磁场对瓦斯爆炸及其传播的影响*

叶 青，林柏泉，菅从光，贾真真

（1.湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201；

2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221008；

3.义马煤业集团股份有限公司，河南 义马 472300）

磁场对瓦斯爆炸及其传播的影响*

叶 青1，2，3，林柏泉2，菅从光2，贾真真1

（1.湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201；

2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221008；

3.义马煤业集团股份有限公司，河南 义马 472300）

为了弄清煤矿井下巷道中变电站、大型机电设备等产生较强的磁场对瓦斯爆炸的影响机理和影响程度，实验研究了外加磁场对瓦斯爆炸过程中爆炸应力波和火焰传播速度的影响，并从磁场影响瓦斯爆炸及其传播的传质、传热、反应过程等进行了理论分析。研究结果表明：外加磁场能增加瓦斯爆炸强度和火焰传播速度以及增大压力波超压峰值和火焰传播速度峰值，并且随着磁场强度的增大，磁场效应对瓦斯爆炸的作用增强。外加磁场能增大瓦斯爆炸反应及其传播过程的传质作用、传热作用、对流作用、反应物的扩散系数和改变反应系统的熵，以致增大湍流，增大火焰燃烧速率、加快火焰传播速度、释放更多的能量并增强爆炸波能量，从而促进瓦斯爆炸及其传播。

爆炸力学；爆炸强度；磁场；瓦斯爆炸；传热；传质；熵

在磁场中，化学反应体系以及反应物的未成对电子的自旋会受到磁场的影响，从而使反应体系的熵发生变化，进而影响化学反应进程。瓦斯爆炸是一个十分复杂并极为快速的物理化学反应过程，爆炸过程中会产生许多中间产物和瞬间产物，如分子、自由基、离子、电子等［1］，所以磁场对这些中间产物和瞬间产物反应过程会有影响，以致磁场对瓦斯爆炸及其传播会有影响。对瓦斯爆炸机理、传播规律、动力特性及影响因素等已进行了较深入的研究，但是对于磁场影响瓦斯爆炸及其传播方面的研究成果较少，所以本文中拟CH4为研究对象，实验研究磁场对瓦斯爆炸及其传播的影响，并理论分析磁场对瓦斯爆炸的传热、传质、化学反应的影响，以期对矿井瓦斯爆炸的理论研究和矿井瓦斯爆炸的防治有所帮助。

1 实验研究

1.1 实验系统

磁场影响瓦斯爆炸及其传播的实验研究系统如图1所示，该系统主要由7部分组成，分别为瓦斯爆炸实验管道（腔体）、抽气系统、配气系统、瓦斯爆炸点火装置、瓦斯爆炸压力测量系统、火焰传播速度测量系统、动态数值采集分析系统。实验过程及其他实验仪器见文献［1］。

1.2 实验方案

瓦斯爆炸实验管道由长为3.5m的16Mn钢焊制管道和长为0.5m的有机玻璃管组合而成，横截面尺寸均为80mm×80mm。有机玻璃管由厚度为20mm、耐压值为2MPa的有机玻璃板粘结而成。用0.5mm漆包铜芯线在有机玻璃管上绕制4 000匝制成线圈，为了得到更好的绝缘效果，每绕一层涂上绝缘漆。当恒定直流电通过线圈时，就得到稳恒磁场。磁场强度的大小可以通过调节电流强度来实现，直流电源是由交流电通过二极管整流滤波获得的。通过串连滑动变阻器改变电路中的电阻来调节电流强度，从而得到不同的磁场强度。

为了研究不同的磁场强度对瓦斯爆炸及其传播的影响，设定了电流强度为0、0.5、1、1.5、2.3A（也即磁感应强度分别为0、9.86×10－3、1.97×10－2、2.96×10－2、4.5×10－2T）5种工况的实验条件，进行测定不同工况时的火焰传播速度、爆炸波超压值。根据这些测定的数据进行分析得出不同工况时管道中瓦斯爆炸（火焰、爆炸波）的传播规律。在实验管道的各点布置火焰传感器测定各点火焰传播速度，然后卸下火焰传感器，在对应的各点布置压力传感器测定各点的爆炸波超压值。

图1 瓦斯爆炸实验研究系统示意图Fig.1Schematic illustration of the methane explosion experiment system

1.3 实验结果

磁场对瓦斯爆炸压力波影响的实验结果见表1，表中每一个测点的数据都是多次实验测定值的算术平均值。从表1可以看出，外加磁场对瓦斯爆炸压力波的传播都起到加剧作用，而且随着磁场强度的增加，磁场对瓦斯爆炸压力波的影响程度增大。

表1 不同磁场强度下爆炸波的超压值Table 1 Shock wave pressure of methane explosion in magnetic field with different intensity

磁场对瓦斯爆炸火焰传播速度影响的实验结果见表2，表中每一个测点的数据都是多次实验测定值的算术平均值。从表2可以看出，外加磁场对瓦斯爆炸火焰的传播都起到加速作用；而且随着磁场强度的增加，磁场对瓦斯爆炸火焰的传播影响越来越大。

表2 不同磁场强度下火焰的传播速度Table 2 Flame propagation velocity of methane explosion in magnetic field with different intensity

从表1～2可得出：（1）外加磁场能增加瓦斯爆炸强度和火焰传播速度以及增大压力波超压峰值和火焰传播速度峰值；（2）随着磁场强度的增加，磁场效应对瓦斯爆炸的作用增强；（3）在不同工况下，外加磁场对瓦斯爆炸的影响规律是一致的。

2 理论分析

对CH4的氧化反应机理研究结果表明［2－5］，CH4氧化是通过一系列基元的自由基反应来进行的，瓦斯爆炸就是由这些基元的自由基反应组成的，实验观察到的最普通的物质是CO2、H2O以及H、O、OH、CH3、CHO等大量自由基。由于瓦斯混合气体主要组成元素为C、H、O、N，以致中间产物、瞬间产物都是C、H、O、N组成的分子和离子。作为活化中心，这些中间产物（特别是自由基）对反应的延续、加速及终止起重要的作用，随着这些中间产物的生成并参与反应，CH4在反应过程中不断地进行着碳分子、功能团、几何形状的变化，以及伴随这些过程的能量变化。由于反应过程中会产生许多中间产物、瞬间产物、自由基、电子，而磁场对这些带电的中间产物、瞬间产物、自由基和电子会产生磁化影响，并使反应体系的熵发生改变，进而使反应进程受到影响，所以本文中从磁场影响瓦斯爆炸反应的传质、传热、反应过程等方面来分析磁场对瓦斯爆炸及其传播的影响。

2.1 磁场对瓦斯爆炸传质的影响

由上述瓦斯爆炸反应过程分析结果和结构化学理论可得出磁场增大瓦斯爆炸气体扩散系数的机理：在反应过程中，分子间会形成氢键，氢键会在平衡位置附近作振动，并形成振动形式基本是谐振动的“氢键的自振动”，而磁场又能给处于磁场中的瓦斯气体与氧的反应提供一定的能量，并诱发氢键形成“氢键的诱发振动”；如果氢键的诱发振动频率与其自振动频率一致或是其自振动频率的倍数时，就产生共振，形成“氢键的磁化共振”。氢键的磁化共振会使氢键的振幅加大，造成氢键伸长、消弱，甚至断裂，从而使分子间的束缚力变小，分子运动的平均自由程增大，气体扩散系数增大，传质作用增大［6］。所以磁场能增大瓦斯爆炸及其传播过程的传质作用和反应物的扩散系数，以致使湍流增大，从而使瓦斯气体的扩散更均匀，瓦斯气体和氧气的接触更充分，以致使火焰燃烧速度、火焰传播速度和热释放速率增大。而高燃烧速度又导致燃烧产物的膨胀加速，使压缩波强度更大，同时前驱动冲击波对火焰前面未燃混合物进行加热和压缩并产生更大的扰动，从而引起流场梯度的进一步增大，导致更强烈的火焰弯曲和褶皱。强烈的火焰弯曲和褶皱又会导致更大的湍流动能和更高的燃烧速率，这样就形成了促进瓦斯爆炸及其传播的正反馈作用。所以从传质的角度来看，磁场能增大火焰燃烧速率、加快火焰传播速度、释放更多的能量，以致磁场能促进瓦斯爆炸及其传播。

2.2 磁场对瓦斯爆炸传热的影响

在瓦斯的燃烧和爆炸过程中，促使荷电粒子形成的主要途径是化学反应过程：CH＋O＝CHO＋＋e－和CH（a4∑－）＋O＝CHO＋＋e－。电子接触到O2分子就形成O－2，再结合O2和CO2就形成了O－4和CO－4离子。CHO＋的H＋和H2O、CH2产生H3O＋、CH＋3，他们再结合C2H2又形成C2H3O＋、C3H＋3，之后形成正离子NO＋和产生负离子CO－3、O－3、NO－2、NO－3。在混合物中，O－＋HCN＝CN－＋OH和OH－＋HCN＝CN－＋H2O反应就变成CN－离子形成的重要过程。

离子形成的另外一个途径是电子和O2的反应：O2＋e－＋M＝O－2＋M。这些离子、电子使反应物和生产物带电并具有磁性，形成磁性气体（即瓦斯混合气体成为磁性气体），而外加磁场能增加磁性气体的粒子与粒子、粒子与气体、粒子与壁面之间的相互作用及碰撞，增强了磁性粒子的运动，从而增加了磁性气体的传热作用。

磁场力对瓦斯混合气体的作用可直观地表现为磁场增大瓦斯混合气体的表观密度。通常情况下，磁场强度比万有引力场强度大得多，所以磁场能显著增大瓦斯混合气体的表观密度，并且瓦斯混合气体的表观密度随外加磁场强度的变化而明显变化。表观密度的变化又会导致对流的变化，所以磁场可以强化瓦斯混合气体的自然对流传热。

由上述分析可知，磁场能增大瓦斯爆炸及其传播过程的对流作用和传热作用，并且增大湍流，从而增强促进瓦斯爆炸的湍流机理、正反馈机理和火焰阵面不稳定机理。所以从传热的角度来看，磁场能增大燃烧速率和加快火焰传播速度、释放更多的能量并使爆炸波能量增强，以致磁场能促进瓦斯爆炸及其传播。

2.3 磁场对化学反应的影响

由上述瓦斯爆炸反应过程分析结果可知：首先，瓦斯爆炸过程会产生大量的带未成对电子的自由基，而未成对电子将在磁场的作用下改变自旋，从而改变反应速率，所以磁场对瓦斯爆炸及其传播的影响都是通过对带未成对电子的自由基（对）施加作用而体现的。其次，由于磁场能给处于磁场中的反应系统提供一定的能量，使粒子之间的碰撞几率增大；碰撞几率的增大不但增加了火焰的湍流度，而且瓦斯分子的碰撞会产生更多的OH、CH3等活化中心，使瓦斯爆炸时的活化中心和活化浓度得到提高，从而提高瓦斯爆炸强度和爆炸温度；而瓦斯爆炸强度和爆炸温度的提高又会使粒子之间的碰撞几率进一步增大，这样就形成了促进瓦斯爆炸及其传播的正反馈机理。所以从化学反应的角度来看，磁场能改变反应系统的熵并增大湍流，增大燃烧速率、加快火焰传播速度、释放更多的能量并使爆炸波能量增强，以致磁场能促进瓦斯爆炸及其传播。

3 结 论

通过对磁场影响瓦斯爆炸及其传播的实验研究和理论分析，得到如下主要结论：

（1）实验研究结果表明外加磁场能增加瓦斯爆炸强度和火焰传播速度以及增大压力波超压峰值和火焰传播速度峰值；随着磁场强度的增加，磁场效应对瓦斯爆炸的作用增强；在不同工况下，外加磁场对瓦斯爆炸的影响规律是一致的。

（2）磁场能增大瓦斯爆炸反应及其传播过程的传质作用和反应物的扩散系数，并增大湍流，从而使瓦斯气体的扩散更均匀、瓦斯气体和氧气的接触更充分，以致使火焰燃烧速度和热释放速率增加、火焰传播速度加快；而高燃烧速度又导致燃烧产物的膨胀加速、使压缩波强度更大，同时前驱动冲击波对火焰前面未燃混合物进行加热和压缩并产生更大的扰动，从而引起流场梯度的进一步增大，导致更强烈的火焰弯曲和褶皱。强烈的火焰弯曲和褶皱又会导致更大的湍流动能和更高的燃烧速率，以致形成促进瓦斯爆炸及其传播的正反馈作用。所以从传质的角度来看，磁场能增大火焰燃烧速率、加快火焰传播速度、释放更多的能量并使爆炸波能量增强，以致磁场能促进瓦斯爆炸及其传播。

（3）磁场能增大瓦斯爆炸反应及其传播过程的对流作用和传热，并且增大湍流，从而增强促进瓦斯爆炸的湍流机理、正反馈机理和火焰阵面不稳定机理，所以从传热的角度来看，磁场能增大火焰燃烧速率、加快火焰传播速度、释放更多的能量并使爆炸波能量增强，以致磁场能促进瓦斯爆炸及其传播。

（4）磁场能通过带未成对电子的自由基（对）施加作用而对瓦斯爆炸及其传播产生影响，同时磁场能给处于磁场中的反应系统提供一定的能量，使粒子之间的碰撞几率增大，活化中心增多，从而提高瓦斯爆炸强度和爆炸温度，而瓦斯爆炸强度和爆炸温度的提高又会使粒子之间的碰撞几率进一步增大，这样就形成了促进瓦斯爆炸及其传播的正反馈机理。所以从化学反应的角度来看，磁场能改变反应系统的熵并增大湍流，增大燃烧速率、加快火焰传播速度、释放更多的能量并使爆炸波能量增强，以致磁场能促进瓦斯爆炸及其传播。

［1］叶青.管内瓦斯爆炸传播特性及多孔材料抑制技术研究［D］.徐州：中国矿业大学，2007.

［2］Coffee T P.Kinetic mechanisms for premixed，laminar，steady state methane／air flames［J］.Combustion and Flame，1984，55（2）：161-170.

［3］Bone W A，Allum R E.The slow combustion of methane［J］.Proceedings of the Royal Society of London：A，1932，134：578-591.

［4］Nweitt D M.Slow oxidation at high pressures［J］.Combustion and Flame，1991，84：193-205.

［5］Minkoff G J，Tipper C F H.Chemistry of Combustion Reactions［M］.London：Butterworths，1962.

［6］贾绍义，李磊，吴松海.永磁场对气体中分子传质过程的影响［J］.化学工业与工程，2004，21（5）：327-330.

JIA Shao-yi，LI Lei，WU Song-hai.Influence of permanent magnetic field on the molecularmass-transfer process in gas phase［J］.Chemical Industry and Engineering，2004，21（5）：327-330.

Effects of magnetic field on methane explosion and its propagation＊

YE Qing1，2，3，LIN Bai-quan2，JIAN Cong－guang2，JIA Zhen-zhen1
（1.Hunan Province Key Laboratory of Safety Mining and Technology of Coal Mine，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，Hunan，China；
2.State Key Laboratory of Coal Resource and Safe Mining，China University of Mining ＆Technology，Xuzhou 221008，Jiangsu，China；
3.Yima Coal Industry Group Corporation Limited，Yima 472300，Henan，China）

To master the effect of the magnetic fields produced by the giant mechanical and electrical equipments in coal mines on methane explosion，experimental investigations were conducted to explore the influences of the magnetic fields on explosion wave pressure and flame propagation velocity of methane explosion.And theoretical analysis was carried out to discuss the effect of the magnetic fields on heat transportation，mass transportation and reaction process of methane explosion and its propagation.It shows that the magnetic field can enhance methane explosion intensity and increase flame propagation velocity，explosion pressure.The more the magnetic field intensity，the more markedly the magnetic field affects methane explosion.The magnetic fields can increase turbulence by increasing mass transfer action，heat transfer action，convection effects，diffusion coefficient and entropy of the reaction system，so the magnetic fields can increase flame combustion velocity，flame propagation velocity，release more energy and increase shock wave energy，and then promote the methane explosion and its propagation.

mechanics of explosion；explosion intensity；magnetic field；methane explosion；heat transportation；mass transportation；entropy

30January 2010；Revised 12April 2010

YE Qing，cumtyeqing＠126.com

（责任编辑 张凌云）

O389 国标学科代码：130·3599

A

1001-1455（2011）02-0153-05

2010-01-30；

2010-04-12

国家自然科学基金项目（51004048）；国家重点基础研究发展计划（973计划）项目（2005cb221506）；煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放研究基金项目（09KF05）；中国博士后基金项目（20100470998）；湖南省教育厅基金项目（09C409）

叶 青（1975— ），男，博士，副教授。

Supported by the National Natural Science Foundation of China（51004048）；the National Basic Research Program of China（973Program）（2005cb221506）