惰性氣體N2/CO2抑制瓦斯爆炸實驗研究*

張迎新，吳 強，劉傳海，江丙友，張保勇

(1.黑龍江科技大學安全工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.安徽理工大學能源與安全學院，安徽 淮南 232001)

惰性氣體N2/CO2抑制瓦斯爆炸實驗研究*

張迎新1，吳 強1，劉傳海1，江丙友2，張保勇1

(1.黑龍江科技大學安全工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.安徽理工大學能源與安全學院，安徽 淮南 232001)

為探究惰性氣體(N2和CO2)對瓦斯氣體爆炸影響，采用中型尺寸瓦斯爆炸實驗裝置，在N2及CO2體積分數為0%、9%、14%工況下開展了瓦斯爆炸實驗研究，獲取了N2和CO2對礦井瓦斯抑爆特性的影響規律，并針對瓦斯爆炸過程中惰性氣體N2和CO2對爆炸超壓變化的影響及爆炸抑制效果進行了對比分析。結果表明：隨著初始混合氣體中惰性氣體N2或CO2含量的升高，瓦斯爆炸超壓均明顯降低，CO2的抑爆效果優于N2；N2和CO2對較高濃度瓦斯氣的抑爆效果更為顯著。

瓦斯爆炸；惰性氣體；抑爆；爆炸超壓

瓦斯爆炸是煤礦安全的主要隱患，一旦發生，將造成大量的人員傷亡和巨大的經濟損失[1]，因此，對瓦斯爆炸抑制技術的研究具有重要意義。目前，研究者已經對水霧[2]、惰性氣體[3-6]、泡沫陶瓷[7-8]、粉體抑制劑(KHCO3、NaHCO3、Na2CO3、NH4H2PO4、KCl、NaCl、CaCO3、CO(NH)2、SiO2)等[9-11]抑制瓦斯爆炸進行了大量的研究工作；另一方面，通過充注惰性氣體抑制礦井瓦斯爆炸的方法也一直備受關注[12]。由于CO2和N2具有來源廣、生產成本低等優勢，因此，國內外學者普遍將其作為理想的惰性氣體應用于瓦斯爆炸抑制方面的研究。

叢北華等[6]、M.Bundy等[13]研究了惰性氣體CO2、N2及三氟甲烷對爆炸火焰的抑制程度，得到了惰性氣體抑制火焰的臨界體積分數；劉玉泉等[3]、鄧軍等[4]、邱雁等[14]通過充注CO2、N2研究惰性氣體對瓦斯爆炸極限的影響，并利用實驗證明了充注惰性氣體降低開采區氧氣濃度的辦法是切實可行的；周福寶等[15]提出了采用含惰性氣體N2三相泡沫抑制火源，從而預防瓦斯爆炸的新方法。然而，上述研究多集中于惰性氣體對瓦斯爆炸火焰、爆炸極限及支鏈反應的抑制效果方面。本文中，通過研究惰性氣體N2及CO2對瓦斯爆炸超壓變化的影響，得出N2及CO2對礦井瓦斯抑爆特性的影響規律，以期為增強抑爆救災能力提供相應的參考[16-17]。

1 實驗系統與方法

1.1實驗設備

瓦斯爆炸模擬實驗系統如圖1所示。該系統主要由爆炸腔體、擴散管路、抽真空裝置、配氣裝置、點火裝置及數據采集裝置構成，其中爆炸腔體參數為?300 mm×1 500 mm，容積為109 L，安全系數為6。單個擴散管參數為?125 mm×2 200 mm，安全系數為6。為實現爆炸腔體內配氣、抽真空的需要，采用塑料薄膜將燃爆腔體與擴散管隔開并實現密封，擴散管路出口連接空氣，內部充滿空氣，其初始狀態為靜止無紊流，爆炸管為開口容器。圖1中已注明各爆炸超壓測點位置。

1.2實驗材料

本實驗瓦斯爆炸超壓的采集精度為1 Pa，反應時間為1 ms；泄爆膜材料為聚四氟乙烯材質，實際厚度為0.3 mm，其爆破壓力為90 kPa；實驗中所用惰性氣體CO2和N2的純度均為99.99%。3種瓦斯氣樣G1、G2、G3的構成分別為：G1(7.00%CH4-19.53%O2-73.47%N2)、G2(9.40%CH4-19.03%O2-71.57%N2)、G3(10.20%CH4-18.86%O2-70.94%N2)，其中數字表示相應組分的體積分數。氣樣均購置于哈爾濱通達特種氣體有限公司。

1.3實驗方法

本系列實驗均在20 ℃、101.325 kPa的條件下進行，主要步驟如下：(1) 對測試系統進行調試和校準，并標定和安裝壓力傳感器；(2) 在實驗裝置中布置點火頭并進行封膜；(3) 配制瓦斯-惰性氣體混合氣體；(4) 將爆炸腔體抽真空至-0.1 MPa，然后充入預配后的瓦斯-惰性氣體混合氣體；(5) 啟動數據采集系統和瓦斯爆炸點火系統。

2 實驗結果與分析

2.1N2對瓦斯爆炸超壓的影響

針對瓦斯氣樣G1、G2、G3，分別在工況1～工況3下開展了9組瓦斯爆炸實驗，其瓦斯氣體組分見表1。與工況1(未加入N2)相比，工況2和工況3中原始瓦斯氣樣組分均發生了改變，其中CH4、O2的濃度有所降低，N2濃度升高。利用數據采集系統測量可得各測點處的瓦斯爆炸超壓。

隨著瓦斯氣樣G1～G3中注入N2體積分數的增加，各測點的瓦斯爆炸超壓均有明顯的下降，說明N2抑制瓦斯爆炸的效果良好，如圖2～4所示。設d為距點火端的水平距離，可以看出：當d<210 cm時，瓦斯爆炸超壓逐漸降低；d=210～360 cm為瓦斯爆炸波傳播段，爆炸超壓值逐漸增強，但始終低于測點1處的超壓值；當d=360～430 cm時，瓦斯爆炸超壓又逐漸降低，并最終達到最小值。

編號工況1工況2工況3G17.00%CH4-19.53%O2-73.47%N26.42%CH4-17.92%O2-75.66%N26.14%CH4-17.13%O2-76.73%N2G29.40%CH4-19.03%O2-71.57%N28.62%CH4-17.46%O2-73.92%N28.25%CH4-16.55%O2-75.20%N2G310.20%CH4-18.86%O2-70.94%N29.36%CH4-17.30%O2-73.34%N28.95%CH4-16.54%O2-74.51%N2

與工況1下的瓦斯爆炸超壓相比，瓦斯氣樣G1～G3各測點的瓦斯爆炸超壓均在工況3條件下降至最低。其中氣樣G1的爆炸超壓分別下降了17.84、55.55、39.36、45.15 kPa，降幅分別為11.44%、43.91%、26.67%、35.91%；氣樣G2的爆炸超壓分別下降了41.37、91.27、77.71、89.09 kPa，降幅分別為24.97%、54.01%、42.88%、52.13%；氣樣G3的瓦斯爆炸超壓分別下降了29.56、130.95、98.91、126.45 kPa，降幅分別為20.51%、90.54%、73.13%、97.40%。通過對爆炸超壓值降低量及降幅的分析可知，本實驗體系中，N2對氣樣G3爆炸的抑制效果最為明顯。

圖5為瓦斯氣樣G1～G3在工況2下的瓦斯爆炸超壓曲線。從圖5可以看出，當瓦斯氣樣中CH4濃度由7.00%提高到9.40%時，各測點處的瓦斯爆炸超壓均有明顯的上升。其中測點4(d=430 cm)處超壓值的增加量最大，其值為29.19 kPa，升幅為32.01%；測點1(d=40 cm)處超壓值的增加量最小，其值為2.79 kPa，升幅為1.83%。而當瓦斯氣樣中CH4濃度為10.20%時，各測點處的瓦斯爆炸超壓均顯著下降(相比于CH4濃度為7.00%的情況)。其中測點2(d=210 cm)處爆炸超壓降低了15.90 kPa，降幅為14.92%；測點3(距離點火端水平距離為360 cm)處超壓值降低16.04 kPa，降幅為11.44%。圖6為瓦斯氣樣G1～G3在工況3下的瓦斯爆炸超壓曲線。由圖6可知，當瓦斯氣樣中CH4濃度由7.00%提高到9.40%時，除測點2外，瓦斯爆炸超壓均有下降，但降幅較小；但當瓦斯氣樣中CH4濃度為10.20%時，爆炸超壓均顯著下降。

分析認為，在工況2條件下，瓦斯氣樣G1、G2充入惰性氣體N2后，CH4和O2濃度受到的影響較小，CH4與O2等反應物仍處于較活躍的氧化反應體系中，鏈式反應中仍有充足的O2分子和O基參加，因此瓦斯爆炸超壓不降反升。而在工況3條件下，瓦斯爆炸超壓除測點2外均下降，主要原因是注入的惰性氣體N2量相對工況2更多，較顯著地影響了CH4及O2的濃度；并且與G2相比，由于CH4濃度的提高，體系中O2濃度相對較小，使反應中的O2的體積分數減少，不能產生足夠的O基，鏈式反應中有O2分子和O基參加的支鏈反應數目減少，從而導致瓦斯爆炸超壓明顯降低。

2.2CO2對瓦斯爆炸超壓的影響

應用瓦斯氣樣G1、G2、G3，分別在工況1、工況4、工況5條件下開展9組瓦斯爆炸實驗，加入CO2后瓦斯氣體組分見表2。與工況1(未加入CO2)條件下相比，工況4和工況5條件下，原始瓦斯氣樣不僅濃度發生了變化，其組分也由3種氣體變成4種，并且CH4、O2、N2濃度均有所降低。

表2 在氣樣G1、G2、G3充入不同比例CO2后瓦斯氣體組分Table 2 Gas composition after filling different proportion of CO2 in mine gas G1, G2, G3

隨著瓦斯氣樣G1～G3中CO2體積分數的增加，各測點的瓦斯爆炸超壓均有明顯的下降，說明CO2抑制瓦斯爆炸的效果良好，如圖7～9所示。瓦斯爆炸超壓值隨距點火端水平距離的變化規律與注入N2的情況極其相似。與工況1條件下的瓦斯爆炸超壓相比，瓦斯氣樣G1～G3各測點的瓦斯爆炸超壓均在工況5下降至最低。其中氣樣G1的爆炸超壓分別下降了27.45、54.60、55.03、73.78 kPa，降幅分別為17.60%、43.17%、37.28%、58.68%；氣樣G2的爆炸超壓分別下降了27.56、99.36、64.37、113.53 kPa，降幅分別為16.64%、58.80%、35.52%、66.43%；氣樣G3的爆炸超壓分別下降了138.66、104.34、47.62、113.36 kPa，降幅分別為96.20%、72.14%、35.21%、87.31%。通過對爆炸超壓降低量及降幅分析可知，本實驗中，CO2對瓦斯氣樣G3發生爆炸時的抑制效果最為明顯。

圖10給出了瓦斯氣樣G1～G3在工況4條件下的瓦斯爆炸超壓曲線。從圖10可以看出，當瓦斯氣樣中CH4濃度由7.00%增大到10.20%時，除測點3處瓦斯爆炸超壓上升以外，其余各測點的爆炸超壓均有明顯的下降，與充入N2(工況2)的作用效果不同，進一步證明了CO2對瓦斯爆炸的抑制效果強于N2，該結論與文獻[5]中結論相同。略有不同的是，文獻[5]中主要研究N2與CO2混合氣體對甲烷爆炸的影響，而本文中則分別研究了惰性氣體N2及CO2對瓦斯爆炸超壓的影響，所得數據更加直接，說服力更強。

圖11為瓦斯氣樣G1～G3在工況5下的瓦斯爆炸超壓曲線。可以看出：當瓦斯氣樣中CH4濃度由7.00%提高到9.40%時，瓦斯爆炸超壓均略有上升，但上升幅度遠小于工況2中的情況；當瓦斯氣樣中CH4濃度為10.20%時，除測點3外，瓦斯爆炸超壓均明顯下降，作用效果與工況2類似。

本實驗中，瓦斯爆炸超壓峰值在爆源點相對較高，隨后逐漸下降，然后在沿管道傳播過程中逐漸增大，之后又開始下降。主要原因如下：點火源引爆瓦斯后，在爆源點附近形成球面波，在向前傳播時受到管壁和薄膜限制，沖擊波發生反射和疊加，導致爆炸壓力急劇上升；隨著沖擊波沖破薄膜向前移動，反射波能量的衰減大于前驅沖擊波波陣面的能量增加，壓力峰值呈現短暫的下降趨勢；之后，由于混合氣體不斷燃燒釋放熱量，并且放熱量大于與壁面接觸損失的熱量，壓力峰值又逐漸增大；隨后，壓力峰值又表現出不同程度的衰減趨勢，但衰減幅度相對較小。

2.3N2及CO2抑制瓦斯爆炸的機理分析

3 結 論

(1) 本實驗中，N2和CO2均對較高濃度瓦斯氣抑爆效果更為顯著。

(2) 與N2相比，CO2的抑爆性能更好，可使瓦斯爆炸超壓顯著降低，最大降幅可達96.20%。

(3) 在瓦斯氣樣中充注N2或CO2，可以降低反應物濃度，抑制自由基的解離，降低反應活化中心的濃度，從而降低瓦斯爆炸的劇烈強度。

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Abstract: To determine the effect of inert gas (N2and CO2) on the process of mine gas explosion, we carried out mine gas explosion experiments in a medium-size pipe with the volume fractions of N2or CO2filled in three components of mine gas samples which were respectively 0%, 9% and 14%, and successfully obtained the explosion suppression characteristics of N2and CO2. Then we conducted comparative analysis of the explosion overpressure histories and explosion suppression capacity of inert gas N2and CO2in the gas explosion process. The results show that the gas explosion overpressure decreases significantly with the increase of N2or CO2volume fraction in the mixed gases, and the explosion suppression capacity of CO2is better than that of N2. Moreover, the explosion suppression effect of N2and CO2is much more obvious when the gas sample has a higher CH4concentration.

Keywords: gas explosion; inert gas; explosion suppression; explosion overpressure

(責任編輯 王玉鋒)

ExperimentalstudyoncoalminegasexplosionsuppressionwithinertgasN2/CO2

Zhang Yingxin1, Wu Qiang1, Liu Chuanhai1, Jiang Bingyou2, Zhang Baoyong1

(1.SchoolofSafetyEngineering,HeilongjiangUniversityofScienceandTechnology,Harbin150022,Heilongjiang,China; 2.SchoolofMiningandSafetyEngineering,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,huainan232001,Anhui,China)

O381;TD75國標學科代碼13035

A

10.11883/1001-1455(2017)05-0906-07

2015-12-30；

2016-07-08

國家自然科學基金重點項目(51334005)；國家自然科學基金項目(51274267,51404102,51404103)；黑龍江科技大學國家級專業中心實驗室開放課題項目(HKDGH-20140002,HKDGH-20140006)

張迎新(1978-)，男，副教授；

劉傳海，liuchuanhai0429@126.com。