裴 蓓，李 杰，余明高，韦双明，杨双杰，温小萍

(1.河南理工大学 煤炭安全生产河南省协同创新中心，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)

0 引言

瓦斯煤尘爆炸往往造成矿井重大恶性事故。现有研究表明，瓦斯/煤尘复合体系的爆炸特性比单纯的气相爆炸反应要复杂的多[1]危险性也更高。冯永安等[2]利用20 L爆炸球实验装置对煤尘及瓦斯/煤尘混合物的爆炸特性进行了研究；Bayless等[3]研究了煤尘颗粒与甲烷混合物燃烧对煤尘着火孕育时间的影响，研究发现甲烷的加入大大缩短了煤尘着火的孕育时间；蔡周全等[4]在大型模拟实验巷道内对瓦斯煤尘爆炸过程中冲击波能量、传播速度、衰减规律及其灾害的波及范围进行了实验，结果显示瓦斯煤尘混合爆炸的压力波衰减减慢，传播距离远；王陈等[5]在长9 m、截面为0.15 m×0.15 m的激波管中研究甲烷对煤尘爆炸传播及爆炸特性的影响，结果表明煤尘的最低着火浓度与煤种有关，挥发分越高的煤，最低着火浓度越低；当煤尘中有瓦斯存在时，所有煤种的最低着火浓度都比相同煤种的纯煤尘的最低着火浓度低；李雨成[6]通过主成分分析法，证明了挥发分含量对煤尘爆炸火焰长度的影响作用最大；司荣军、李润之、孙金华等[7-9]研究认为，煤尘对瓦斯爆炸有促进作用，煤尘的存在使得瓦斯爆炸下限会变得更低；Cashdollar，Bayless[10,3]等研究得出瓦斯/煤尘复合体系的爆炸下限低于其单一的爆炸下限。因此，抑制瓦斯煤尘爆炸对于煤矿安全具有重要意义。

气液两相抑爆是以惰性介质作为协同抑爆材料，发挥惰性气体良好的惰化窒息和超细水雾吸热降温能力，提高抑爆效果。目前仅有少数学者研究了气液两相抑制可燃气体爆炸的实验研究。例如，Ingram，Battersby，Holborn等[11-13]利用超声振动雾化器产生了SMD为6μm的超细水雾，研究其对氢-氧-氮爆炸抑制作用，发现其对燃烧速度和压升速率有显著抑制作用，并提高了氢-氧的爆炸下限，更加有效地降低了氢气火焰的燃烧速度，提出细水雾和氧气稀释(氮气)能产生加性效应，但不能完全抑制贫氢混合气爆燃；余明高、裴蓓等[14-18]研究了CO2，N2-超声波细水雾和N2，CO2双流体细水雾抑制管道瓦斯爆炸的衰减特性，结果表明：N2或CO2与超细水雾抑制瓦斯爆炸时存在协同效应，对爆炸超压和火焰传播速度的抑制要明显优于单独抑爆剂。

然而，气液两相抑爆剂对瓦斯/煤尘复合体系爆炸的抑制特性与抑制机理尚不清楚。为此，本文搭建了CO2-超细水雾气液两相抑制瓦斯/煤尘复合体系爆炸实验平台，详细研究了CO2-超细水雾抑制瓦斯/煤尘爆炸的衰减规律，并分析了抑爆的原因。

1 实验设计

1.1 实验装置

该实验平台由爆炸腔体、配气系统、喷粉系统、气液输送系统、数据采集系统、高速摄像图像采集系统、点火系统等组成，如图1所示。爆炸腔体为120 mm×120 mm×840 mm的透明有机玻璃管道，管道末端用PVC薄膜和拷贝纸进行密封；配气系统由甲烷、CO2、空气气瓶，分别通过安装在输气管路上的3个Alicat质量流量控制器来调整气体流速；喷粉系统由一碗状储粉器和扬粉系统组成。气液输送系统由一超声波雾化装置、方形储水盒、出入管道等组成。其中超声雾化装置工作频率1 700 kHz，经过PDA测试，产生的超声波细水雾在10 μm以内，属于超细水雾。实验中，超细水雾随混合气体从进气口流入爆炸腔体。数据采集系统由MD-HF型压力传感器、RL-1型光电传感器、USB-1608FS数据采集卡组成；高速摄像图像采集系统由High Speed Star 4G型高速摄像机，图像控制器和高速计算机组成，摄像机拍摄速度可以达到2 000 fps；点火系统由HEI19系列高热能点火器、点火电极组成，点火电压为6 kV。

图1 实验系统Fig.1 Experimental system diagram

1.2 实验工况与方法

本文研究不同CO2体积分数和超细水雾质量浓度对瓦斯/煤尘复合爆炸抑制效果的影响。实验中使用的煤粉工业分析结果如表1所示，煤种经破碎、筛分(180目标准筛) 制样后用于实验，煤尘质量浓度为100 g·m-3，甲烷浓度设为9.5%；CO2体积分数为6%，10%，14%和18%；超细水雾质量浓度为115.7，231.4，347.2，694.4和1 041.7 g·m-3。

表1 煤粉的工业分析Table 1 Industrial analysis of coal dust

实验中，首先采用通入4倍体积的预混气体的办法排尽管道内原有气体[19]，关闭进气口和排气口球阀。然后，根据体积分数算出CO2和超细水雾通入量，充气或充水雾过程结束后，关闭输送装置球阀。最后，利用同步控制器控制喷粉和启动点火按钮，延迟时间结束后触发高速摄像与压力数据采集系统。为了能保证煤粉在管道中均匀分布，且喷粉时，管道上端不会破裂，经过多次预备实验，喷粉压力和点火延迟时间确定为0.5 Mpa和900 ms。

2 实验结果与分析

2.1 对火焰传播速度的影响

不同质量浓度超细水雾抑制瓦斯/煤尘爆炸火焰传播速度曲线如图2所示；6%CO2与超细水雾抑制瓦斯/煤尘爆炸的火焰传播速度曲线如图3所示；14%CO2与超细水雾抑制瓦斯/煤尘爆炸的火焰传播速度曲线如图4所示；不同工况情况下火焰到达泄爆口的时间如图5所示；不同体积分数CO2与不同质量浓度超细水雾对瓦斯/煤尘爆炸的火焰最大传播速度影响曲线如图6所示；

图2 不同质量浓度超细水雾抑制瓦斯/煤尘爆炸火焰传播速度曲线Fig.2 Different mass concentration of ultra-fine water miston the suppression of gas / coal dust explosion flame propagation velocity curve

图3 6%CO2与超细水雾抑制瓦斯/煤尘爆炸的火焰传播速度曲线Fig.3 6% CO2 and ultra-fine mist on the suppression of gas / coal dust explosion flame propagation velocity curve

图4 14%CO2与超细水雾抑制瓦斯/煤尘爆炸的火焰传播速度曲线Fig.4 14% CO2 and ultra-fine mist on the suppression of gas / coal dust explosion flame propagation velocity curve

图5 不同工况情况下火焰到达泄爆口的时间Fig.5 The time of the flame arriving at the vent in different working conditions

图6 不同体积分数CO2与不同质量浓度超细水雾对瓦斯/煤尘爆炸的火焰最大传播速度影响Fig.6 Suppression effect of different volume fraction CO2 and different mass concentration of ultra-fine water mist on the maximum propagation velocity of flames in gas / coal dust explosion

由图2和5可知，当通入115.7 g·m-3超细水雾时，最大火焰传播速度有小幅度下降，峰值来临时间延迟，火焰传播到达泄爆口的延迟时间逐渐增加。当超细水雾质量浓度到达694.4 g·m-3时，最大火焰传播速度才得到明显下降，降低率为39.81%，火焰速度曲线出现较大偏移，这表明超细水雾的质量浓度是影响复合体系爆炸火焰传播的重要因素。当超细水雾质量浓度到达1 041.7 g·m-3时，最大火焰传播速度并没有进一步显著降低，体现了随着超细水雾质量浓度的继续增加，超细水雾抑爆出现了平台效应[18,20]。

由图3可知，加入6%CO2后，在少量CO2和超细水雾共同作用下，初期火焰传播速度和来临时间均出现下降和明显延迟。同时，从图2～5看出，火焰到达泄爆口的延迟时间明显延长，例如，6%CO2+115.7 g·m-3超细水雾、115.7 g·m-3超细水雾的火焰到达泄爆口的时间分别为110，75 ms，延迟了46.7%。这说明加入少量CO2提高了超细水雾抑制煤尘/瓦斯爆炸效果。

由图4可知，对比超细水雾作用工况，在14%CO2和115.7，694.4 g·m-3超细水雾的共同作用下，最大火焰传播速度分别降至10.64，6.08 m·s-1，下降幅度分别达43.43%，47.22%。对比图3和图4可以发现，6% CO2+694.4 g·m-3超细水雾在140 ms左右到达泄爆口，而14%CO2+694.4 g·m-3超细水雾在150 ms之前火焰以非常缓慢的速度发展，火焰到达泄爆口的延迟时间为270 ms, 同复合体系比较，延迟了285.7%。这说明在相同超细水雾质量浓度下，当CO2体积分数必须达到一定值时，惰化窒息作用和稀释作用才能更显著。

由图6可知，在CO2和超细水雾共同作用下，最大火焰传播速度随着超细水雾质量浓度与CO2体积分数的增加呈线性下降趋势；然而，随着CO2体积分数的增加，斜率越来越小，甚至当CO2体积分数大于18%、超细水雾质量浓度大于347.2 g·m-3后，复合体系无法点燃，这一方面说明气液两相抑爆剂对瓦斯/煤尘爆炸的抑制效果显著；另一方面也说明CO2体积分数大于14%后，抑制效果提高幅度会减小。

2.2 对爆炸超压的影响

图7 不同质量浓度的超细水雾抑制瓦斯/煤尘爆炸超压曲线Fig.7 Different mass concentration of ultra-fine water mist on the suppression of the overpressure curve of gas / coal dust explosion

图8 6%CO2与超细水雾抑制瓦斯/煤尘爆炸超压曲线Fig.8 6% CO2 and ultra-fine water mist on the suppression of the overpressure curve of gas / coal dust explosion

图9 14%CO2与超细水雾抑制瓦斯/煤尘爆炸超压曲线Fig.9 14% CO2 and ultra-fine water mist on the suppression of the overpressure curve of gas / coal dust explosion

图10 不同体积分数CO2与不同质量浓度超细水雾抑制瓦斯/煤尘爆炸最大超压影响Fig.10 Suppression effect of different volume fraction CO2 and different mass concentration of ultra-fine water mist on the maximum overpressure of explosion in gas / coal dust explosion

其中，不同质量浓度的超细水雾抑制瓦斯/煤尘爆炸超压曲线如图7所示； 6%CO2与超细水雾抑制瓦斯/煤尘爆炸超压曲线如图8所示；14%CO2与超细水雾抑制瓦斯/煤尘爆炸超压曲线如图9所示；不同体积分数CO2与不同质量浓度超细水雾抑制瓦斯/煤尘爆炸最大超压影响如图10所示。

由图7可知，9.5%瓦斯/煤尘爆炸超压曲线存在2个峰值，且在2峰值之间形成了一个“震荡平台”。第1个峰值是由于瓦斯被引爆后，燃烧热量被煤粉吸收出现温度小幅下降而引起的；当漂浮的煤粉被引燃后，形成多个热点的煤尘爆炸，继而形成了“震荡型”压力曲线。随着超细水雾质量浓度的增加，最大超压和来临时间有所降低和延迟，第2个峰值随超细水雾质量浓度增加而下降但“震荡平台”宽度稍有增加，这说明超细水雾蒸发虽然起到一定冷却作用，但由于爆炸管道为半封闭，强大的爆炸冲击波将部分细水雾冲出了管道，留在管道内的超细水雾降温作用有限，仍有大量煤粉被引燃。

由图8和图9可知，首先，CO2和超细水雾对超压的抑制作用要明显优于超细水雾。在347.2 g·m-3超细水雾分别与6%，14%的CO2作用下，爆炸超压峰值分别为23.659，21.2 kPa，相对于347.2 g·m-3超细水雾单独作用时分别下降了21.85%，29.97%。而添加14%CO2后，爆炸超压则有了明显下降，例如，694.4 g·m-3超细水雾与14%CO2作用下，爆炸超压峰值为20 kPa，对于694.4 g·m-3超细水雾单独作用时下降了30.97%。

其次，同超细水雾工况比较，图8中，当加入6%CO2和超细水雾时，第1和第2峰值均有降低，且“震荡平台”倾斜且变得冗长；图9中，当加入14%CO2和超细水雾时，2个峰值进一步降低，且“震荡平台”消失。上述研究表明CO2和超细水雾对瓦斯/煤尘复合体系爆炸超压表现了明显的抑制作用。

由图10可知，爆炸超压峰值随着超细水雾质量浓度和CO2体积分数的增加而降低。当通入CO2和超细水雾后，爆炸超压有明显的降低，同复合体系爆炸超压相比，爆炸超压最大下降比例达到41.35%。但是当超细水雾的质量浓度达到347.12 g·m-3后，爆炸超压曲线下降趋势平缓，这是由于超细水雾质量浓度达到一定值时，爆炸产生的蒸汽压较大，使爆炸超压降低幅度减小。

2.3 对火焰结构及温度的影响

图11为不同质量浓度超细水雾抑制瓦斯/煤尘复合体系在60 ms时的爆炸火焰图像。实验中使用的高速相机后期处理软件有伪彩色图像处理功能，传统的灰度级伪彩色变换的基本做法是将图像分为4部分，由上到下依次为：低温物体，中低温物体，中温物体和高温物体[21]。因此，拍摄火焰图片的颜色越亮，可燃气体爆炸火焰的辐射温度越高。本实验中出现白色火焰，说明爆炸温度已经超出了划分范围。

a.115.7 g·m-3超细水雾；b.231.4 g·m-3超细水雾；c.347.2 g·m-3超细水雾；d.694.4 g·m-3超细水雾；e.1041.7 g·m-3超细水雾。图11 不同质量浓度超细水雾抑制瓦斯/煤尘复合体系在60 ms时的爆炸火焰图像Fig.11 Different mass concentration of ultra-fine water mist suppression gas / coal dust composite flame explosion image at 60ms

XU[22-23]等通过PIV研究了超细水雾抑制瓦斯/煤尘复合体系爆炸效果，发现随着超细水雾通入量的增加，降低了爆炸湍流强度。由图11知，在超细水雾作用下，随着超细水雾质量浓度的增加，在60 ms时火焰前锋距离管道泄爆口的距离逐渐增加，也可以间接说明前面提到的火焰到达泄爆口的时间逐渐延迟；同时火焰预热区厚度比较厚，火焰前锋有明显分层现象；火焰呈白色，说明在爆炸后部分超细水雾被冲出管道，剩下的超细水雾降温作用有限，因此爆炸温度仍十分高。

由图12(a)ⅰ～(c)ⅰ知，当CO2体积分数相同时，随着超细水雾质量浓度的增加，火焰在90 ms时，火焰位置依次减小。当通入6%CO2和超细水雾时，火焰颜色有大量白色区域，这是因为通入CO2量较少，在强大的爆炸冲击作用下，有部分超细水雾被冲出了管道，因此仍有大量煤粉参与爆炸过程，火焰温度仍旧很高。

由图12(b)和图12(c)看出，随着CO2体积分数增加，火焰结构出现“整体孔隙化”现象，如图12(c)ⅳ所示，甚至当通入14% CO2+694.4 g·m-3超细水雾90 ms时，点火源周围成为低温区域，降温效果明显提高。

Ⅰ.CO2+115.7 g·m-3超细水雾；Ⅱ.CO2+231.4 g·m-3超细水雾；Ⅲ.CO2+347.2 g·m-3超细水雾；Ⅳ.CO2+694.4 g·m-3超细水雾。图12 不同体积分数的CO2和不同质量浓度超细水雾抑制瓦斯/煤尘复合体系在90ms时的爆炸火焰图像Fig.12 Different mass concentration of ultra-fine water mist and different volume fraction of CO2 suppression gas / coal dust composite flame explosion image at 90ms

2.4 CO2-超细水雾抑制瓦斯/煤尘爆炸的原因分析

煤尘爆炸分为挥发分气体的析出后发生均相燃烧与固体碳的非均相燃烧2个反应过程，而挥发分的析出对整体爆炸反应速率起到关键作用[24]。一方面，CO2的加入可以起到稀释悬浮煤粉周围挥发分的作用，同CO2对燃烧反应热具有分享效应，并作为第三体增强了链终止反应H+O2(+M)→HO2(+M)，同时弱化了CO的氧化反应CO+OH →CO2+H[25]，间接延长了瓦斯爆炸反应进程，阻碍了瓦斯爆炸链式反应的发展。另一方面，煤是一种多孔性结构，超细水雾更易于被煤粉吸附，使其表面形成含水液膜，起到浸润煤体、阻隔煤氧接触的作用。因此，在CO2-超细水雾作用下，降低了煤粉挥发分的析出和煤体自身的氧化速度，最终降低了爆炸初期气相爆炸强度和火焰传播速度。

在火焰传播过程中，由于火焰传播速度降低，延长了细水雾在火焰区的生存时间[17]，冷却作用增强；同时由于初期爆炸强度降低，使得更多被湿润的煤粉留在已燃区，没有参与复合体系爆炸，降低了对火焰前锋的热反馈，导致瓦斯/煤尘复合体系爆炸的衰减。

3 结论

1)在CO2-超细水雾共同作用下，瓦斯/煤尘爆炸的火焰传播速度和爆炸超压有明显降低，火焰传播时间显著延迟。在18%CO2、超细水雾质量浓度大于347.2 g·m-3时，复合体系无法点燃。

2)瓦斯/煤尘复合体系爆炸超压曲线的“震荡平台”随着CO2和超细水雾质量浓度的增加，变得倾斜且冗长，当14%CO2+超细水雾时，“震荡平台”消失。

3)从火焰形状来看，当通入大于10%CO2+231.4 g·m-3超细水雾时，火焰呈现“整体孔隙化”现象。

4)CO2-超细水雾对瓦斯/煤尘复合体系爆炸抑制的原因。一方面，CO2的预稀释作用和水雾阻隔煤粉氧化作用，降低了煤粉挥发分的析出和煤体自身的氧化速度，使得爆炸初期气相爆炸强度和火焰传播速度降低；另一方面，延长了细水雾在火焰区的生存时间，同时，更多被湿润的煤粉留在已燃区，没有参与复合体系爆炸，降低了对火焰前锋的热反馈。