点火延迟时间对CO2-超细水雾的抑爆特性影响

裴蓓，康亚祥，余明高，郭佳琪，韦双明，陈立伟

（1 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，河南 焦作 454003；2重庆大学，煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044）

引 言

瓦斯/煤尘爆炸是威胁煤矿安全生产的主要热动力灾害之一[1-2]，具有敏感性高、严重性强的特点。据统计，近十年来，我国发生煤矿重特大事故620余起，其中瓦斯/煤尘爆炸事故360 余起，共造成5600多人死亡，给煤矿的安全生产带来极大威胁，因此瓦斯/煤尘爆炸抑制研究对煤矿安全具有重要意义。

国内外学者对影响甲烷/煤尘爆炸特性的因素进行了广泛的研究。王博等[3-8]研究了煤尘粒子特性对可燃性煤尘云形成状态的影响，分析其对瓦斯、煤尘爆炸特性的影响，研究发现煤尘粒径、挥发分等对瓦斯/煤尘爆炸压力、火焰结构及火焰传播速度有显著影响。Cao等[9-12]研究发现随着可燃物含量和实验初始温度的改变，火焰结构、燃烧时间和传播距离发生较大变化。王晓斌等[13-16]通过改变点火延迟时间研究不同的湍流环境对爆炸特性的影响，结果表明粉尘云的爆炸特性与粉尘的分散度有关，瓦斯/煤尘的最大爆炸压力随着点火延迟时间的改变出现明显变化。

近年来，细水雾作为清洁抑爆介质受到越来越多学者的关注。Song 等[17-19]通过数值模拟研究了超细水雾抑制甲烷/空气爆炸机理，发现水雾抑爆的机理主要是蒸发吸热。李振峰等[20-22]研究发现细水雾的冷却吸热、稀释隔氧作用能缩短爆炸预热区长度，未燃可燃气体含量增加，削弱混合物的爆炸强度。陈彪等[23]利用自制竖直管道式爆炸装置研究发现，增加细水雾浓度明显降低了瓦斯/煤尘最大爆炸压力，并延长了最大爆炸压力的来临时间，火焰传播速度随水雾浓度的增大而减小。然而，单一细水雾抑爆效果不稳定，常新明等[24-25]研究发现水雾浓度不足或者水雾粒径较大会导致爆炸压力增大。Wei等[26-27]研究了CO2或N2-超细水雾抑制瓦斯/煤尘复合体系爆炸特性以及对瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸火焰加速特性的影响，发现CO2、N2可起到预稀释、惰化和拥塞作用，降低火焰速度和煤尘卷扬浓度，延长细水雾与火焰、煤尘接触时间，提高了抑爆效果，二者联合抑爆效果优于单一抑爆剂，同时减少了对抑爆剂的需求量。

综上，现有文献重点研究了细水雾浓度对瓦斯/煤尘的抑爆特性，然而，细水雾和煤尘接触时间的改变显著影响煤尘运动与热解，导致煤尘分布与热环境发生变化，从而对瓦斯/煤尘复合爆炸产生不同的抑制效果，目前国内外有关这方面的研究尚未开展。为此，本文采用20 L 爆炸球，通过改变点火延迟时间构建不同的湍流环境，以深入了解CO2-超细水雾控制参数改变对抑爆效果的影响，为气液两相抑爆剂抑制瓦斯/煤尘爆炸工程实践提供参考。

1 实 验

1.1 实验系统

实验系统如图1所示，包括20 L球形爆炸装置、高速纹影系统、PIV 高速粒子成像、点火系统、喷粉系统、配气系统、同步控制系统、数据采集系统和超细水雾发生装置。20 L球形爆炸装置球体上装有三面互为90°、110 mm 直径的石英玻璃视窗。高速相机型号为Speed Sense VEO 710，像素设置为1280×800，拍 摄 频 率 为5000 帧/秒，纹 影 仪 型 号 为CQW300，主要由光源、狭缝、小反射镜、主反射镜和刀口组成，利用纹影仪和高速相机通过视窗拍摄瓦斯/煤尘爆炸火焰图片。点火系统由电火花发生器和点火电极组成，点火能量为60 J。系统通过计算机可设置点火延迟时间，控制喷粉后点火时间。喷粉系统由0.6 L 粉尘仓、电磁阀、高压空气瓶和分散片组成。经过多次测量，0.8 MPa的喷粉仓压力可保证煤尘分散均匀。配气系统由真空泵、质量流量计、空气压缩机等构成，真空泵型号为FY-2C-N，将球内抽为负压。数据采集系统由高频压力传感器和传输模块组成，压力传感器的型号为PMC131G，量程为 0.1～2 MPa，精度为0.1%。同步控制系统由计算机控制点火、采集图像和压力数据。超细水雾发生装置由超声雾化器和有机玻璃水箱制成，经过多次测量得出超细水雾发生装置平均生成速率为11.2 g/min，通过控制水雾通入时间来改变20 L球内的超细水雾质量浓度。

图1 实验系统Fig.1 Experimental system

1.2 实验材料

实验采用经300目（48 μm）筛网筛分的褐煤，煤粉质量为0.2 g，工业分析如表1 所示。图2 为煤粉粒径分布，经过NHT5200 激光粒度分析仪测量得知煤尘的中值粒径为21 μm。

图2 煤尘粒径分布Fig.2 Particle size distributions of coal dust

表1 煤尘工业分析Table 1 Industrial analysis of coal dust

1.3 实验方法

为了研究相关控制参数对CO2-超细水雾抑爆效果的影响。实验中，CO2的体积分数为6%、10%、14%，甲烷体积分数为9.5%，煤粉质量为0.2 g。点火延迟时间是喷粉仓喷粉到点火之间的间隔时间。经过多次测试，点火延迟时间在800～2500 ms 时，煤尘分散均匀，且火焰图像规则便于观察分析，故点火延迟时间分别设置为1000、1500、2000 ms，点火位置处于球体中心，方便对形成的复合火焰图像进行分析。通过改变水雾通入时间来确定20 L 球内水雾浓度，超细水雾浓度设定为102、204、306 g/m3。

实验前，先将球内用真空泵抽成负压，利用道尔顿分压法依次通入不同浓度的超细水雾、9.5%的甲烷和不同体积分数的CO2；再向粉尘仓内放入0.2 g 煤粉，关闭粉尘仓，将粉尘仓压力充至0.8 MPa，然后设置点火延迟时间。通入水雾、甲烷/空气预混气及喷粉过程对水雾都有一定的搅拌作用，可减小因水雾通入时间不同而产生的沉降作用，减少其对实验结果的影响。喷粉同时，同步控制器启动高速相机和压力采集系统，采集图像和压力数据；存取数据后，对球内的废气、废粉清扫干净后开始第二组实验。每一组实验至少进行三次，避免实验误差对结果的影响。

2 实验结果分析

2.1 爆炸压力

图3 为不同点火延迟时间下瓦斯/煤尘爆炸压力曲线和压升速率曲线。Tousif 等[28-30]通过实验和模拟研究了瓦斯/煤尘爆炸过程，将其压力发展过程分为三个阶段：压力平稳期、压力剧增区、压力减弱区。由图3 可知，不同点火延迟时间下，瓦斯/煤尘爆炸压力曲线具有相同的发展趋势，即点火初期瓦斯点燃后释放能量引燃煤尘，此时由于煤尘刚开始参与反应产生能量较小，压力处于平稳阶段；随着爆炸反应进行，参与反应的煤尘越来越多，爆炸反应加剧，到达压力剧增区；随着反应进行，容器内的氧气含量减少，爆炸反应减缓，压力减小，到达压力减弱区，这与Tousif等[24-26]的研究结果一致。可以看出，点火延迟时间为1500、2000 ms 时的最大爆炸压力相比1000 ms 分别降低了0.14%和3.84%，最大爆炸压力来临时间分别增加了19.17%和14.54%， 最大压力上升速率分别降低了9.75%和17.22%，最大压力上升速率来临时间分别增加了23.11% 和15.14%。可见，点火延迟时间会导致不同的湍流环境，因此对瓦斯/煤尘混合体系爆炸超压有重要影响。

图3 不同点火延迟时间的瓦斯/煤尘爆炸压力曲线和压升速率曲线（0%CO2+0 g/m3 H2O）Fig.3 Gas/coal dust explosion pressure curve and pressure rise rate curve with different ignition delay time（0%CO2+0 g/m3H2O）

图4 为10%CO2、204 g/m3超细水雾时不同点火延迟时间的瓦斯/煤尘爆炸压力曲线和压升速率曲线。由图可知，点火延迟时间为2000 ms 时的最大爆炸压力和最大压力上升速率相比1000 ms 分别降低了5.22%和39.16%，最大爆炸压力来临时间和最大压力上升速率来临时间分别增加了24.66%和20.03%。结果表明煤尘喷入20 L 球后，随着点火延迟时间延长，CO2-超细水雾与煤粉接触时间增加，增加了煤尘的湿度和惰化效果，使煤尘粒子更加容易聚集成团，削弱煤尘分散性，抑制了煤尘云的燃烧爆炸，为此瓦斯/煤尘爆炸最大爆炸压力和最大压力上升速率减小，压力峰值来临时间和最大压升速率来临时间延长。可见在抑爆工程实践中，通过合理设计抑爆系统参数，延长抑爆剂与瓦斯/煤尘的接触时间，可在一定程度上改善抑爆效果。

图4 不同点火延迟时间的瓦斯/煤尘爆炸压力曲线和压升速率曲线（10%CO2+204 g/m3H2O）Fig.4 Gas/coal dust explosion pressure curve and pressure rise rate curve with different ignition delay time（10%CO2+204 g/m3H2O）

图5 为10%CO2、1500 ms 点火延迟时不同水雾浓度的瓦斯/煤尘爆炸压力曲线和压力上升速率曲线。由图可知，随着超细水雾浓度的增大，瓦斯/煤尘爆炸过程的三个阶段来临时间也随之延长，最大爆炸压力降低，且最大爆炸压力和最大压升速率来临时间延长。这是由于水雾浓度增加，反应过程中水雾吸热蒸发消耗的能量增多，蒸发的水蒸气稀释周围的氧气浓度，进一步削弱反应强度，导致最大爆炸压力和最大压力上升速率减小，压力峰值来临时间和最大压升速率来临时间延长。

图5 不同浓度超细水雾作用下的瓦斯/煤尘爆炸压力曲线和压升速率曲线(10%CO2+1500 ms)Fig.5 Gas/coal dust explosion pressure curve and pressure rise rate curve under the action of different concentrations of ultra-fine water mist (10%CO2+1500 ms)

图6 为点火延迟时间为1500 ms、204 g/m3超细水雾时的CO2-超细水雾作用下瓦斯/煤尘爆炸压力曲线和压力上升速率曲线。由图可知，6%CO2、10%CO2、14%CO2-超细水雾相比纯瓦斯/煤尘爆炸的最大爆炸压力分别降低了6.27%、13.41%、24.64%，最大爆炸压力来临时间分别延长了70.49%、140.98%、283.61%；最大压升速率分别降低了35.23%、67.68%、84.85%，最大压升速率来临时间分别延长了68.69%、132.32%、243.43%，即瓦斯/煤尘爆炸反应强度随着CO2体积分数的升高而降低，说明CO2-超细水雾能更好地抑制瓦斯/煤尘爆炸反应。

图6 不同体积分数CO2作用时的压力曲线和压力上升速率曲线（204 g/m3H2O+1500 ms）Fig.6 Gas/coal dust explosion pressure curve and pressure rise rate curve under the action of different volume fraction of CO2（204 g/m3H2O+1500 ms）

图7 为10%CO2时，最大爆炸压力（Pmax）随点火延迟时间和水雾浓度的变化曲线。可知，点火延迟时间为1000 ms 和1500 ms 时，相同水雾浓度时的最大超压变化较小，而延迟点火时间至2000 ms 时，最大爆炸压力明显降低。点火延迟时间由1000 ms 增至2000 ms 时，204 g/m3和306 g/m3超细水雾时的最大爆炸压力分别降低了4.51%和7.23%。这是由于CO2-超细水雾共同作用下，CO2的惰化作用抑制了瓦斯/煤尘的初始爆炸反应，降低了爆炸湍流效应，延长点火延迟时间使煤尘和水雾接触时间增加，延长了超细水雾对煤尘的润湿过程，有利于水雾发挥冷却、稀释和阻止煤尘参与燃烧反应的作用，煤尘分散度降低；而水雾浓度升高导致反应过程中水雾吸热蒸发消耗的能量增多，产生的水蒸气稀释周围的氧气浓度，削弱爆炸反应强度，因此最大爆炸压力进一步降低。

图7 不同浓度超细水雾作用下Pmax随点火延迟时间的变化曲线（10%CO2）Fig.7 Pmax curve with ignition delay time under different concentrations of ultra-fine water mist （10%CO2）

2.2 复合火焰传播速度

瓦斯/煤尘爆炸火焰是含大量煤尘云的复合体，由于井下的甲烷/煤尘爆炸是冲击波与火焰传热传质的耦合作用过程，煤粉在高湍流水平下的破碎会增加热辐射效应，增强对火焰表面的拉伸，促进复合火焰加速，为此瓦斯/煤尘爆炸往往具有破坏性强的特点。为了更好地了解抑爆剂对瓦斯/煤尘复合爆炸火焰的抑制作用过程，有必要研究抑爆剂作用下瓦斯/煤尘复合火焰传播特征。

本文利用MATLAB 对复合火焰纹影图像二值化和边缘识别算法检测火焰轮廓，得出火焰面积，最后由火焰面积计算火焰等效半径，进而计算出火焰传播速度。瓦斯/煤尘爆炸火焰传播速度计算过程如下。

由MATLAB 处理得出火焰的面积S，通过面积公式得出此时的火焰等效半径rt：

图8 为不同点火延迟时间的瓦斯/煤尘爆炸初期v-r和r-t曲线。由图8（a）可知，r＜10 mm 之前火焰传播均表现出明显的加速，这是因为电火花引燃瓦斯后，瓦斯燃烧火焰释放的能量逐渐引燃煤尘，随着煤尘参与爆炸，初始火焰传播速度表现出明显加速；r＞10 mm 后，点火延迟时间为1000 ms 和1500 ms 时火焰速度曲线均出现了波动上升态势，且波动幅度较大；当点火延迟时间增至2000 ms 时，v-r曲线上升态势减弱，且波动幅度较小，火焰速度稍低于其他工况。由图8（b）可知，随着点火延迟时间的增加，r-t曲线随时间增加的变化曲线斜率逐渐减小，尤其在2000 ms 点火延迟时火焰半径曲线斜率明显降低，说明火焰传播速度减小。

图8 不同点火延迟时间的v-r和r-t曲线(0%CO2+0 g/m3H2O)Fig.8 v-r and r-t curves of different ignition delay time (0%CO2+0 g/m3H2O)

图9 为6%CO2、204 g/m3超细水雾时不同点火延迟时间的瓦斯/煤尘爆炸初期v-r和r-t曲线。由图9（a）可知，6%CO2、204 g/m3超细水雾作用下，r＜10 mm 时，曲线增长缓慢，说明点火初期火焰传播速度缓慢，r＞10 mm 后，v-r曲线呈大幅振荡上升态势，且2000 ms 点火延迟时间时火焰传播速度明显低于其他工况，这与图3压力变化曲线是对应的。可见，延长点火延迟时间使煤尘粒子更好地与水雾接触，煤尘湿度增加可更显著地影响煤尘的运动，抑制煤尘的燃烧和初期火焰传播加速，削弱瓦斯/煤尘爆炸冲击波与复合火焰波的耦合互促机制，避免了强爆炸的产生。

图9 不同点火延迟时间下v-r和r-t曲线(6%CO2+204 g/m3H2O)Fig.9 v-r and r-t curves of different ignition delay time (6%CO2+204 g/m3H2O)

图10 为6%CO2、1500 ms 点火延迟时，不同浓度超细水雾作用下的瓦斯/煤尘爆炸初期v-r和r-t曲线。由图可知：随着超细水雾浓度的增大，瓦斯/煤尘爆炸初期火焰传播速度逐渐减小，超细水雾浓度越大，对火焰加速的抑制效果越明显。相比0 g/m3的超细水雾，306 g/m3超细水雾的r-t曲线斜率明显减小，即火焰传播速度明显降低，说明超细水雾质量浓度越高对瓦斯/煤尘的抑爆效果越好。这是因为随着超细水雾浓度增大，反应过程中水雾吸热蒸发消耗的能量增加，产生的水蒸气增多，降低了周围的氧气浓度，同时加速了煤尘沉降，避免过多煤尘参与爆炸反应，因此火焰传播速度随着水雾浓度的增大而减小。

图10 不同浓度的超细水雾作用下的v-r和r-t曲线（6%CO2+1500 ms）Fig.10 v-r and r-t curves under the action of different concentrations of ultra-fine water mist（6%CO2+1500 ms）

图11 为6%CO2时不同水雾浓度下瓦斯/煤尘爆炸初期火焰平均速度随点火延迟时间的变化曲线。由图可知，平均火焰速度随着点火延迟时间的延长和水雾浓度的增大而减小，这是因为随着点火延迟时间增大，煤尘粒子表面吸附水雾增多，容易聚集成团，降低煤尘分散性，削弱湍流强度，反应强度降低，火焰传播速度降低；超细水雾浓度增加，反应过程中水雾吸热蒸发消耗的能量增加，产生的水蒸气增多，进一步降低周围的氧气浓度，反应速率降低，导致瓦斯煤尘爆炸初期火焰平均速度减小。

图11 不同浓度超细水雾作用下火焰平均速度随点火延迟时间的变化曲线(6%CO2)Fig.11 Curve of flame average velocity changing with ignition delay time under the action of different concentrations of ultrafine water mist （6%CO2）

图12 为204 g/m3超细水雾时不同CO2浓度下瓦斯/煤尘爆炸初期火焰平均速度随点火延迟时间的变化曲线。由图可知，204 g/m3细水雾单一抑制作用下，点火延迟时间由1000 ms 延长为2000 ms 时，火焰平均速度由0.80 m/s 降为0.74 m/s，平均火焰速度下降了7.5%，火焰速度变化不明显。然而，CO2-细水雾共同作用下，火焰平均速度明显下降。例如10%CO2-细水雾时，随点火延迟时间的延长，火焰平均速度由0.32 m/s 降为0.20 m/s，平均火焰速度降低了37.5%。这是由于随着CO2浓度增加，氧气浓度降低，则爆炸初始阶段参与反应的煤尘粒子减少，反应过程延缓；随着点火延迟时间延长，煤粉表面吸附的水量增多，水雾对煤粉的冷却作用和运动状态的影响增强，大大降低了参与爆炸煤粉数量，为此爆炸反应被显著抑制，火焰传播速度明显降低。可见，在抑爆工程实践中，可通过合理设置适当延长细水雾与煤尘的接触时间，提高抑爆效果。

图12 不同CO2浓度作用下火焰平均速度随点火延迟时间的变化曲线(204 g/m3H2O)Fig.12 Curve of flame average velocity changing with ignition delay time under the action of different concentrations of ultrafine water mist （204 g/m3H2O）

2.3 复合火焰结构

图13 为6%CO2、204 g/m3超细水雾时不同点火延迟时间的瓦斯/煤尘爆炸火焰纹影图像。由图可知，点火延迟时间为1000和1500 ms时，复合火焰为多层结构，外层与气体火焰类似，内部为因煤粉燃烧形成的连续亮斑；随着点火延迟时间的延长，瓦斯/煤尘爆炸火焰传播至相同半径所用时间明显增大，火焰亮度下降且亮度不均匀，这是因为煤尘与超细水雾接触时间延长，聚集成团削弱了煤粉分散性，火焰湍流强度削弱，影响了煤尘参与爆炸反应。另外，相比于1000 ms，2000 ms 点火延迟时，火焰光点整体下移，这说明煤尘与水雾接触时间延长导致煤尘沉降，可见合理设置抑爆系统，可在一定程度上影响煤尘颗粒的运动和热解过程。

图13 不同点火延迟时间下瓦斯/煤尘爆炸纹影图像(6%CO2+204 g/m3H2O)Fig.13 Schlieren image of gas/coal dust explosion at different ignition delay time(6%CO2+204 g/m3H2O)

图14 为点火延迟时间为1500 ms、6%CO2时，不同浓度超细水雾作用下的瓦斯/煤尘爆炸火焰纹影图像。由图可知，随着超细水雾浓度的增大，瓦斯/煤尘爆炸火焰传播至相同半径所用时间逐渐增大，火焰传播速度逐渐降低，且火焰亮度逐渐变暗，火焰由连续的亮斑变为不均匀结构，火焰边界模糊，说明随着超细水雾吸热蒸发的作用增强，爆炸反应过程被显著抑制，降低了复合爆炸反应强度。

图14 不同浓度超细水雾下瓦斯/煤尘爆炸纹影图像（6%CO2+1500 ms）Fig.14 Schlieren image of gas/coal dust explosion under different concentrations of ultra-fine water mist（6%CO2+1500 ms）

图15 为点火延迟时间为1500 ms 时，不同条件CO2和超细水雾作用下的瓦斯/煤尘爆炸火焰纹影图像，由图可知，纯瓦斯/煤尘爆炸复合火焰最亮亮度最强，说明爆炸反应强度最强。通入6%CO2后，瓦斯点燃的时间延长了1.5 s，相比单纯的瓦斯爆炸，传播到相同半径的时间都得到了延迟，火焰亮度也降低。通入204 g/m3超细水雾、6%CO2时，火焰亮度相对降低，火焰表面出现裂隙。通入10% CO2和204 g/m3超细水雾，出现明显的火焰上浮现象，这是因为爆炸反应受到CO2和超细水雾的影响，火焰传播速度降低，则火焰受浮力的影响加强，出现明显的火焰上浮现象，说明CO2和超细水雾联合使用时随着抑爆剂浓度的增加协同抑爆效果增强。

图15 不同条件CO2和超细水雾作用下的瓦斯/煤尘爆炸纹影图像(1500 ms)Fig.15 Schlieren image of gas/coal dust explosion under different conditions of CO2 and ultra-fine water mist（1500 ms）

2.4 爆炸流场分析

为了研究不同点火延迟时间和水雾浓度时瓦斯/煤尘爆炸流场特性，以煤粉作为示踪粒子，运用高速粒子成像系统获得了不同条件下瓦斯/煤尘爆炸原始图、矢量图和涡量图。矢量图可以表明爆炸容器内煤尘粒子的运动方向和运动速度的大小，揭示瓦斯/煤尘爆炸过程中的煤尘粒子参与爆炸反应的运动过程。涡量图可用来表示流场中旋涡强度和数量。结合矢量图和涡量图可以分析点火延迟时间和水雾浓度对CO2-超细水雾抑制瓦斯/煤尘爆炸复合火焰传播行为的影响。

2.4.1 不同点火延迟时间下爆炸流场分析 图16为306 g/m3超细水雾时不同点火延迟时间的瓦斯/煤尘爆炸流场图。点火阶段电火花放电引燃瓦斯，瓦斯火焰引燃煤尘形成光点；火焰传播阶段由于煤尘燃烧复合火焰表面光点较多且不连续；火焰衰减阶段由于大量煤尘燃烧，爆炸火焰为连续亮白色。由矢量图和涡量图可知，在点火和火焰发展阶段，点火延迟时间为1000 ms 时，煤尘粒子多数处于球体中间，在火焰前沿周围涡量分布较为均匀；然而当点火延迟时间增至2000 ms 时，煤尘粒子部分转为向下运动，火焰内部涡量相对较少。这是因为延长点火时间，则煤尘与水雾接触时间延长，在火焰传播过程中超细水雾吸附于煤尘表面，导致煤尘聚集成团，受到自身重力影响向下运动，因而参与反应的煤尘粒子减少，爆炸能量降低。

图16 不同点火延迟时间下瓦斯/煤尘爆炸流场图(0%CO2+306 g/m3H2O)Fig.16 Flow field diagram of gas/coal dust explosion at different ignition delay time (0%CO2+306 g/m3H2O)

2.4.2 不同水雾浓度作用下爆炸流场分析 图17为1500 ms 点火延迟、10%CO2和不同超细水雾作用时的瓦斯/煤尘爆炸流场图。通入超细水雾后，在点火阶段，由矢量图和涡量图可知，煤尘粒子向左侧和下侧运动的数量增多，火焰内部涡量相对减少。火焰传播阶段，煤尘粒子运动方向发生变化，逐渐形成多数向上运动方向，且火焰内部的大涡量旋涡面积相对减少即煤尘粒子燃烧受到抑制。随着水雾浓度增大，煤尘粒子的运动方向由向心运动变为旋转运动。这是因为通入超细水雾之后，水雾吸热蒸发降低爆炸的反应能量，部分煤尘颗粒因热量不足未能被引燃，造成初期阶段爆炸强度降低。随着爆炸反应进行，蒸发产生的水蒸气降低周围氧气浓度，进一步抑制了火焰表面的热量和能量交换，随着水雾浓度增加，对瓦斯煤尘爆炸反应抑制效果增强。

图17 不同浓度超细水雾下瓦斯/煤尘爆炸流场图（10%CO2+1500 ms）Fig.17 Flow field diagram of gas/coal dust explosion under different concentrations of ultra-fine water mist（10%CO2+1500 ms）

3 结 论

（1）延长点火延迟时间和增加超细水雾浓度，瓦斯/煤尘爆炸最大爆炸压力、最大压力上升速率、火焰传播速度逐渐减小，最大爆炸压力来临时间、最大压力上升速率来临时间逐渐延长。

（2）随着点火延迟时间的延长，复合火焰出现下沉；随着水雾浓度增大，火焰亮度逐渐降低。

（3）CO2和超细水雾的加入使部分煤尘粒子的运动方向发生改变，且减少了火焰表面的涡量分布，大涡量旋涡面积相对减少且多分布于火焰内部。说明CO2-超细水雾协同作用下参与燃烧的煤尘粒子数量减少，火焰表面能量交换速率降低，火焰传播速度降低，削弱了压力波与火焰波的耦合作用，降低了瓦斯/煤尘爆炸强度。

（4）探讨了点火延迟时间和水雾浓度影响CO2-超细水雾抑制瓦斯/煤尘爆炸的原因。因为煤尘为多孔结构且表面粗糙，超细水雾容易吸附于煤尘表面，延长点火延迟时间增加了超细水雾与煤尘的接触时间，煤尘粒子湿润度增加则容易聚集成团降低煤尘分散度，削弱复合爆炸的湍流效应，因此延长点火延迟时间可以有效地抑制瓦斯/煤尘混合爆炸。水雾浓度增加则增强了降温效果，蒸发的水蒸气稀释火焰周围的氧气浓度，进一步削弱反应强度，导致压力峰值来临时间和最大压升速率来临时间延迟，抑制火焰传播。