塵爆炸機(jī)理尚未被完全充分揭示，但各理論之間具有若干共性認(rèn)識：煤塵粒子的表面在高溫下會產(chǎn)生可燃性氣體，即揮發(fā)分，其中包括甲烷、乙烷、氫氣和其他碳?xì)浠衔锏?，這些可燃性氣體與空氣混合遇高溫會燃燒并釋放出大量的熱，受熱后的煤粉末將其熱量傳遞給附近懸浮的煤塵，使得這些煤塵受熱后加速分解，繼而產(chǎn)生可燃性氣體并與空氣混合燃燒、引爆，如此循環(huán)下去。煤塵爆炸機(jī)理如圖1所示。

圖1 煤塵爆炸機(jī)理示意圖

目前，針對在瓦斯、煤塵共存條件下，二者相互影響的著火爆炸機(jī)理、瓦斯誘導(dǎo)沉積煤塵的揚(yáng)塵機(jī)理的研究較少，煤塵爆炸發(fā)生的機(jī)理還未形成完整的理論體系，仍需進(jìn)行大量的研究工作。

2 煤塵的爆炸特性研究

爆炸特性是從數(shù)值上衡量可燃物爆炸性質(zhì)的物理參數(shù)，為了更好地了解煤塵爆炸發(fā)生、發(fā)展的過程及其影響因素，國內(nèi)外學(xué)者對煤塵爆炸的特性參數(shù)進(jìn)行了大量的研究。GOING J E等[11]采用1 m3和20 L爆炸裝置對無煙煤、煙煤和天然瀝青等的爆炸下限和極限氧濃度進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明對于較小的試驗(yàn)體積，極限氧濃度往往顯示出較低的結(jié)果；美國礦業(yè)局在20 L爆炸裝置中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高揮發(fā)性和小粒徑煤塵更危險[12]；李慶釗等[13]研究了無煙煤、煙煤和褐煤3種煤塵在不同初始壓力和瓦斯含量影響下的爆炸特性；高聰?shù)萚14]測試了煤樣的爆炸下限，獲得了其最大壓力及最大壓力上升速率的變化規(guī)律；SONG S X等[15]采用20 L球形爆炸容器對甲烷—煤塵氣固混合物的爆炸特性進(jìn)行了研究，指出在低煤塵濃度下，混合甲烷—煤塵爆炸的最大爆炸壓力大于煤塵爆炸的最大爆炸壓力，但隨著煤塵濃度的不斷增加，二者的最大爆炸壓力趨于相等；劉義等[16]通過實(shí)驗(yàn)研究了甲烷—煤塵混合體系中煤塵爆炸下限的變化規(guī)律，顯示甲烷體積分?jǐn)?shù)的升高能明顯降低混合體系內(nèi)煤塵的爆炸下限；屈姣等[17]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在相同煤塵濃度下，隨著(VCH4/VO2)的增大，褐煤—甲烷—空氣混合物最大爆炸壓力減?。粍⒑菩?、李潤之等[18-20]通過實(shí)驗(yàn)對煤塵二次爆炸及瓦斯、煤塵共存條件下的爆炸特性進(jìn)行了大量的研究。

山東科技大學(xué)、北京理工大學(xué)、南京理工大學(xué)、西安科技大學(xué)、中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司等單位通過大量的實(shí)驗(yàn)對煤塵的爆炸特性進(jìn)行了研究，取得了一些研究成果[21-24]?，F(xiàn)有單因素、空間和時間相對較小尺度的研究理論無法精確解釋煤塵爆炸致災(zāi)過程，還需要攻克多因素及特殊環(huán)境下的煤塵爆炸研究難點(diǎn)。

3 煤塵爆炸的傳播規(guī)律研究

煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヌ匦允求w現(xiàn)煤塵爆炸強(qiáng)度的重要參數(shù)之一[25]。煤塵爆炸時，往往伴隨著火焰和沖擊波的快速傳播，煤塵爆炸的傳播范圍決定了礦井事故發(fā)生的嚴(yán)重程度。因此研究煤塵爆炸過程中的火焰、沖擊波傳播規(guī)律顯得尤為重要。

MOHAMMED J A等[26]在大型爆轟管中分別將質(zhì)量濃度為10、30 g/m3的煤塵引入體積分?jǐn)?shù)為5.0%和7.5%的甲烷體系中，研究了煤塵濃度對甲烷爆燃和爆燃火焰的影響規(guī)律；CAO W G[27]、GAO W[28]等研究了不同長度半封閉垂直燃燒管內(nèi)煤塵爆炸過程中火焰的傳播規(guī)律，研究表明隨著管長的增加，極限火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧鏈囟染饾u升高；景國勛等[29]探究了煤塵爆炸的傳播形式，發(fā)現(xiàn)了爆炸火焰區(qū)長度、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊南嚓P(guān)規(guī)律及爆炸沖擊氣流沿程變化特征；劉天奇[30-31]、李雨成[32]等選用不同變質(zhì)程度的煤塵，通過實(shí)驗(yàn)和模擬研究了其在水平管道內(nèi)爆炸火焰的傳播規(guī)律；段振偉等[33]在直線管道中完成了煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律的試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明煤塵爆炸火焰區(qū)長度遠(yuǎn)大于揚(yáng)塵區(qū)長度，最大火焰速度和傳播距離并不隨煤塵量的增加而增大；蔡周全等[34]在658 m長的實(shí)驗(yàn)巷道內(nèi)對瓦斯、煤塵爆炸過程進(jìn)行研究，得到了爆炸沖擊波的衰減規(guī)律；王新等[35]研究表明，瓦斯爆炸誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸的過程存在著壓力波回傳現(xiàn)象，火焰區(qū)長度與煤塵區(qū)長度約為2倍的關(guān)系；LI Q Z等[36]研究發(fā)現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懺阽R質(zhì)體反射率較低的煤塵中體現(xiàn)的更為明顯；李潤之[37]通過體積分?jǐn)?shù)為9%的CH4誘導(dǎo)不同量的煤塵爆炸進(jìn)行了數(shù)值模擬，揭示了煤塵量對火焰沖擊波和傳播速度的影響規(guī)律；劉丹[38]、司榮軍[39]等基于連續(xù)相、顆粒相數(shù)理模型成功開發(fā)了有效的模擬爆炸沖擊傳播速度的系統(tǒng)，獲得了沉積煤塵揚(yáng)塵爆炸和沉積煤塵火焰燃燒2種爆炸模式下的沖擊波和火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律。

目前關(guān)于煤塵爆炸傳播規(guī)律的研究在爆炸傳播機(jī)理、沖擊波、高溫等因素耦合關(guān)系方面缺乏綜合性分析。大尺度實(shí)驗(yàn)較少且試驗(yàn)?zāi)M管道與礦井真實(shí)巷道相比，相對理想化，分析得出的結(jié)論如何有效地應(yīng)用于礦井實(shí)際生產(chǎn)中還需深入研究。

4 煤塵爆炸的抑爆研究

煤塵爆炸抑爆是指在爆炸波傳播通道上適時撒播水霧、粉體抑爆劑及注入惰性氣體，以撲滅火焰、衰減激波，達(dá)到減小煤塵爆炸災(zāi)害損失程度和范圍的目的[40]。

LIU Q M等[41]研究發(fā)現(xiàn)，ABC粉末、SiO2粉末和巖石粉末對甲烷—煤塵—空氣混合物的爆炸具有抑制作用，可以顯著降低爆炸超壓和沖擊波的傳播速度；AZAM S等[42]研究了巖粉對煤塵爆炸的抑制作用，分析了測試煤塵的粒徑和惰化用巖粉粒徑的關(guān)系；蔡周全等[43]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，滅火劑粒度大小對煤塵爆炸抑爆效果沒有影響；金龍哲等[44]的測試結(jié)果顯示，惰性巖粉對煤塵爆炸隔爆有雙重作用，即惰性巖粉不僅對第一次煤塵爆炸起隔爆作用，且在二次爆炸過程中也能發(fā)揮隔爆作用，其隔爆效果的好壞與第一次投入的惰性巖粉量成正比；YUAN J J等[45]系統(tǒng)地研究了濕度對煤塵爆炸的影響，得到了水分與爆炸參數(shù)的關(guān)系；YOU H等[46]定性研究了水霧對氣體和粉塵爆炸的抑制效率并分析了抑爆機(jī)理；裴蓓等[47]研究了CO2—超細(xì)水霧對瓦斯—煤塵爆炸體系的抑爆效果，研究結(jié)果表明其能夠快速降低瓦斯—煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅ǔ瑝?；李振峰等[48]運(yùn)用細(xì)水霧對管道瓦斯與煤塵的爆炸進(jìn)行抑制，發(fā)現(xiàn)其在減緩爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒒旌衔锉ɑ鹧鏈囟确矫嫘Ч黠@；伍毅等[49-52]采用Siwek 20 L 球形爆炸罐做了大量試驗(yàn)，對抑制煤塵爆炸效果的影響因素進(jìn)行了探討。

目前對煤塵爆炸的抑爆研究主要集中在固體粉末抑爆、水霧抑爆及注入惰性氣體抑爆方面，而對粉體抑爆劑來說，需要突破防潮性技術(shù)難點(diǎn)。此外，煤礦采用的降塵抑爆裝置以被動形式為主，如何變被動為主動，將煤塵爆炸抑制在引爆感應(yīng)期，仍需進(jìn)一步深入研究。

5 發(fā)展趨勢及結(jié)語

1)現(xiàn)階段針對煤塵爆炸機(jī)理研究還處于熱力學(xué)階段，需借助化學(xué)動力學(xué)和燃燒爆炸學(xué)，進(jìn)一步研究煤塵爆炸的機(jī)理；加強(qiáng)對瓦斯誘導(dǎo)沉積煤塵揚(yáng)塵機(jī)理、耦合爆炸發(fā)生過程的綜合性和系統(tǒng)性研究；通過研究不同變質(zhì)程度的煤和熱分解機(jī)制及對爆炸過程中析出的氣體分析，進(jìn)而探討煤塵的燃燒爆炸機(jī)理；從微觀機(jī)理角度、爆炸誘發(fā)的化學(xué)動力學(xué)誘因和抑爆環(huán)境條件下加大對煤塵爆炸機(jī)理的研究力度。

2)對不同成分的煤粉對粉塵爆炸參數(shù)的影響和多因素多場耦合作用下煤塵爆炸的特性進(jìn)行深入研究；特征參量的測定不能僅局限于一些基本的物理參量，還應(yīng)涉及爆炸聲學(xué)和光學(xué)等方面；對添加了惰性抑制劑條件下的煤塵爆炸特性規(guī)律展開深入研究；針對煤塵發(fā)生二次爆炸及特定環(huán)境下氣、粉混合體系中煤塵爆炸特性的相關(guān)研究缺乏系統(tǒng)性，仍需深入研究。

3)加強(qiáng)對火焰的微觀特性及管道內(nèi)設(shè)置障礙物條件下火焰的傳播規(guī)律研究，包括燃燒區(qū)、預(yù)熱區(qū)的形態(tài)和厚度方面的研究，以及火焰區(qū)的結(jié)構(gòu)特征研究；瓦斯—煤塵爆炸及傳播規(guī)律的分析結(jié)果往往局限于定性描述或簡單的半定量描述，需要建立多數(shù)據(jù)庫和模型庫，進(jìn)行比對和深入分析，實(shí)現(xiàn)對爆炸傳播規(guī)律的精確描述。

4)煤塵爆炸抑爆過程十分復(fù)雜，應(yīng)從不同角度對其進(jìn)行分析，對爆炸抑制機(jī)理進(jìn)行精確描述，建立合理的理論模型，指導(dǎo)新型高效的抑爆劑開發(fā)；單一抑爆劑均有其抑爆特點(diǎn)，通過復(fù)配技術(shù)，確定不同抑爆原理的單一抑爆劑物質(zhì)的比例，研制出具有新特性且經(jīng)濟(jì)、綠色環(huán)保的抑爆劑。

5)加強(qiáng)煤塵爆炸的數(shù)值模擬研究。數(shù)值模擬技術(shù)可以解決實(shí)驗(yàn)成本高、周期長、耗費(fèi)大，以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件難實(shí)現(xiàn)等問題，具有經(jīng)濟(jì)、快速的優(yōu)點(diǎn)。但是目前我國研究煤塵爆炸過程使用的軟件基本引自國外，急需攻破其核心技術(shù)，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)、易操作的數(shù)值模擬軟件。