抑爆粉剂浓度及粒度对瓦斯爆炸抑制效果的影响*

黄子超，司荣军，薛少谦

(1. 中煤科工集团重庆研究院有限公司 火灾爆炸防治研究分院，重庆 400037； 2. 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037)

0 引言

瓦斯灾害事故是我国煤矿灾害中最为严重的灾害之一，在煤矿发生一次死亡10人以上的重特大事故中，瓦斯爆炸事故占70%左右[1]。近年来粉体类抑爆在瓦斯抑爆技术中应用越来越广，尤其磷酸二氢铵粉剂具有较强的热分解速度和捕获自由基能力。行业标准AQ 1076-2009《煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计规范》中规范了粉体类抑爆装置的应用与要求[2]。

粉体抑爆剂在瓦斯爆炸抑制反应中快速形成一定范围的悬浮颗粒两相反应介质，因其链式反应与热量交换等作用抑制并衰减爆炸火焰和冲击波[3]。国内外学者对不同种类的抑爆粉剂进行了大量的理论和试验研究。J. AMROGOWICZ等[4]对比研究了碳酸盐和磷酸盐对粉尘爆炸的抑制效果；H.K. CHELLIAH等[5]研究了不同粒径的碳酸氢钠对甲烷爆炸的抑制效果，发现粒度20～30 μm与<10 μm的粉体抑制效果相当，均劣于粒度10～20 μm的抑制能力；戴晓静[6]分析了粉体抑爆剂细小颗粒粉碎制备技术及表面改性方法；覃欣欣等[7]通过直径DN500钢制管道研究了不同ABC粉体面密度对瓦斯爆炸的抑制效果，发现抑爆粉剂密度大于40.8 kg/m2时，爆炸火焰被完全抑制；文虎等[8]认为粉体的抑爆效果受浓度、点火延迟时间影响，过多的粉剂会造成颗粒间的凝并、沉降，且随点火延迟时间延长，抑爆效果下降。

目前，对ABC超细干粉灭火剂的抑爆性能研究并不系统，局限于是否扑灭火焰，没有广泛认可的理论。论文从气体粉尘爆炸典型的特征参数出发，通过实验从浓度和粒度2个方面研究磷酸盐抑爆粉剂对爆炸压力、压力上升速率、峰值压力时间等爆炸特征参数的抑制效果及变化规律。

1 实验系统与方法

1.1 实验系统

图1 爆炸特性试验装置示意Fig.1 Schematic diagram of explosion test system

实验系统的主体为20 L爆炸特性实验装置，主要由20 L爆炸实验罐体、点火装置、数据采集系统、配气装置、控制系统等组成，图1为20 L爆炸特性实验装置的组成示意图。在爆炸实验装置的罐体壁面上安装压力传感器，测试不同工况条件下的瓦斯爆炸最大压力、最大压力上升速率以及峰值压力呈现时间等。实验装置的罐体还连接有控制实验流程的电磁阀、粉尘仓、储气室、真空泵等。

实验测试采用KZQ-2型爆炸特性数据采集系统，可以实现在线点火与爆炸信号的实时采集。由于系统电磁阀动作、抑爆粉剂的喷洒过程存在时间，采集系统在触发电磁阀与点火头引爆之间设置延迟时间，实验测试中点火延迟时间为60 ms。

1.2 实验方法

1.2.1 实验气体的配置

根据20 L爆炸特性实验装置的工作原理及组成，爆炸试验气体由预混瓦斯/空气混合气体、高压空气2部分组成。实验点火前，需通过高压空气将一定质量的抑爆粉剂散布于爆炸罐体内，罐体内的配气方法采用分压法。首先向罐体内充入预配的甲烷空气混合气体，利用真空泵将罐体抽真空至负压状态。然后通过补入储气仓内的高压空气使得实验罐体内压力刚好为常压，此时实验气体形成常压湍流状态。

1)实验装置罐体内的压力

通过真空泵将实验装置罐体内预配气体的压力抽真空至-60 kPa，装置储气仓内空气压力为2.0 MPa，储气仓的容积为0.6 L。触发电磁阀动作后，二者在罐体内混合后的压力为1个大气压。

(1)

式中：v1为实验装置罐体容积,L；v2为实验装置储气仓的容积，L。

2)实验装置罐体内的瓦斯浓度

通过配气装置预配的瓦斯/空气混合气体的甲烷体积分数为22%。预配气体与储气仓内气体混合后的甲烷体积分数可通过计算获得，见公式(2)：

(2)

式中：φ1为预配的混合气体甲烷体积分数；φ2为实验装置储气仓内气体甲烷体积分数，φ2=0。

经计算得:φ(CH4) = 8.8%。

1.2.2 抑爆粉剂

实验用抑爆粉剂选用ABC干粉灭火剂，其主要成分为NH4H2PO4，且比例>90%。在抑爆粉剂浓度实验中，ABC干粉灭火剂的浓度范围为0～ 225 g/m3。在粒度实验中，通过180～1 000目标准筛筛分出5种粒度条件的抑爆粉剂，分别为：粒径<15 μm，20～30 μm，40～50 μm，50～60 μm，70～80 μm。实验在同一实验室同一装置内进行，分别通过改变浓度或粒度条件进行对比测试。

1.2.3 实验条件

瓦斯爆炸或抑爆实验条件如表1所示。论文实验研究是在常温常压条件下进行的，实验室环境温度在20～30℃之间，环境相对湿度在70%～90% RH之间。实验中均采用点火能量为10 J的化学点火药头作为点火源。

表1 瓦斯爆炸试验环境条件Table.1 Environment conditions for gas explosion experiment

2 实验结果及分析

2.1 瓦斯爆炸实验

通过20 L爆炸特性实验装置，在不添加粉体抑爆剂情况下，采用实验方法中预先配置的瓦斯/空气混合气体进行爆炸实验。实验得到的常温常压条件下瓦斯爆炸压力变化曲线如图2所示。

图2 瓦斯爆炸压力曲线Fig.2 Curve of gas explosion pressure

不添加抑爆粉剂时，瓦斯混合气体爆炸感应时间极短，压力在瞬间有明显上升趋势，从点火到最大爆炸压力呈现仅需要60 ms左右，这段时间是瓦斯爆炸的快速反应阶段，爆炸压力为0.645 6 MPa，最大压力上升速率高达149.53 MPa/s。可燃混合气体完全反应后，实验罐体内的爆炸压力逐渐下降。

2.2 抑爆剂浓度对瓦斯爆炸抑制效果的影响

2.2.1 实验结果及规律

图3 最大爆炸压力变化规律Fig.3 Change curve of maximum explosion pressure

爆炸压力、最大压力上升速率、峰值压力呈现时间是衡量瓦斯爆炸危险性的重要特征值。抑爆剂浓度影响试验中选用粒度<15 μm的粉剂。在添加不同浓度抑爆粉剂时，瓦斯最大爆炸压力变化如图3所示，最大爆炸压力先缓慢降低，当浓度达到一定值后呈断崖式下降。当ABC抑爆粉剂浓度为200 g/m3时，瓦斯爆炸后的最大压力为0.518 MPa，相对于不添加抑爆剂时下降19.8%。此时，抑爆剂不能完全抑制爆炸的发生，而最大爆炸压力仍然会比较大。而当粉剂的浓度增加到225 g/m3时，爆炸反应体系则失去爆炸性，圧力曲线急剧下降。

粉剂浓度<15 μm条件下，随着抑爆粉剂的浓度逐渐增加，瓦斯爆炸最大压力上升速率呈衰减指数的变化规律，如图4所示。

图4 压力上升速率变化规律Fig.4 Changes of maximum pressure rising rate

抑爆粉剂浓度由50 g/m3增加到75 g/m3，最大压力上升速率由55.43 MPa/s急剧下降到19.97 MPa/s。之后，随抑爆剂浓度继续增加，最大压力上升速率下降幅度变缓。最大压力上升速率与粉剂浓度的拟合关系如式(3)所示，拟合方程中各参数值见表2中所示。

(3)

表2 拟合函数参数Table.2Parameters of fitting function

峰值压力时间可以反映出瓦斯气体被点燃的容易程度以及反应的剧烈程度，如图5所示。

图5 峰值压力呈现时间变化规律Fig.5 Arrival time changes of peak pressure

当抑爆粉剂浓度增加到200 g/m3时，峰值压力呈现时间由60 ms延迟到530 ms。粉剂浓度<15 μm条件下，压力峰值时间随抑爆粉剂浓度的增加呈现出线性增加的变化关系，二者的拟合关系如式(4)所示，拟合方程中各参数值见表3中所示。

y=a+bx(50≤x≤200)R2=0.978 1

(4)

表3 拟合函数参数Table.3 Parameters of fitting function

2.2.2 影响分析

抑爆粉剂对瓦斯爆炸具有物理、化学2方面的抑制作用，且随着浓度的增加，抑制效果逐渐增强。

随着抑爆粉剂浓度的增加，在20 L爆炸实验装置内形成悬浮颗粒两相反应作用更加明显。当更多的抑爆粉剂释放至爆炸反应混合区，其在高温作用下失去结晶水、发生逐级分解反应，降低了爆炸反应体系的环境温度，起到冷却降温的作用，分解反应如式(5)～(8)所示[9]。粉剂高温分解后产生大量水蒸气及不活泼气体，可以稀释甲烷及氧气浓度，起到更大的隔绝与窒息作用。浓度越大时，有效碰撞几率越低，这种屏障作用越有效[10]。

NH4H2PO4——2NH3+3H2O+P2O5

(5)

NH4H2PO4——NH3+H3PO4

(6)

H3PO4——H4P2O7+HPO3

(7)

H4P2O7——P2O5+H2O

(8)

由于抑爆粉剂固体微粒表面相对于反应体系活性物质 H·，OH·和 O·的尺寸要大得多，因而产生一种“围墙”效应。随着浓度的增加，这种“围墙”效应更加明显，加速了活性物质的消亡，降低爆炸的波及范围和发生的可能性。另一方面，抑爆剂浓度的增加，在高温作用下颗粒分解产生的N 和 P等中间载体增加，这些中间载体可以与H·和OH·发生支链反应，阻断了链式反应的中间连续进程，从而抑制瓦斯爆炸的发生[11]，如式(9)～(10)所示：

N+3H——NH3

(9)

2P+5O——P2O5

(10)

所以，随着抑爆剂浓度的增加，降低瓦斯链式反应体系中间物质的数量、浓度、活性，其灭火效果增强，瓦斯爆炸最大压力下降，最大压力上升速率迅速下降，到达最大压力的时间明显增加。

2.3 抑爆剂粒度对瓦斯爆炸抑制效果的影响及分析

2.3.1 实验结果及变化规律

粒度影响实验采用浓度为200 g/m3的5种不同粒径的抑爆粉剂进行，瓦斯爆炸抑制实验与空白瓦斯爆炸实验进行对比，压力变化曲线如图6所示。

图6 不同粒度条件下爆炸压力变化曲线Fig.6 Change curves of explosion pressure under different granularity conditions

在添加不同粒度的抑爆粉剂后，瓦斯爆炸强度均有不同程度的减弱，最大爆炸压力降低，压力上升速率下降，爆炸延迟时间明显增加。通过曲线对比，粒度<15 μm和70～80 μm的抑爆粉剂爆炸特征参数变化幅度更大，抑制爆炸效果更为明显。通过图7～9对瓦斯爆炸压力、最大压力上升速率、峰值压力呈现时间等特征参数的变化进行详细分析。

图7 最大爆炸压力变化规律Fig.7 Changes of maximum explosion pressure

图8 最大压力上升速率变化规律Fig.8 Changes of maximum pressure rising time

图9 峰值压力呈现时间变化规律Fig.9 Arrival time changes of peak pressure

如图7所示，根据曲线变化，在实验研究粒度变化范围内，<15 μm 与70～80 μm粒度条件下抑制效果优于40～50 μm抑爆粉剂粒度。<15 μm 与70～80 μm粒度条件下最大爆炸压力分别为0.518 ，0.531 MPa，相对于空白瓦斯爆炸最大爆炸压力分别下降了19.8%，17.8%，而40～50 μm粒度条件下最大爆炸压力为0.607 MPa，仅下降了6.4%。

同样，随着抑爆剂粒度的变化，最大爆炸压力上升速率、压力峰值呈现时间2个爆炸特征参数均表现出在粒度<15 μm ，70～80 μm时抑爆效果较好，而在粒度40～50 μm时抑制效果较弱。如图8，图9所示，在粒度<15 μm ，70～80 μm的抑爆粉剂作用时，最大压力上升速率分别为7.735，9.023 MPa/s，分别下降了94.8%，94.0%，峰值压力呈现时间分别为530，550 ms；而在40～50 μm粒度条件时，最大压力上升速率分别为38.671 MPa/s，下降了74.1%，峰值压力呈现较早，时间为150 ms。

2.3.2 影响分析

通过图7～9中瓦斯爆炸压力、最大压力上升速率、峰值压力呈现时间等特征参数变化可知，随着抑爆粉剂粒度的降低，瓦斯爆炸抑制效果先降低后增强的变化规律，在<15 μm 与70～80 μm粒度的抑爆粉剂抑制效果优于40～50 μm粒度的抑制效果，而40～50 μm粒度条件为抑爆粉剂抑制瓦斯爆炸效果的转折点。

一方面，超细化的粉体微粒具有表面效应，微粒的粒度越小，比表面积急剧加大，原子配位数不足，造成许多悬空键[12]。超细颗粒这种不饱和性导致化学活性增强，特别容易吸附其他粒子或与其他粒子发生化学反应，而趋于稳定。

另一方面，超细无机化合物粉体存在易吸湿结块的问题，目前的研究成果有晶体桥理论和毛细管吸附理论[13-14]。除此之外，超细粉体颗粒之间存在静电引力、范德华力以及化学键作用力[15]，形成颗粒团聚。粉体颗粒直径越小，粒子表面积聚更多的正负电荷，表面能越高，故而容易自发产生团聚和凝并现象。而且，抑爆粉剂经过球磨粉碎或气流冲击粉碎后损坏了其表面的硅油膜，根据双膜理论模型的吸湿机理[16]，水蒸气进入粒子外表面液膜，液膜也由薄变厚，粉体颗粒的含水率增加，相互吸附形成大颗粒。这些因素影响了超细微粒抑爆剂的抑爆性能和贮存寿命。在一定范围内，粒度较大的细颗粒，如70～80 μm粉剂，是目前消防应用的主要粒径尺寸，本身具有较高的稳定性，可以长时间稳定存在于20 L密闭反应体系内，受热分解可以有效抑制爆炸的发生。而40～50 μm粒度的粉剂在粉碎制备时表面改性，颗粒不稳定的影响因素更大，相互间容易吸附团聚，形成大颗粒，限制了抑爆效果，而<15 μm粒度粉剂的比表面效应急剧增加，分子活性增加，此时正向抑制机制起到主导作用，抑制效果增强。

所以，抑爆粉剂粒度的大小对瓦斯爆炸抑制效果存在正反2方面的影响机制。比表面效应与团聚现象同时存在，共同作用。在论文实验条件下，在粒度15～80 μm范围内的抑爆性能呈现出先减弱后增大的变化规律，在粒度40～50 μm处存在转折点。

3 结论

1)抑爆粉剂浓度是影响瓦斯爆炸抑制效果的重要因素，随着抑爆粉剂浓度的增加最大爆炸压力下降，最大压力上升速率降低，到达峰值压力时间延长。

2)抑爆粉剂浓度较低时，其抑制作用较弱，而且爆炸压力仍然会比较大；当浓度增加到一定量时，瓦斯混合气体被完全惰化，失去爆炸性。在粉剂粒度<15 μm的条件下，抑爆粉剂浓度增加到225 g/m3时，瓦斯爆炸被完全抑制。

3)在15～80 μm粒度范围内，随着抑爆粉剂粒度的减小，抑爆粉剂抑爆效果呈现出先减弱后增强的变化规律，在浓度为200 g/m3时，<15 μm 与70～80 μm粉剂粒度最大爆炸压力分别下降了19.8%、17.8%，而40～50 μm粒度条件下下降了6.4%。

4)粒度大小对ABC超细粉剂抑爆性能的影响存在着比表面效应、吸湿团聚现象2方面的作用机制，在本实验条件下40～50 μm是该抑爆粉剂的临界粒度，是影响瓦斯抑爆效果的转折点。

[1] 王健,杜贤流. 煤矿瓦斯爆炸原因分析与防治对策[J].煤炭工程,2006，21(9):48～49.

WANG Jian, DU Xianliu. The reason of coal mine gas explosion and the prevention measures [J]. Coal Engineering, 2006, 21(9):48-49.

[2] 国家安全生产监督管理总局.矿低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计规范:AQ 1076-2009[S].北京：煤炭工业出版社，2010.

[3] 文虎，曹玮，程方明，等. 超细磷酸铵盐干粉抑制瓦斯爆炸的实验研究[J]. 煤矿安全，2011，42(7):1-3,7.

WEN Hu, CAO Wei, CHENG Fangming,et al. Experiment study on ultrafine ammonium phosphate dry powder to repress gas explosion [J]. Safety in Coal Mines, 2011，42(7):1-3,7.

[4] AMROGOWICZ J, KORDYLEWSKI W. Effectiveness of dust explosion suppression by carbonates and phosphates [J]. Combustion and Flame, 1991,85(3):520-522.

[5] CHELLIAH H K,WANIGARATHNE P C, LENTATI A M, et al. Effect of sodium bicarbonate particle size on the extinction condition of non-premixed counter flow flames[J]. Combustion and Flame, 2003,134(3):261-272.

[6] 戴晓静. 磷酸二氢盐抑爆剂的制备与抑爆作用研究[D]. 南京：南京理工大学，2013.

[7] 覃欣欣，司荣军，李润之. 抑爆剂面密度对瓦斯爆炸传播抑制效果的影响[J]. 煤矿安全，2016, 47(12):168-171.

QIN Xinxin, SI Rongjun, LI Runzhi. Influence of surface density of explosion suppression agent on inhibiting effect of gas explosion [J]. Safety in Coal Mines, 2016, 47(12):168-171.

[8] 文虎，曹玮，王开阔，等. ABC干粉抑制瓦斯爆炸的实验研究[J]. 中国安全生产科学技术，2011, 7(6):9-12.

WEN Hu, CAO Wei, WANG Kaikuo,et al. Experimental study on ABC dry powder to repress gas explosion [J]. Journal of Safety Science and Technolog, 2011, 7(6):9-12.

[9] 程方明. 超细粉体抑制甲烷-空气预混气体爆炸实验研究 [D].西安：西安科技大学，2011.

[10] 薛少谦. 抑制瓦斯煤尘爆炸传播的主动喷粉抑爆技术[J]．煤矿安全，2013，44(7) : 66-69．

XUE Shaoqian. Active dusting explosion suppression technology for inhibiting the spread of the gas and dust explosion [J]. Safety in Coal Mines, 2013, 44(7):66-69.

[11] 曹玮. 磷酸铵盐干粉抑制瓦斯爆炸的实验研究 [D].西安: 西安科技大学，2011.

[12] 王信群,王婷,徐海顺,等. BC粉体抑爆剂改性及抑制甲烷/空气混合物爆炸[J]. 化工学报, 2015，66(12):5171-5178.

WANG Xinqun，WANG Ting，XU Haishun, et al. Modification of commercial BC dry chemical powder suppressant and experiments on suppression of methane-air explosion [J]. Journal of Chemical Industry and Engineering, 2015, 66(12):5171-5178.

[13] BAHAR G, BASIM, BRIJM. Effect of soft agglomerates on CMP slurry performance [J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2002,256(1):137-142.

[14] 张亨. 无机化合物结块和防结块研究进展[J].化工生产与技术,2000,7(4):22-24.

ZHANG Heng. Progress in research of inorganic compounds’ caking and anti-caking [J]. Chemical Production and Technology, 2000,7(4):22-24.

[15] 冯拉俊,刘毅辉,雷阿利. BC纳米颗粒团聚的控制[J].微纳电子技术, 2003，40(7):536-539.

FENG Lajun, LIU Yihui,LEI Ali. The controlling of nanoparticle agglomerates [J]. Micronanoelectronic Technology, 2003, 40(7):536-539.

[16] 吴颐伦, 苏韬. 干粉灭火剂的吸湿机理和干燥曲线[J].消防技术与产品信息,2004(4):20-24.

WU Yilun, SU Tao. Drying curve and moisture absorption mechanism of dry powder extinguishing agent [J]. Fire Technique and Products Information, 2004(4):20-24.