矿井煤尘爆炸及抑爆技术的研究现状及发展趋势

2022-09-13杜双利秦宇辉陶文飞

能源与环保 2022年8期

杜双利，张玉，张欢，3，秦宇辉，陶文飞

（1.太原理工大学安全与应急管理工程学院，山西太原 030024； 2.华阳新材料科技集团有限公司，山西阳泉 045000； 3.山西煤炭进出口集团有限公司，山西太原 030006）

据统计，我国具有煤尘爆炸危险的煤矿高达60%以上。众所周知的1942年本溪煤矿煤尘爆炸，死亡1 549人、受伤246人；1993年10月18日，徐州市煤炭工业公司大刘煤矿发生了一起重大煤尘爆炸事故，造成40人死亡、4人受伤；2021年12月15时，黑龙江加格达奇区发生一起煤尘闪爆事故，造成4人重伤、4人轻伤。以上数据表明，近几年发生的煤尘爆炸事故死亡和受伤人数虽然明显减少，但仍有发生，煤尘爆炸的相关研究工作仍然迫在眉睫。本文从煤尘爆炸机理、爆炸特性、爆炸传播规律以及抑爆技术四个方面对现有成果进行总结，以期为抑爆材料的开发提供新的研究思路。

1 煤尘爆炸特性研究

煤尘爆炸特性是从数值上对煤尘爆炸生成及发展过程中的各项物理指标进行表征[1-3]。目前，国内外学者主要是从实验和数值模拟的角度研究瓦斯含量、煤尘粒度、浓度以及挥发分等对煤尘爆炸极限氧浓度、爆炸压力以及压力上升速率等的影响。

Wang Yan等[4-5]通过实验方法研究发现煤粉中添加甲烷能提高煤尘的爆炸压力，且甲烷煤尘混合爆炸压力随煤尘和甲烷浓度的增加均呈现先增后降的趋势。李润之等[6-7]采用20 L球形爆炸装置测试系统研究发现，瓦斯参与下的煤尘爆炸下限随瓦斯浓度的增加而减小，且瓦斯浓度存在临界点。王博等[8-9]通过数值模拟研究得出，煤尘最大爆炸压力随着煤尘粒径的减小而变大。裴蓓等[10]通过实验发现煤尘的爆炸压力和超压上升速率随着甲烷分数的增加而增大。屈姣等[11]通过Godbert-Greenwald加热炉和20 L近球形爆炸装置研究发现，褐煤煤云层的最低着火温度随煤尘粒径的减小而减小，褐煤—空气最大爆炸压力随着点火时间延迟的增大先增大后减小。Liu Qingming等[12]通过实验发现煤尘爆炸装置与煤粉粒度和煤尘浓度密切相关，且不同煤尘的最佳爆炸浓度为370～480 g/m3。Li Qingzhao等[13]通过20 L球形爆炸装置实验发现，CH4、空气、煤尘混合物的爆炸参数（如爆炸超压和超压上升速率）随混合物中甲烷含量的增加呈现先增大后减小的趋势，且在甲烷体积分数为0.1%时出现峰值。Ajrash等[14]通过实验研究发现，提高点火能量能显著增大甲烷、煤尘混合物的压力波。近年来，煤尘爆炸特性研究方面取得了丰硕的成果，但还需对多因素及特殊环境下的煤尘爆炸特性进行深入研究，且现有研究仍无法从本质上揭示煤尘爆炸的致灾过程，还未形成完整的理论框架，仍需大量工作。

2 煤尘爆炸机理研究

煤尘爆炸过程涉及复杂的物理、化学、动力学及热力学变化等。国内外学者主要是通过各种实验分析表征仪器分析爆炸过程中各物种的变化情况，进而对爆炸机理进行推测[15-17]。宋春香等[18-20]的研究结果表明，煤质成分对煤尘爆炸有显著影响，煤尘爆炸最大压力及最大压力上升速率均随着挥发分含量的升高而增大。来诚锋等[21]认为，煤尘爆炸实质上是气体爆炸，且煤粉爆炸强度随着煤粉末挥发分含量的增高而增强。李延鸿[22]认为，煤尘受热后，表面能量增加，其表面的分子由于热解或干馏作用变成气体分散在煤尘周围，与空气形成爆炸性气体，从而发火燃烧，燃烧产生热能，使煤尘产生更多的气体，如此循环反复。司荣军等[23-24]认为，煤尘爆炸链式反应的关键在于强的自由基，而强的自由基是由于热反应产生，因此，热反应和链式反应共同作用下导致了煤尘爆炸。冷杰宣等[25〗认为，当温度达到300～400 ℃时，煤的表面通过干馏析出可燃性气体（甲烷、乙烷等烷烃类化合物以及氢等可燃性气体），这些可燃性气体与空气混合燃烧放热，形成活化中心，当能量达到一定程度后，引发链反应，产生大量自由基，形成了粒尘的闪燃，闪燃释放的热量传给邻近的煤尘，燃烧范围逐渐增大，一定临界条件下燃烧转变为爆炸。煤尘非均相着火机理如图1所示。

图1 煤尘非均相着火机理示意Fig.1 Diagram of coal dust heterogeneous ignition mechanism

针对异常复杂的煤尘爆炸过程，实验手段由于风险高、投入大以及周期长等缺点，科研工作者又将目光转向了计算模拟。钱亚男[26]指出反应分子动力学和密度泛函理论相结合，不仅可以得到爆炸过程可能存在的反应路径，还可以精确获得各路径的动力学和热力学参数，是揭示煤尘爆炸微观反应机理的新途径。卢楠等[27]通过量子化学计算方法对煤结构中模型分子的局部片段进行了研究，结果表明煤尘的化学结构对自由基的生成更有利，更容易引发链式反应，从分子的角度阐明了瓦斯煤尘爆炸过程中煤尘引爆瓦斯的机理。

目前，尽管国内外专家在煤尘爆炸机理方面展开了大量工作，但对于复杂的瓦斯煤尘爆炸链式反应机理及中间产物的研究非常缺乏。此外，现有成果对煤尘二次爆炸以及扬尘方面的机理研究甚少，尚未形成完整的理论框架。因此，采用分子模拟方法从微观角度进一步研究煤尘爆炸机理是安全领域的一个重要研究方向。

3 煤尘爆炸传播规律研究

煤尘爆炸的范围对矿井设施及矿井人员生命安全至关重要，煤尘爆炸火焰和冲击波传播特性是体现煤尘爆炸强度的重要参数[28-31]。景国勋等[32]通过爆炸腔体和方形断面管道实验发现爆炸火焰区的传播距离比原始煤尘积聚区长度长。李雨成等[33]采用小尺度玻璃管实验装置研究发现低变质煤尘爆炸的持续时间长，传播距离远。Liu Yi等[34]的实验研究发现瓦斯可以明显提高煤尘爆炸的火焰传播速度和最高火焰温度。刘义[35]通过实验分析得出，在一定的浓度范围内，煤尘爆炸过程中甲烷和煤尘中挥发分含量越多、煤尘粒径越小，复合火焰的传播速度越快。此外，甲烷煤尘混合爆炸的火焰结构呈“月牙—S—下凹月牙—指尖”形状（图2）。

图2 甲烷煤尘混合爆炸火焰结构特征Fig.2 Flame characteristics of methane-coal dust explosion

Cao Weiguo等[36]为揭示煤尘爆炸过程中火焰传播行为和热辐射效应，通过实验和数值模拟的方法对半封闭垂直燃烧管中的煤尘爆炸现象展开研究，结果表明煤尘中挥发分含量越高，火焰传播得更快，温度也更高。赵懿明等[37]通过实验研究发现，火焰传播距离、传播速度随着点火能量的增大而变远、变快。段新伟等[38]利用半封闭垂直管道爆炸装置研究了瓦斯煤尘混合爆炸火焰传播规律，发现煤尘的加入显著增大了瓦斯爆炸的火焰传播速度，且煤尘质量浓度和瓦斯体积分数存在最佳配比，偏离这个配比，火焰传播速度下降。牛宜辉[39]采用实验和数值模拟的方法研究发现，角联管网中瓦斯参与的煤尘爆炸产生的火焰传播速度更快、持续时间更长且波及范围更广。景国勋等[40]发现障碍物诱导的湍流区可以促进火焰的传播，因而显著提高了瓦斯煤尘的火焰传播速度。

综上所述，目前对煤尘爆炸传播规律的研究已开展了大量的工作，且成果丰富，为煤尘爆炸的防治打下了良好的基础。但目前大多实验在模拟管道中进行，与实际矿井在空间尺度以及环境等方面存在差异，实验得出的结论如何在实际矿井中能够发挥作用，还有待继续深入研究。

4 煤尘爆炸抑爆技术研究

煤尘抑爆技术根据其作用机理可分为物理抑爆、化学抑爆和物理化学抑爆。物理抑爆是指通过添加物稀释氧浓度、隔绝热传导以及失去结晶水吸热等方式抑制煤尘爆炸传播（如SiO2、岩粉）。化学抑爆是指通过吸收爆炸过程中的中间体和自由基达到抑爆的目的（如NaCl、KCl）。物理化学抑爆则指的是通过物理抑爆和化学抑爆相结合的方式阻止煤尘爆炸（如ABC粉、NaHCO3）。近年来，关于煤尘抑爆剂的研究有了长足的发展。

刘建国[41]根据煤尘爆炸机理，提出可通过5种方式抑爆（图3）。①通过喷洒抑尘剂、水等方式抑制煤尘发展为煤尘云；②通过吸收外界热量（如喷洒吸热型粉体抑爆剂）使得煤尘云无法析出大量的挥发性气体而抑爆；③通过控制井下明火阻止煤尘被点燃；④通过控制第1次爆炸产生的热量传播阻止煤尘第2次爆炸（如悬挂隔爆水棚）；⑤通过对爆炸产生冲击波的控制使得粉尘云无法形成而抑爆。

图3 井下煤尘抑爆途径Fig.3 Coal dust suppression approach

余明高等[42]通过实验手段研究了改性高岭土对瓦斯—煤尘爆炸的影响，发现改性高岭土不仅改善了高岭土的团聚现象，同时提升了高岭土的热解与抑爆性能。Song Yifan等[43]在研究岩粉对沉积煤尘与瓦斯混合爆炸的影响中发现，岩粉粒径越小，对爆炸抑制作用越明显。Wang Huangxiang等[44]通过数值模拟方法建立了惰性粉末抑制煤尘爆炸的数学模型。Aazm等[45]通过实验方法研究了粉尘粒径和浓度与惰化用岩粉之间的关系，结果表明煤尘粒径越小、岩粉粒径越大，煤尘爆炸所需的惰化用岩粉的比例就越大。李杰[46]对CO2—超细水雾的抑爆机理研究发现，通过CO2的稀释和超细水雾限制煤尘挥发分的析出，从而达到降低煤尘爆炸强度的效果。王相[47]通过实验方法制备了碳酸氢钠—贝壳粉复合抑爆剂，并对不同挥发分含量煤尘的抑爆机制进行了研究，结果发现惰性粉体对低挥发分煤尘抑制效果较好，而活性抑爆剂对高挥发分煤尘的抑制效果更好。李振峰等[48]通过研究细水雾对煤尘爆炸的抑制作用发现，细水雾作用下，煤尘火焰传播速度减小、火焰温度降低。陈彪等[49]通过实验发现，超细水雾可以使瓦斯煤尘复合爆炸超压上升速度减慢，且煤尘浓度的增加使水雾的临界抑爆浓度先增后减。黄子超[50]基于双紫外爆炸信息感光技术，研制了适用于煤尘爆炸的主动抑爆减灾系统。李孝斌等[51]采用改进的20 L球形爆炸装置（图4）建立了尿素抑制甲烷爆炸的宏观爆炸特性与微观反应机理之间的关系，为煤尘抑爆技术的发展提供了新的方