煤矿瓦斯爆炸发展规律及防治的综述及展望

陈 硕，路 长,2*，苏振国，孟 琪，刘金刚

(1.河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地,焦作，454003；2.河南理工大学煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心,焦作，454003)

0 引言

当前我国经济高速发展，新能源开发随科技进步显著提高，但还不能完全替代传统能源，对煤炭能源的需求量还是只增不减。通过国家统计局发布的《中华人民共和国2019年国民经济和社会发展统计公报》显示，全国原煤产量完成38.5亿吨，同比增长4.0%。可见，我国能源最主要的依靠就是煤炭[1]。虽然有越来越多的煤矿企业投入生产，但是由于我国煤层自然赋存条件复杂多变，煤矿开采的煤层大多属于石炭二叠纪的煤层，其煤层中瓦斯含量大、煤层透气性差、地质构造复杂，瓦斯抽采困难，因此容易诱导瓦斯事故发生。瓦斯事故主要包括瓦斯突出和瓦斯爆炸两类，其中，瓦斯爆炸事故是我国煤矿事故中最严重的灾害事故之一[2](煤矿常见五大自然灾害：煤尘、瓦斯、火灾、水灾、冒顶[3])，是矿井安全生产的重大威胁。根据“煤矿安全网”快报提供的中国煤矿事故情况，笔者整理了近三年国内煤矿瓦斯爆炸事故统计，详见表1。

表1 近三年中国煤矿瓦斯爆炸事故统计

事故发生往往不是单因素作用的结果，如：瓦斯爆炸一般会引发其他事故。该连锁反应引起很多学者关注，裴蓓等[4]就瓦斯爆炸产生冲击波诱导沉积煤尘爆炸展开多角度探索。陈志峰等[5]对瓦斯爆炸产生冲击波对通风设施的破坏特性展开研究。对煤矿中各类事故的频繁发生，杨前意等[6]就瓦斯爆炸诱导煤尘爆炸的因素展开研究。国家安监总局根据灾害事故严重程度对事故做出明确等级划分，分别是特别重大事故、重大事故、较大事故、一般事故。

瓦斯爆炸事故严重制约着我国煤矿安全和生产发展，基于此学者们在诸多方面开展研究工作并取得重大成果，为安全生产提供理论指导和技术支持。笔者通过阅读大量国内、外瓦斯爆炸方面的文献，发现目前该方面研究工作主要从两大角度开展，分别是爆炸发展规律和爆炸防治。研究方法大体可分为理论法、实验法、数值模拟法，这三种方法各有利弊，特别是后两种方法在研究中相对来说使用较多。实验法直观性强，但成本高，周期长，安全性差，工况数量受实验条件限制；数值模拟法不受实验条件限制，结果得出速度较快，但容易因边界条件限制不足导致分析结果产生偏差，所得结果和精度也和结构离散化形式相关。目前，常用的数值模拟软件有AutoReaGas、FLUENT、PHOENICS、CHEMKIN、FLACS、FDS等[7]。实验法和数值模拟法结合可以优势互补，拓宽研究广度和深度。下面，本文将从爆炸发展规律和爆炸防治两方面结合不同研究方法展开叙述。

1 瓦斯爆炸发展规律研究现状

1.1 瓦斯爆炸基础知识

1.1.1 瓦斯组分及浓度对爆炸规律的影响

古代植物中的纤维素和有机质在厌氧菌分解作用下会形成瓦斯。堆积成煤的同时，瓦斯在高温、高压环境作用下还会继续不断生成。在瓦斯爆炸事故中，瓦斯作为可燃气体，其主要成分是烷烃，其中CH4占比最多，C2H6、C3H8、C4H10少量存在，此外还有H2S、CO2、N2、水蒸气和微量惰性气体，如He、Ar等。瓦斯中占比最多的CH4常以游离和吸附两种状态存在于煤层中[8]，且属于易燃易爆气体，所以瓦斯爆炸可近似看成是甲烷燃烧爆炸，对瓦斯爆炸的研究也往往简化为甲烷爆炸。余明高等[9]、赵军凯等[10]、李树刚等[11]、尉存娟和谭迎新[12]、王亚磊等[13]通过对比不同浓度甲烷爆炸传播特性，得出浓度越接近化学当量浓度,最大爆炸压力和爆炸压升速率越大,爆炸区域内温度峰值越高，压力峰值出现时间越短；火焰传播速度变化由爆炸压力变化导致；爆炸感应期内光亮度的最大值、平均值、变化率随瓦斯浓度增大而增大。除此之外，彭飞等[14]、路长等[15]、郑立刚等[16]在甲烷和空气预混气中掺入不同种类气体进行爆炸规律研究，潘尚昆等[17]、周宁等[18]、贾宝山等[19]、Khokhlov等[20]单独研究瓦斯组分中其他气体成分的爆炸特性，景国勋等[21]、陈东梁[22]、Niu等[23]、王燕等[24]从瓦斯爆炸诱导煤尘爆炸角度出发研究瓦斯煤尘耦合作用下的爆炸特性。多角度研究瓦斯爆炸发展规律为有效抑制爆炸提供了重要理论依据，同时也使得其本身更具有现实意义。

1.1.2 瓦斯爆炸条件及产生危害

瓦斯爆炸属于可燃气体爆炸范畴，其实质是系统本身能量借助气体急剧膨胀而转化为对周边介质做功，同时伴随发光、放热和声响的剧烈高速燃烧化学反应。因此，瓦斯爆炸发生也需满足可燃气体爆炸三要素，即：可燃物、助燃物、点火源。瓦斯浓度的爆炸极限一般在5%～16%(7%～8%时最容易引燃)，爆炸感应期随瓦斯浓度的增加而缩短，当浓度低于5%时，遇到火源不发生爆炸但能在火焰外围形成燃烧层；当浓度为9.5%时，爆炸威力最大(此时瓦斯和氧气完全反应)；当浓度在16%以上时，失去爆炸性，但在空气中遇到火源仍会燃烧。但是，瓦斯爆炸极限并不恒定，还受初始温度、初始压力、惰性介质、点火能量、环境空间大小等因素影响。氧气浓度一般不低于12%，一般来说，矿井下氧气浓度满足爆炸条件，主要还看瓦斯浓度和点火源条件。点火源种类很多，常见的有明火、电火花、摩擦火花、自然火源等。瓦斯引燃所需的最小能量为0.28 mJ，引燃时间不能低于点火感应期[25]。点火源温度一般情况下为650 ℃～750 ℃，该范围还受瓦斯浓度、火源性质、混合气体压力、环境温度和湿度等因素影响。

瓦斯爆炸产生的危害主要表现在以下四个方面，分别是：(1)使温度急剧升高，继而造成矿井内人员烧死烧伤，同时还可能引起矿井火灾；(2)产生很强的冲击波，对人造成很强的冲击作用，同时还有可能扬起巷道沉积煤尘使之参与爆炸继而引发连续爆炸；(3)产生大量有毒气体，其中主要是CO，人吸入后短时间内会中毒死亡；(4)破坏通风系统，通风紊乱会导致灾情迅速扩大和波及井下其他区域，使得煤矿井下巷道内因缺乏新鲜风流使人缺氧和中毒，此外还可能破坏运输系统和各类设施，诱发巷道冒顶继而造成更大危害。

1.1.3 瓦斯爆炸机理

目前针对瓦斯爆炸的理论很多，认可度较高的是热爆炸理论和链式反应理论。热爆炸理论认为：爆炸过程是放热因素和散热因素共同作用的剧烈化学反应，放热和散热往往通过吸热速率和散热速率表征。若反应体系中放热因素占主导地位，即反应产生热量大于向外界散失热量，用速率表征就是吸热速率大于散热速率，则体系能量逐渐积累，温度逐渐升高，化学反应速度加快；反之，则温度降低，反应速度减慢。谢苗诺夫对以上内容进行归纳总结，得到式(1)：

(1)

式中：V为反应容器体积，m3；ρ∞为可燃混合气体密度，kg/m3；Cv为等容热容，J/(kg·K)；dT/dt为系统升温速率，K/ms；Qs为单位质量混合气体反应热，J/kg；Ws为可燃混合气体化学反应速率，kg/(m3·s)；F为反应容器表面积，m2；α为环境和容器间的对流换热系数，J/(m2·s·K)；T为反应混合物的环境温度，K；T∞为反应混合物的瞬时温度，K。

链式反应理论认为：爆炸过程包含多个支链的快速连锁反应，该反应主要包含三个过程，即：链引发、链传递、链终止[26]。链引发是指可燃物和助燃物在一定能量作用下反应，发生分子内化学键断裂生成多个较为活跃自由基的过程，在该过程中初始点火能和压力越高，产生自由基的速度越快，宏观表现就是化学反应速率加快；链传递是指反应中活跃自由基与分子间作用发生旧自由基消耗和新自由基生成的过程，在该过程中如果旧自由基消耗速度小于新自由基的生成速度，则活跃自由基浓度会逐渐升高，反应速度加快，形成链分支；链终止是指自由基与反应器壁碰撞或自由基间相互碰撞过程中能量被释放，消耗自由基速度大于生成自由基速度的过程。

瓦斯爆炸是一种“热——链”反应，因为瓦斯组分复杂且主要以甲烷为主，故瓦斯爆炸的反应方程式通常简单表示为甲烷/空气的反应方程式，见式(2)：

CH4+2(O2+3.76N2)→CO2+2H2O+7.52N2

(2)

上式是化学总反应方程式，实际瓦斯爆炸反应由很多基元反应构成，过程复杂多变。在总式中，很难直观、清晰地看到爆炸过程组成成分、化学反应速率、能量的变化规律，只有从微观角度出发研究瓦斯爆炸过程才能更为详尽地揭示其发展规律。目前。对于瓦斯爆炸机理认可度比较高的是其包含53种组分、325个基元反应。细化研究瓦斯爆炸化学反应步骤可以更清楚地认识爆炸规律，为后续研究防治手段提供坚实的理论依据。在得到详尽化学反应机理后，为了简化数值模拟研究中的工作量，减少成本，学者们开始寻找爆炸过程中对反应动力学特征影响较大的反应步骤。其中梁运涛[27]、高娜等[28]、贾宝山等[29]基于敏感性分析方法，分析了GRI Mech 3.0中基元反应的动力学特征，得到瓦斯爆炸反应链中相对来说比较关键的基元反应步骤，详见表2。目前，比较常用的简化机理有：14组分28步反应机理、9组分6步反应机理、17组分58步反应机理等。

表2 瓦斯爆炸化学反应详细机理中的关键反应

1.2 瓦斯爆炸中涉及的特征参量

对于管道内瓦斯爆炸的研究分析主要从以下几个方面展开，即火焰阵面形态变化、火焰传播速度变化、火焰传播加速度变化、管道内爆炸超压变化、爆炸压升速率变化、爆炸区域内温度变化、爆炸温升速率变化、爆炸极限、爆炸指数、自燃点等方面。

1.2.1 爆炸火焰阵面形态

瓦斯爆炸时火焰阵面形态的变化。通常采用高速摄影法或纹影和阴影法进行火焰形态变化过程记录。高速摄影最早应用于火焰阵面观测，是可以把高速运动发展规律进行有效记录的一种方式和研究方法。该方法可以把火焰快速传播动作放慢从而显示肉眼捕捉不到的瞬时状态。纹影和阴影法可以拍摄肉眼看不到的气流形态，其原理是利用气流对光波的扰动将不可能被肉眼看到的气流转化为可视图像。这两种技术经常被用于记录和分析爆炸过程中火焰形态变化规律，宋小雷等[30]借助高速纹影技术研究不同当量比甲烷/空气预混气在小型长方形实验管道内传播过程中的结构与参数变化特征，Markstein[31]上世纪中期拍摄观察到敞口垂直玻璃管道中烷烃类气体具有特殊胞状结构，后来Searby和Rochwerger[32]认为胞状火焰产生的原因是流场中声波扰动，Lee和Tsai[33]通过对火焰阵面形态的研究，将其分为蘑菇形火焰和郁金香火焰。此外，火焰厚度以及火焰颜色变化也是实验分析中不可忽略的部分。

1.2.2 爆炸火焰传播速度及加速度

瓦斯爆炸时火焰传播速度的变化。火焰传播速度是指火焰前锋沿着火焰法向方向相对于未燃可燃混合气推进的速度，火焰速度测量方法有测量系统测速、粒子图像测速(PIV法)和高速摄影技术记录瓦斯火焰传播特征测速[34]。测量系统测速是计算相临两个探头之间火焰前锋传播的平均速度，通常可以采用离子电流、光电转化等方法实现[35]。PIV法是能在瞬态记录下二维流场速度分布信息，高精度地体现流场空间结构和流动特性，广泛适用于计算流体速度的非接触式测试技术方法[36]。高速摄影技术可直接观测火焰的传播规律，利用爆炸过程中火焰传播距离x和走过这段距离所用时间t，求算这段时间火焰传播平均速度v，因为时间很短可近似等于这段时间内某时刻的瞬时速度，但是这种方法很难对火焰传播规律进行量化，通过“v-t”图像可得最大火焰传播速度以及火焰传播加速度的发展变化趋势。

1.2.3 爆炸超压及压升速率

瓦斯爆炸时管道内爆炸超压的变化。爆炸超压是爆炸研究中经常被关注的特征参量，超压指爆轰波阵面上压力与大气压之间的压力差。压力分为正压和负压，正压对人体和建筑物等伤害严重，一般只考虑正压作用，对负压很少研究。实验中,通过压力传感器、采集卡、电脑等进行数据采集，将压力信号转化为电信号传输到电脑中已经编写好的程序内进行计算和储存，后期通过数据处理软件，如Origin，Excel等处理并绘制出压力p随时间t的变化趋势图像或压力随传播距离x的变化趋势图像。在“p-t”和“p-x”图中可直观看到压力峰值位置、达到峰值所需时间、最大爆炸压力等，通过“p-t”图上各点切线斜率变化情况，还能得出压升速率dp/dt变化趋势，进而得到最大压升速率。

1.2.4 爆炸火焰温度及温升速率

瓦斯爆炸时爆炸区域内的温度变化。爆炸过程中动量变化可以通过火焰传播速度特征参量表征出来，组分场的变化可以通过链式反应微观分析研究，而能量变化最直观的就是通过温度直观显示。实验中，选用精度较高的微细热电偶对爆炸区域内温度变化进行测量记录，得到温度T随时间t的变化曲线从而得出最高和最低温度。通过“T-t”图像上各点切线斜率可得温升速率dT/dt变化趋势，进而得到最大温升速率。王秋红等[37]通过对管道内瓦斯爆炸火焰传播压力与温度特性的研究得出火焰温度峰值随瓦斯体积分数增加呈现先增加后减小的变化趋势，且管道内上部燃烧剧烈程度比下部大，下部火焰温度峰值与瓦斯体积分数呈4次函数关系。除此之外，也有学者认为燃烧过程中除了放热还会发光，光带走的部分能量没有用于升温。因此，学者们认为爆炸反应发出的光子数量和波长直接影响着火焰温度，并在这方面开展大量实验研究。

1.2.5 可燃物爆炸极限

可燃物爆炸极限指的是可燃物质和空气或氧气均匀混合后的浓度在一定范围内遇到明火发生爆炸，该范围即爆炸极限，通常用百分数(%)表示，也有用单位体积可燃物质量(g/m3或者mg/L)表示。爆炸极限分为爆炸上限(UEL)和爆炸下限(LEL)，通常1 mol有机可燃气体可利用经验公式，即：根据其所需氧原子物质的量估算有机物的爆炸上限和下限，详见式(3)和式(4)：

(3)

(4)

式中：XUEL为可燃气体爆炸上限，%；XLEL为可燃气体爆炸下限，%；n为1 mol可燃气完全燃烧所需氧原子的物质的量，mol。

根据可燃气体在空气中完全燃烧时的化学当量浓度估算有机物的爆炸上限和下限，详见式(5)和式(6)，此方法适用以饱和烃为主的有机可燃气体。

XLEL=0.55c

(5)

(6)

式中：c为可燃气在空气中完全燃烧对应的化学计量浓度，L/mol。

单一燃料在空气中的爆炸极限还能根据燃料的闪点进行估算，详见式(7)。

(7)

式中：X为可燃气的爆炸极限，%；Ps为燃料闪点下的饱和蒸气压，Pa；P为总压力，Pa。

对于两种或两种以上的可燃气体混合物，计算爆炸上限和下限可利用“莱-夏特尔”公式估算，根据各组分气体的爆炸下限(或上限)和在混合气体中的体积分数求得混合气体的爆炸下限(或上限)，详见式(8)，此方法也适用含有惰性气体的可燃气体混合气爆炸极限的计算。

(8)

式中：X为混合气体的爆炸极限，%；Pn为可燃气体占总可燃气的体积分数，%；Xn为混合气体中各组分的爆炸极限，%。

除上述谈及的爆炸极限计算方法外，还有很多极限计算方法，不同方法得到的结果相差不大。经过学者们大量的实验研究和经验总结，得出生活中常见的可燃气体爆炸极限，详见表3。

表3 常见可燃气体的爆炸极限

1.2.6 爆炸指数

爆炸指数K是在1 m3容器内，按规定测得一定浓度反应物爆炸特性的各种数量值。其中，K是由容器体积V和最大爆炸压升速率(dp/dt)max共同影响的，其关系可以表示为式(9)：

(9)

式中：V为容器体积，L；K为爆炸指数；(dp/dt)max为压升速率最大值，MPa/ms；其中，Kmax是试验测定的不同浓度混合时K中的最大值，该值常用于体现爆炸的猛烈程度。

1.3 瓦斯爆炸的过程

瓦斯爆炸是剧烈运动的压缩燃烧反应过程，其传播是复杂的化学反应过程，涉及到流体力学、爆炸力学、冲击波理论、气体爆炸理论、燃烧学、化学反应动力学等多种学科理论。过程中涉及到爆炸特征参量变化、可燃气燃烧状态变化、流体流动状态变化以及反应体系能量变化等多个方面，下面将针对各个方面具体展开叙述。

1.3.1 爆炸冲击波的产生及危害

瓦斯爆炸后会产生三种有害因素作用于人和建筑物，分别是有毒气体、冲击波、火焰波，其中按照严重程度和作用范围排序：有毒气体>冲击波>火焰波。其中，冲击波又称激波，是一种在气体、液体和固体介质中波阵面上(压力、温度、密度等)突跃变化而发生强烈扰动传播的压缩波。压缩波会随着爆炸进程的发展最后转化为冲击波，过程如图1所示。

图1 爆炸冲击波的形成过程

目前，国内外学者在瓦斯爆炸冲击波波动方程、传播规律、衰减规律、冲击波破坏作用等方面进行了大量理论与实验研究[38]。生产和生活中最常见的冲击波就是空气冲击波，其往往来源于化学爆炸或物理爆炸。爆炸过程大体上是当爆炸发生后反应体系由链式反应进入燃烧阶段，由于燃烧产生大量能量，使得体系内温度升高继而导致管道内压力升高，气体不断被压缩逐渐形成激波。激波由两部分组成，即：前驱冲击波和伴随燃烧波，它们之间存在间隔，火焰传播速度由其中燃烧波进行的速度决定[39]。冲击波传播速度大于声速，且伴随着爆炸的发生常以超音速状态从爆炸中心向周围传播，因此具有很强的冲击破坏作用。通常可用超压峰值Pmax、超压持续时间t和冲量I来表征破坏程度[40]。王建灵等[41]通过三种炸药在空中爆炸的测试实验来研究相同测点处冲击波峰值超压和冲量与比例距离的关系。冲击波的破坏强度和爆炸能量之间呈正相关关系，强度随能量增大而增大。在传播过程中以爆炸点为中心向四周呈立体球状或半球状扩展，且随着传播距离增大，外表面积增大，超压减小。冲击波在传播过程中的强弱程度受到多种因素的影响，如：管道内瓦斯浓度、点火位置、点火能量、混合气体性质、管道壁面条件等[42]。

瓦斯爆炸后产生的冲击波对煤矿井下巷道产生一定的冲击破坏作用，冲击波在巷道拐角、截面变化、分叉等区域位置产生的压力可达到100个标准大气压，产生的影响主要体现在两个方面，即：人员伤亡和设备损失。详见表4和表5。

表4 冲击波超压对人员的伤害作用(傅智敏等[40])

表5 冲击波超压对建筑物的破坏作用(傅智敏等[40])

1.3.2 可燃气体的燃烧状态

管道内可燃气体的燃烧和爆炸过程存在三种状态，分别是缓燃、爆燃、爆轰。缓燃状态下火焰传播速度很小且燃烧压力变化不大，故流动可以看成是不可压缩过程。根据燃空比(φ)不同，可知CH4/Air预混气存在三种状态燃烧，分别是富燃(φ>1)、化学当量比(φ=1)、贫燃(φ<1)。其中，贫燃状态的预混气体在弱点火条件引燃后火焰传播初期速度很小且管内压力较小，这种情况类似于缓燃状态下燃烧。爆燃状态是管内可燃气体燃烧过程中最常见的模式，目前多数瓦斯爆炸实验研究在爆燃阶段展开，典型的爆燃火焰传播速度值在几米每秒到几百米每秒(亚音速状态)，产生的爆炸压力可以达到几个标准大气压的值。爆轰状态相比缓燃状态和爆燃状态来说有很大的不同，目前很多学者正致力于研究该阶段瓦斯爆炸的发展规律以及防治方法。爆轰产生激波并且与爆轰火焰耦合在一起向后传播，其典型传播速度可以达到几千米每秒(超音速状态)。瓦斯爆炸传播的过程中主要涉及到这三种状态变化，具体发展变化过程如图2所示。

图2 管道内可燃气体爆轰的发展过程[43]

预混气体遇到明火后，反应体系最开始处于缓慢燃烧阶段，随着时间延长，体系由缓燃状态转化为爆燃状态。一般认为爆燃火焰存在“两波三区”结构，即由火焰波和前驱压力波构成，并将整个流场划分为三个区域[44]，如图3所示。

图中：e-比内能；p-压力；ρ-密度；u-速度；C-音速；T-温度；γ-等熵指数；字母下标0，1，2，分别表示0区，1区，2区；0区-瓦斯和空气混合气的初始状态；1区-前驱冲击波通过后的状态；2区-爆燃波阵面(火焰面)通过的状态。

随着爆炸过程的进展，火焰传播速度会大于冲击波传播速度，爆炸冲击波和火焰波相互影响作用，火焰锋面会赶上冲击波阵面，二者会逐渐趋向重合，当达到一定条件后爆燃状态会演变为爆轰状态(Deflagration to Detonation，DDT)，此时爆炸强度和危险程度会显著提高。

1.3.3 爆炸火焰形态、速度、超压变化及原因

在整个发展过程中，火焰形态、火焰传播速度、爆炸超压等特征参量都会随阶段变化而变化。层流流动状态下的火焰形态为手指形，该阶段火焰传播速度相比后面阶段来说速度较慢，但是仍处于传播加速阶段；随着湍流强度不断增强，火焰阵面开始失稳变形逐渐演变为郁金香火焰，该阶段火焰传播速度处于减速阶段；当湍流化达到一定程度，火焰完全由层流阶段进入湍流阶段实现层流燃烧向湍流燃烧转捩，该阶段火焰形态不规则且传播速度处于加速状态。湍流火焰加速机理可认为是由于火焰的不稳定性形成火焰表面褶皱，从而增大了火焰面积，使得火焰有效燃烧速度加快，进而导致火焰传播速度加快。火焰传播速度的变化与爆炸超压也有一定的关系，爆炸后峰值压力会呈现先逐步增大后逐步减小的变化趋势，混合气爆炸传播过程中也会有压力升高、压力振荡、压力反向冲击三个阶段，因此在压力变化曲线图上直观体现为先下降后上升再趋于平衡的变化特点。

1.3.4 爆炸传播中的层流和湍流

在黏性起重要作用的区域存在两种流动状态，即：层流流动状态和湍流流动状态，这两种状态也是最常见的流体流动状态。大量的雷诺试验表明:从层流状态过渡到湍流状态需历经以下阶段，分别是绝对稳定层流状态、过渡状态、无条件不稳定及湍流状态。层流状态(雷诺数Re<2100)下的流体分层流动且流速很小，湍流状态(Re>4000)下的流场内有许多小漩涡且流体流速很大。从层流向湍流转化的过程中存在过渡阶段，这个过渡阶段的流况通常称为过渡流状态(Re=2100～4000)，此阶段流体的流速呈上升趋势，流体的流线波状摆动频率和振幅随流速变化而变化，二者呈正相关的关系。学者们对流体状态的变化展开了大量的实验研究并在此基础上形成了众多的理论成果，如：流体稳定性理论、分岔理论、混沌理论等，这些理论在瓦斯爆炸领域的研究中起到了重要的基础作用。

目前针对湍流研究,大体上沿着两条路发展，分别是以基本物理规律建立普遍适用的湍流理论和在特定条件下对现象假定而建立的局限性半经验理论。湍流理论主要包括两类问题，即湍流起因和湍流发展后特性。其中湍流由层流过度而来的原因主要是不稳定性，湍流由于形成过程不同，可分为两类：一类是剪切湍流，另一类是热湍流或对流湍流。剪切湍流是指由于剪切流扰动增加而使流体失去稳定性形成湍流斑，随着扰动的增加而形成的湍流。热湍流或对流湍流是指由于两平板间的流体在下板面加热或者上板面冷却达到一定程度后失去稳定性而猝发很多小尺度对流，随着上下板间温差的增加而形成的湍流。

瓦斯爆炸过程从流体流动的角度来看会经历从层流到湍流的变化，预混气流动状态不同会产生不同的燃烧形态。爆炸发生后初期预混气流速相对稳定，火焰基本上属于层流火焰，燃烧平稳表面较为光滑。随着过程发展变化，预混气流动过程中上下扰动使燃烧变的不稳定，爆炸后期会形成传播速度较快的湍流火焰，火焰表面褶皱拉伸变形，爆炸传播过程中的特征参量会随着阶段变化而变化。因此，对于层流和湍流这两个阶段以及中间过渡阶段的研究意义十分重大。

2 瓦斯爆炸防治研究现状

防治瓦斯爆炸，一方面要从工作人员的思想出发提高其安全意识，另一方面要加强防爆技术研究。从源头上完全杜绝瓦斯爆炸发生几乎不可能，只能在爆炸发生时通过技术手段削弱爆炸对人员和设施带来的影响，瓦斯爆炸防治就是削弱和减缓爆炸过程，从而降低爆炸带来的伤害。目前防治方面的研究大体可分为抑爆、泄爆、阻爆、隔爆四个方面，无论哪方面研究都离不开爆炸特征参量的变化分析。除此之外，点火能大小及点火位置，有无障碍物及障碍物的大小、形状、数量、间距、阻塞率(分为面积阻塞率ABR和体积阻塞率VBR，前者是障碍物平面与管道截面积之比，后者是障碍物所占体积与气体所占体积之比[45])、位置摆放，管道材料及尺寸(包括：长度、直径、截面形状、壁面粗糙程度、截面突变、管道分叉等)，外部环境因素(包括：温度、湿度、压力)、空压腔体等在瓦斯爆炸研究中都有所体现，下面将分别对各个方面的研究现状具体展开叙述。

2.1 抑爆

抑爆是目前瓦斯爆炸防治最主要的研究方向，通过使用灭火剂(抑爆剂)，从而有效减缓和降低爆炸火焰的传播速度和爆炸超压。抑爆剂广义上可以分为抑制剂和惰化剂，二者相同点在于所用材料基本相同，不同点是前者在爆炸初期使用，后者在爆炸前使用[46]。学者们选用不同种类抑爆剂进行研究，其种类主要包括：惰性气体、水雾、干粉、卤素化合物等。

2.1.1 惰性气体抑爆

惰性气体具有良好的抑爆性能、来源广泛且对环境无污染等特点，日渐受到人们关注。惰性气体一般指稀有气体，即元素周期表18族元素对应的He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn，常温常压下这些气体都是无色无味的单原子气体，基本不参与化学反应，原因是原子内电子分布非常均匀，如果想改变原有电子位置需要输入大量能量才能实现。但抑爆研究中惰性气体范围相对来说较广泛，除稀有气体外还有常见的N2、CO2、NH3等对爆炸强度增大起抑制作用的气体。气体相比粉体、液体能更好与可燃气体和氧化剂形成分子级混合。惰性气体的抑爆作用主要体现在两方面，一是增强瓦斯和空气混合气的总比热容，通过吸热降低反应体系内温度变化从而降低化学反应速率变化，二是通过稀释作用降低瓦斯和空气混合气中瓦斯体积分数进而降低化学反应速率。这两方面都是物理作用体现，部分惰性气体除物理作用外还有化学抑制作用，如：CO2、NH3等气体可直接参与爆炸过程中的链式反应，消耗链式反应中关键反应的部分基团，从而降低爆炸反应的速率，减少伤害。

目前国内外针对惰性气体的抑爆研究大体表现在：(1)气体种类；(2)喷气压力；(3)气体浓度；(4)不同种类气体的组合抑爆效果等方面。

在惰性气体抑爆研究方面，贾宝山等[47]采用化学动力学计算软件CHEMKIN研究N2和CO2对瓦斯爆炸过程中各项参数的影响，得出CO2能更加有效地减少瓦斯爆炸带来的伤害，并且CO2更能有效降低活化分子中心浓度，减少CO和NO的生成。钱海林等[48]从极限氧体积分数、爆炸极限和抑爆效果三个方面研究N2/CO2混合气体对甲烷的爆炸影响。Mitu等[49]通过CO2、He、Ar、N2对层流燃烧速率的实验分析得出稀释氧浓度效果排序：CO2>He>Ar>N2。罗振敏等[50]从分子角度分析NH3在甲烷链式爆炸过程中微观作用机理。姜海洋和张国宾[51]从微观角度出发研究CO与H2O抑爆机理，得出CO与H2O是通过和瓦斯爆炸基元反应中活泼自由基(如：H、OH、O等)结合，阻碍链式反应继续发展。Liang等[52]通过实验得出氮气加入有利于扑灭爆炸火焰和降低爆炸压力。Wang等[53]指出甲烷爆炸强度随N2/CO2含量增加而降低。李成兵等[54]通过建立模型对N2/CO2/H2O抑制甲烷燃烧进行数值模拟。

2.1.2 细水雾抑爆

细水雾是在高压喷水作用下通过特殊喷嘴喷出的水微粒，我国细水雾规范(《细水雾灭火装置》GA 1149-2014)将细水雾的雾滴粒径限定为Dv0.5小于200 μm且Dv0.99小于400 μm,按细水雾粒径大小可将其分为三个等级，详见表6。细水雾灭火性能较高、清洁无污染、成本不高、资源丰富，在抑爆研究中得到广泛应用。细水雾对爆炸火焰的抑制机理主要从以下几个方面体现：(1)水雾微粒具有较高热容，在高温火焰作用下通过气相吸热和冷却作用，使反应体系温度降低；(2)雾滴蒸发对火焰热辐射从已燃区向未燃区传递产生阻隔和衰减作用，同时其蒸汽会吸收部分热辐射，降低对燃料的热反馈；(3)吸热气化后水雾体积迅速膨胀，对反应区内混合气产生隔氧窒息和稀释作用；(4)雾滴可参与爆炸反应，消耗中间活性自由基(如：H、O、OH等)，减少自由基浓度或中断链式反应从而降低化学反应速率。

表6 不同等级细水雾的划分标准及特点

目前国内外针对细水雾的抑爆研究大体表现在：(1)雾滴粒径；(2)雾滴中添加剂种类及浓度；(3)雾滴携带荷电种类及电量；(4)雾滴中添加特殊的甲烷氧化菌类；(5)喷雾压力等方面。

在水雾抑爆研究方面，曹兴岩等[55]利用数值模拟方法对密闭容器内超细水雾与甲烷/空气爆炸火焰的作用机理进行研究,得出超细水雾加入存在抑制和增强两种作用效果。王发辉等[56]通过超声细水雾抑制瓦斯爆炸的实验研究,得出超声细水雾具有极好抑爆效果，喷雾时间越长,水雾质量浓度越大,对火焰传播速度和瓦斯爆炸压力最大值抑制程度越明显。Thomas[57]通过细水雾对甲烷层流火焰抑制能力的研究，得出水雾粒径越小其吸热蒸发效率越高，其中特别是粒径在10 μm～30 μm的雾滴对爆炸火焰抑制效果更为显著。Gieras[58]通过实验得出喷雾与爆炸火焰或管道壁面相互作用时，湍流程度增强会使爆炸效果增强从而加速爆炸火焰传播。杨克等[59]对含菌无机盐超细水雾抑制甲烷爆炸进行研究，结果表明改性培养基中甲烷氧化菌降解甲烷的效果优于普通培养基且降解时间对火焰平均传播速度和平均升压速率有显著影响。Parra等[60]通过采用数值模拟的方法对细水雾熄灭甲烷火焰的性能展开研究，得出细水雾雾滴在爆炸中会大量吸收热量而且会在爆炸压力波的作用下破裂分解为更小的水雾颗粒，使得其吸热和蒸发能力加强从而更好地减弱爆炸强度。裴蓓等[61]研究CO2和超细水雾共同作用下对甲烷/空气爆炸初期特性的影响，结果表明CO2和超细水雾协同作用下可以更好减弱火焰不稳定性，降低火焰传播速度和爆炸超压及平均升压速率，推迟超压峰值到达时刻。Chelliah等[62]研究表明在粒径小于13 μm的超细水雾中NaCl抑爆效果比NaOH更好，且NaOH不能明显抑制预混火焰的向后传播。余明高等[63]通过在细水雾中加入不同种类浓度的添加剂对比它们的抑爆效果，得出结果：FeCl2(0.8%)>MgCl2(5%)>MgCl2(2.5%)>NaHCO3(7.5%)>FeCl2(0.4%)>MgCl2(1%)>NaHCO3(3.5%)>FeCl2(0.2%)>NaHCO3(3.5%)。徐永亮等[64]研究荷电细水雾对瓦斯爆炸火焰传播速度的抑制效果及抑爆机理，得出荷电细水雾相比普通细水雾来说抑制效果更好，且对火焰传播速度的抑制效果随着荷电电压的增大而增强，荷负电的细水雾比荷正电的细水雾效果更好。

2.1.3 粉体抑爆

粉体抑爆剂大多为具有灭火性能的固体粉末材料，利用其物理或化学作用抑制瓦斯爆炸火焰传播速度，缩短爆炸范围进而减少爆炸带来的损失。常见粉体抑爆剂有磷酸盐(如：CaHPO4、NH4H2PO4、(NH4)2HPO4等)、卤化物(如：NaCl、KCl等)、碳酸盐(如：Na2CO3、K2CO3、CaCO3等)及碳酸氢盐(如：NaHCO3、KHCO3等)、氢氧化物(Mg(OH)2、Al(OH)3、Fe(OH)3等)、硅藻土、高岭石、尿素(CO(NH)2)等。其作用机理主要体现在三种类型上，即物理作用机理、化学作用机理、物理化学混合作用机理。物理作用表现为自身吸热分解，吸热而失去结晶水、稀释氧浓度、隔绝热辐射和热传导等，化学作用表现为通过消耗燃烧反应中自由基(如O和OH等)，降低反应区内活化分子数量，从而抑制甚至中断链式反应。

目前国内外针对粉体的抑爆研究大体表现在：(1)粉体种类；(2)粉体粒径；(3)粉体在受限空间体系内分布状况；(4)喷粉压力；(5)不同种类粉体复配组合形成新型粉体；(6)粉体浓度等方面。

在粉体抑爆研究方面，文虎等[65]通过研究ABC干粉对瓦斯爆炸的抑制作用得出抑爆效果不仅与粉体浓度有关，还与CH4/Air混合气体中甲烷的浓度有关。王信群等[66]采用不同工艺配方对BC干粉进行细化和改性用于甲烷抑爆的研究，结果表明抑爆效果和粉体平均粒径和粒径分布有关。Zheng等[67]开展了二茂铁和氢氧化铝对甲烷爆炸抑爆特性的实验。张辛亥等[68]对NH4H2PO4的分解产物P2O5在瓦斯爆炸中的抑制特性进行分析，得出P2O5分子多孔呈网状结构能够捕获爆炸中产生的活性自由基，从而有效地抑制爆炸发展。Wang等[69]利用复配技术合成碳酸氢钠和赤泥用于研究对甲烷爆炸的抑制效果。Krasnyansky[70]研究硫酸铵((NH4)2SO4)、尿素(CO(NH2)2)对甲烷/空气混合物爆炸的抑制效果。路长等[71]研究不同浓度甲烷爆炸过程中不同浓度四氟乙烷的抑制效果。薛少谦[72]利用不同体积分数的七氟丙烷对甲烷/空气预混气体的最大爆炸压力、最大压力速率等变化规律展开研究。王秋红等[73]研究超细氢氧化镁粉体对甲烷/空气预混气体爆炸抑制的影响，实验结果表明超细氢氧化镁粉体可以在一定程度上抑制甲烷爆炸，且随着粉体质量浓度增加最大爆炸压力和爆炸压升速率都呈现先减小后增大的趋势。王信群等[74]以电离探针作为检测手段研究超细粉体对管道内瓦斯爆炸的抑爆效果，得到顺序：超细ABC干粉>超细SiO2干粉>普通ABC干粉>Mg(OH)2干粉。王燕等[75]研究蒙脱石粉在瓦斯爆炸过程中对最大爆炸压力和火焰传播速度的抑制作用，结果表明随着粉体浓度的增加二者呈现先降低后上升趋势。程方明等[76]利用硅藻土粉体抑制瓦斯爆炸，得出硅藻土因其微孔结构和表面羟基特点对瓦斯爆炸具有一定的抑制作用，并且抑爆效果优于石英粉体。黄寅生等[77]研究了磷酸二氢盐对煤尘爆炸特性的抑制效果，结果表明磷酸二氢盐比SiO2的作用效果更好。

2.2 泄爆

泄爆是通过设置开口使受限空间内的气体在爆炸发生时从这里流出，实现空间内快速降压的方法。一般来说,在有爆炸风险的密闭空间中，会通过在边界上设置薄弱环节来保护空间内部免受高压冲击破坏。瓦斯爆炸时会产生大量能量使受限空间内温度升高，由理想状态气体方程(克拉佩龙方程),详见式(10)：

PV=RNT

(9)

式中：P为理想气体状态参量压强，Pa；V为理想气体状态参量体积，L；R为比例常数，约为8.31441±0.00026，J/(mol·K)；N为理想气体摩尔数，mol；T为体系温度，K。

可知，随温度升高，受限空间内压强也会增加，爆炸时间延长会使受限空间内外压差不断增大，当薄弱环节处压力值达到承压阈值时会被冲破从而实现泄压作用，宏观表现为受限空间内的压力降低，火焰传播速度下降，爆炸强度减小。可见，泄爆是一种降低爆炸荷载、减小事故损失的有效手段[78]。

目前，国内外有关泄爆的研究有很多并且取得丰硕成果，部分研究理论成果已用于生产实践中。其中，泄爆门是日常生产和生活中最常见的泄爆装置，除此之外，还有泄爆膜、防爆盖、防爆瓣阀等泄爆装置。但是，泄爆在煤矿井下很大程度上受到环境条件限制，矿井下爆炸发生后产生的主要危害就是冲击波，以及通风破坏后的毒气积聚导致人员伤亡。从科学角度而言，泄爆方法不能有效解决瓦斯爆炸在矿井中的传播问题和人员伤亡问题，但其研究的意义依旧非常重大且不容忽视。国内外针对泄爆的研究主要从以下方面开展：(1)泄爆口尺寸；(2)泄爆口位置；(3)泄爆口数量；(4)泄爆板材质。除此之外，学者们在管道长度、管道横截面积大小、管道截面变化、阻塞比(泄爆口阻塞比：&=(S管道截面积-S泄爆口面积)/S管道截面积)、管道形状变化、障碍物、空腔装置等方面也展开研究。

在泄爆方面国内外学者们进行大量研究，胡俊等[79]通过在柱形容器内进行泄爆实验的研究，得到不同泄爆压力和泄爆面积对于容器内压力的影响规律。Fakandu等[80]分析了泄爆压力大小和爆炸压力下降的关系。Krasnyansky[81]研究了中等尺寸条件下氢气爆炸过程中的泄爆情况。师峥[82]通过将泄爆膜置于不同位置研究管道内压力的变化规律，结果表明泄爆膜在点火端端面时管内超压峰值最大，此时泄爆的效果最差。Cooper等[83]在泄爆研究中观察到装置内压力变化呈现多个峰值，经分析得出压力峰值的间隔现象与亥姆霍兹震荡、声学震荡以及燃烧爆炸加速过程等有关。Alexiou等[84]通过实验研究泄压口安放位置和泄爆效果关系，得出泄压口设置在管道中间时泄爆效果最差，泄压口安放位置越接近点火端泄爆效果越好。罗振敏等[85]通过FLACE数值模拟软件对煤矿巷道截面突变下瓦斯爆炸过程中的压力变化、温度变化以及火焰传播速度变化进行研究。路长等[86]在实验管道下表面设置泄爆口，观测分析得出爆炸过程中大量高温气团和预混气从泄爆口流出并在口外附近继续反应。陈晓坤等[87]使用FLACS数值模拟软件对不同长度泄爆导管的除尘器泄爆模型进行模拟，得到超压和温度的变化规律。孙松等[88]通过安装泄爆板研究不同浓度乙烯发生爆炸时泄爆构件对腔体内压力的作用变化规律。Bradeley和Mitcheson[89]从绝热等容燃烧角度出发，引入湍流增速因子和不稳定燃烧因子等参数，得出泄爆压力和泄爆面积等参数的相关公式。李乾等[90]通过实验研究在泄压膜约束条件下的CH4/Air爆炸特性，得出在牛皮纸和聚丙烯薄膜约束下，每增加一层薄膜管内泄爆压力平均上升11.2%和12.3%。严灼等[91]、周辉等[92,93]利用空腔具有分压抑制瓦斯爆炸传播的功能展开关于空腔的研究，从尺寸、数量、空腔与其他抑爆措施相耦合等方面研究瓦斯爆炸火焰和冲击波超压变化规律。Hall等[94]通过实验发现障碍物数量对爆炸超压的影响有上限，超过上限值后随障碍物数量增多，最大爆炸超压开始减小。Park等[95]研究不同截面和阻塞比障碍物对气体爆炸过程的影响，得出障碍物阻塞比和形状对爆炸火焰的平均传播速度影响较小，障碍物截面相同时随着阻塞比增大，火焰传播速度和爆炸压力也随之增大。余明高等[96]研究障碍物布置方式对瓦斯爆炸过程的影响，结果表明障碍物交错布置可使瓦斯爆炸火焰传播速度和爆炸超压值显著增大。徐阿猛等[97]采用FLUENT数值模拟的方法研究不同形状(圆形、正方形、长方形)障碍物对爆炸冲击波和火焰波的影响。

2.3 阻爆

阻爆是阻止爆炸火焰在预混气所在空间内传播的方法。该方法使用的装置通常为主动感应与探测技术，通过对管道内瓦斯爆炸产生的火焰、压力等信号控制阻爆系统产生动作，阻止火焰继续向后传播。前面提及的抑爆和泄爆都是减缓爆炸传播继而减少爆炸带来的伤害，不能有效阻止爆炸火焰传播。

目前，不少学者开始致力于阻爆研究，但研究人数和所得成果相比抑爆和泄爆来说较少。其中，多孔材料和阻火器在爆炸中的作用原理上属于阻爆研究范畴。多孔材料是一种相互贯通或密闭的由孔洞构成的网络结构材料，按材料不同可分为金属多孔材料和非金属多孔材料。多孔材料因其自身结构特点，可以有效阻隔火焰和压力波传播，因此在瓦斯爆炸研究中被广泛关注。金属多孔材料具有渗透性好、孔径和孔隙可控、形状稳定、耐高温、抗热震、能再生、可加工等特点，目前可以分为粉末烧结多孔材料、金属纤维毡、复合金属丝网材料和泡沫金属材料这几类[98]。非金属多孔材料使用周期长、质量轻、防氧化、价格低廉，以往非金属多孔材料物质组成上局限于Al2O3、SiC、硅酸铝盐等，后来拓展到氧化物、碳化物、氮化物、硅酸盐等，这些物质在陶瓷基多孔材料的开发应用方面取得显著成果，现在常见的多孔非金属材料有陶瓷、聚氨酯、石墨泡沫、玻璃棉、硅酸铝盐等[99,100]。Zhang等[101]分析了泡沫陶瓷对爆炸火焰和爆炸冲击波的耦合作用。Pramod等[102]研究多孔材料对冲击波的衰减作用，发现随着多孔材料孔隙度的增加，爆炸压力峰值逐渐减小。聂百胜等[103]研究了泡沫陶瓷对瓦斯爆炸火焰传播的影响，结果表明泡沫陶瓷可以抑制火焰传播且具有很好的淬熄作用。魏春荣等[104]通过研究金属丝网、泡沫陶瓷、多孔泡沫铁镍金属等多孔材料对瓦斯爆炸的抑制作用，得出材料本身的属性，如：材料厚度、孔径、相对密度等，对爆炸抑制作用的效果影响很大。孙建华等[105]通过实验研究金属丝网和泡沫陶瓷组合对瓦斯爆炸的抑制作用，得出一定参数的二者组合体对爆炸超压和火焰温度的衰减效果优于它们单独作用的效果且爆炸后材料的损耗度明显降低。段玉龙等[106]分析多孔材料对气体爆炸特性参数的影响，发现不同孔隙度的多孔材料对爆炸超压和火焰具有双重作用(促进/抑制)。Ciccarelli[107]指出多孔材料对可燃气体爆炸火焰具有双重作用，即促进和抑制，这取决于火焰传播速度大小。多孔材料本身的可压缩性以及带来的湍流效应在火焰以超音速传播时明显体现，多孔材料的热损失效应在火焰以亚音速传播时效果明显。Sun等[108]通过研究孔隙率和元件厚度对阻火器淬熄作用的影响，得出火焰熄灭与否的条件以及波纹阻火器对爆炸升压具有增速作用。固体多孔材料虽然可以用于阻止爆炸传播但用于煤矿巷道井下也会阻断通风，进而造成另一种灾害事故的发生。路长等[109-112]通过实验研究氮气和ABC干粉对爆炸火焰的抑制作用，在管道侧向设置泄压口减弱爆炸超压，结合自主设计的主动探测响应装置启动阻爆装置，及时喷洒氮气和ABC干粉,改变喷头的位置摆放、喷气压力、干粉浓度寻找最佳阻爆浓度值和刚好阻爆阈值。

2.4 隔爆

隔爆是对爆炸传播进行隔离阻止甚至对爆炸火焰进行扑灭的方法。被动隔爆技术中主要用到岩粉棚、水槽棚、水袋和ABC干粉、BC干粉等。利用爆炸产生的冲击波使提前布置好的被动隔爆设施破碎并释放粉体或水使其形成云粉区或水雾区，其隔爆效果受到现场安装影响[113]。被动隔爆装置有时因爆炸火焰传播速度过快不能及时对其产生阻隔或火焰还未到达前过早产生破碎动作，这两种情况都不能很好地起到阻隔效果。因此，又有了主动隔爆装置，主动探测火焰信号将光信号转化为电信号传送给控制器，通过控制器做出的判断，输出动作信号控制被动装置产生动作，阻隔火焰继续蔓延。被动隔爆装置和主动隔爆装置在一定程度上能减少瓦斯爆炸带来的伤害，但也存在问题。除上述谈及的隔爆方式，生产和生活中也经常使用能隔离火焰和爆炸的固体装置，如隔爆外壳、隔爆电器等。阻隔防爆材料的抑制机理体现在两方面：物理机理主要表现为火焰受阻效应，化学机理则表现为器壁效应[114]。

近些年来，国内外关于隔爆的研究不多且相关文献较少，文献中采用隔爆专业术语的相比抑爆、泄爆而言较少。樊小涛等[115]利用水幕隔爆设施进行煤矿瓦斯爆炸的实验研究，得出细水雾对阻隔瓦斯爆炸火焰的传播和衰减爆炸冲击波具有显著作用。周西华和郭坤[116]研究隔爆水幕抑制瓦斯爆炸，得出9.5%瓦斯在喷水流量为16.4 L/min的隔爆水幕作用下隔爆效果最佳。贾志强等[117]设计了矿用隔爆电驱系统的控制系统，实现对电驱系统的有效控制。黄子超和司荣军[118]在大尺度断面巷道内开展粉体云幕的隔爆研究，结果表明粉体云幕能在短距离范围内对爆炸火焰起到抑制作用，同时能大幅度衰减爆炸产生的超压。荣佳等[119]通过实验得出纯机械触发式自动抑爆装置可在25 ms内启动，在120 ms内形成雾面持续时间长达6 min以上的30 m抑爆屏障。

从抑制程度方面来看，阻爆和隔爆相比抑爆和泄爆效果更好。目前我们课题组正致力于阻隔爆研究，希望通过感应装置主动控制改变原管道结构，从物理作用角度先减弱火焰传播速度，再结合化学抑制剂的作用更好地实现阻隔爆炸火焰和冲击波的传播，减少瓦斯爆炸带来的伤害。特别是在不易设置泄爆口的场所，泄爆方法很难实现，可以通过该手段进行有效防治。

3 结论

(1)在瓦斯爆炸发展规律方面，主要从瓦斯组分、瓦斯爆炸发生条件及危害、瓦斯爆炸机理、瓦斯爆炸过程等方面研究，通过爆炸特征参量的变化对爆炸发展规律进行量化分析。其中瓦斯爆炸过程是复杂的化学反应过程，涉及到多种学科理论交叉应用。过程中火焰传播速度、爆炸超压、火焰温度、火焰形状等特征参量都会随着气体燃烧状态以及流动状态的变化而变化，爆炸发生后反应体系最开始处于缓慢燃烧阶段然后转化为爆燃状态，后面会演变为爆轰状态，流体流动状态也会随着阶段变化而逐渐由层流状态转化为湍流状态，阶段状态的不同通过实验中的特征参量变化直观反映出来，结合数值模拟可进一步得到验证。

(2)在瓦斯爆炸防治方面，主要有抑爆、泄爆、阻爆、隔爆四种方式，抑爆方式根据抑爆剂种类不同大体分为惰性气体、细水雾、粉体等。针对惰性气体的研究主要从气体种类、喷气压力、气体浓度、不同种类气体的组合抑爆效果等角度展开；针对细水雾的研究主要从雾滴粒径、雾滴中添加剂的种类及浓度、雾滴携带荷电的种类及电量、雾滴中添加特殊的甲烷氧化菌类、喷雾压力等角度展开；针对粉体的研究主要从粉体种类、粉体粒径、粉体在受限空间体系内的分布状况、喷粉压力、不同种类粉体复配组合形成效果更好的新型粉体、粉体浓度等角度展开。

(3)抑爆、泄爆、阻爆、隔爆四种抑制措施各有优缺点，并且它们之间并没有绝对的分割界限，在点火能大小、位置、方式，障碍物数量、形状、间距、阻塞率、截面变化、壁面粗糙、外部环境因素变化等方面甚至有交叉重合部分。因此，可考虑综合使用这些抑制手段以谋求更好的防治效果，如：利用泄爆和抑爆的组合方式，其耦合效果甚至比二者单独作用还要好。

(4)瓦斯爆炸研究目前还有很多尚待探索和发现的空间，其中湍流对爆炸发展规律的影响以及爆轰阶段传播规律等方面还需深入研究。在抑爆剂、阻爆剂方面目前还有很多尚未发现的已有材料和尚未研制出来的新型材料。在催化剂方面认识还不全面，也许存在着尚未被发现的能起到抑制瓦斯爆炸燃烧速率作用的负催化剂。在特殊附加场作用方面，如：微重力场、电场、磁场等的爆炸方面研究还很少，并且这种附加场对爆炸过程的影响机理尚不明确，所以需要更多的技术支持才能深入研究。