裴蓓，康亞祥，余明高，郭佳琪，韋雙明，陳立偉

（1 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，河南 焦作 454003；2重慶大學(xué)，煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

引 言

瓦斯/煤塵爆炸是威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要熱動(dòng)力災(zāi)害之一[1-2]，具有敏感性高、嚴(yán)重性強(qiáng)的特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近十年來，我國發(fā)生煤礦重特大事故620余起，其中瓦斯/煤塵爆炸事故360 余起，共造成5600多人死亡，給煤礦的安全生產(chǎn)帶來極大威脅，因此瓦斯/煤塵爆炸抑制研究對煤礦安全具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對影響甲烷/煤塵爆炸特性的因素進(jìn)行了廣泛的研究。王博等[3-8]研究了煤塵粒子特性對可燃性煤塵云形成狀態(tài)的影響，分析其對瓦斯、煤塵爆炸特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)煤塵粒徑、揮發(fā)分等對瓦斯/煤塵爆炸壓力、火焰結(jié)構(gòu)及火焰?zhèn)鞑ニ俣扔酗@著影響。Cao等[9-12]研究發(fā)現(xiàn)隨著可燃物含量和實(shí)驗(yàn)初始溫度的改變，火焰結(jié)構(gòu)、燃燒時(shí)間和傳播距離發(fā)生較大變化。王曉斌等[13-16]通過改變點(diǎn)火延遲時(shí)間研究不同的湍流環(huán)境對爆炸特性的影響，結(jié)果表明粉塵云的爆炸特性與粉塵的分散度有關(guān)，瓦斯/煤塵的最大爆炸壓力隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間的改變出現(xiàn)明顯變化。

近年來，細(xì)水霧作為清潔抑爆介質(zhì)受到越來越多學(xué)者的關(guān)注。Song 等[17-19]通過數(shù)值模擬研究了超細(xì)水霧抑制甲烷/空氣爆炸機(jī)理，發(fā)現(xiàn)水霧抑爆的機(jī)理主要是蒸發(fā)吸熱。李振峰等[20-22]研究發(fā)現(xiàn)細(xì)水霧的冷卻吸熱、稀釋隔氧作用能縮短爆炸預(yù)熱區(qū)長度，未燃可燃?xì)怏w含量增加，削弱混合物的爆炸強(qiáng)度。陳彪等[23]利用自制豎直管道式爆炸裝置研究發(fā)現(xiàn)，增加細(xì)水霧濃度明顯降低了瓦斯/煤塵最大爆炸壓力，并延長了最大爆炸壓力的來臨時(shí)間，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S水霧濃度的增大而減小。然而，單一細(xì)水霧抑爆效果不穩(wěn)定，常新明等[24-25]研究發(fā)現(xiàn)水霧濃度不足或者水霧粒徑較大會(huì)導(dǎo)致爆炸壓力增大。Wei等[26-27]研究了CO2或N2-超細(xì)水霧抑制瓦斯/煤塵復(fù)合體系爆炸特性以及對瓦斯爆炸誘導(dǎo)沉積煤塵爆炸火焰加速特性的影響，發(fā)現(xiàn)CO2、N2可起到預(yù)稀釋、惰化和擁塞作用，降低火焰速度和煤塵卷揚(yáng)濃度，延長細(xì)水霧與火焰、煤塵接觸時(shí)間，提高了抑爆效果，二者聯(lián)合抑爆效果優(yōu)于單一抑爆劑，同時(shí)減少了對抑爆劑的需求量。

綜上，現(xiàn)有文獻(xiàn)重點(diǎn)研究了細(xì)水霧濃度對瓦斯/煤塵的抑爆特性，然而，細(xì)水霧和煤塵接觸時(shí)間的改變顯著影響煤塵運(yùn)動(dòng)與熱解，導(dǎo)致煤塵分布與熱環(huán)境發(fā)生變化，從而對瓦斯/煤塵復(fù)合爆炸產(chǎn)生不同的抑制效果，目前國內(nèi)外有關(guān)這方面的研究尚未開展。為此，本文采用20 L 爆炸球，通過改變點(diǎn)火延遲時(shí)間構(gòu)建不同的湍流環(huán)境，以深入了解CO2-超細(xì)水霧控制參數(shù)改變對抑爆效果的影響，為氣液兩相抑爆劑抑制瓦斯/煤塵爆炸工程實(shí)踐提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，包括20 L球形爆炸裝置、高速紋影系統(tǒng)、PIV 高速粒子成像、點(diǎn)火系統(tǒng)、噴粉系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和超細(xì)水霧發(fā)生裝置。20 L球形爆炸裝置球體上裝有三面互為90°、110 mm 直徑的石英玻璃視窗。高速相機(jī)型號(hào)為Speed Sense VEO 710，像素設(shè)置為1280×800，拍 攝 頻 率 為5000 幀/秒，紋 影 儀 型 號(hào) 為CQW300，主要由光源、狹縫、小反射鏡、主反射鏡和刀口組成，利用紋影儀和高速相機(jī)通過視窗拍攝瓦斯/煤塵爆炸火焰圖片。點(diǎn)火系統(tǒng)由電火花發(fā)生器和點(diǎn)火電極組成，點(diǎn)火能量為60 J。系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)可設(shè)置點(diǎn)火延遲時(shí)間，控制噴粉后點(diǎn)火時(shí)間。噴粉系統(tǒng)由0.6 L 粉塵倉、電磁閥、高壓空氣瓶和分散片組成。經(jīng)過多次測量，0.8 MPa的噴粉倉壓力可保證煤塵分散均勻。配氣系統(tǒng)由真空泵、質(zhì)量流量計(jì)、空氣壓縮機(jī)等構(gòu)成，真空泵型號(hào)為FY-2C-N，將球內(nèi)抽為負(fù)壓。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由高頻壓力傳感器和傳輸模塊組成，壓力傳感器的型號(hào)為PMC131G，量程為 0.1～2 MPa，精度為0.1%。同步控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制點(diǎn)火、采集圖像和壓力數(shù)據(jù)。超細(xì)水霧發(fā)生裝置由超聲霧化器和有機(jī)玻璃水箱制成，經(jīng)過多次測量得出超細(xì)水霧發(fā)生裝置平均生成速率為11.2 g/min，通過控制水霧通入時(shí)間來改變20 L球內(nèi)的超細(xì)水霧質(zhì)量濃度。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用經(jīng)300目（48 μm）篩網(wǎng)篩分的褐煤，煤粉質(zhì)量為0.2 g，工業(yè)分析如表1 所示。圖2 為煤粉粒徑分布，經(jīng)過NHT5200 激光粒度分析儀測量得知煤塵的中值粒徑為21 μm。

圖2 煤塵粒徑分布Fig.2 Particle size distributions of coal dust

表1 煤塵工業(yè)分析Table 1 Industrial analysis of coal dust

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

為了研究相關(guān)控制參數(shù)對CO2-超細(xì)水霧抑爆效果的影響。實(shí)驗(yàn)中，CO2的體積分?jǐn)?shù)為6%、10%、14%，甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%，煤粉質(zhì)量為0.2 g。點(diǎn)火延遲時(shí)間是噴粉倉噴粉到點(diǎn)火之間的間隔時(shí)間。經(jīng)過多次測試，點(diǎn)火延遲時(shí)間在800～2500 ms 時(shí)，煤塵分散均勻，且火焰圖像規(guī)則便于觀察分析，故點(diǎn)火延遲時(shí)間分別設(shè)置為1000、1500、2000 ms，點(diǎn)火位置處于球體中心，方便對形成的復(fù)合火焰圖像進(jìn)行分析。通過改變水霧通入時(shí)間來確定20 L 球內(nèi)水霧濃度，超細(xì)水霧濃度設(shè)定為102、204、306 g/m3。

實(shí)驗(yàn)前，先將球內(nèi)用真空泵抽成負(fù)壓，利用道爾頓分壓法依次通入不同濃度的超細(xì)水霧、9.5%的甲烷和不同體積分?jǐn)?shù)的CO2；再向粉塵倉內(nèi)放入0.2 g 煤粉，關(guān)閉粉塵倉，將粉塵倉壓力充至0.8 MPa，然后設(shè)置點(diǎn)火延遲時(shí)間。通入水霧、甲烷/空氣預(yù)混氣及噴粉過程對水霧都有一定的攪拌作用，可減小因水霧通入時(shí)間不同而產(chǎn)生的沉降作用，減少其對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。噴粉同時(shí)，同步控制器啟動(dòng)高速相機(jī)和壓力采集系統(tǒng)，采集圖像和壓力數(shù)據(jù)；存取數(shù)據(jù)后，對球內(nèi)的廢氣、廢粉清掃干凈后開始第二組實(shí)驗(yàn)。每一組實(shí)驗(yàn)至少進(jìn)行三次，避免實(shí)驗(yàn)誤差對結(jié)果的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 爆炸壓力

圖3 為不同點(diǎn)火延遲時(shí)間下瓦斯/煤塵爆炸壓力曲線和壓升速率曲線。Tousif 等[28-30]通過實(shí)驗(yàn)和模擬研究了瓦斯/煤塵爆炸過程，將其壓力發(fā)展過程分為三個(gè)階段：壓力平穩(wěn)期、壓力劇增區(qū)、壓力減弱區(qū)。由圖3 可知，不同點(diǎn)火延遲時(shí)間下，瓦斯/煤塵爆炸壓力曲線具有相同的發(fā)展趨勢，即點(diǎn)火初期瓦斯點(diǎn)燃后釋放能量引燃煤塵，此時(shí)由于煤塵剛開始參與反應(yīng)產(chǎn)生能量較小，壓力處于平穩(wěn)階段；隨著爆炸反應(yīng)進(jìn)行，參與反應(yīng)的煤塵越來越多，爆炸反應(yīng)加劇，到達(dá)壓力劇增區(qū)；隨著反應(yīng)進(jìn)行，容器內(nèi)的氧氣含量減少，爆炸反應(yīng)減緩，壓力減小，到達(dá)壓力減弱區(qū)，這與Tousif等[24-26]的研究結(jié)果一致。可以看出，點(diǎn)火延遲時(shí)間為1500、2000 ms 時(shí)的最大爆炸壓力相比1000 ms 分別降低了0.14%和3.84%，最大爆炸壓力來臨時(shí)間分別增加了19.17%和14.54%， 最大壓力上升速率分別降低了9.75%和17.22%，最大壓力上升速率來臨時(shí)間分別增加了23.11% 和15.14%?？梢?，點(diǎn)火延遲時(shí)間會(huì)導(dǎo)致不同的湍流環(huán)境，因此對瓦斯/煤塵混合體系爆炸超壓有重要影響。

圖3 不同點(diǎn)火延遲時(shí)間的瓦斯/煤塵爆炸壓力曲線和壓升速率曲線（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）

圖4 為10%CO2、204 g/m3超細(xì)水霧時(shí)不同點(diǎn)火延遲時(shí)間的瓦斯/煤塵爆炸壓力曲線和壓升速率曲線。由圖可知，點(diǎn)火延遲時(shí)間為2000 ms 時(shí)的最大爆炸壓力和最大壓力上升速率相比1000 ms 分別降低了5.22%和39.16%，最大爆炸壓力來臨時(shí)間和最大壓力上升速率來臨時(shí)間分別增加了24.66%和20.03%。結(jié)果表明煤塵噴入20 L 球后，隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間延長，CO2-超細(xì)水霧與煤粉接觸時(shí)間增加，增加了煤塵的濕度和惰化效果，使煤塵粒子更加容易聚集成團(tuán)，削弱煤塵分散性，抑制了煤塵云的燃燒爆炸，為此瓦斯/煤塵爆炸最大爆炸壓力和最大壓力上升速率減小，壓力峰值來臨時(shí)間和最大壓升速率來臨時(shí)間延長?？梢娫谝直こ虒?shí)踐中，通過合理設(shè)計(jì)抑爆系統(tǒng)參數(shù)，延長抑爆劑與瓦斯/煤塵的接觸時(shí)間，可在一定程度上改善抑爆效果。

圖4 不同點(diǎn)火延遲時(shí)間的瓦斯/煤塵爆炸壓力曲線和壓升速率曲線（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）

圖5 為10%CO2、1500 ms 點(diǎn)火延遲時(shí)不同水霧濃度的瓦斯/煤塵爆炸壓力曲線和壓力上升速率曲線。由圖可知，隨著超細(xì)水霧濃度的增大，瓦斯/煤塵爆炸過程的三個(gè)階段來臨時(shí)間也隨之延長，最大爆炸壓力降低，且最大爆炸壓力和最大壓升速率來臨時(shí)間延長。這是由于水霧濃度增加，反應(yīng)過程中水霧吸熱蒸發(fā)消耗的能量增多，蒸發(fā)的水蒸氣稀釋周圍的氧氣濃度，進(jìn)一步削弱反應(yīng)強(qiáng)度，導(dǎo)致最大爆炸壓力和最大壓力上升速率減小，壓力峰值來臨時(shí)間和最大壓升速率來臨時(shí)間延長。

圖5 不同濃度超細(xì)水霧作用下的瓦斯/煤塵爆炸壓力曲線和壓升速率曲線(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)

圖6 為點(diǎn)火延遲時(shí)間為1500 ms、204 g/m3超細(xì)水霧時(shí)的CO2-超細(xì)水霧作用下瓦斯/煤塵爆炸壓力曲線和壓力上升速率曲線。由圖可知，6%CO2、10%CO2、14%CO2-超細(xì)水霧相比純瓦斯/煤塵爆炸的最大爆炸壓力分別降低了6.27%、13.41%、24.64%，最大爆炸壓力來臨時(shí)間分別延長了70.49%、140.98%、283.61%；最大壓升速率分別降低了35.23%、67.68%、84.85%，最大壓升速率來臨時(shí)間分別延長了68.69%、132.32%、243.43%，即瓦斯/煤塵爆炸反應(yīng)強(qiáng)度隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的升高而降低，說明CO2-超細(xì)水霧能更好地抑制瓦斯/煤塵爆炸反應(yīng)。

圖6 不同體積分?jǐn)?shù)CO2作用時(shí)的壓力曲線和壓力上升速率曲線（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）

圖7 為10%CO2時(shí)，最大爆炸壓力（Pmax）隨點(diǎn)火延遲時(shí)間和水霧濃度的變化曲線?？芍c(diǎn)火延遲時(shí)間為1000 ms 和1500 ms 時(shí)，相同水霧濃度時(shí)的最大超壓變化較小，而延遲點(diǎn)火時(shí)間至2000 ms 時(shí)，最大爆炸壓力明顯降低。點(diǎn)火延遲時(shí)間由1000 ms 增至2000 ms 時(shí)，204 g/m3和306 g/m3超細(xì)水霧時(shí)的最大爆炸壓力分別降低了4.51%和7.23%。這是由于CO2-超細(xì)水霧共同作用下，CO2的惰化作用抑制了瓦斯/煤塵的初始爆炸反應(yīng)，降低了爆炸湍流效應(yīng)，延長點(diǎn)火延遲時(shí)間使煤塵和水霧接觸時(shí)間增加，延長了超細(xì)水霧對煤塵的潤濕過程，有利于水霧發(fā)揮冷卻、稀釋和阻止煤塵參與燃燒反應(yīng)的作用，煤塵分散度降低；而水霧濃度升高導(dǎo)致反應(yīng)過程中水霧吸熱蒸發(fā)消耗的能量增多，產(chǎn)生的水蒸氣稀釋周圍的氧氣濃度，削弱爆炸反應(yīng)強(qiáng)度，因此最大爆炸壓力進(jìn)一步降低。

圖7 不同濃度超細(xì)水霧作用下Pmax隨點(diǎn)火延遲時(shí)間的變化曲線（10%CO2）Fig.7 Pmax curve with ignition delay time under different concentrations of ultra-fine water mist （10%CO2）

2.2 復(fù)合火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h3>

瓦斯/煤塵爆炸火焰是含大量煤塵云的復(fù)合體，由于井下的甲烷/煤塵爆炸是沖擊波與火焰?zhèn)鳠醾髻|(zhì)的耦合作用過程，煤粉在高湍流水平下的破碎會(huì)增加熱輻射效應(yīng)，增強(qiáng)對火焰表面的拉伸，促進(jìn)復(fù)合火焰加速，為此瓦斯/煤塵爆炸往往具有破壞性強(qiáng)的特點(diǎn)。為了更好地了解抑爆劑對瓦斯/煤塵復(fù)合爆炸火焰的抑制作用過程，有必要研究抑爆劑作用下瓦斯/煤塵復(fù)合火焰?zhèn)鞑ヌ卣鳌?/p>

本文利用MATLAB 對復(fù)合火焰紋影圖像二值化和邊緣識(shí)別算法檢測火焰輪廓，得出火焰面積，最后由火焰面積計(jì)算火焰等效半徑，進(jìn)而計(jì)算出火焰?zhèn)鞑ニ俣?。瓦?煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣扔?jì)算過程如下。

由MATLAB 處理得出火焰的面積S，通過面積公式得出此時(shí)的火焰等效半徑rt：

圖8 為不同點(diǎn)火延遲時(shí)間的瓦斯/煤塵爆炸初期v-r和r-t曲線。由圖8（a）可知，r＜10 mm 之前火焰?zhèn)鞑ゾ憩F(xiàn)出明顯的加速，這是因?yàn)殡娀鸹ㄒ纪咚购?，瓦斯燃燒火焰釋放的能量逐漸引燃煤塵，隨著煤塵參與爆炸，初始火焰?zhèn)鞑ニ俣缺憩F(xiàn)出明顯加速；r＞10 mm 后，點(diǎn)火延遲時(shí)間為1000 ms 和1500 ms 時(shí)火焰速度曲線均出現(xiàn)了波動(dòng)上升態(tài)勢，且波動(dòng)幅度較大；當(dāng)點(diǎn)火延遲時(shí)間增至2000 ms 時(shí)，v-r曲線上升態(tài)勢減弱，且波動(dòng)幅度較小，火焰速度稍低于其他工況。由圖8（b）可知，隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間的增加，r-t曲線隨時(shí)間增加的變化曲線斜率逐漸減小，尤其在2000 ms 點(diǎn)火延遲時(shí)火焰半徑曲線斜率明顯降低，說明火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小。

圖8 不同點(diǎn)火延遲時(shí)間的v-r和r-t曲線(0%CO2+0 g/m3H2O)Fig.8 v-r and r-t curves of different ignition delay time (0%CO2+0 g/m3H2O)

圖9 為6%CO2、204 g/m3超細(xì)水霧時(shí)不同點(diǎn)火延遲時(shí)間的瓦斯/煤塵爆炸初期v-r和r-t曲線。由圖9（a）可知，6%CO2、204 g/m3超細(xì)水霧作用下，r＜10 mm 時(shí)，曲線增長緩慢，說明點(diǎn)火初期火焰?zhèn)鞑ニ俣染徛?，r＞10 mm 后，v-r曲線呈大幅振蕩上升態(tài)勢，且2000 ms 點(diǎn)火延遲時(shí)間時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@低于其他工況，這與圖3壓力變化曲線是對應(yīng)的。可見，延長點(diǎn)火延遲時(shí)間使煤塵粒子更好地與水霧接觸，煤塵濕度增加可更顯著地影響煤塵的運(yùn)動(dòng)，抑制煤塵的燃燒和初期火焰?zhèn)鞑ゼ铀?，削弱瓦?煤塵爆炸沖擊波與復(fù)合火焰波的耦合互促機(jī)制，避免了強(qiáng)爆炸的產(chǎn)生。

圖9 不同點(diǎn)火延遲時(shí)間下v-r和r-t曲線(6%CO2+204 g/m3H2O)Fig.9 v-r and r-t curves of different ignition delay time (6%CO2+204 g/m3H2O)

圖10 為6%CO2、1500 ms 點(diǎn)火延遲時(shí)，不同濃度超細(xì)水霧作用下的瓦斯/煤塵爆炸初期v-r和r-t曲線。由圖可知：隨著超細(xì)水霧濃度的增大，瓦斯/煤塵爆炸初期火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u減小，超細(xì)水霧濃度越大，對火焰加速的抑制效果越明顯。相比0 g/m3的超細(xì)水霧，306 g/m3超細(xì)水霧的r-t曲線斜率明顯減小，即火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@降低，說明超細(xì)水霧質(zhì)量濃度越高對瓦斯/煤塵的抑爆效果越好。這是因?yàn)殡S著超細(xì)水霧濃度增大，反應(yīng)過程中水霧吸熱蒸發(fā)消耗的能量增加，產(chǎn)生的水蒸氣增多，降低了周圍的氧氣濃度，同時(shí)加速了煤塵沉降，避免過多煤塵參與爆炸反應(yīng)，因此火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著水霧濃度的增大而減小。

圖10 不同濃度的超細(xì)水霧作用下的v-r和r-t曲線（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）

圖11 為6%CO2時(shí)不同水霧濃度下瓦斯/煤塵爆炸初期火焰平均速度隨點(diǎn)火延遲時(shí)間的變化曲線。由圖可知，平均火焰速度隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間的延長和水霧濃度的增大而減小，這是因?yàn)殡S著點(diǎn)火延遲時(shí)間增大，煤塵粒子表面吸附水霧增多，容易聚集成團(tuán)，降低煤塵分散性，削弱湍流強(qiáng)度，反應(yīng)強(qiáng)度降低，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档停怀?xì)水霧濃度增加，反應(yīng)過程中水霧吸熱蒸發(fā)消耗的能量增加，產(chǎn)生的水蒸氣增多，進(jìn)一步降低周圍的氧氣濃度，反應(yīng)速率降低，導(dǎo)致瓦斯煤塵爆炸初期火焰平均速度減小。

圖11 不同濃度超細(xì)水霧作用下火焰平均速度隨點(diǎn)火延遲時(shí)間的變化曲線(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）

圖12 為204 g/m3超細(xì)水霧時(shí)不同CO2濃度下瓦斯/煤塵爆炸初期火焰平均速度隨點(diǎn)火延遲時(shí)間的變化曲線。由圖可知，204 g/m3細(xì)水霧單一抑制作用下，點(diǎn)火延遲時(shí)間由1000 ms 延長為2000 ms 時(shí)，火焰平均速度由0.80 m/s 降為0.74 m/s，平均火焰速度下降了7.5%，火焰速度變化不明顯。然而，CO2-細(xì)水霧共同作用下，火焰平均速度明顯下降。例如10%CO2-細(xì)水霧時(shí)，隨點(diǎn)火延遲時(shí)間的延長，火焰平均速度由0.32 m/s 降為0.20 m/s，平均火焰速度降低了37.5%。這是由于隨著CO2濃度增加，氧氣濃度降低，則爆炸初始階段參與反應(yīng)的煤塵粒子減少，反應(yīng)過程延緩；隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間延長，煤粉表面吸附的水量增多，水霧對煤粉的冷卻作用和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響增強(qiáng)，大大降低了參與爆炸煤粉數(shù)量，為此爆炸反應(yīng)被顯著抑制，火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@降低?？梢?，在抑爆工程實(shí)踐中，可通過合理設(shè)置適當(dāng)延長細(xì)水霧與煤塵的接觸時(shí)間，提高抑爆效果。

圖12 不同CO2濃度作用下火焰平均速度隨點(diǎn)火延遲時(shí)間的變化曲線(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 復(fù)合火焰結(jié)構(gòu)

圖13 為6%CO2、204 g/m3超細(xì)水霧時(shí)不同點(diǎn)火延遲時(shí)間的瓦斯/煤塵爆炸火焰紋影圖像。由圖可知，點(diǎn)火延遲時(shí)間為1000和1500 ms時(shí)，復(fù)合火焰為多層結(jié)構(gòu)，外層與氣體火焰類似，內(nèi)部為因煤粉燃燒形成的連續(xù)亮斑；隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間的延長，瓦斯/煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ブ料嗤霃剿脮r(shí)間明顯增大，火焰亮度下降且亮度不均勻，這是因?yàn)槊簤m與超細(xì)水霧接觸時(shí)間延長，聚集成團(tuán)削弱了煤粉分散性，火焰湍流強(qiáng)度削弱，影響了煤塵參與爆炸反應(yīng)。另外，相比于1000 ms，2000 ms 點(diǎn)火延遲時(shí)，火焰光點(diǎn)整體下移，這說明煤塵與水霧接觸時(shí)間延長導(dǎo)致煤塵沉降，可見合理設(shè)置抑爆系統(tǒng)，可在一定程度上影響煤塵顆粒的運(yùn)動(dòng)和熱解過程。

圖13 不同點(diǎn)火延遲時(shí)間下瓦斯/煤塵爆炸紋影圖像(6%CO2+204 g/m3H2O)Fig.13 Schlieren image of gas/coal dust explosion at different ignition delay time(6%CO2+204 g/m3H2O)

圖14 為點(diǎn)火延遲時(shí)間為1500 ms、6%CO2時(shí)，不同濃度超細(xì)水霧作用下的瓦斯/煤塵爆炸火焰紋影圖像。由圖可知，隨著超細(xì)水霧濃度的增大，瓦斯/煤塵爆炸火焰?zhèn)鞑ブ料嗤霃剿脮r(shí)間逐漸增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u降低，且火焰亮度逐漸變暗，火焰由連續(xù)的亮斑變?yōu)椴痪鶆蚪Y(jié)構(gòu)，火焰邊界模糊，說明隨著超細(xì)水霧吸熱蒸發(fā)的作用增強(qiáng)，爆炸反應(yīng)過程被顯著抑制，降低了復(fù)合爆炸反應(yīng)強(qiáng)度。

圖14 不同濃度超細(xì)水霧下瓦斯/煤塵爆炸紋影圖像（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）

圖15 為點(diǎn)火延遲時(shí)間為1500 ms 時(shí)，不同條件CO2和超細(xì)水霧作用下的瓦斯/煤塵爆炸火焰紋影圖像，由圖可知，純瓦斯/煤塵爆炸復(fù)合火焰最亮亮度最強(qiáng)，說明爆炸反應(yīng)強(qiáng)度最強(qiáng)。通入6%CO2后，瓦斯點(diǎn)燃的時(shí)間延長了1.5 s，相比單純的瓦斯爆炸，傳播到相同半徑的時(shí)間都得到了延遲，火焰亮度也降低。通入204 g/m3超細(xì)水霧、6%CO2時(shí)，火焰亮度相對降低，火焰表面出現(xiàn)裂隙。通入10% CO2和204 g/m3超細(xì)水霧，出現(xiàn)明顯的火焰上浮現(xiàn)象，這是因?yàn)楸ǚ磻?yīng)受到CO2和超細(xì)水霧的影響，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?，則火焰受浮力的影響加強(qiáng)，出現(xiàn)明顯的火焰上浮現(xiàn)象，說明CO2和超細(xì)水霧聯(lián)合使用時(shí)隨著抑爆劑濃度的增加協(xié)同抑爆效果增強(qiáng)。

圖15 不同條件CO2和超細(xì)水霧作用下的瓦斯/煤塵爆炸紋影圖像(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 爆炸流場分析

為了研究不同點(diǎn)火延遲時(shí)間和水霧濃度時(shí)瓦斯/煤塵爆炸流場特性，以煤粉作為示蹤粒子，運(yùn)用高速粒子成像系統(tǒng)獲得了不同條件下瓦斯/煤塵爆炸原始圖、矢量圖和渦量圖。矢量圖可以表明爆炸容器內(nèi)煤塵粒子的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度的大小，揭示瓦斯/煤塵爆炸過程中的煤塵粒子參與爆炸反應(yīng)的運(yùn)動(dòng)過程。渦量圖可用來表示流場中旋渦強(qiáng)度和數(shù)量。結(jié)合矢量圖和渦量圖可以分析點(diǎn)火延遲時(shí)間和水霧濃度對CO2-超細(xì)水霧抑制瓦斯/煤塵爆炸復(fù)合火焰?zhèn)鞑バ袨榈挠绊憽?/p>

2.4.1 不同點(diǎn)火延遲時(shí)間下爆炸流場分析 圖16為306 g/m3超細(xì)水霧時(shí)不同點(diǎn)火延遲時(shí)間的瓦斯/煤塵爆炸流場圖。點(diǎn)火階段電火花放電引燃瓦斯，瓦斯火焰引燃煤塵形成光點(diǎn)；火焰?zhèn)鞑ルA段由于煤塵燃燒復(fù)合火焰表面光點(diǎn)較多且不連續(xù)；火焰衰減階段由于大量煤塵燃燒，爆炸火焰為連續(xù)亮白色。由矢量圖和渦量圖可知，在點(diǎn)火和火焰發(fā)展階段，點(diǎn)火延遲時(shí)間為1000 ms 時(shí)，煤塵粒子多數(shù)處于球體中間，在火焰前沿周圍渦量分布較為均勻；然而當(dāng)點(diǎn)火延遲時(shí)間增至2000 ms 時(shí)，煤塵粒子部分轉(zhuǎn)為向下運(yùn)動(dòng)，火焰內(nèi)部渦量相對較少。這是因?yàn)檠娱L點(diǎn)火時(shí)間，則煤塵與水霧接觸時(shí)間延長，在火焰?zhèn)鞑ミ^程中超細(xì)水霧吸附于煤塵表面，導(dǎo)致煤塵聚集成團(tuán)，受到自身重力影響向下運(yùn)動(dòng)，因而參與反應(yīng)的煤塵粒子減少，爆炸能量降低。

圖16 不同點(diǎn)火延遲時(shí)間下瓦斯/煤塵爆炸流場圖(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 不同水霧濃度作用下爆炸流場分析 圖17為1500 ms 點(diǎn)火延遲、10%CO2和不同超細(xì)水霧作用時(shí)的瓦斯/煤塵爆炸流場圖。通入超細(xì)水霧后，在點(diǎn)火階段，由矢量圖和渦量圖可知，煤塵粒子向左側(cè)和下側(cè)運(yùn)動(dòng)的數(shù)量增多，火焰內(nèi)部渦量相對減少?；鹧?zhèn)鞑ルA段，煤塵粒子運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，逐漸形成多數(shù)向上運(yùn)動(dòng)方向，且火焰內(nèi)部的大渦量旋渦面積相對減少即煤塵粒子燃燒受到抑制。隨著水霧濃度增大，煤塵粒子的運(yùn)動(dòng)方向由向心運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這是因?yàn)橥ㄈ氤?xì)水霧之后，水霧吸熱蒸發(fā)降低爆炸的反應(yīng)能量，部分煤塵顆粒因熱量不足未能被引燃，造成初期階段爆炸強(qiáng)度降低。隨著爆炸反應(yīng)進(jìn)行，蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣降低周圍氧氣濃度，進(jìn)一步抑制了火焰表面的熱量和能量交換，隨著水霧濃度增加，對瓦斯煤塵爆炸反應(yīng)抑制效果增強(qiáng)。

圖17 不同濃度超細(xì)水霧下瓦斯/煤塵爆炸流場圖（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 結(jié) 論

（1）延長點(diǎn)火延遲時(shí)間和增加超細(xì)水霧濃度，瓦斯/煤塵爆炸最大爆炸壓力、最大壓力上升速率、火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u減小，最大爆炸壓力來臨時(shí)間、最大壓力上升速率來臨時(shí)間逐漸延長。

（2）隨著點(diǎn)火延遲時(shí)間的延長，復(fù)合火焰出現(xiàn)下沉；隨著水霧濃度增大，火焰亮度逐漸降低。

（3）CO2和超細(xì)水霧的加入使部分煤塵粒子的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，且減少了火焰表面的渦量分布，大渦量旋渦面積相對減少且多分布于火焰內(nèi)部。說明CO2-超細(xì)水霧協(xié)同作用下參與燃燒的煤塵粒子數(shù)量減少，火焰表面能量交換速率降低，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?，削弱了壓力波與火焰波的耦合作用，降低了瓦斯/煤塵爆炸強(qiáng)度。

（4）探討了點(diǎn)火延遲時(shí)間和水霧濃度影響CO2-超細(xì)水霧抑制瓦斯/煤塵爆炸的原因。因?yàn)槊簤m為多孔結(jié)構(gòu)且表面粗糙，超細(xì)水霧容易吸附于煤塵表面，延長點(diǎn)火延遲時(shí)間增加了超細(xì)水霧與煤塵的接觸時(shí)間，煤塵粒子濕潤度增加則容易聚集成團(tuán)降低煤塵分散度，削弱復(fù)合爆炸的湍流效應(yīng)，因此延長點(diǎn)火延遲時(shí)間可以有效地抑制瓦斯/煤塵混合爆炸。水霧濃度增加則增強(qiáng)了降溫效果，蒸發(fā)的水蒸氣稀釋火焰周圍的氧氣濃度，進(jìn)一步削弱反應(yīng)強(qiáng)度，導(dǎo)致壓力峰值來臨時(shí)間和最大壓升速率來臨時(shí)間延遲，抑制火焰?zhèn)鞑ァ?/p>