陳 碩，路 長,2*，蘇振國，孟 琪，劉金剛

(1.河南理工大學(xué)瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理國家重點(diǎn)實驗室培育基地,焦作，454003；2.河南理工大學(xué)煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,焦作，454003)

0 引言

當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，新能源開發(fā)隨科技進(jìn)步顯著提高，但還不能完全替代傳統(tǒng)能源，對煤炭能源的需求量還是只增不減。通過國家統(tǒng)計局發(fā)布的《中華人民共和國2019年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》顯示，全國原煤產(chǎn)量完成38.5億噸，同比增長4.0%。可見，我國能源最主要的依靠就是煤炭[1]。雖然有越來越多的煤礦企業(yè)投入生產(chǎn)，但是由于我國煤層自然賦存條件復(fù)雜多變，煤礦開采的煤層大多屬于石炭二疊紀(jì)的煤層，其煤層中瓦斯含量大、煤層透氣性差、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，瓦斯抽采困難，因此容易誘導(dǎo)瓦斯事故發(fā)生。瓦斯事故主要包括瓦斯突出和瓦斯爆炸兩類，其中，瓦斯爆炸事故是我國煤礦事故中最嚴(yán)重的災(zāi)害事故之一[2](煤礦常見五大自然災(zāi)害：煤塵、瓦斯、火災(zāi)、水災(zāi)、冒頂[3])，是礦井安全生產(chǎn)的重大威脅。根據(jù)“煤礦安全網(wǎng)”快報提供的中國煤礦事故情況，筆者整理了近三年國內(nèi)煤礦瓦斯爆炸事故統(tǒng)計，詳見表1。

表1 近三年中國煤礦瓦斯爆炸事故統(tǒng)計

事故發(fā)生往往不是單因素作用的結(jié)果，如：瓦斯爆炸一般會引發(fā)其他事故。該連鎖反應(yīng)引起很多學(xué)者關(guān)注，裴蓓等[4]就瓦斯爆炸產(chǎn)生沖擊波誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸展開多角度探索。陳志峰等[5]對瓦斯爆炸產(chǎn)生沖擊波對通風(fēng)設(shè)施的破壞特性展開研究。對煤礦中各類事故的頻繁發(fā)生，楊前意等[6]就瓦斯爆炸誘導(dǎo)煤塵爆炸的因素展開研究。國家安監(jiān)總局根據(jù)災(zāi)害事故嚴(yán)重程度對事故做出明確等級劃分，分別是特別重大事故、重大事故、較大事故、一般事故。

瓦斯爆炸事故嚴(yán)重制約著我國煤礦安全和生產(chǎn)發(fā)展，基于此學(xué)者們在諸多方面開展研究工作并取得重大成果，為安全生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。筆者通過閱讀大量國內(nèi)、外瓦斯爆炸方面的文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)目前該方面研究工作主要從兩大角度開展，分別是爆炸發(fā)展規(guī)律和爆炸防治。研究方法大體可分為理論法、實驗法、數(shù)值模擬法，這三種方法各有利弊，特別是后兩種方法在研究中相對來說使用較多。實驗法直觀性強(qiáng)，但成本高，周期長，安全性差，工況數(shù)量受實驗條件限制；數(shù)值模擬法不受實驗條件限制，結(jié)果得出速度較快，但容易因邊界條件限制不足導(dǎo)致分析結(jié)果產(chǎn)生偏差，所得結(jié)果和精度也和結(jié)構(gòu)離散化形式相關(guān)。目前，常用的數(shù)值模擬軟件有AutoReaGas、FLUENT、PHOENICS、CHEMKIN、FLACS、FDS等[7]。實驗法和數(shù)值模擬法結(jié)合可以優(yōu)勢互補(bǔ)，拓寬研究廣度和深度。下面，本文將從爆炸發(fā)展規(guī)律和爆炸防治兩方面結(jié)合不同研究方法展開敘述。

1 瓦斯爆炸發(fā)展規(guī)律研究現(xiàn)狀

1.1 瓦斯爆炸基礎(chǔ)知識

1.1.1 瓦斯組分及濃度對爆炸規(guī)律的影響

古代植物中的纖維素和有機(jī)質(zhì)在厭氧菌分解作用下會形成瓦斯。堆積成煤的同時，瓦斯在高溫、高壓環(huán)境作用下還會繼續(xù)不斷生成。在瓦斯爆炸事故中，瓦斯作為可燃?xì)怏w，其主要成分是烷烴，其中CH4占比最多，C2H6、C3H8、C4H10少量存在，此外還有H2S、CO2、N2、水蒸氣和微量惰性氣體，如He、Ar等。瓦斯中占比最多的CH4常以游離和吸附兩種狀態(tài)存在于煤層中[8]，且屬于易燃易爆氣體，所以瓦斯爆炸可近似看成是甲烷燃燒爆炸，對瓦斯爆炸的研究也往往簡化為甲烷爆炸。余明高等[9]、趙軍凱等[10]、李樹剛等[11]、尉存娟和譚迎新[12]、王亞磊等[13]通過對比不同濃度甲烷爆炸傳播特性，得出濃度越接近化學(xué)當(dāng)量濃度,最大爆炸壓力和爆炸壓升速率越大,爆炸區(qū)域內(nèi)溫度峰值越高，壓力峰值出現(xiàn)時間越短；火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓杀▔毫ψ兓瘜?dǎo)致；爆炸感應(yīng)期內(nèi)光亮度的最大值、平均值、變化率隨瓦斯?jié)舛仍龃蠖龃?。除此之外，彭飛等[14]、路長等[15]、鄭立剛等[16]在甲烷和空氣預(yù)混氣中摻入不同種類氣體進(jìn)行爆炸規(guī)律研究，潘尚昆等[17]、周寧等[18]、賈寶山等[19]、Khokhlov等[20]單獨(dú)研究瓦斯組分中其他氣體成分的爆炸特性，景國勛等[21]、陳東梁[22]、Niu等[23]、王燕等[24]從瓦斯爆炸誘導(dǎo)煤塵爆炸角度出發(fā)研究瓦斯煤塵耦合作用下的爆炸特性。多角度研究瓦斯爆炸發(fā)展規(guī)律為有效抑制爆炸提供了重要理論依據(jù)，同時也使得其本身更具有現(xiàn)實意義。

1.1.2 瓦斯爆炸條件及產(chǎn)生危害

瓦斯爆炸屬于可燃?xì)怏w爆炸范疇，其實質(zhì)是系統(tǒng)本身能量借助氣體急劇膨脹而轉(zhuǎn)化為對周邊介質(zhì)做功，同時伴隨發(fā)光、放熱和聲響的劇烈高速燃燒化學(xué)反應(yīng)。因此，瓦斯爆炸發(fā)生也需滿足可燃?xì)怏w爆炸三要素，即：可燃物、助燃物、點(diǎn)火源。瓦斯?jié)舛鹊谋O限一般在5%～16%(7%～8%時最容易引燃)，爆炸感應(yīng)期隨瓦斯?jié)舛鹊脑黾佣s短，當(dāng)濃度低于5%時，遇到火源不發(fā)生爆炸但能在火焰外圍形成燃燒層；當(dāng)濃度為9.5%時，爆炸威力最大(此時瓦斯和氧氣完全反應(yīng))；當(dāng)濃度在16%以上時，失去爆炸性，但在空氣中遇到火源仍會燃燒。但是，瓦斯爆炸極限并不恒定，還受初始溫度、初始壓力、惰性介質(zhì)、點(diǎn)火能量、環(huán)境空間大小等因素影響。氧氣濃度一般不低于12%，一般來說，礦井下氧氣濃度滿足爆炸條件，主要還看瓦斯?jié)舛群忘c(diǎn)火源條件。點(diǎn)火源種類很多，常見的有明火、電火花、摩擦火花、自然火源等。瓦斯引燃所需的最小能量為0.28 mJ，引燃時間不能低于點(diǎn)火感應(yīng)期[25]。點(diǎn)火源溫度一般情況下為650 ℃～750 ℃，該范圍還受瓦斯?jié)舛?、火源性質(zhì)、混合氣體壓力、環(huán)境溫度和濕度等因素影響。

瓦斯爆炸產(chǎn)生的危害主要表現(xiàn)在以下四個方面，分別是：(1)使溫度急劇升高，繼而造成礦井內(nèi)人員燒死燒傷，同時還可能引起礦井火災(zāi)；(2)產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊波，對人造成很強(qiáng)的沖擊作用，同時還有可能揚(yáng)起巷道沉積煤塵使之參與爆炸繼而引發(fā)連續(xù)爆炸；(3)產(chǎn)生大量有毒氣體，其中主要是CO，人吸入后短時間內(nèi)會中毒死亡；(4)破壞通風(fēng)系統(tǒng)，通風(fēng)紊亂會導(dǎo)致災(zāi)情迅速擴(kuò)大和波及井下其他區(qū)域，使得煤礦井下巷道內(nèi)因缺乏新鮮風(fēng)流使人缺氧和中毒，此外還可能破壞運(yùn)輸系統(tǒng)和各類設(shè)施，誘發(fā)巷道冒頂繼而造成更大危害。

1.1.3 瓦斯爆炸機(jī)理

目前針對瓦斯爆炸的理論很多，認(rèn)可度較高的是熱爆炸理論和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論。熱爆炸理論認(rèn)為：爆炸過程是放熱因素和散熱因素共同作用的劇烈化學(xué)反應(yīng)，放熱和散熱往往通過吸熱速率和散熱速率表征。若反應(yīng)體系中放熱因素占主導(dǎo)地位，即反應(yīng)產(chǎn)生熱量大于向外界散失熱量，用速率表征就是吸熱速率大于散熱速率，則體系能量逐漸積累，溫度逐漸升高，化學(xué)反應(yīng)速度加快；反之，則溫度降低，反應(yīng)速度減慢。謝苗諾夫?qū)σ陨蟽?nèi)容進(jìn)行歸納總結(jié)，得到式(1)：

(1)

式中：V為反應(yīng)容器體積，m3；ρ∞為可燃混合氣體密度，kg/m3；Cv為等容熱容，J/(kg·K)；dT/dt為系統(tǒng)升溫速率，K/ms；Qs為單位質(zhì)量混合氣體反應(yīng)熱，J/kg；Ws為可燃混合氣體化學(xué)反應(yīng)速率，kg/(m3·s)；F為反應(yīng)容器表面積，m2；α為環(huán)境和容器間的對流換熱系數(shù)，J/(m2·s·K)；T為反應(yīng)混合物的環(huán)境溫度，K；T∞為反應(yīng)混合物的瞬時溫度，K。

鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論認(rèn)為：爆炸過程包含多個支鏈的快速連鎖反應(yīng)，該反應(yīng)主要包含三個過程，即：鏈引發(fā)、鏈傳遞、鏈終止[26]。鏈引發(fā)是指可燃物和助燃物在一定能量作用下反應(yīng)，發(fā)生分子內(nèi)化學(xué)鍵斷裂生成多個較為活躍自由基的過程，在該過程中初始點(diǎn)火能和壓力越高，產(chǎn)生自由基的速度越快，宏觀表現(xiàn)就是化學(xué)反應(yīng)速率加快；鏈傳遞是指反應(yīng)中活躍自由基與分子間作用發(fā)生舊自由基消耗和新自由基生成的過程，在該過程中如果舊自由基消耗速度小于新自由基的生成速度，則活躍自由基濃度會逐漸升高，反應(yīng)速度加快，形成鏈分支；鏈終止是指自由基與反應(yīng)器壁碰撞或自由基間相互碰撞過程中能量被釋放，消耗自由基速度大于生成自由基速度的過程。

瓦斯爆炸是一種“熱——鏈”反應(yīng)，因為瓦斯組分復(fù)雜且主要以甲烷為主，故瓦斯爆炸的反應(yīng)方程式通常簡單表示為甲烷/空氣的反應(yīng)方程式，見式(2)：

CH4+2(O2+3.76N2)→CO2+2H2O+7.52N2

(2)

上式是化學(xué)總反應(yīng)方程式，實際瓦斯爆炸反應(yīng)由很多基元反應(yīng)構(gòu)成，過程復(fù)雜多變。在總式中，很難直觀、清晰地看到爆炸過程組成成分、化學(xué)反應(yīng)速率、能量的變化規(guī)律，只有從微觀角度出發(fā)研究瓦斯爆炸過程才能更為詳盡地揭示其發(fā)展規(guī)律。目前。對于瓦斯爆炸機(jī)理認(rèn)可度比較高的是其包含53種組分、325個基元反應(yīng)。細(xì)化研究瓦斯爆炸化學(xué)反應(yīng)步驟可以更清楚地認(rèn)識爆炸規(guī)律，為后續(xù)研究防治手段提供堅實的理論依據(jù)。在得到詳盡化學(xué)反應(yīng)機(jī)理后，為了簡化數(shù)值模擬研究中的工作量，減少成本，學(xué)者們開始尋找爆炸過程中對反應(yīng)動力學(xué)特征影響較大的反應(yīng)步驟。其中梁運(yùn)濤[27]、高娜等[28]、賈寶山等[29]基于敏感性分析方法，分析了GRI Mech 3.0中基元反應(yīng)的動力學(xué)特征，得到瓦斯爆炸反應(yīng)鏈中相對來說比較關(guān)鍵的基元反應(yīng)步驟，詳見表2。目前，比較常用的簡化機(jī)理有：14組分28步反應(yīng)機(jī)理、9組分6步反應(yīng)機(jī)理、17組分58步反應(yīng)機(jī)理等。

表2 瓦斯爆炸化學(xué)反應(yīng)詳細(xì)機(jī)理中的關(guān)鍵反應(yīng)

1.2 瓦斯爆炸中涉及的特征參量

對于管道內(nèi)瓦斯爆炸的研究分析主要從以下幾個方面展開，即火焰陣面形態(tài)變化、火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓?、火焰?zhèn)鞑ゼ铀俣茸兓?、管道?nèi)爆炸超壓變化、爆炸壓升速率變化、爆炸區(qū)域內(nèi)溫度變化、爆炸溫升速率變化、爆炸極限、爆炸指數(shù)、自燃點(diǎn)等方面。

1.2.1 爆炸火焰陣面形態(tài)

瓦斯爆炸時火焰陣面形態(tài)的變化。通常采用高速攝影法或紋影和陰影法進(jìn)行火焰形態(tài)變化過程記錄。高速攝影最早應(yīng)用于火焰陣面觀測，是可以把高速運(yùn)動發(fā)展規(guī)律進(jìn)行有效記錄的一種方式和研究方法。該方法可以把火焰快速傳播動作放慢從而顯示肉眼捕捉不到的瞬時狀態(tài)。紋影和陰影法可以拍攝肉眼看不到的氣流形態(tài)，其原理是利用氣流對光波的擾動將不可能被肉眼看到的氣流轉(zhuǎn)化為可視圖像。這兩種技術(shù)經(jīng)常被用于記錄和分析爆炸過程中火焰形態(tài)變化規(guī)律，宋小雷等[30]借助高速紋影技術(shù)研究不同當(dāng)量比甲烷/空氣預(yù)混氣在小型長方形實驗管道內(nèi)傳播過程中的結(jié)構(gòu)與參數(shù)變化特征，Markstein[31]上世紀(jì)中期拍攝觀察到敞口垂直玻璃管道中烷烴類氣體具有特殊胞狀結(jié)構(gòu)，后來Searby和Rochwerger[32]認(rèn)為胞狀火焰產(chǎn)生的原因是流場中聲波擾動，Lee和Tsai[33]通過對火焰陣面形態(tài)的研究，將其分為蘑菇形火焰和郁金香火焰。此外，火焰厚度以及火焰顏色變化也是實驗分析中不可忽略的部分。

1.2.2 爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣燃凹铀俣?/p>

瓦斯爆炸時火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓??；鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣仁侵富鹧媲颁h沿著火焰法向方向相對于未燃可燃混合氣推進(jìn)的速度，火焰速度測量方法有測量系統(tǒng)測速、粒子圖像測速(PIV法)和高速攝影技術(shù)記錄瓦斯火焰?zhèn)鞑ヌ卣鳒y速[34]。測量系統(tǒng)測速是計算相臨兩個探頭之間火焰前鋒傳播的平均速度，通?？梢圆捎秒x子電流、光電轉(zhuǎn)化等方法實現(xiàn)[35]。PIV法是能在瞬態(tài)記錄下二維流場速度分布信息，高精度地體現(xiàn)流場空間結(jié)構(gòu)和流動特性，廣泛適用于計算流體速度的非接觸式測試技術(shù)方法[36]。高速攝影技術(shù)可直接觀測火焰的傳播規(guī)律，利用爆炸過程中火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xx和走過這段距離所用時間t，求算這段時間火焰?zhèn)鞑テ骄俣葀，因為時間很短可近似等于這段時間內(nèi)某時刻的瞬時速度，但是這種方法很難對火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律進(jìn)行量化，通過“v-t”圖像可得最大火焰?zhèn)鞑ニ俣纫约盎鹧鎮(zhèn)鞑ゼ铀俣鹊陌l(fā)展變化趨勢。

1.2.3 爆炸超壓及壓升速率

瓦斯爆炸時管道內(nèi)爆炸超壓的變化。爆炸超壓是爆炸研究中經(jīng)常被關(guān)注的特征參量，超壓指爆轟波陣面上壓力與大氣壓之間的壓力差。壓力分為正壓和負(fù)壓，正壓對人體和建筑物等傷害嚴(yán)重，一般只考慮正壓作用，對負(fù)壓很少研究。實驗中,通過壓力傳感器、采集卡、電腦等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號傳輸?shù)诫娔X中已經(jīng)編寫好的程序內(nèi)進(jìn)行計算和儲存，后期通過數(shù)據(jù)處理軟件，如Origin，Excel等處理并繪制出壓力p隨時間t的變化趨勢圖像或壓力隨傳播距離x的變化趨勢圖像。在“p-t”和“p-x”圖中可直觀看到壓力峰值位置、達(dá)到峰值所需時間、最大爆炸壓力等，通過“p-t”圖上各點(diǎn)切線斜率變化情況，還能得出壓升速率dp/dt變化趨勢，進(jìn)而得到最大壓升速率。

1.2.4 爆炸火焰溫度及溫升速率

瓦斯爆炸時爆炸區(qū)域內(nèi)的溫度變化。爆炸過程中動量變化可以通過火焰?zhèn)鞑ニ俣忍卣鲄⒘勘碚鞒鰜?，組分場的變化可以通過鏈?zhǔn)椒磻?yīng)微觀分析研究，而能量變化最直觀的就是通過溫度直觀顯示。實驗中，選用精度較高的微細(xì)熱電偶對爆炸區(qū)域內(nèi)溫度變化進(jìn)行測量記錄，得到溫度T隨時間t的變化曲線從而得出最高和最低溫度。通過“T-t”圖像上各點(diǎn)切線斜率可得溫升速率dT/dt變化趨勢，進(jìn)而得到最大溫升速率。王秋紅等[37]通過對管道內(nèi)瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑毫εc溫度特性的研究得出火焰溫度峰值隨瓦斯體積分?jǐn)?shù)增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢，且管道內(nèi)上部燃燒劇烈程度比下部大，下部火焰溫度峰值與瓦斯體積分?jǐn)?shù)呈4次函數(shù)關(guān)系。除此之外，也有學(xué)者認(rèn)為燃燒過程中除了放熱還會發(fā)光，光帶走的部分能量沒有用于升溫。因此，學(xué)者們認(rèn)為爆炸反應(yīng)發(fā)出的光子數(shù)量和波長直接影響著火焰溫度，并在這方面開展大量實驗研究。

1.2.5 可燃物爆炸極限

可燃物爆炸極限指的是可燃物質(zhì)和空氣或氧氣均勻混合后的濃度在一定范圍內(nèi)遇到明火發(fā)生爆炸，該范圍即爆炸極限，通常用百分?jǐn)?shù)(%)表示，也有用單位體積可燃物質(zhì)量(g/m3或者mg/L)表示。爆炸極限分為爆炸上限(UEL)和爆炸下限(LEL)，通常1 mol有機(jī)可燃?xì)怏w可利用經(jīng)驗公式，即：根據(jù)其所需氧原子物質(zhì)的量估算有機(jī)物的爆炸上限和下限，詳見式(3)和式(4)：

(3)

(4)

式中：XUEL為可燃?xì)怏w爆炸上限，%；XLEL為可燃?xì)怏w爆炸下限，%；n為1 mol可燃?xì)馔耆紵柩踉拥奈镔|(zhì)的量，mol。

根據(jù)可燃?xì)怏w在空氣中完全燃燒時的化學(xué)當(dāng)量濃度估算有機(jī)物的爆炸上限和下限，詳見式(5)和式(6)，此方法適用以飽和烴為主的有機(jī)可燃?xì)怏w。

XLEL=0.55c

(5)

(6)

式中：c為可燃?xì)庠诳諝庵型耆紵龑?yīng)的化學(xué)計量濃度，L/mol。

單一燃料在空氣中的爆炸極限還能根據(jù)燃料的閃點(diǎn)進(jìn)行估算，詳見式(7)。

(7)

式中：X為可燃?xì)獾谋O限，%；Ps為燃料閃點(diǎn)下的飽和蒸氣壓，Pa；P為總壓力，Pa。

對于兩種或兩種以上的可燃?xì)怏w混合物，計算爆炸上限和下限可利用“萊-夏特爾”公式估算，根據(jù)各組分氣體的爆炸下限(或上限)和在混合氣體中的體積分?jǐn)?shù)求得混合氣體的爆炸下限(或上限)，詳見式(8)，此方法也適用含有惰性氣體的可燃?xì)怏w混合氣爆炸極限的計算。

(8)

式中：X為混合氣體的爆炸極限，%；Pn為可燃?xì)怏w占總可燃?xì)獾捏w積分?jǐn)?shù)，%；Xn為混合氣體中各組分的爆炸極限，%。

除上述談及的爆炸極限計算方法外，還有很多極限計算方法，不同方法得到的結(jié)果相差不大。經(jīng)過學(xué)者們大量的實驗研究和經(jīng)驗總結(jié)，得出生活中常見的可燃?xì)怏w爆炸極限，詳見表3。

表3 常見可燃?xì)怏w的爆炸極限

1.2.6 爆炸指數(shù)

爆炸指數(shù)K是在1 m3容器內(nèi)，按規(guī)定測得一定濃度反應(yīng)物爆炸特性的各種數(shù)量值。其中，K是由容器體積V和最大爆炸壓升速率(dp/dt)max共同影響的，其關(guān)系可以表示為式(9)：

(9)

式中：V為容器體積，L；K為爆炸指數(shù)；(dp/dt)max為壓升速率最大值，MPa/ms；其中，Kmax是試驗測定的不同濃度混合時K中的最大值，該值常用于體現(xiàn)爆炸的猛烈程度。

1.3 瓦斯爆炸的過程

瓦斯爆炸是劇烈運(yùn)動的壓縮燃燒反應(yīng)過程，其傳播是復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，涉及到流體力學(xué)、爆炸力學(xué)、沖擊波理論、氣體爆炸理論、燃燒學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)等多種學(xué)科理論。過程中涉及到爆炸特征參量變化、可燃?xì)馊紵隣顟B(tài)變化、流體流動狀態(tài)變化以及反應(yīng)體系能量變化等多個方面，下面將針對各個方面具體展開敘述。

1.3.1 爆炸沖擊波的產(chǎn)生及危害

瓦斯爆炸后會產(chǎn)生三種有害因素作用于人和建筑物，分別是有毒氣體、沖擊波、火焰波，其中按照嚴(yán)重程度和作用范圍排序：有毒氣體>沖擊波>火焰波。其中，沖擊波又稱激波，是一種在氣體、液體和固體介質(zhì)中波陣面上(壓力、溫度、密度等)突躍變化而發(fā)生強(qiáng)烈擾動傳播的壓縮波。壓縮波會隨著爆炸進(jìn)程的發(fā)展最后轉(zhuǎn)化為沖擊波，過程如圖1所示。

圖1 爆炸沖擊波的形成過程

目前，國內(nèi)外學(xué)者在瓦斯爆炸沖擊波波動方程、傳播規(guī)律、衰減規(guī)律、沖擊波破壞作用等方面進(jìn)行了大量理論與實驗研究[38]。生產(chǎn)和生活中最常見的沖擊波就是空氣沖擊波，其往往來源于化學(xué)爆炸或物理爆炸。爆炸過程大體上是當(dāng)爆炸發(fā)生后反應(yīng)體系由鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)入燃燒階段，由于燃燒產(chǎn)生大量能量，使得體系內(nèi)溫度升高繼而導(dǎo)致管道內(nèi)壓力升高，氣體不斷被壓縮逐漸形成激波。激波由兩部分組成，即：前驅(qū)沖擊波和伴隨燃燒波，它們之間存在間隔，火焰?zhèn)鞑ニ俣扔善渲腥紵ㄟM(jìn)行的速度決定[39]。沖擊波傳播速度大于聲速，且伴隨著爆炸的發(fā)生常以超音速狀態(tài)從爆炸中心向周圍傳播，因此具有很強(qiáng)的沖擊破壞作用。通?？捎贸瑝悍逯礟max、超壓持續(xù)時間t和沖量I來表征破壞程度[40]。王建靈等[41]通過三種炸藥在空中爆炸的測試實驗來研究相同測點(diǎn)處沖擊波峰值超壓和沖量與比例距離的關(guān)系。沖擊波的破壞強(qiáng)度和爆炸能量之間呈正相關(guān)關(guān)系，強(qiáng)度隨能量增大而增大。在傳播過程中以爆炸點(diǎn)為中心向四周呈立體球狀或半球狀擴(kuò)展，且隨著傳播距離增大，外表面積增大，超壓減小。沖擊波在傳播過程中的強(qiáng)弱程度受到多種因素的影響，如：管道內(nèi)瓦斯?jié)舛?、點(diǎn)火位置、點(diǎn)火能量、混合氣體性質(zhì)、管道壁面條件等[42]。

瓦斯爆炸后產(chǎn)生的沖擊波對煤礦井下巷道產(chǎn)生一定的沖擊破壞作用，沖擊波在巷道拐角、截面變化、分叉等區(qū)域位置產(chǎn)生的壓力可達(dá)到100個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，產(chǎn)生的影響主要體現(xiàn)在兩個方面，即：人員傷亡和設(shè)備損失。詳見表4和表5。

表4 沖擊波超壓對人員的傷害作用(傅智敏等[40])

表5 沖擊波超壓對建筑物的破壞作用(傅智敏等[40])

1.3.2 可燃?xì)怏w的燃燒狀態(tài)

管道內(nèi)可燃?xì)怏w的燃燒和爆炸過程存在三種狀態(tài)，分別是緩燃、爆燃、爆轟。緩燃狀態(tài)下火焰?zhèn)鞑ニ俣群苄∏胰紵龎毫ψ兓淮?，故流動可以看成是不可壓縮過程。根據(jù)燃空比(φ)不同，可知CH4/Air預(yù)混氣存在三種狀態(tài)燃燒，分別是富燃(φ>1)、化學(xué)當(dāng)量比(φ=1)、貧燃(φ<1)。其中，貧燃狀態(tài)的預(yù)混氣體在弱點(diǎn)火條件引燃后火焰?zhèn)鞑コ跗谒俣群苄∏夜軆?nèi)壓力較小，這種情況類似于緩燃狀態(tài)下燃燒。爆燃狀態(tài)是管內(nèi)可燃?xì)怏w燃燒過程中最常見的模式，目前多數(shù)瓦斯爆炸實驗研究在爆燃階段展開，典型的爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣戎翟趲酌酌棵氲綆装倜酌棵?亞音速狀態(tài))，產(chǎn)生的爆炸壓力可以達(dá)到幾個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的值。爆轟狀態(tài)相比緩燃狀態(tài)和爆燃狀態(tài)來說有很大的不同，目前很多學(xué)者正致力于研究該階段瓦斯爆炸的發(fā)展規(guī)律以及防治方法。爆轟產(chǎn)生激波并且與爆轟火焰耦合在一起向后傳播，其典型傳播速度可以達(dá)到幾千米每秒(超音速狀態(tài))。瓦斯爆炸傳播的過程中主要涉及到這三種狀態(tài)變化，具體發(fā)展變化過程如圖2所示。

圖2 管道內(nèi)可燃?xì)怏w爆轟的發(fā)展過程[43]

預(yù)混氣體遇到明火后，反應(yīng)體系最開始處于緩慢燃燒階段，隨著時間延長，體系由緩燃狀態(tài)轉(zhuǎn)化為爆燃狀態(tài)。一般認(rèn)為爆燃火焰存在“兩波三區(qū)”結(jié)構(gòu)，即由火焰波和前驅(qū)壓力波構(gòu)成，并將整個流場劃分為三個區(qū)域[44]，如圖3所示。

圖中：e-比內(nèi)能；p-壓力；ρ-密度；u-速度；C-音速；T-溫度；γ-等熵指數(shù)；字母下標(biāo)0，1，2，分別表示0區(qū)，1區(qū)，2區(qū)；0區(qū)-瓦斯和空氣混合氣的初始狀態(tài)；1區(qū)-前驅(qū)沖擊波通過后的狀態(tài)；2區(qū)-爆燃波陣面(火焰面)通過的狀態(tài)。

隨著爆炸過程的進(jìn)展，火焰?zhèn)鞑ニ俣葧笥跊_擊波傳播速度，爆炸沖擊波和火焰波相互影響作用，火焰鋒面會趕上沖擊波陣面，二者會逐漸趨向重合，當(dāng)達(dá)到一定條件后爆燃狀態(tài)會演變?yōu)楸Z狀態(tài)(Deflagration to Detonation，DDT)，此時爆炸強(qiáng)度和危險程度會顯著提高。

1.3.3 爆炸火焰形態(tài)、速度、超壓變化及原因

在整個發(fā)展過程中，火焰形態(tài)、火焰?zhèn)鞑ニ俣?、爆炸超壓等特征參量都會隨階段變化而變化。層流流動狀態(tài)下的火焰形態(tài)為手指形，該階段火焰?zhèn)鞑ニ俣认啾群竺骐A段來說速度較慢，但是仍處于傳播加速階段；隨著湍流強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，火焰陣面開始失穩(wěn)變形逐漸演變?yōu)橛艚鹣慊鹧妫撾A段火焰?zhèn)鞑ニ俣忍幱跍p速階段；當(dāng)湍流化達(dá)到一定程度，火焰完全由層流階段進(jìn)入湍流階段實現(xiàn)層流燃燒向湍流燃燒轉(zhuǎn)捩，該階段火焰形態(tài)不規(guī)則且傳播速度處于加速狀態(tài)。湍流火焰加速機(jī)理可認(rèn)為是由于火焰的不穩(wěn)定性形成火焰表面褶皺，從而增大了火焰面積，使得火焰有效燃燒速度加快，進(jìn)而導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?。火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓c爆炸超壓也有一定的關(guān)系，爆炸后峰值壓力會呈現(xiàn)先逐步增大后逐步減小的變化趨勢，混合氣爆炸傳播過程中也會有壓力升高、壓力振蕩、壓力反向沖擊三個階段，因此在壓力變化曲線圖上直觀體現(xiàn)為先下降后上升再趨于平衡的變化特點(diǎn)。

1.3.4 爆炸傳播中的層流和湍流

在黏性起重要作用的區(qū)域存在兩種流動狀態(tài)，即：層流流動狀態(tài)和湍流流動狀態(tài)，這兩種狀態(tài)也是最常見的流體流動狀態(tài)。大量的雷諾試驗表明:從層流狀態(tài)過渡到湍流狀態(tài)需歷經(jīng)以下階段，分別是絕對穩(wěn)定層流狀態(tài)、過渡狀態(tài)、無條件不穩(wěn)定及湍流狀態(tài)。層流狀態(tài)(雷諾數(shù)Re<2100)下的流體分層流動且流速很小，湍流狀態(tài)(Re>4000)下的流場內(nèi)有許多小漩渦且流體流速很大。從層流向湍流轉(zhuǎn)化的過程中存在過渡階段，這個過渡階段的流況通常稱為過渡流狀態(tài)(Re=2100～4000)，此階段流體的流速呈上升趨勢，流體的流線波狀擺動頻率和振幅隨流速變化而變化，二者呈正相關(guān)的關(guān)系。學(xué)者們對流體狀態(tài)的變化展開了大量的實驗研究并在此基礎(chǔ)上形成了眾多的理論成果，如：流體穩(wěn)定性理論、分岔理論、混沌理論等，這些理論在瓦斯爆炸領(lǐng)域的研究中起到了重要的基礎(chǔ)作用。

目前針對湍流研究,大體上沿著兩條路發(fā)展，分別是以基本物理規(guī)律建立普遍適用的湍流理論和在特定條件下對現(xiàn)象假定而建立的局限性半經(jīng)驗理論。湍流理論主要包括兩類問題，即湍流起因和湍流發(fā)展后特性。其中湍流由層流過度而來的原因主要是不穩(wěn)定性，湍流由于形成過程不同，可分為兩類：一類是剪切湍流，另一類是熱湍流或?qū)α魍牧?。剪切湍流是指由于剪切流擾動增加而使流體失去穩(wěn)定性形成湍流斑，隨著擾動的增加而形成的湍流。熱湍流或?qū)α魍牧魇侵赣捎趦善桨彘g的流體在下板面加熱或者上板面冷卻達(dá)到一定程度后失去穩(wěn)定性而猝發(fā)很多小尺度對流，隨著上下板間溫差的增加而形成的湍流。

瓦斯爆炸過程從流體流動的角度來看會經(jīng)歷從層流到湍流的變化，預(yù)混氣流動狀態(tài)不同會產(chǎn)生不同的燃燒形態(tài)。爆炸發(fā)生后初期預(yù)混氣流速相對穩(wěn)定，火焰基本上屬于層流火焰，燃燒平穩(wěn)表面較為光滑。隨著過程發(fā)展變化，預(yù)混氣流動過程中上下擾動使燃燒變的不穩(wěn)定，爆炸后期會形成傳播速度較快的湍流火焰，火焰表面褶皺拉伸變形，爆炸傳播過程中的特征參量會隨著階段變化而變化。因此，對于層流和湍流這兩個階段以及中間過渡階段的研究意義十分重大。

2 瓦斯爆炸防治研究現(xiàn)狀

防治瓦斯爆炸，一方面要從工作人員的思想出發(fā)提高其安全意識，另一方面要加強(qiáng)防爆技術(shù)研究。從源頭上完全杜絕瓦斯爆炸發(fā)生幾乎不可能，只能在爆炸發(fā)生時通過技術(shù)手段削弱爆炸對人員和設(shè)施帶來的影響，瓦斯爆炸防治就是削弱和減緩爆炸過程，從而降低爆炸帶來的傷害。目前防治方面的研究大體可分為抑爆、泄爆、阻爆、隔爆四個方面，無論哪方面研究都離不開爆炸特征參量的變化分析。除此之外，點(diǎn)火能大小及點(diǎn)火位置，有無障礙物及障礙物的大小、形狀、數(shù)量、間距、阻塞率(分為面積阻塞率ABR和體積阻塞率VBR，前者是障礙物平面與管道截面積之比，后者是障礙物所占體積與氣體所占體積之比[45])、位置擺放，管道材料及尺寸(包括：長度、直徑、截面形狀、壁面粗糙程度、截面突變、管道分叉等)，外部環(huán)境因素(包括：溫度、濕度、壓力)、空壓腔體等在瓦斯爆炸研究中都有所體現(xiàn)，下面將分別對各個方面的研究現(xiàn)狀具體展開敘述。

2.1 抑爆

抑爆是目前瓦斯爆炸防治最主要的研究方向，通過使用滅火劑(抑爆劑)，從而有效減緩和降低爆炸火焰的傳播速度和爆炸超壓。抑爆劑廣義上可以分為抑制劑和惰化劑，二者相同點(diǎn)在于所用材料基本相同，不同點(diǎn)是前者在爆炸初期使用，后者在爆炸前使用[46]。學(xué)者們選用不同種類抑爆劑進(jìn)行研究，其種類主要包括：惰性氣體、水霧、干粉、鹵素化合物等。

2.1.1 惰性氣體抑爆

惰性氣體具有良好的抑爆性能、來源廣泛且對環(huán)境無污染等特點(diǎn)，日漸受到人們關(guān)注。惰性氣體一般指稀有氣體，即元素周期表18族元素對應(yīng)的He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn，常溫常壓下這些氣體都是無色無味的單原子氣體，基本不參與化學(xué)反應(yīng)，原因是原子內(nèi)電子分布非常均勻，如果想改變原有電子位置需要輸入大量能量才能實現(xiàn)。但抑爆研究中惰性氣體范圍相對來說較廣泛，除稀有氣體外還有常見的N2、CO2、NH3等對爆炸強(qiáng)度增大起抑制作用的氣體。氣體相比粉體、液體能更好與可燃?xì)怏w和氧化劑形成分子級混合。惰性氣體的抑爆作用主要體現(xiàn)在兩方面，一是增強(qiáng)瓦斯和空氣混合氣的總比熱容，通過吸熱降低反應(yīng)體系內(nèi)溫度變化從而降低化學(xué)反應(yīng)速率變化，二是通過稀釋作用降低瓦斯和空氣混合氣中瓦斯體積分?jǐn)?shù)進(jìn)而降低化學(xué)反應(yīng)速率。這兩方面都是物理作用體現(xiàn)，部分惰性氣體除物理作用外還有化學(xué)抑制作用，如：CO2、NH3等氣體可直接參與爆炸過程中的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，消耗鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中關(guān)鍵反應(yīng)的部分基團(tuán)，從而降低爆炸反應(yīng)的速率，減少傷害。

目前國內(nèi)外針對惰性氣體的抑爆研究大體表現(xiàn)在：(1)氣體種類；(2)噴氣壓力；(3)氣體濃度；(4)不同種類氣體的組合抑爆效果等方面。

在惰性氣體抑爆研究方面，賈寶山等[47]采用化學(xué)動力學(xué)計算軟件CHEMKIN研究N2和CO2對瓦斯爆炸過程中各項參數(shù)的影響，得出CO2能更加有效地減少瓦斯爆炸帶來的傷害，并且CO2更能有效降低活化分子中心濃度，減少CO和NO的生成。錢海林等[48]從極限氧體積分?jǐn)?shù)、爆炸極限和抑爆效果三個方面研究N2/CO2混合氣體對甲烷的爆炸影響。Mitu等[49]通過CO2、He、Ar、N2對層流燃燒速率的實驗分析得出稀釋氧濃度效果排序：CO2>He>Ar>N2。羅振敏等[50]從分子角度分析NH3在甲烷鏈?zhǔn)奖ㄟ^程中微觀作用機(jī)理。姜海洋和張國賓[51]從微觀角度出發(fā)研究CO與H2O抑爆機(jī)理，得出CO與H2O是通過和瓦斯爆炸基元反應(yīng)中活潑自由基(如：H、OH、O等)結(jié)合，阻礙鏈?zhǔn)椒磻?yīng)繼續(xù)發(fā)展。Liang等[52]通過實驗得出氮?dú)饧尤胗欣趽錅绫ɑ鹧婧徒档捅▔毫?。Wang等[53]指出甲烷爆炸強(qiáng)度隨N2/CO2含量增加而降低。李成兵等[54]通過建立模型對N2/CO2/H2O抑制甲烷燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.1.2 細(xì)水霧抑爆

細(xì)水霧是在高壓噴水作用下通過特殊噴嘴噴出的水微粒，我國細(xì)水霧規(guī)范(《細(xì)水霧滅火裝置》GA 1149-2014)將細(xì)水霧的霧滴粒徑限定為Dv0.5小于200 μm且Dv0.99小于400 μm,按細(xì)水霧粒徑大小可將其分為三個等級，詳見表6。細(xì)水霧滅火性能較高、清潔無污染、成本不高、資源豐富，在抑爆研究中得到廣泛應(yīng)用。細(xì)水霧對爆炸火焰的抑制機(jī)理主要從以下幾個方面體現(xiàn)：(1)水霧微粒具有較高熱容，在高溫火焰作用下通過氣相吸熱和冷卻作用，使反應(yīng)體系溫度降低；(2)霧滴蒸發(fā)對火焰熱輻射從已燃區(qū)向未燃區(qū)傳遞產(chǎn)生阻隔和衰減作用，同時其蒸汽會吸收部分熱輻射，降低對燃料的熱反饋；(3)吸熱氣化后水霧體積迅速膨脹，對反應(yīng)區(qū)內(nèi)混合氣產(chǎn)生隔氧窒息和稀釋作用；(4)霧滴可參與爆炸反應(yīng)，消耗中間活性自由基(如：H、O、OH等)，減少自由基濃度或中斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)從而降低化學(xué)反應(yīng)速率。

表6 不同等級細(xì)水霧的劃分標(biāo)準(zhǔn)及特點(diǎn)

目前國內(nèi)外針對細(xì)水霧的抑爆研究大體表現(xiàn)在：(1)霧滴粒徑；(2)霧滴中添加劑種類及濃度；(3)霧滴攜帶荷電種類及電量；(4)霧滴中添加特殊的甲烷氧化菌類；(5)噴霧壓力等方面。

在水霧抑爆研究方面，曹興巖等[55]利用數(shù)值模擬方法對密閉容器內(nèi)超細(xì)水霧與甲烷/空氣爆炸火焰的作用機(jī)理進(jìn)行研究,得出超細(xì)水霧加入存在抑制和增強(qiáng)兩種作用效果。王發(fā)輝等[56]通過超聲細(xì)水霧抑制瓦斯爆炸的實驗研究,得出超聲細(xì)水霧具有極好抑爆效果，噴霧時間越長,水霧質(zhì)量濃度越大,對火焰?zhèn)鞑ニ俣群屯咚贡▔毫ψ畲笾狄种瞥潭仍矫黠@。Thomas[57]通過細(xì)水霧對甲烷層流火焰抑制能力的研究，得出水霧粒徑越小其吸熱蒸發(fā)效率越高，其中特別是粒徑在10 μm～30 μm的霧滴對爆炸火焰抑制效果更為顯著。Gieras[58]通過實驗得出噴霧與爆炸火焰或管道壁面相互作用時，湍流程度增強(qiáng)會使爆炸效果增強(qiáng)從而加速爆炸火焰?zhèn)鞑?。楊克等[59]對含菌無機(jī)鹽超細(xì)水霧抑制甲烷爆炸進(jìn)行研究，結(jié)果表明改性培養(yǎng)基中甲烷氧化菌降解甲烷的效果優(yōu)于普通培養(yǎng)基且降解時間對火焰平均傳播速度和平均升壓速率有顯著影響。Parra等[60]通過采用數(shù)值模擬的方法對細(xì)水霧熄滅甲烷火焰的性能展開研究，得出細(xì)水霧霧滴在爆炸中會大量吸收熱量而且會在爆炸壓力波的作用下破裂分解為更小的水霧顆粒，使得其吸熱和蒸發(fā)能力加強(qiáng)從而更好地減弱爆炸強(qiáng)度。裴蓓等[61]研究CO2和超細(xì)水霧共同作用下對甲烷/空氣爆炸初期特性的影響，結(jié)果表明CO2和超細(xì)水霧協(xié)同作用下可以更好減弱火焰不穩(wěn)定性，降低火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅ǔ瑝杭捌骄龎核俾?，推遲超壓峰值到達(dá)時刻。Chelliah等[62]研究表明在粒徑小于13 μm的超細(xì)水霧中NaCl抑爆效果比NaOH更好，且NaOH不能明顯抑制預(yù)混火焰的向后傳播。余明高等[63]通過在細(xì)水霧中加入不同種類濃度的添加劑對比它們的抑爆效果，得出結(jié)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]研究荷電細(xì)水霧對瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种菩Ч耙直瑱C(jī)理，得出荷電細(xì)水霧相比普通細(xì)水霧來說抑制效果更好，且對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种菩ЧS著荷電電壓的增大而增強(qiáng)，荷負(fù)電的細(xì)水霧比荷正電的細(xì)水霧效果更好。

2.1.3 粉體抑爆

粉體抑爆劑大多為具有滅火性能的固體粉末材料，利用其物理或化學(xué)作用抑制瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣?，縮短爆炸范圍進(jìn)而減少爆炸帶來的損失。常見粉體抑爆劑有磷酸鹽(如：CaHPO4、NH4H2PO4、(NH4)2HPO4等)、鹵化物(如：NaCl、KCl等)、碳酸鹽(如：Na2CO3、K2CO3、CaCO3等)及碳酸氫鹽(如：NaHCO3、KHCO3等)、氫氧化物(Mg(OH)2、Al(OH)3、Fe(OH)3等)、硅藻土、高嶺石、尿素(CO(NH)2)等。其作用機(jī)理主要體現(xiàn)在三種類型上，即物理作用機(jī)理、化學(xué)作用機(jī)理、物理化學(xué)混合作用機(jī)理。物理作用表現(xiàn)為自身吸熱分解，吸熱而失去結(jié)晶水、稀釋氧濃度、隔絕熱輻射和熱傳導(dǎo)等，化學(xué)作用表現(xiàn)為通過消耗燃燒反應(yīng)中自由基(如O和OH等)，降低反應(yīng)區(qū)內(nèi)活化分子數(shù)量，從而抑制甚至中斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

目前國內(nèi)外針對粉體的抑爆研究大體表現(xiàn)在：(1)粉體種類；(2)粉體粒徑；(3)粉體在受限空間體系內(nèi)分布狀況；(4)噴粉壓力；(5)不同種類粉體復(fù)配組合形成新型粉體；(6)粉體濃度等方面。

在粉體抑爆研究方面，文虎等[65]通過研究ABC干粉對瓦斯爆炸的抑制作用得出抑爆效果不僅與粉體濃度有關(guān)，還與CH4/Air混合氣體中甲烷的濃度有關(guān)。王信群等[66]采用不同工藝配方對BC干粉進(jìn)行細(xì)化和改性用于甲烷抑爆的研究，結(jié)果表明抑爆效果和粉體平均粒徑和粒徑分布有關(guān)。Zheng等[67]開展了二茂鐵和氫氧化鋁對甲烷爆炸抑爆特性的實驗。張辛亥等[68]對NH4H2PO4的分解產(chǎn)物P2O5在瓦斯爆炸中的抑制特性進(jìn)行分析，得出P2O5分子多孔呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠捕獲爆炸中產(chǎn)生的活性自由基，從而有效地抑制爆炸發(fā)展。Wang等[69]利用復(fù)配技術(shù)合成碳酸氫鈉和赤泥用于研究對甲烷爆炸的抑制效果。Krasnyansky[70]研究硫酸銨((NH4)2SO4)、尿素(CO(NH2)2)對甲烷/空氣混合物爆炸的抑制效果。路長等[71]研究不同濃度甲烷爆炸過程中不同濃度四氟乙烷的抑制效果。薛少謙[72]利用不同體積分?jǐn)?shù)的七氟丙烷對甲烷/空氣預(yù)混氣體的最大爆炸壓力、最大壓力速率等變化規(guī)律展開研究。王秋紅等[73]研究超細(xì)氫氧化鎂粉體對甲烷/空氣預(yù)混氣體爆炸抑制的影響，實驗結(jié)果表明超細(xì)氫氧化鎂粉體可以在一定程度上抑制甲烷爆炸，且隨著粉體質(zhì)量濃度增加最大爆炸壓力和爆炸壓升速率都呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。王信群等[74]以電離探針作為檢測手段研究超細(xì)粉體對管道內(nèi)瓦斯爆炸的抑爆效果，得到順序：超細(xì)ABC干粉>超細(xì)SiO2干粉>普通ABC干粉>Mg(OH)2干粉。王燕等[75]研究蒙脫石粉在瓦斯爆炸過程中對最大爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种谱饔茫Y(jié)果表明隨著粉體濃度的增加二者呈現(xiàn)先降低后上升趨勢。程方明等[76]利用硅藻土粉體抑制瓦斯爆炸，得出硅藻土因其微孔結(jié)構(gòu)和表面羥基特點(diǎn)對瓦斯爆炸具有一定的抑制作用，并且抑爆效果優(yōu)于石英粉體。黃寅生等[77]研究了磷酸二氫鹽對煤塵爆炸特性的抑制效果，結(jié)果表明磷酸二氫鹽比SiO2的作用效果更好。

2.2 泄爆

泄爆是通過設(shè)置開口使受限空間內(nèi)的氣體在爆炸發(fā)生時從這里流出，實現(xiàn)空間內(nèi)快速降壓的方法。一般來說,在有爆炸風(fēng)險的密閉空間中，會通過在邊界上設(shè)置薄弱環(huán)節(jié)來保護(hù)空間內(nèi)部免受高壓沖擊破壞。瓦斯爆炸時會產(chǎn)生大量能量使受限空間內(nèi)溫度升高，由理想狀態(tài)氣體方程(克拉佩龍方程),詳見式(10)：

PV=RNT

(9)

式中：P為理想氣體狀態(tài)參量壓強(qiáng)，Pa；V為理想氣體狀態(tài)參量體積，L；R為比例常數(shù)，約為8.31441±0.00026，J/(mol·K)；N為理想氣體摩爾數(shù)，mol；T為體系溫度，K。

可知，隨溫度升高，受限空間內(nèi)壓強(qiáng)也會增加，爆炸時間延長會使受限空間內(nèi)外壓差不斷增大，當(dāng)薄弱環(huán)節(jié)處壓力值達(dá)到承壓閾值時會被沖破從而實現(xiàn)泄壓作用，宏觀表現(xiàn)為受限空間內(nèi)的壓力降低，火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆担◤?qiáng)度減小?？梢?，泄爆是一種降低爆炸荷載、減小事故損失的有效手段[78]。

目前，國內(nèi)外有關(guān)泄爆的研究有很多并且取得豐碩成果，部分研究理論成果已用于生產(chǎn)實踐中。其中，泄爆門是日常生產(chǎn)和生活中最常見的泄爆裝置，除此之外，還有泄爆膜、防爆蓋、防爆瓣閥等泄爆裝置。但是，泄爆在煤礦井下很大程度上受到環(huán)境條件限制，礦井下爆炸發(fā)生后產(chǎn)生的主要危害就是沖擊波，以及通風(fēng)破壞后的毒氣積聚導(dǎo)致人員傷亡。從科學(xué)角度而言，泄爆方法不能有效解決瓦斯爆炸在礦井中的傳播問題和人員傷亡問題，但其研究的意義依舊非常重大且不容忽視。國內(nèi)外針對泄爆的研究主要從以下方面開展：(1)泄爆口尺寸；(2)泄爆口位置；(3)泄爆口數(shù)量；(4)泄爆板材質(zhì)。除此之外，學(xué)者們在管道長度、管道橫截面積大小、管道截面變化、阻塞比(泄爆口阻塞比：&=(S管道截面積-S泄爆口面積)/S管道截面積)、管道形狀變化、障礙物、空腔裝置等方面也展開研究。

在泄爆方面國內(nèi)外學(xué)者們進(jìn)行大量研究，胡俊等[79]通過在柱形容器內(nèi)進(jìn)行泄爆實驗的研究，得到不同泄爆壓力和泄爆面積對于容器內(nèi)壓力的影響規(guī)律。Fakandu等[80]分析了泄爆壓力大小和爆炸壓力下降的關(guān)系。Krasnyansky[81]研究了中等尺寸條件下氫氣爆炸過程中的泄爆情況。師崢[82]通過將泄爆膜置于不同位置研究管道內(nèi)壓力的變化規(guī)律，結(jié)果表明泄爆膜在點(diǎn)火端端面時管內(nèi)超壓峰值最大，此時泄爆的效果最差。Cooper等[83]在泄爆研究中觀察到裝置內(nèi)壓力變化呈現(xiàn)多個峰值，經(jīng)分析得出壓力峰值的間隔現(xiàn)象與亥姆霍茲震蕩、聲學(xué)震蕩以及燃燒爆炸加速過程等有關(guān)。Alexiou等[84]通過實驗研究泄壓口安放位置和泄爆效果關(guān)系，得出泄壓口設(shè)置在管道中間時泄爆效果最差，泄壓口安放位置越接近點(diǎn)火端泄爆效果越好。羅振敏等[85]通過FLACE數(shù)值模擬軟件對煤礦巷道截面突變下瓦斯爆炸過程中的壓力變化、溫度變化以及火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓M(jìn)行研究。路長等[86]在實驗管道下表面設(shè)置泄爆口，觀測分析得出爆炸過程中大量高溫氣團(tuán)和預(yù)混氣從泄爆口流出并在口外附近繼續(xù)反應(yīng)。陳曉坤等[87]使用FLACS數(shù)值模擬軟件對不同長度泄爆導(dǎo)管的除塵器泄爆模型進(jìn)行模擬，得到超壓和溫度的變化規(guī)律。孫松等[88]通過安裝泄爆板研究不同濃度乙烯發(fā)生爆炸時泄爆構(gòu)件對腔體內(nèi)壓力的作用變化規(guī)律。Bradeley和Mitcheson[89]從絕熱等容燃燒角度出發(fā)，引入湍流增速因子和不穩(wěn)定燃燒因子等參數(shù)，得出泄爆壓力和泄爆面積等參數(shù)的相關(guān)公式。李乾等[90]通過實驗研究在泄壓膜約束條件下的CH4/Air爆炸特性，得出在牛皮紙和聚丙烯薄膜約束下，每增加一層薄膜管內(nèi)泄爆壓力平均上升11.2%和12.3%。嚴(yán)灼等[91]、周輝等[92,93]利用空腔具有分壓抑制瓦斯爆炸傳播的功能展開關(guān)于空腔的研究，從尺寸、數(shù)量、空腔與其他抑爆措施相耦合等方面研究瓦斯爆炸火焰和沖擊波超壓變化規(guī)律。Hall等[94]通過實驗發(fā)現(xiàn)障礙物數(shù)量對爆炸超壓的影響有上限，超過上限值后隨障礙物數(shù)量增多，最大爆炸超壓開始減小。Park等[95]研究不同截面和阻塞比障礙物對氣體爆炸過程的影響，得出障礙物阻塞比和形狀對爆炸火焰的平均傳播速度影響較小，障礙物截面相同時隨著阻塞比增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅▔毫σ搽S之增大。余明高等[96]研究障礙物布置方式對瓦斯爆炸過程的影響，結(jié)果表明障礙物交錯布置可使瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅ǔ瑝褐碉@著增大。徐阿猛等[97]采用FLUENT數(shù)值模擬的方法研究不同形狀(圓形、正方形、長方形)障礙物對爆炸沖擊波和火焰波的影響。

2.3 阻爆

阻爆是阻止爆炸火焰在預(yù)混氣所在空間內(nèi)傳播的方法。該方法使用的裝置通常為主動感應(yīng)與探測技術(shù)，通過對管道內(nèi)瓦斯爆炸產(chǎn)生的火焰、壓力等信號控制阻爆系統(tǒng)產(chǎn)生動作，阻止火焰繼續(xù)向后傳播。前面提及的抑爆和泄爆都是減緩爆炸傳播繼而減少爆炸帶來的傷害，不能有效阻止爆炸火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

目前，不少學(xué)者開始致力于阻爆研究，但研究人數(shù)和所得成果相比抑爆和泄爆來說較少。其中，多孔材料和阻火器在爆炸中的作用原理上屬于阻爆研究范疇。多孔材料是一種相互貫通或密閉的由孔洞構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料，按材料不同可分為金屬多孔材料和非金屬多孔材料。多孔材料因其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以有效阻隔火焰和壓力波傳播，因此在瓦斯爆炸研究中被廣泛關(guān)注。金屬多孔材料具有滲透性好、孔徑和孔隙可控、形狀穩(wěn)定、耐高溫、抗熱震、能再生、可加工等特點(diǎn)，目前可以分為粉末燒結(jié)多孔材料、金屬纖維氈、復(fù)合金屬絲網(wǎng)材料和泡沫金屬材料這幾類[98]。非金屬多孔材料使用周期長、質(zhì)量輕、防氧化、價格低廉，以往非金屬多孔材料物質(zhì)組成上局限于Al2O3、SiC、硅酸鋁鹽等，后來拓展到氧化物、碳化物、氮化物、硅酸鹽等，這些物質(zhì)在陶瓷基多孔材料的開發(fā)應(yīng)用方面取得顯著成果，現(xiàn)在常見的多孔非金屬材料有陶瓷、聚氨酯、石墨泡沫、玻璃棉、硅酸鋁鹽等[99,100]。Zhang等[101]分析了泡沫陶瓷對爆炸火焰和爆炸沖擊波的耦合作用。Pramod等[102]研究多孔材料對沖擊波的衰減作用，發(fā)現(xiàn)隨著多孔材料孔隙度的增加，爆炸壓力峰值逐漸減小。聶百勝等[103]研究了泡沫陶瓷對瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑サ挠绊?，結(jié)果表明泡沫陶瓷可以抑制火焰?zhèn)鞑デ揖哂泻芎玫拇阆ㄗ饔谩Ｎ捍簶s等[104]通過研究金屬絲網(wǎng)、泡沫陶瓷、多孔泡沫鐵鎳金屬等多孔材料對瓦斯爆炸的抑制作用，得出材料本身的屬性，如：材料厚度、孔徑、相對密度等，對爆炸抑制作用的效果影響很大。孫建華等[105]通過實驗研究金屬絲網(wǎng)和泡沫陶瓷組合對瓦斯爆炸的抑制作用，得出一定參數(shù)的二者組合體對爆炸超壓和火焰溫度的衰減效果優(yōu)于它們單獨(dú)作用的效果且爆炸后材料的損耗度明顯降低。段玉龍等[106]分析多孔材料對氣體爆炸特性參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)不同孔隙度的多孔材料對爆炸超壓和火焰具有雙重作用(促進(jìn)/抑制)。Ciccarelli[107]指出多孔材料對可燃?xì)怏w爆炸火焰具有雙重作用，即促進(jìn)和抑制，這取決于火焰?zhèn)鞑ニ俣却笮?。多孔材料本身的可壓縮性以及帶來的湍流效應(yīng)在火焰以超音速傳播時明顯體現(xiàn)，多孔材料的熱損失效應(yīng)在火焰以亞音速傳播時效果明顯。Sun等[108]通過研究孔隙率和元件厚度對阻火器淬熄作用的影響，得出火焰熄滅與否的條件以及波紋阻火器對爆炸升壓具有增速作用。固體多孔材料雖然可以用于阻止爆炸傳播但用于煤礦巷道井下也會阻斷通風(fēng)，進(jìn)而造成另一種災(zāi)害事故的發(fā)生。路長等[109-112]通過實驗研究氮?dú)夂虯BC干粉對爆炸火焰的抑制作用，在管道側(cè)向設(shè)置泄壓口減弱爆炸超壓，結(jié)合自主設(shè)計的主動探測響應(yīng)裝置啟動阻爆裝置，及時噴灑氮?dú)夂虯BC干粉,改變噴頭的位置擺放、噴氣壓力、干粉濃度尋找最佳阻爆濃度值和剛好阻爆閾值。

2.4 隔爆

隔爆是對爆炸傳播進(jìn)行隔離阻止甚至對爆炸火焰進(jìn)行撲滅的方法。被動隔爆技術(shù)中主要用到巖粉棚、水槽棚、水袋和ABC干粉、BC干粉等。利用爆炸產(chǎn)生的沖擊波使提前布置好的被動隔爆設(shè)施破碎并釋放粉體或水使其形成云粉區(qū)或水霧區(qū)，其隔爆效果受到現(xiàn)場安裝影響[113]。被動隔爆裝置有時因爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣冗^快不能及時對其產(chǎn)生阻隔或火焰還未到達(dá)前過早產(chǎn)生破碎動作，這兩種情況都不能很好地起到阻隔效果。因此，又有了主動隔爆裝置，主動探測火焰信號將光信號轉(zhuǎn)化為電信號傳送給控制器，通過控制器做出的判斷，輸出動作信號控制被動裝置產(chǎn)生動作，阻隔火焰繼續(xù)蔓延。被動隔爆裝置和主動隔爆裝置在一定程度上能減少瓦斯爆炸帶來的傷害，但也存在問題。除上述談及的隔爆方式，生產(chǎn)和生活中也經(jīng)常使用能隔離火焰和爆炸的固體裝置，如隔爆外殼、隔爆電器等。阻隔防爆材料的抑制機(jī)理體現(xiàn)在兩方面：物理機(jī)理主要表現(xiàn)為火焰受阻效應(yīng)，化學(xué)機(jī)理則表現(xiàn)為器壁效應(yīng)[114]。

近些年來，國內(nèi)外關(guān)于隔爆的研究不多且相關(guān)文獻(xiàn)較少，文獻(xiàn)中采用隔爆專業(yè)術(shù)語的相比抑爆、泄爆而言較少。樊小濤等[115]利用水幕隔爆設(shè)施進(jìn)行煤礦瓦斯爆炸的實驗研究，得出細(xì)水霧對阻隔瓦斯爆炸火焰的傳播和衰減爆炸沖擊波具有顯著作用。周西華和郭坤[116]研究隔爆水幕抑制瓦斯爆炸，得出9.5%瓦斯在噴水流量為16.4 L/min的隔爆水幕作用下隔爆效果最佳。賈志強(qiáng)等[117]設(shè)計了礦用隔爆電驅(qū)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對電驅(qū)系統(tǒng)的有效控制。黃子超和司榮軍[118]在大尺度斷面巷道內(nèi)開展粉體云幕的隔爆研究，結(jié)果表明粉體云幕能在短距離范圍內(nèi)對爆炸火焰起到抑制作用，同時能大幅度衰減爆炸產(chǎn)生的超壓。榮佳等[119]通過實驗得出純機(jī)械觸發(fā)式自動抑爆裝置可在25 ms內(nèi)啟動，在120 ms內(nèi)形成霧面持續(xù)時間長達(dá)6 min以上的30 m抑爆屏障。

從抑制程度方面來看，阻爆和隔爆相比抑爆和泄爆效果更好。目前我們課題組正致力于阻隔爆研究，希望通過感應(yīng)裝置主動控制改變原管道結(jié)構(gòu)，從物理作用角度先減弱火焰?zhèn)鞑ニ俣?，再結(jié)合化學(xué)抑制劑的作用更好地實現(xiàn)阻隔爆炸火焰和沖擊波的傳播，減少瓦斯爆炸帶來的傷害。特別是在不易設(shè)置泄爆口的場所，泄爆方法很難實現(xiàn)，可以通過該手段進(jìn)行有效防治。

3 結(jié)論

(1)在瓦斯爆炸發(fā)展規(guī)律方面，主要從瓦斯組分、瓦斯爆炸發(fā)生條件及危害、瓦斯爆炸機(jī)理、瓦斯爆炸過程等方面研究，通過爆炸特征參量的變化對爆炸發(fā)展規(guī)律進(jìn)行量化分析。其中瓦斯爆炸過程是復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，涉及到多種學(xué)科理論交叉應(yīng)用。過程中火焰?zhèn)鞑ニ俣?、爆炸超壓、火焰溫度、火焰形狀等特征參量都會隨著氣體燃燒狀態(tài)以及流動狀態(tài)的變化而變化，爆炸發(fā)生后反應(yīng)體系最開始處于緩慢燃燒階段然后轉(zhuǎn)化為爆燃狀態(tài)，后面會演變?yōu)楸Z狀態(tài)，流體流動狀態(tài)也會隨著階段變化而逐漸由層流狀態(tài)轉(zhuǎn)化為湍流狀態(tài)，階段狀態(tài)的不同通過實驗中的特征參量變化直觀反映出來，結(jié)合數(shù)值模擬可進(jìn)一步得到驗證。

(2)在瓦斯爆炸防治方面，主要有抑爆、泄爆、阻爆、隔爆四種方式，抑爆方式根據(jù)抑爆劑種類不同大體分為惰性氣體、細(xì)水霧、粉體等。針對惰性氣體的研究主要從氣體種類、噴氣壓力、氣體濃度、不同種類氣體的組合抑爆效果等角度展開；針對細(xì)水霧的研究主要從霧滴粒徑、霧滴中添加劑的種類及濃度、霧滴攜帶荷電的種類及電量、霧滴中添加特殊的甲烷氧化菌類、噴霧壓力等角度展開；針對粉體的研究主要從粉體種類、粉體粒徑、粉體在受限空間體系內(nèi)的分布狀況、噴粉壓力、不同種類粉體復(fù)配組合形成效果更好的新型粉體、粉體濃度等角度展開。

(3)抑爆、泄爆、阻爆、隔爆四種抑制措施各有優(yōu)缺點(diǎn)，并且它們之間并沒有絕對的分割界限，在點(diǎn)火能大小、位置、方式，障礙物數(shù)量、形狀、間距、阻塞率、截面變化、壁面粗糙、外部環(huán)境因素變化等方面甚至有交叉重合部分。因此，可考慮綜合使用這些抑制手段以謀求更好的防治效果，如：利用泄爆和抑爆的組合方式，其耦合效果甚至比二者單獨(dú)作用還要好。

(4)瓦斯爆炸研究目前還有很多尚待探索和發(fā)現(xiàn)的空間，其中湍流對爆炸發(fā)展規(guī)律的影響以及爆轟階段傳播規(guī)律等方面還需深入研究。在抑爆劑、阻爆劑方面目前還有很多尚未發(fā)現(xiàn)的已有材料和尚未研制出來的新型材料。在催化劑方面認(rèn)識還不全面，也許存在著尚未被發(fā)現(xiàn)的能起到抑制瓦斯爆炸燃燒速率作用的負(fù)催化劑。在特殊附加場作用方面，如：微重力場、電場、磁場等的爆炸方面研究還很少，并且這種附加場對爆炸過程的影響機(jī)理尚不明確，所以需要更多的技術(shù)支持才能深入研究。