矿井瓦斯控爆技术及材料研究进展*

罗振敏，苏 彬，王 涛，程方明，赵婧昱，王 磊

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安710054；2.陕西省煤火灾害防治重点实验室，陕西 西安710054；3.中铁十二局集团第一工程有限公司，陕西 西安 710038)

0 引言

瓦斯事故是煤矿行业的重大灾害之一，严重威胁我国煤矿安全生产和矿工的生命安全。据统计[1]，2008—2017年间，我国发生煤矿瓦斯事故389次，死亡人数达3 016人，其中，瓦斯突出事故导致855人死亡，占总死亡人数的28.34%；瓦斯爆炸事故导致1 663人死亡，占总死亡人数的55.13%；其他瓦斯事故导致498人死亡，占总死亡人数的16.53%。瓦斯爆炸事故导致的死亡人数占瓦斯事故总死亡人数的一半以上，因此，瓦斯爆炸的防控仍是煤矿瓦斯安全工作的重点。由于井下瓦斯爆炸具有破坏性、突发性、灾难性、环境复杂性等特点，瓦斯爆炸灾害的防治技术始终是我国煤矿安全领域研究的难点问题。

1 矿井瓦斯控爆技术及装置

目前，通用的瓦斯爆炸防控技术主要分为2个方面，一方面是防止瓦斯爆炸3要素同时形成的预防性技术，包括瓦斯预抽采、瓦斯浓度监测、防治瓦斯积聚、井下作业严禁火源等措施；另一方面是在爆炸发生后，以降低爆炸破坏程度为目的的阻爆、隔爆技术。

阻爆、隔爆技术统称为抑爆技术，其主要原理是在爆炸被引发阶段，释放抑制爆炸的材料而阻尼爆炸反应的进程或终止爆炸过程中的链反应，从而减小爆炸强度，减弱其破坏作用。抑爆技术方面，根据其触发、启动原理的不同又可细分为被动抑爆技术与主动抑爆技术。被动式抑爆技术是利用爆炸冲击波与爆炸火焰锋面之间的时间差，以瓦斯爆炸的冲击波作为动力源释放布置于井巷中的岩粉棚、抑爆水槽、水棚等抑爆材料，扑灭随后到达的火焰锋面。在一定时期内，被动式抑爆技术由于其使用方便、成本低廉而被普遍使用。随着煤炭采掘技术的进步，被动式抑爆技术的不足逐渐体现出来，如综采方式使得矿井风流增大，布置于井巷中的岩粉棚易被风流扬起，恶化了井下工作条件，不利于人员的身体健康。王从银等[2]的研究表明，发生爆炸时，若阻隔爆装置的动作延迟时间与火焰到达的时间不同步，抑爆材料便不能有效地覆盖火焰阵面，抑爆效果受到限制；张建忠[3]的研究表明，被动式阻隔爆装置无法对爆炸进行提前预警，同时发生爆炸时如果冲击波能量较低，不足以击破岩粉袋，就达不到预期的防爆效果。这些研究从触发和启动原理、灭火抑爆效果以及井下工作环境方面证实了被动式抑爆岩粉棚、水槽等的缺陷。

主动抑爆技术是指在发生爆炸时，抑爆系统经火焰传感器将光信号转化为电信号并传输给控制器，经控制器运算、判断后发出指令，释放装置接收到指令后在极短时间内喷洒灭火材料或抑爆剂，在一定空间内形成云雾状的抑爆介质屏障，从而抑制瓦斯爆炸火焰传播的技术。此类抑爆系统主要布置于井下采掘工作面的掘进机、进回风巷道以及瓦斯输送管道内部，其主要抑爆介质有水，水加卤代烷，粉末无机盐类抑制剂和卤代烃，这些介质对于瓦斯爆炸都具有物理吸热抑制作用，在化学抑制作用方面，水可降低瓦斯爆炸过程中基元反应速率，粉末无机盐类抑制剂可消耗爆炸过程的自由基起到化学抑制作用，卤代烃分解产生的自由基与瓦斯爆炸过程的自由基反应会中断瓦斯爆炸过程链反应的传递，从而达到抑爆效果。现有部分成型主动抑爆装置及参数见表1，主动抑爆技术与被动抑爆技术的优缺点对比见表2。

表1 主动抑爆系统Table 1 Active explosion suppression system

薛少谦[4]在长896 m的实验巷道内研究了抑制瓦斯(煤尘)爆炸的主动喷粉技术，与爆炸源距离30～40 m范围内时，效果最好；朱承建等[5]针对低浓度瓦斯输送管道易燃易爆等问题，研制了1套主动抑爆装置，抑爆器采用产气剂式，喷粉完成时间约为135 ms，成雾时间大于1 000 ms，经试验测试，该装置能很好地控制管道爆炸范围，减少爆炸危害。依据爆炸冲击波速度远大于火焰传播速度的原理，荣佳等[6]研发了新型的自动抑爆装置，该装置以冲击波为触发信号启动高压腔体，释放腔体内存放的抑爆介质，在火焰锋面到达前形成屏障。经试验测试，系统在25 ms内响应，成雾时间为120 ms，在断面面积为7.2 m2、长30 m的巷道内，抑爆屏障持续时间大于6 000 ms；丁珏等[7]研究了以爆炸抛撒为原理的抑爆装置，即发生爆炸时，装置内的炸药爆炸，在极短时间内将抑爆剂抛撒，迅速形成水雾封闭火焰的传播通道，从而衰减压力、抑制火焰的传播，分析结果表明，该装置具有水雾形成速度快，水雾体积大的特点，且将装置放置在平行来流方向时抑爆效果好于放置在垂直来流方向上；李润之等[8]介绍了1种水幕抑爆系统，在大型实验巷道内对其效果进行了验证，发现抑爆效果主要与各装置安装位置、喷雾压力、喷雾强度和水幕带长度有关。此外，以紫外红外传感器和压力传感器为核心的探测器和逻辑判断回路被设计出来，不仅从各方面优化了传统的抑爆介质喷洒装置，缩小了装置体积，而且提升了喷洒率，缩短了成雾时间。综上，目前在主动抑爆装置研制方面已取得较大进展，利用先进的技术手段实现了抑爆装置的智能触发与启动，采用不同的抑爆介质研究了各方面因素对抑爆效果的影响，从而使抑爆效果更智能、高效、可靠。

表2 主动抑爆技术与被动抑爆技术对比Table 2 Comparison of active and passive explosion suppression techniques

2 抑爆介质

抑爆介质是抑爆过程中的关键因素，通过特定材料与瓦斯爆炸火焰的相互作用，减弱或者中断燃烧爆炸反应，从而减弱爆炸的强度。常见的抑爆材料有惰气、水系材料、粉体和气溶胶、多孔材料等。

2.1 惰性气体抑爆材料

惰性气体(CO2，N2和Ar)具有缩小瓦斯爆炸极限范围、降低瓦斯-空气混合气体的可燃性的作用。当惰性气体添加到一定量时，可使混合气体惰化为不可燃气体，从而抑制瓦斯爆炸的发生。

Bundya等[9]分析了在不考虑质量损失的情况下，惰性气体CO2，N2和CF3Br对瓦斯爆炸火焰的抑制作用，总结出各种惰性气体抑制火焰传播所达到的定量临界浓度；王华等[10]研究了添加CO2，N2以及不同比例CO2/N2混合惰气后，瓦斯爆炸极限、临界氧浓度和抑爆效果的变化，N2，CO2在瓦斯爆炸过程中起到了一定的抑制作用，且CO2的抑爆效果比N2好；王建等[11]通过实验和理论计算分析了惰性气体的阻尼效应，随着惰性气体添加量的上升，混合气体的爆轰参数逐渐下降，CO2、水蒸气和N2这3种抑爆材料的阻尼性能依次降低；罗振敏等[12]通过实验与数值模拟相结合的手段，分析了CO2抑制作用下的管道内甲烷爆炸传播流场特性，发现有显著的震荡传播特点。以上研究主要通过实验和数值模拟的方法，从宏观角度研究惰性气体对瓦斯爆炸的作用，发现惰性气体CO2对瓦斯的抑爆效果最好。

2.2 水系抑爆材料

带有压力的水经过特殊喷嘴喷出产生微小的水颗粒即为细水雾，具有成本低、无污染、安全等优点。大多情况下，在水中加入不同的添加剂，可以使喷出的水雾特征发生变化，从而提高水雾的抑爆性能。

Chelliah等[13]发现比表面积和火焰抑制效果两者存在相关性且具有最佳粒径，超过最佳粒径时，火焰传播速度与雾滴比表面积呈负相关，分析认为细水雾的介入改变或减弱了流场，使自由基消失并通过蒸发吸热减小了火焰温度，从而达到抑爆的目的；李永怀等[14]在700 mm直径的管道中进行了水雾抑爆研究，随水量增加，最大爆炸压力逐渐减小，添加到一定量后，水量增加对最大爆炸压力影响不明显，喷雾角与抑爆距离关系不大，细水雾在管道内的理想抑爆范围为10～50 m；陈晓坤等[15]的研究表明，分别添加超细清水雾、NaCl、NaHCO3、KCl水雾条件下，甲烷爆炸感应期明显延长，平均速率和峰值明显降低，且含添加剂的水雾抑爆效果明显优于清水雾，3种添加剂中，KCl细水雾抑爆效果最好；张增志等[16]研发了1种以水为载体，span80为吸收剂，NaClO，NaHCO3，KHCO3，CH3COONa和NaOH为添加剂的新型瓦斯吸收材料，该材料不仅对甲烷有很好的吸收作用，还能对甲烷爆炸起到一定的抑制作用；谷睿等[17]用自己搭建的实验系统研究了不同体积分数的超细水雾对甲烷的抑爆效果，确定了超细水雾抑制的临界体积；安安[18]利用自主设计的装置，研究了细水雾对管道内瓦斯的抑爆效果，结果表明：细水雾可以抑制火焰传播速度，阻止形成火焰高温区，同时发现细水雾在通量不足或瓦斯浓度较高时会促燃引发爆炸，另一方面，通过实验发现荷电细水雾对瓦斯爆炸超压和平均压升速率有明显抑制作用；李振峰等[19]进行了细水雾对瓦斯和煤尘混合物爆炸抑制的研究，细水雾的降温和阻隔作用能减小爆炸预热区长度，从而降低对未燃气体的热传导速度；张振普等[20]的研究结果还显示，水雾对钻孔瓦斯爆炸火焰的抑制效果，雾滴粒径越小，喷雾压力越大，灭火效果越好，同时发现水蒸气对甲烷燃烧和爆炸的抑制作用主要是增大了甲烷的点火延迟时间，降低了燃烧温度和高活性自由基的浓度。可见，目前水系抑爆材料主要包括清水雾和含有添加剂的细水雾，且含有添加剂的细水雾抑爆效果更好。

2.3 气溶胶抑爆材料

气溶胶是1种以纳米或亚微米级固态、液态微粒为分散相，气体为分散介质的胶体体系，分为热气溶胶和冷气溶胶，其中，热气溶胶主要以固相微粒(40%碳酸盐和金属氧化物)的化学抑制作用为主，以惰性气体(60% CO2，N2，水蒸气)的物理抑制作用为辅来共同达到灭火的目的；冷气溶胶灭火剂主要是通过80% 细微粒的化学抑制作用来实现灭火的，具有环保、成本低、无腐蚀、对人无害等特点。

Korostelev[21]考察了气溶胶配方和组成成分对火焰压力的影响，当气溶胶的配方不同时，气溶胶的燃速、火焰压力也不同；屈丽娜[22]发现气溶胶添加量的增加可使甲烷爆炸极限范围不断缩小直至闭合，甲烷爆炸压力峰值、最大爆炸压力上升速率不断降低，直至不再发生爆炸，且S型比K型气溶胶抑制所形成的爆炸极限范围小，到达最大爆炸压力所用的时间长，抑爆效果更好；罗振敏[23]对冷却气溶胶和无冷却气溶胶抑制瓦斯爆炸进行了实验研究，研究表明，无冷却气溶胶的抑爆效果更好，加入冷却剂后，气溶胶燃烧后的产物受陶瓷球冷却剂的冷却作用，气溶胶中的纳米级固体微粒被陶瓷球所阻隔，导致扩散出去的固体微粒数量减少，同时，固体微粒在经过冷却陶瓷球后活性大大降低。以上研究主要通过测试不同组分和配方的气溶胶对瓦斯爆炸极限参数及压力特性的影响从而确定气溶胶的抑爆效果。

气溶胶灭火技术的研究重点是改性冷气溶胶、复合型气溶胶[24-25]和新型气溶胶。复合型气溶胶灭火剂是通过在冷、热气溶胶中加入惰性气体、阻燃剂或其他灭火剂来优化灭火作用。如水蒸气喷雾式气溶胶干粉灭火剂，是1种复合型气溶胶灭火剂，主要是利用水蒸气和气溶胶干粉之间的协同作用，来实现灭火的，其灭火作用主要是减缓自由基产生速率，从而降低化学反应速率，终止链式反应。

2.4 粉体抑爆材料

粉体抑爆材料是指能够熄灭火焰、阻止火焰传播的固体粉末。目前抑爆效果较好的粉体抑爆材料有：ABC干粉、硅藻土、Al(OH)3，Mg(OH)2，KHCO3，NaHCO3和CaCO3等。

Krasnyansky[26]通过对甲烷爆炸的物理和化学过程分析，确定了实验状态下固体抑爆材料有效释放时间，以CO(NH2)2为抑爆剂主要成分，加入KCl和少量雾化SiO2，在小型管式爆炸系统和大型模拟巷道中进行抑爆效果及抑爆剂加入方式影响研究；蔡周全等[27]发现ABC干粉能抑制瓦斯爆炸，粉体粒度对抑爆性能影响明显，粒度越小，抑爆性能越好；谢波等[28]在大型爆炸管道研究了粉体抑爆剂种类、浓度、粒度3个参数对抑爆效果的影响，抑爆剂种类对抑爆效果影响明显，粒度越小抑爆效果越好，浓度越大，抑爆效果越好，存在极限浓度，低于极限浓度时，激波在抑爆区不能被有效抑制，离开抑爆区后会重新成长；邓军等[29-31]采用20 L近球形爆炸装置，对超细Al(OH)3粉体、超细ABC干粉、SiO2纳米粉体、NaHCO3粉体、氟化酮灭火剂的抑爆效果进行了实验研究，粉体对甲烷爆炸有不同程度的抑制作用，且在抑爆过程中存在最佳抑爆浓度范围和最佳抑爆时间范围，超出该范围抑爆作用明显下降，其中，在实验条件相同的情况下，同浓度超细ABC干粉抑爆效果优于其他粉体材料；余明高等[32]通过对拜耳法赤泥进行脱碱、改性处理得到超细改性赤泥粉体，并研究了该粉体在瓦斯爆炸过程中的抑爆效果，改性赤泥粉体具有较高的吸热性和比表面积，能够有效吸附爆炸中产生的自由基，具有良好的抑爆效果；黄寅生等[33]用20 L爆炸球测试装置对比分析了(NH4)H2PO4，KH2PO4，Ca(H2PO4)2等磷酸二氢盐和SiO2粉体的抑爆效果，同时研究了粉体质量浓度、粉体粒径和点火能量对抑爆效果的影响。综上，多项研究通过实验手段分析了粉体抑爆剂种类、浓度、粒度对抑爆效果的影响，发现粒度大小对抑爆效果影响显著，且存在最佳抑爆浓度，这为瓦斯爆炸防控提供了理论依据。

2.5 多孔抑爆材料

多孔材料具有开孔率大，耐高温，抗冲击强等特点，是1种新型的缓冲吸能材料，其孔隙结构能够大量销毁链式反应过程中产生的自由基，起到淬熄火焰，破坏冲击波和燃烧波间的耦合作用，起到阻爆隔爆作用。目前，应用最广泛的多孔材料有金属多孔材料、陶瓷和泡沫陶瓷多孔材料。这些多孔材料，均具有相对密度小，热导率低，比强度高，比表面积大和吸能效果好等特点，因此国内外学者对其抑爆效果进行了广泛研究。

Ciccarelli等[34]通过研究泡沫陶瓷淬熄性能发现，在当量直径和流率一定时，颗粒填料比陶瓷泡沫的淬熄效果好，淬熄现象不能单独靠热效应来解释，也可能受火焰的延展和前驱波的扩散影响；魏春荣等[35]研究发现放置多孔材料后，瓦斯爆炸火焰波明显衰减，火焰温度坡度变缓，影响火焰温度衰减的因素有多孔材料的孔径、厚度和相对密度，材质一定时，孔径小，厚度和相对密度大的多孔材料对火焰温度衰减效果好；张巨峰等[36]通过测定甲烷爆炸过程导热系数，对爆炸实验模型三维结构进行微观分析，在一定范围内，多孔材料的孔径越小，导热系数越小，对甲烷爆炸的抑制作用越好；孙建华等[37]将金属丝网体和碳化硅泡沫陶瓷同时使用，发现2种材料性能可以互补，增强抑爆效果，降低抑爆材料的耗损率，探究了泡沫铁镍材料对爆炸波和火焰波的影响，孔径越小，厚度越大，含镍成分越高则抑爆效果越好；聂百胜等[38]在方形试验管道内研究了泡沫陶瓷对矿井瓦斯多次爆炸的阻隔作用；马凯等[39]通过超景深三维数码显微系统量化爆炸过程中的器壁效应，结果显示泡沫陶瓷具有特殊的三维空间结构，有利于瓦斯爆炸反应的断链，销毁自由基，从而终止瓦斯爆炸反应。以上研究主要从材料、结构尺寸、安装因素、使用因素、改进试验方法和抑爆机理等方面对多孔材料的阻隔爆性能进行了分析，发现多孔材料的孔径大小对抑爆效果具有较大的影响。

3 抑爆机理

由于抑爆介质物化特性的不同，其抑爆机理主要有物理抑爆、化学抑爆和物理化学混合抑爆，其中，物理抑爆作用包括稀释混合气体中的氧浓度、材料自身吸热分解、失去结晶水的吸热过程和隔绝热传导4种；化学抑爆机理主要包括直接与链式反应中间基团发生反应和代替链式反应中间基团发生反应生成稳定产物2种。

4 结论与展望

1)目前瓦斯抑爆技术的有效性和可靠性主要取决于抑爆介质的物理化学性质、控爆空间几何参数、爆炸特性参数和抑爆系统中爆炸探测方式等因素。抑爆材料种类和抑爆机理研究应主要考虑对混合气体和工艺环境适用性以及控爆效率。

2)现有瓦斯抑爆研究方面，主要是通过对爆炸过程中的压力变化、爆炸感应期、爆炸冲击波、火焰传播过程数据分析，判断材料的抑爆性能，随着抑爆研究的进一步发展，研究应更多地关注于抑爆过程的微观特性，分析抑爆介质对瓦斯爆炸链-热反应过程详细信息特征和爆炸过程多场信息特征的影响，揭示抑爆介质的微观作用机理，从而高效可靠地分析材料的抑爆性能。

3)国内外学者对惰性气体、细水雾、气溶胶、粉体、多孔材料等单一材料或同相复配材料的性能进行了实验研究，这些材料对瓦斯爆炸均有一定的抑制作用，但受煤矿复杂环境影响，经济条件制约，许多抑爆材料还无法应用到煤矿井下，因此，寻求1种多相复配的高效能、环保、经济、适用于矿山实际应用领域的新型抑爆材料是现在抑爆领域的1个重要研究方向。

4)近年来，基于瓦斯爆炸链式反应理论，结合软件模拟，材料的抑爆效能研究得到了发展，但深层控爆本质仍需进一步揭示，因此有必要分析瓦斯爆炸防控过程中链引发关键组分、链发展致灾关键自由基以及瓦斯爆炸关键反应路径的变化情况，综合控爆机理将成为矿井瓦斯抑爆技术研究的另一个重要方向，为探寻新型抑爆材料提供更有力的理论支持。