煤粉对泡沫金属抑制爆炸火焰波性能的影响规律

王亚军，徐秀艳，秦宪礼

(1.黑龙江科技大学 安全工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022;2.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116; 3.黑龙江科技大学 理学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

煤粉对泡沫金属抑制爆炸火焰波性能的影响规律

王亚军1,2，徐秀艳3，秦宪礼1

(1.黑龙江科技大学 安全工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022;2.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116; 3.黑龙江科技大学 理学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

泡沫金属是能够同时抑制瓦斯爆炸冲击波和火焰波传播的新型阻隔爆材料，但在煤粉环境下泡沫金属阻隔瓦斯爆炸的能力却不得而知。为研究煤粉对泡沫金属阻隔瓦斯爆炸火焰波传播的影响规律，在自行设计的直径120 mm的瓦斯传爆测定装置中，对管道中添加不同参数煤粉后泡沫金属衰减火焰速度的性能进行了实验研究。结果表明:添加粒径为60～80目的5，10，50，100 g煤粉后，爆炸火焰波衰减率分别为92.95%，97.93%，80.95%，92.05%。对于特定参数的泡沫金属，煤粉质量在一定范围内会造成阻隔性能的降低。分析发现煤粉粒径越接近泡沫金属孔径，煤粉越易滞留于阻隔材料，泡沫金属的阻隔效果也越差。100 g 40～60目的煤粉添加后导致泡沫金属的火焰波衰减率降低为68.23%。研究结果显示，管道中的煤粉质量和粒径均可对泡沫金属的阻隔性能产生重要影响。

煤粉;泡沫金属;瓦斯爆炸;抑制;火焰波;影响规律

煤矿瓦斯爆炸是目前我国煤矿的主要灾害之一。近年来，由于多孔材料可同时抑制瓦斯爆炸的冲击波和火焰波，且对可能发生的二次爆炸同样具有抑制功能，受到了众多学者的关注。

聂百胜等[1-3]利用自制的200 mm×200 mm方形爆炸管路，采用高速摄像系统、压力、火焰速度采集系统等对无障碍物条件下泡沫陶瓷(Al2O3，SiC)阻隔火焰的规律进行了研究，实验结果表明泡沫陶瓷对瓦斯爆炸的压力波和火焰波均有较好的衰减效果。张如明[4]通过流体饱和多孔介质的波传递方法，采用Fluent软件模拟了瓦斯爆炸冲击波在掘进巷道中设置泡沫陶瓷隔爆棚时的传播状况。马凯等[5]量化研究了阻火器中泡沫陶瓷结构的“器壁效应”，对器壁链引发和断链作用进行了分析，表明泡沫陶瓷的三维网格结构有利于瓦斯爆炸自由基的销毁，从而终止反应链抑制瓦斯爆炸，同时作者给出瓦斯爆炸链载体平均浓度以及断链系数的函数关系式。孙建华、魏春荣等[6-8]利用30 cm×30 cm方形管道对不锈钢金属丝网、泡沫陶瓷(Al2O3，SiC)及两者组合体、泡沫金属的阻隔性能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。但泡沫金属厚度不能任意增加，如厚度过大则相当于在管道中设置障碍物，造成爆炸波突变，反而增大了爆炸威力[9]。王凯全等[10]借助高速摄像机及ProAnalyst软件，分析了网状金属材料对火焰波的阻隔作用。高远[11]利用EBU-Arrhenius燃烧模型研究了硅酸铝棉对火焰和冲击波的抑制作用。YANG等[12]对90°弯管中多孔材料对甲烷/空气混合气体抑制火焰及压力波的过程进行了实验和数值模拟研究。温小萍[13]基于RANS/LES分区组合模型对火焰波在泡沫铝中的淬熄过程进行了数值模拟。贾宝山等[14]利用 Fluent对浓度为9.5%的瓦斯爆炸波在多孔介质中的火焰速度和压力进行了数值模拟，结果表明多孔介质由于增加了自由基与孔壁的碰撞机率，部分爆炸波得以吸收，会抑制火焰传播，导致压力降低。CICCARELLI[15]对直管中可燃气体爆炸过程动能和热能损失进行了理论分析，指出多孔介质阻火性能是由热损失、湍流和可压缩性共同决定的。翁晓敏等[16]在研究孔密度与泡沫金属内湿空气的换热与压降影响时发现:孔密度对泡沫金属的换热和压降性能关系密切。陈学[17]针对泡沫多孔材料的强制对流与高温辐射的耦合传热进行了研究，通过实验得到了压降和容积换热系数的预测关联式，并进行了数值模拟研究。

目前的研究重点一般集中于研究多孔材料的材质、参数、铺设方式对瓦斯阻隔效果的影响，使用的材料有金属和非金属材料，根据现有研究成果发现泡沫铁镍合金材料对瓦斯爆炸的抑制效果最优。根据目前已有的试验研究成果，泡沫陶瓷材料在超压下易于破损，而多层金属丝网则易于烧结，两者的组合体装配起来略显复杂。而多孔泡沫铁镍合金材料则因其强度高、韧性好、耐强磨性、热膨胀系数小、导热系数高的特点，受到了广泛关注。但所有以上的研究均是针对单纯瓦斯气体爆炸的阻隔效果开展的，若应用到煤矿则必须考虑井下存在的粉尘影响，特别是沉积在巷道底板的煤尘。在外力作用下积尘会变成扬尘，遇到点火源后形成沉积煤尘的爆炸[18]。瓦斯爆炸发生的瞬间冲击波波前产生的高速气流，会导致波前扬尘先于火焰波到达泡沫金属上，从而影响其阻隔功能的发挥。本文主要考察煤粉加入后对泡沫金属阻隔瓦斯爆炸性能的影响规律，特别是与单纯瓦斯爆炸时的泡沫金属阻隔效果进行对比研究。

1 试验系统

试验系统主要由实验介质燃爆容器及扩散管路、配气系统、高能点火系统、高速数据采集系统等组成。试验所使用的部分设备如图1所示。

图1 部分试验设备Fig.1 Some equipments in the test

试验均在常温常压下进行，温度为20～32 ℃，压力为1.013×105Pa。其中爆炸容器109 L，直径为300 mm，该容器是瓦斯气体的充填区和爆炸区，由0.3 mm厚塑料薄膜与瓦斯传爆管路隔离。在爆炸腔体两端装配好高压静电点火头和塑料密封膜后，充入定量的瓦斯气体至计算压力即可配制成一定浓度的瓦斯-空气混合气体。传爆管路内径为120 mm，管道单管长度2.2 m，试验系统传爆管路长度为24 m。在试验过程中，主要的试验管路为直管，呈90°的两个弯管作为扩散管。试验所用点火系统为大能量电火花发生器，点火电压为200 V，名义点火能量为440 J。在试验管道上安装6个火焰传感器，从起爆端依次编号为1～6，火焰传感器型号为KCG100，响应时间:≤100 μs，响应光谱:可见光340～980 nm，传感器安装位置见表1。泡沫金属安装在3，4号传感器之间，距4号传感器0.15 m。数据采集采用成都泰斯特公司的TST6300高速数据采集系统，采集对象为火焰传播速度，数据采样频率为100 kHz，采样长度为256 K。试验系统示意如图2所示。

表1传感器安装位置
Table1Installationpositionofsensor

测点编号123456距起爆点位置/cm150225300375450525

图2 试验系统示意Fig.2 Test system of schematic diagram

2 试验材料选择

试验选用的泡沫铁镍合金厚度为5 cm，平均孔径为30目，体密度为0.5 g/cm3，铁镍合金比例约为5∶5。试验时的爆炸气体为甲烷-空气混合气体，为便于试验现象的对比研究，所有试验的瓦斯体积分数均为9.5%。图3为试验用的泡沫金属材料。图4为泡沫金属装配在管道中的外观。

图3 实验用泡沫金属Fig.3 Foam metal used in experiment

图4 阻隔材料装配Fig.4 Blocking materials assembled in pipe

3 试验方案

在实验介质燃爆容器中手工配制体积分数为9.5%的瓦斯-空气混合气体，燃爆容器的爆炸破损端用0.3 mm的聚氯乙烯薄膜封闭。首先进行空管试验，文中将无阻隔爆炸时的火焰波自由传播试验称为空管试验，采集各测点火焰传播速度作为对比的基础数据。然后将泡沫金属材料装配于距引爆点3.6 m的管道中，利用密封胶进行边缘封闭，进行瓦斯气体条件下的阻隔爆试验。最后，在管道中距泡沫金属前0.3 m处铺设5～100 g的不同质量不同粒径的煤粉颗粒，煤粉经长时间暴露空气中已无爆炸性。在相同的起爆条件下，考察添加煤粉后泡沫金属阻隔爆性能的变化规律。结合扩散管末端的火焰喷出摄像、泡沫金属质量变化及管道中的火焰传播数据，作为判断材料阻隔爆性能的指标。

4 试验现象分析

4.1 扩散管端口喷出现象分析

图5是爆炸试验后扩散管出口端的火焰喷出及粉尘扩散情况，试验中爆炸性气体浓度均为9.5%。

图5 扩散管出口端火焰及煤粉喷出情况Fig.5 Squirt flame and dust from diffusion tube outlet

图5(a)是瓦斯气体爆炸后在扩散管道中未设置阻隔爆材料时自由传播的火焰图像，从图中可以看出，爆炸火焰经过近15 m的传播仍然没有衰减，出口端火焰亮度明显，长度较长。图5(b)则是爆炸气体在管道中设置泡沫金属后的阻隔现象，扩散端口无火焰喷出，证明泡沫金属材料的阻隔效果明显。图5(c)是在添加50 g煤粉时的喷出现象，同样没有火焰，但有明显的煤粉喷出，证明在煤粉参与下泡沫金属依然可起到阻隔的效果，但阻隔效果应以火焰传播速度变化进行判断。图5(d)是添加100 g煤粉时的喷出现象，喷出煤粉明显增多，证明煤粉质量越多，则煤粉越易穿越泡沫金属传播，从而造成火焰波在多孔介质、煤粉的多重影响下相互作用，影响泡沫金属阻隔性能的正常发挥。从图中可以看出，两个扩散管均参与泄压，但从图5(c)和(d)可以看出，主要的泄压功能由最末端的扩散管a承担，因此扩散的粉尘主要由此处逸出。

在试验过程中，可以清晰分辨增设泡沫金属对爆炸响度的抑制作用。在空管试验中，爆炸声响巨大，明显能感觉到耳膜不适;但在管道中设置泡沫金属后，无论是单纯瓦斯爆炸还是管道中添加煤粉后的爆炸，响度均有大幅减弱，可见泡沫金属对管道内爆炸响度也具有明显的抑制作用。

4.2 阻隔材料变化分析

爆炸完成前后，对泡沫金属的表面外观进行观察分析，结果如图6所示。

图6 爆炸后泡沫金属外观Fig.6 Foam metal’s appearance after the explosion

从图中可以明显看出，图6(a)是9.5%瓦斯气体爆炸后背风面材料外观，与图3的未爆炸前泡沫金属相比:爆炸前的泡沫金属材料外观比较光亮，而爆炸后材料两侧均有灼烧痕迹，但不是十分明显。图6(b)和(c)分别是添加100 g的60～80和40～60目煤粉后的煤粉附着情况，从图中可以明显看出，爆炸后煤粉附着在材料表面，且目数越接近材料孔隙，煤粉越易附着。图6(d)则是添加50 g 60～80目的煤粉后金属材料背面的灼烧痕迹，与瓦斯爆炸后金属材料背面相比，燃烧痕迹明显，基本呈纯黑色，表明加入煤粉后经泡沫金属材料的阻隔仍有燃烧现象产生。

5 试验数据分析

瓦斯爆炸的主要危害有高温、高压和有害气体。现有的矿井瓦斯隔爆装置主要是利用水、岩粉等惰性物质降低火焰温度和传播速度，从而隔断火焰继续传播。而泡沫金属由于本身的多孔性结构特征，火焰通过时能将火焰划分为若干细小火焰，并快速的传导和吸收火焰热量，衰减其温度和传播速度，从而达到阻滞传播的效果。同时爆炸火焰与多孔结构的相互碰撞、摩擦导致火焰中的自由基数量急剧减少，降低了反应强度。因此，测试其火焰传播速度是直观的判断隔爆材料抑爆效果的指标，文中以空管试验中各测点的传感器测值绘制成火焰速度曲线，并以此为基础，与传播管道中设置泡沫金属和添加不同粒径/质量煤粉后的爆炸火焰传播速度进行对比，考察冲击波造成的扬尘对泡沫金属阻隔爆性能的影响。文中定义某测点空管时的火焰速度减去该测点隔爆后火焰速度，再除以空管所测火焰速度作为火焰速度衰减率，以其中最大的火焰速度衰减率作为阻隔材料的隔爆性能指标。

5.1 空管和瓦斯爆炸气体阻隔爆试验测试结果

图7为体积分数为9.5%的瓦斯气体爆炸后，在空管内和设置泡沫金属材料后的火焰传播速度对比情况。从图中可以看出，在扩散管中自由传播时，爆炸火焰锋面速度迅速增高，在测点4位置达到最大值后开始下降，但下降幅度并不大。后续的传播速度仍然达到了140 m/s以上。结合图5(a)也可以看出，在管道中自由传播的火焰锋面能够喷出扩散管。而在同样起爆浓度下管道中设置了泡沫金属材料后，测点4的火焰传播速度骤减为9.77 m/s，火焰速度衰减率达到93.63%。衰减效果明显，表明所选用的阻隔材料具有良好的隔爆效果。

图7 多孔泡沫金属阻隔性能测试Fig.7 Foam metal barrier performance test

5.2 添加煤粉后的阻隔爆试验测试结果

图8是在管道中泡沫金属前30 cm位置处铺设5～100 g的60～80目粒径的煤粉后火焰速度分布情况。本图中的基础曲线为9.5%的瓦斯爆炸时管道内设置泡沫金属后的火焰速度传播曲线。从图中可以看出，在添加了一定量的煤粉后，泡沫金属的阻隔性能有所改变，火焰速度的衰减率从80.96%～97.93%不等，根据衰减率大小排序，阻隔效果依次为:添加10 g煤粉，97.93%;添加5 g煤粉，92.95%;添加100 g煤粉，92.05%;添加50 g煤粉，80.95%。

图8 添加煤粉后的阻隔性能测试Fig.8 Inhibition performance test after adding coal dust

5.3 煤粉参数对泡沫金属阻隔性能的影响分析

5.3.1煤粉质量对泡沫金属阻隔性能的影响

如图9所示，当在实验管道中添加一定量的煤粉后，由于煤粉在冲击波波前流场的作用下产生扬尘，并先于火焰波到达多孔泡沫金属且滞留其上对泡沫金属阻隔爆炸火焰的传播产生影响。在该试验过程中，使用的隔爆材料参数一致，瓦斯起爆浓度均为9.5%，煤粉也是同批次采集加工，铺设距离也相同，改变的只有煤粉质量，对比基础为空管试验曲线和泡沫金属阻隔瓦斯爆炸试验曲线。

图9 添加不同质量煤粉对泡沫金属的阻隔影响Fig.9 Change of foam metal’s inhibition ability after adding different quality of coal dust

从图9可以看出，当少量的煤粉加入后(≤10 g)，泡沫金属的阻隔效果略有减弱，但基本没有发生较大改变。而当添加煤粉达到50 g时，虽然最大的火焰速度衰减率达到80.95%，相比气体爆炸时的阻隔效果下降了13.86%，但火焰传播速度在隔爆后仍然达到了约39 m/s，处于爆燃阶段，原因是此时有一定量煤粉参与了燃烧，导致泡沫金属阻隔效果降低。此时若管道中充满可爆瓦斯，则有可能造成二次爆炸，说明阻隔效果一般或失败。当添加煤粉达到100 g时，此时的火焰速度衰减率又升高到92.05%，分析其原因可能是煤粉的加入对泡沫金属的抑爆性能影响有两个方面:① 爆炸火焰引燃加入的煤粉，导致其隔爆性能的降低;② 煤粉在没有引燃的情况下相当于惰尘，其与火焰的互相作用导致火焰自由基迅速衰减，反而增强了泡沫金属的抑爆能力。由于此时煤粉粒径范围是60～80目(0.18～0.25 mm)，而泡沫金属的平均孔径为30目(0.6 mm)，大部分的煤粉能够在压力作用下穿过泡沫金属，且此时煤粉添加量较多，在有限空间内氧气不足，不足以引燃煤粉。飞扬的粉尘与火焰瞬间相互碰撞，导致火焰锋面自由基减少，从而降低了火焰的传播速度。

5.3.2煤粉粒径对泡沫金属阻隔性能的影响

为考察煤粉粒径对泡沫金属阻隔爆效果的影响，在相同试验条件下，选择了100 g的粒径范围为40～60目的煤粉与同质量60～80目的煤粉作对比分析。图10是不同粒径煤粉对火焰波传播的影响，煤粉粒径大于泡沫金属孔径时(40～60目)，对火焰速度的衰减率有较大的下降，达到了68.23%，远小于100 g 60～80目煤粉92.05%的阻隔效率，相比未添加煤粉时的阻隔效率则下降了27.13%。分析其原因是由于小粒径煤粉容易从泡沫金属的孔隙中逸出，对泡沫金属阻隔能力影响较小;而煤粉粒径和泡沫金属孔径相距不大时，煤粉易滞留在泡沫金属上，当火焰波经过时可能部分煤粉燃烧从而导致泡沫金属的阻隔性能发生较大变化。

5.4 煤粉在泡沫金属材料上的滞留量及滞留率

泡沫金属的应用目的之一是井下瓦斯发生多次连续爆炸时仍能起到阻隔作用，而煤粉在阻隔材料上的滞留，必然对材料孔隙率、导热性及阻隔性能造成影响。因此研究煤粉在泡沫金属上的滞留率对后续研究有关键作用。

试验过程中，采用电子天平测定煤粉在泡沫金属材料上的滞留量。主要采用的是粒径为60～80目的煤粉，在管道中的添加的质量分别为5，10，50和100 g四组，另有一组为粒径40～60目的100 g煤粉。具体结果见表2。从表中可以看出，在相同粒径条件下，铺设煤粉质量越多，越易滞留在阻隔材料上。从煤粉的滞留率看，煤粉在泡沫金属上的滞留率为10.8%～22.9%不等，60～80目的平均滞留率为14.06%，而同质量40～60目的煤粉滞留率则高于60～80目，说明煤粉粒径越接近泡沫金属孔径，则越易滞留在隔爆材料上。此外根据孔隙率计算，本次试验中材料孔隙率降低在6.67%以下，大部分的煤粉在压力作用下穿过阻隔材料，对爆炸超压的阻隔影响有限。这也与前述试验中爆炸响度大幅降低的现象相吻合。但由于滞留煤粉大多在泡沫金属表面，二次爆炸产生时，可能引起爆炸超压和火焰传播速度的大幅增加。

表2煤粉在泡沫金属上的滞留情况
Table2Strandedcoaldustonfoammetal

煤粉质量/g粒径/目爆炸前金属质量/g爆炸后金属质量/g煤粉在泡沫金属上的增量/g粉尘滞留率/%无煤粉—318.70318.700010060～80315.80327.9812.1812.185060～80313.63319.345.7110.341060～80321.11323.402.2922.90560～80304.50305.040.5410.8010040～60309.56325.2915.7315.73

值得注意的是，由于煤粉的铺设厚度、长度无法做到完全一致，而粉尘的堆积状态直接影响其扬尘程度，因此煤粉在泡沫金属上的滞留情况还需更深入的研究。

6 结 论

(1)泡沫金属对瓦斯爆炸火焰波传播具有良好的抑制作用，在传播途径上设置泡沫金属可有效的阻隔爆炸火焰波的继续传播。

(2)煤粉的添加对泡沫金属的火焰阻隔能力具有较大的影响。当泡沫金属参数为本试验所设定的情况时，煤粉粒径一定，管道中煤粉质量小于10 g或大于100 g，基本对其阻隔能力没有影响，甚至还略有增加;但当煤粉质量50 g时，大幅降低了泡沫金属的阻隔能力，降低幅度为13.86%。说明煤粉质量对泡沫金属的阻隔能力有影响，但只有在煤粉质量一定时对其有较大影响。对于其他参数组合的泡沫金属添加煤粉时的影响规律则有待于进一步研究。

(3)在煤粉质量一定时，煤粉粒径越接近泡沫金属孔径，越易滞留于泡沫金属上，且对泡沫金属阻隔能力有较大影响。

(4)实验中煤粉的成分均一致，且经过较长时间的搁置。根据理论分析，煤粉的挥发分、水分、燃烧热、爆炸性等均可能对泡沫金属的阻隔性能造成影响。因此，针对煤粉性质对泡沫金属阻隔性能的影响还需进一步探讨。

(5)在本次实验中，煤粉的铺设约距泡沫金属0.3 m左右。实验条件所限，无法直观考察扬尘的程度，今后应改变煤粉与泡沫金属之间距离，考察煤粉扬起程度与阻隔效果之间的关系。

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Studyontheinfluenceregulationafteraddingcoaldustforinhibitionofflamewaveofgasexplosionbyfoammetal

WANG Yajun1,2,XU Xiuyan3,QIN Xianli1

(1.SchoolofSafetyEngineering,HeilongjiangUniversityofScienceandTechnology,Harbin150022,China; 2.SchoolofSafetyEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China; 3.CollegeofScience,HeilongjiangUniversityofScienceandTechnology,Harbin150022,China)

Foam metal is a new type of material which can inhibit gas explosion flame and pressure wave.But its isolation performance is unpredictable under the environment of coal dust.To research the influence regulation of foam metal’s isolation on gas explosion flame after adding coal dust with different parameters in pipe,the experiment was carried out in a gas explosion transfer device designed by ourselves and its diameter is 120 mm.The results show that the attenuation rate of gas flame wave were 92.95%,97.93%,80.95%,and 92.05% respectively after adding 5 g,10 g,50 g,and 100 g coal dust with particle sizes of 60-80 mesh.For the foam metal with specific parameters,the quality of coal powder can reduce the barrier performance in a certain range.In comparing the attenuation rates of foam metal,the closer to the foam metal’s aperture the dust particle size was,the more likely stranded in barrier material the dust was,and even worse the barrier effect of the foam metal would be.Its attenuation rate was falling to 68.23% when 100 g coal dust (40-60 mesh) added.The study found that the quality and particle size of coal dust in pipe can make important influence on foam metal’s blocking performance.

coal dust;foam metal;gas blast;inhibition;flame wave;influence regulation

王亚军，徐秀艳，秦宪礼.煤粉对泡沫金属抑制爆炸火焰波性能的影响规律[J].煤炭学报,2017,42(11):2885-2891.

10.13225/j.cnki.jccs.2017.0476

WANG Yajun，XU Xiuyan，QIN Xianli.Study on the influence regulation after adding coal dust for inhibition of flame wave of gas explosion by foam metal[J].Journal of China Coal Society,2017,42(11):2885-2891.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.0476

TD712

A

0253-9993(2017)11-2885-07

2017-04-12

2017-09-06责任编辑常明然

国家自然科学基金青年基金资助项目(51604101);黑龙江省自然科学青年基金资助项目(QC2015054);国家安全监督管理总局2016重大事故防治关键技术科技资助项目(heilongjiang-0001-2016AQ)

王亚军(1980—)，男，河北怀安人，讲师,博士研究生。Tel:0451-88036489，E-mail:wyj.0328@163.com