磁場對瓦斯爆炸及其傳播的影響*

葉 青，林柏泉，菅從光，賈真真

（1.湖南科技大學煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201；

2.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221008；

3.義馬煤業集團股份有限公司，河南 義馬 472300）

磁場對瓦斯爆炸及其傳播的影響*

葉 青1，2，3，林柏泉2，菅從光2，賈真真1

（1.湖南科技大學煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201；

2.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221008；

3.義馬煤業集團股份有限公司，河南 義馬 472300）

為了弄清煤礦井下巷道中變電站、大型機電設備等產生較強的磁場對瓦斯爆炸的影響機理和影響程度，實驗研究了外加磁場對瓦斯爆炸過程中爆炸應力波和火焰傳播速度的影響，并從磁場影響瓦斯爆炸及其傳播的傳質、傳熱、反應過程等進行了理論分析。研究結果表明：外加磁場能增加瓦斯爆炸強度和火焰傳播速度以及增大壓力波超壓峰值和火焰傳播速度峰值，并且隨著磁場強度的增大，磁場效應對瓦斯爆炸的作用增強。外加磁場能增大瓦斯爆炸反應及其傳播過程的傳質作用、傳熱作用、對流作用、反應物的擴散系數和改變反應系統的熵，以致增大湍流，增大火焰燃燒速率、加快火焰傳播速度、釋放更多的能量并增強爆炸波能量，從而促進瓦斯爆炸及其傳播。

爆炸力學；爆炸強度；磁場；瓦斯爆炸；傳熱；傳質；熵

在磁場中，化學反應體系以及反應物的未成對電子的自旋會受到磁場的影響，從而使反應體系的熵發生變化，進而影響化學反應進程。瓦斯爆炸是一個十分復雜并極為快速的物理化學反應過程，爆炸過程中會產生許多中間產物和瞬間產物，如分子、自由基、離子、電子等［1］，所以磁場對這些中間產物和瞬間產物反應過程會有影響，以致磁場對瓦斯爆炸及其傳播會有影響。對瓦斯爆炸機理、傳播規律、動力特性及影響因素等已進行了較深入的研究，但是對于磁場影響瓦斯爆炸及其傳播方面的研究成果較少，所以本文中擬CH4為研究對象，實驗研究磁場對瓦斯爆炸及其傳播的影響，并理論分析磁場對瓦斯爆炸的傳熱、傳質、化學反應的影響，以期對礦井瓦斯爆炸的理論研究和礦井瓦斯爆炸的防治有所幫助。

1 實驗研究

1.1 實驗系統

磁場影響瓦斯爆炸及其傳播的實驗研究系統如圖1所示，該系統主要由7部分組成，分別為瓦斯爆炸實驗管道（腔體）、抽氣系統、配氣系統、瓦斯爆炸點火裝置、瓦斯爆炸壓力測量系統、火焰傳播速度測量系統、動態數值采集分析系統。實驗過程及其他實驗儀器見文獻［1］。

1.2 實驗方案

瓦斯爆炸實驗管道由長為3.5m的16Mn鋼焊制管道和長為0.5m的有機玻璃管組合而成，橫截面尺寸均為80mm×80mm。有機玻璃管由厚度為20mm、耐壓值為2MPa的有機玻璃板粘結而成。用0.5mm漆包銅芯線在有機玻璃管上繞制4 000匝制成線圈，為了得到更好的絕緣效果，每繞一層涂上絕緣漆。當恒定直流電通過線圈時，就得到穩恒磁場。磁場強度的大小可以通過調節電流強度來實現，直流電源是由交流電通過二極管整流濾波獲得的。通過串連滑動變阻器改變電路中的電阻來調節電流強度，從而得到不同的磁場強度。

為了研究不同的磁場強度對瓦斯爆炸及其傳播的影響，設定了電流強度為0、0.5、1、1.5、2.3A（也即磁感應強度分別為0、9.86×10－3、1.97×10－2、2.96×10－2、4.5×10－2T）5種工況的實驗條件，進行測定不同工況時的火焰傳播速度、爆炸波超壓值。根據這些測定的數據進行分析得出不同工況時管道中瓦斯爆炸（火焰、爆炸波）的傳播規律。在實驗管道的各點布置火焰傳感器測定各點火焰傳播速度，然后卸下火焰傳感器，在對應的各點布置壓力傳感器測定各點的爆炸波超壓值。

圖1 瓦斯爆炸實驗研究系統示意圖Fig.1Schematic illustration of the methane explosion experiment system

1.3 實驗結果

磁場對瓦斯爆炸壓力波影響的實驗結果見表1，表中每一個測點的數據都是多次實驗測定值的算術平均值。從表1可以看出，外加磁場對瓦斯爆炸壓力波的傳播都起到加劇作用，而且隨著磁場強度的增加，磁場對瓦斯爆炸壓力波的影響程度增大。

表1 不同磁場強度下爆炸波的超壓值Table 1 Shock wave pressure of methane explosion in magnetic field with different intensity

磁場對瓦斯爆炸火焰傳播速度影響的實驗結果見表2，表中每一個測點的數據都是多次實驗測定值的算術平均值。從表2可以看出，外加磁場對瓦斯爆炸火焰的傳播都起到加速作用；而且隨著磁場強度的增加，磁場對瓦斯爆炸火焰的傳播影響越來越大。

表2 不同磁場強度下火焰的傳播速度Table 2 Flame propagation velocity of methane explosion in magnetic field with different intensity

從表1～2可得出：（1）外加磁場能增加瓦斯爆炸強度和火焰傳播速度以及增大壓力波超壓峰值和火焰傳播速度峰值；（2）隨著磁場強度的增加，磁場效應對瓦斯爆炸的作用增強；（3）在不同工況下，外加磁場對瓦斯爆炸的影響規律是一致的。

2 理論分析

對CH4的氧化反應機理研究結果表明［2－5］，CH4氧化是通過一系列基元的自由基反應來進行的，瓦斯爆炸就是由這些基元的自由基反應組成的，實驗觀察到的最普通的物質是CO2、H2O以及H、O、OH、CH3、CHO等大量自由基。由于瓦斯混合氣體主要組成元素為C、H、O、N，以致中間產物、瞬間產物都是C、H、O、N組成的分子和離子。作為活化中心，這些中間產物（特別是自由基）對反應的延續、加速及終止起重要的作用，隨著這些中間產物的生成并參與反應，CH4在反應過程中不斷地進行著碳分子、功能團、幾何形狀的變化，以及伴隨這些過程的能量變化。由于反應過程中會產生許多中間產物、瞬間產物、自由基、電子，而磁場對這些帶電的中間產物、瞬間產物、自由基和電子會產生磁化影響，并使反應體系的熵發生改變，進而使反應進程受到影響，所以本文中從磁場影響瓦斯爆炸反應的傳質、傳熱、反應過程等方面來分析磁場對瓦斯爆炸及其傳播的影響。

2.1 磁場對瓦斯爆炸傳質的影響

由上述瓦斯爆炸反應過程分析結果和結構化學理論可得出磁場增大瓦斯爆炸氣體擴散系數的機理：在反應過程中，分子間會形成氫鍵，氫鍵會在平衡位置附近作振動，并形成振動形式基本是諧振動的“氫鍵的自振動”，而磁場又能給處于磁場中的瓦斯氣體與氧的反應提供一定的能量，并誘發氫鍵形成“氫鍵的誘發振動”；如果氫鍵的誘發振動頻率與其自振動頻率一致或是其自振動頻率的倍數時，就產生共振，形成“氫鍵的磁化共振”。氫鍵的磁化共振會使氫鍵的振幅加大，造成氫鍵伸長、消弱，甚至斷裂，從而使分子間的束縛力變小，分子運動的平均自由程增大，氣體擴散系數增大，傳質作用增大［6］。所以磁場能增大瓦斯爆炸及其傳播過程的傳質作用和反應物的擴散系數，以致使湍流增大，從而使瓦斯氣體的擴散更均勻，瓦斯氣體和氧氣的接觸更充分，以致使火焰燃燒速度、火焰傳播速度和熱釋放速率增大。而高燃燒速度又導致燃燒產物的膨脹加速，使壓縮波強度更大，同時前驅動沖擊波對火焰前面未燃混合物進行加熱和壓縮并產生更大的擾動，從而引起流場梯度的進一步增大，導致更強烈的火焰彎曲和褶皺。強烈的火焰彎曲和褶皺又會導致更大的湍流動能和更高的燃燒速率，這樣就形成了促進瓦斯爆炸及其傳播的正反饋作用。所以從傳質的角度來看，磁場能增大火焰燃燒速率、加快火焰傳播速度、釋放更多的能量，以致磁場能促進瓦斯爆炸及其傳播。

2.2 磁場對瓦斯爆炸傳熱的影響

在瓦斯的燃燒和爆炸過程中，促使荷電粒子形成的主要途徑是化學反應過程：CH＋O＝CHO＋＋e－和CH（a4∑－）＋O＝CHO＋＋e－。電子接觸到O2分子就形成O－2，再結合O2和CO2就形成了O－4和CO－4離子。CHO＋的H＋和H2O、CH2產生H3O＋、CH＋3，他們再結合C2H2又形成C2H3O＋、C3H＋3，之后形成正離子NO＋和產生負離子CO－3、O－3、NO－2、NO－3。在混合物中，O－＋HCN＝CN－＋OH和OH－＋HCN＝CN－＋H2O反應就變成CN－離子形成的重要過程。

離子形成的另外一個途徑是電子和O2的反應：O2＋e－＋M＝O－2＋M。這些離子、電子使反應物和生產物帶電并具有磁性，形成磁性氣體（即瓦斯混合氣體成為磁性氣體），而外加磁場能增加磁性氣體的粒子與粒子、粒子與氣體、粒子與壁面之間的相互作用及碰撞，增強了磁性粒子的運動，從而增加了磁性氣體的傳熱作用。

磁場力對瓦斯混合氣體的作用可直觀地表現為磁場增大瓦斯混合氣體的表觀密度。通常情況下，磁場強度比萬有引力場強度大得多，所以磁場能顯著增大瓦斯混合氣體的表觀密度，并且瓦斯混合氣體的表觀密度隨外加磁場強度的變化而明顯變化。表觀密度的變化又會導致對流的變化，所以磁場可以強化瓦斯混合氣體的自然對流傳熱。

由上述分析可知，磁場能增大瓦斯爆炸及其傳播過程的對流作用和傳熱作用，并且增大湍流，從而增強促進瓦斯爆炸的湍流機理、正反饋機理和火焰陣面不穩定機理。所以從傳熱的角度來看，磁場能增大燃燒速率和加快火焰傳播速度、釋放更多的能量并使爆炸波能量增強，以致磁場能促進瓦斯爆炸及其傳播。

2.3 磁場對化學反應的影響

由上述瓦斯爆炸反應過程分析結果可知：首先，瓦斯爆炸過程會產生大量的帶未成對電子的自由基，而未成對電子將在磁場的作用下改變自旋，從而改變反應速率，所以磁場對瓦斯爆炸及其傳播的影響都是通過對帶未成對電子的自由基（對）施加作用而體現的。其次，由于磁場能給處于磁場中的反應系統提供一定的能量，使粒子之間的碰撞幾率增大；碰撞幾率的增大不但增加了火焰的湍流度，而且瓦斯分子的碰撞會產生更多的OH、CH3等活化中心，使瓦斯爆炸時的活化中心和活化濃度得到提高，從而提高瓦斯爆炸強度和爆炸溫度；而瓦斯爆炸強度和爆炸溫度的提高又會使粒子之間的碰撞幾率進一步增大，這樣就形成了促進瓦斯爆炸及其傳播的正反饋機理。所以從化學反應的角度來看，磁場能改變反應系統的熵并增大湍流，增大燃燒速率、加快火焰傳播速度、釋放更多的能量并使爆炸波能量增強，以致磁場能促進瓦斯爆炸及其傳播。

3 結 論

通過對磁場影響瓦斯爆炸及其傳播的實驗研究和理論分析，得到如下主要結論：

（1）實驗研究結果表明外加磁場能增加瓦斯爆炸強度和火焰傳播速度以及增大壓力波超壓峰值和火焰傳播速度峰值；隨著磁場強度的增加，磁場效應對瓦斯爆炸的作用增強；在不同工況下，外加磁場對瓦斯爆炸的影響規律是一致的。

（2）磁場能增大瓦斯爆炸反應及其傳播過程的傳質作用和反應物的擴散系數，并增大湍流，從而使瓦斯氣體的擴散更均勻、瓦斯氣體和氧氣的接觸更充分，以致使火焰燃燒速度和熱釋放速率增加、火焰傳播速度加快；而高燃燒速度又導致燃燒產物的膨脹加速、使壓縮波強度更大，同時前驅動沖擊波對火焰前面未燃混合物進行加熱和壓縮并產生更大的擾動，從而引起流場梯度的進一步增大，導致更強烈的火焰彎曲和褶皺。強烈的火焰彎曲和褶皺又會導致更大的湍流動能和更高的燃燒速率，以致形成促進瓦斯爆炸及其傳播的正反饋作用。所以從傳質的角度來看，磁場能增大火焰燃燒速率、加快火焰傳播速度、釋放更多的能量并使爆炸波能量增強，以致磁場能促進瓦斯爆炸及其傳播。

（3）磁場能增大瓦斯爆炸反應及其傳播過程的對流作用和傳熱，并且增大湍流，從而增強促進瓦斯爆炸的湍流機理、正反饋機理和火焰陣面不穩定機理，所以從傳熱的角度來看，磁場能增大火焰燃燒速率、加快火焰傳播速度、釋放更多的能量并使爆炸波能量增強，以致磁場能促進瓦斯爆炸及其傳播。

（4）磁場能通過帶未成對電子的自由基（對）施加作用而對瓦斯爆炸及其傳播產生影響，同時磁場能給處于磁場中的反應系統提供一定的能量，使粒子之間的碰撞幾率增大，活化中心增多，從而提高瓦斯爆炸強度和爆炸溫度，而瓦斯爆炸強度和爆炸溫度的提高又會使粒子之間的碰撞幾率進一步增大，這樣就形成了促進瓦斯爆炸及其傳播的正反饋機理。所以從化學反應的角度來看，磁場能改變反應系統的熵并增大湍流，增大燃燒速率、加快火焰傳播速度、釋放更多的能量并使爆炸波能量增強，以致磁場能促進瓦斯爆炸及其傳播。

［1］葉青.管內瓦斯爆炸傳播特性及多孔材料抑制技術研究［D］.徐州：中國礦業大學，2007.

［2］Coffee T P.Kinetic mechanisms for premixed，laminar，steady state methane／air flames［J］.Combustion and Flame，1984，55（2）：161-170.

［3］Bone W A，Allum R E.The slow combustion of methane［J］.Proceedings of the Royal Society of London：A，1932，134：578-591.

［4］Nweitt D M.Slow oxidation at high pressures［J］.Combustion and Flame，1991，84：193-205.

［5］Minkoff G J，Tipper C F H.Chemistry of Combustion Reactions［M］.London：Butterworths，1962.

［6］賈紹義，李磊，吳松海.永磁場對氣體中分子傳質過程的影響［J］.化學工業與工程，2004，21（5）：327-330.

JIA Shao-yi，LI Lei，WU Song-hai.Influence of permanent magnetic field on the molecularmass-transfer process in gas phase［J］.Chemical Industry and Engineering，2004，21（5）：327-330.

Effects of magnetic field on methane explosion and its propagation＊

YE Qing1，2，3，LIN Bai-quan2，JIAN Cong－guang2，JIA Zhen-zhen1
（1.Hunan Province Key Laboratory of Safety Mining and Technology of Coal Mine，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，Hunan，China；
2.State Key Laboratory of Coal Resource and Safe Mining，China University of Mining ＆Technology，Xuzhou 221008，Jiangsu，China；
3.Yima Coal Industry Group Corporation Limited，Yima 472300，Henan，China）

To master the effect of the magnetic fields produced by the giant mechanical and electrical equipments in coal mines on methane explosion，experimental investigations were conducted to explore the influences of the magnetic fields on explosion wave pressure and flame propagation velocity of methane explosion.And theoretical analysis was carried out to discuss the effect of the magnetic fields on heat transportation，mass transportation and reaction process of methane explosion and its propagation.It shows that the magnetic field can enhance methane explosion intensity and increase flame propagation velocity，explosion pressure.The more the magnetic field intensity，the more markedly the magnetic field affects methane explosion.The magnetic fields can increase turbulence by increasing mass transfer action，heat transfer action，convection effects，diffusion coefficient and entropy of the reaction system，so the magnetic fields can increase flame combustion velocity，flame propagation velocity，release more energy and increase shock wave energy，and then promote the methane explosion and its propagation.

mechanics of explosion；explosion intensity；magnetic field；methane explosion；heat transportation；mass transportation；entropy

30January 2010；Revised 12April 2010

YE Qing，cumtyeqing＠126.com

（責任編輯 張凌云）

O389 國標學科代碼：130·3599

A

1001-1455（2011）02-0153-05

2010-01-30；

2010-04-12

國家自然科學基金項目（51004048）；國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）項目（2005cb221506）；煤炭資源與安全開采國家重點實驗室開放研究基金項目（09KF05）；中國博士后基金項目（20100470998）；湖南省教育廳基金項目（09C409）

葉 青（1975— ），男，博士，副教授。

Supported by the National Natural Science Foundation of China（51004048）；the National Basic Research Program of China（973Program）（2005cb221506）