多孔材料应用于煤矿瓦斯阻隔爆的研究进展

刘 旭，王亚军，常 帅

(黑龙江科技大学安全工程学院， 哈尔滨 150022)

多孔材料应用于煤矿瓦斯阻隔爆的研究进展

刘 旭，王亚军，常 帅

(黑龙江科技大学安全工程学院， 哈尔滨 150022)

瓦斯爆炸是我国煤矿的主要灾害之一，爆炸时火焰波和冲击波的阻隔爆技术关系到灾害的扩散及后续救援的难易程度。目前的瓦斯阻隔爆技术存在对湍流火焰无法完全抑制，对冲击波不能起到减弱作用且存在一次爆炸后完全失效的问题。在充分调研国内外文献的基础上，对多孔材料的阻隔爆机理和实验研究现状进行综述，对火焰波和冲击波在多孔材料中的传播数学模型和数值模拟研究进行总结，对可能应用于煤矿井下的多孔材料材质进行筛选。在此基础上，对应用于煤矿井下的多孔材料研究的关键问题提出了对策与建议。

煤矿；瓦斯；阻隔爆；多孔材料

瓦斯爆炸是煤矿的主要灾害之一，且瓦斯爆炸往往连续发生。因此，阻隔瓦斯爆炸的传播是煤矿防治工作的重点。目前，煤矿井下的抑爆材料主要是水及惰尘等。由于爆炸火焰具有湍流流场的特征，导致现有的抑爆装置有时会失效，无法完成多次防护任务。能够同时满足阻隔瓦斯爆炸的冲击波、火焰波，且能抵御多次冲击的多孔材料有望成为煤矿新型阻隔爆材料。

1 矿井阻隔瓦斯爆炸多孔材料的研究进展

在矿井阻隔瓦斯爆炸方面已开展研究的多孔材料包括金属丝网、泡沫陶瓷、泡沫铁镍合金等[1]，研究者多以实验研究为基础，从理论研究、数学模型和数值模拟等方面对多孔材料的阻隔爆性能进行研究。

1.1 理论分析

认为多孔材料对火焰波的阻隔实质是由于多孔介质的孔隙率较高，火焰波通过多孔介质时由于孔径较小，有足够厚度的情况下，火焰锋面的活化分子在与材料固体壁面碰撞后使其销毁，从而产生淬熄效应。聂百胜等[2-3]认为：当爆炸火焰波进入到多孔材料后，由于火焰在微孔中的拉伸导致其热量损失，使火焰波在泡沫陶瓷内发生焠熄。多孔材料中冲击波的衰减是由初始爆炸波进入材料后传播时，由于材料中复杂的网孔结构，导致冲击波在其中产生反射、散射现象，使其能量逐渐丧失，使爆炸前进波不能产生周期反转，和反射波不能相互干涉产生驻波，从而大大衰减冲击波的应力峰值[3]。郭长铭[4]等证明多孔钢板类材料既有吸收横波、衰减爆轰波的作用，又有加强湍流和加快反应促进燃烧的作用，形成所谓的DDT现象。郭长铭等还利用烟迹法得到了爆轰波经过狭缝时材料胞格结构的消失和恢复过程[5]。

从目前的研究成果看，多孔材料抑制火焰波/冲击波的影响因素众多，不但和自身的孔径、厚度、导热性等有关，且与爆炸的初始爆炸当量、初始火焰速度和超压有关。

1.2 实验研究

聂百胜[2]研究了泡沫陶瓷(Al2O3、SiC)对瓦斯爆炸传播的阻隔影响，实验结果表明泡沫陶瓷对瓦斯爆炸具有较好的衰减效果。孙建华、魏春荣[6-7]等利用30 cm的正方形管道对不锈钢金属丝网、泡沫陶瓷产品(Al2O3、SiC)及两者组合体、泡沫金属进行了系统实验研究，认为丝网与泡沫陶瓷组合体对冲击波和火焰波的衰减效果优于各自单体，发现多孔泡沫金属的厚度、孔径、体密度是影响火焰温度衰减效果的重要因素。

从实验研究现状看，研究者多使用自制设备进行实验。泡沫金属因其高强度、阻隔效果好、耐冲击，得到了社会的关注。

2 关键问题与展望

综上所述，由于多孔材料的优越性能和良好的发展前景，众多学者对多孔材料的阻隔爆性能进行了研究。但若将多孔材料应用到矿井的阻隔爆中还要对下述问题进行深入的研究。

2.1 粉尘的影响

在矿井环境中，煤矿巷道内沉积大量的煤粉，爆炸发生瞬间会在冲击波波前产生高速气流，导致波前扬尘的出现。随着波前扬尘先于火焰波/冲击波到达多孔材料上，多孔材料的孔隙率、表面积、导热性等参数也会相应发生变化，导致多孔介质粹熄理论变得更加复杂，严重影响其作用的发挥，对爆炸事故的控制极为不利。因此，应深入研究对于有粉尘参与的多相流在多孔材料中的传播特性。

2.2 多次爆炸的影响

多孔材料作为新型的阻隔爆材料，其主要目的是在矿井发生多次爆炸时依然能够发挥作用。泡沫铁镍合金在经过一次爆炸波冲击后，会发生一定的形变或破损。爆炸后多孔材料的残余抗压强度和残余抗拉强度是否能满足下一次冲击波的冲击，多孔材料的形变与抗压强度和抗拉强度之间的关系如何变化则不得而知，因此，应深入研究爆炸次数与多孔材料阻隔爆性能之间的规律。

2.3 深入研究多孔材料中的传热传质机理

目前的研究多集中于对高温火焰的抑制机理，对冲击波和火焰温度耦合作用未能深入研究。在微观层面对多孔介质的抑爆机制还没有深入的研究。且由于粉尘的加入，对于气固耦合的多相流在多孔材料中的传热传质机理尚未开展研究。

2.4 深入开展多孔材料抑爆的数值模拟研究

目前所采用的实验系统气体爆炸当量较小，而应用到井下时必然要增大材料的尺寸、增大爆炸的当量，且多孔材料价格比较昂贵，无法开展大规模实验，开展大尺寸条件下多孔材料的抑爆性能研究势在必行。

3 结论

多孔材料可同时抑制爆炸火焰波和冲击波的传播，有可能成为井下阻隔爆的新型材料。应用到煤矿井下时，必须考虑到井下的粉尘、多次爆炸对多孔材料的阻隔爆性能变化的影响，气固耦合的多相流在多孔介质中的传播特性等问题。此外，还应从材料角度进行改进，提高材料的阻火、降压性能，降低生产成本。

[1] 魏春荣，徐敏强，王树桐．多孔材料抑制瓦斯爆炸火焰波的实验研究[J].中国矿业大学学报，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] 张金锋，郑艳敏，孙忠强,等．多孔材料对瓦斯爆炸传播影响规律的研究[C]//2012(沈阳)国际安全科学与技术学术研讨会论文集，2012.

[4] 邢志祥，张成燕．多孔材料在阻隔防爆中的应用研究进展[J]．工业安全与环保，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] 张如明．泡沫陶瓷隔爆棚抑制瓦斯爆炸的机理及数值模拟研究[D].北京：中国矿业大学，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

刘旭(1995-)，男，大学。