礦井瓦斯控爆技術及材料研究進展*

羅振敏，蘇 彬，王 濤，程方明，趙婧昱，王 磊

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安710054；2.陜西省煤火災害防治重點實驗室，陜西 西安710054；3.中鐵十二局集團第一工程有限公司，陜西 西安 710038)

0 引言

瓦斯事故是煤礦行業的重大災害之一，嚴重威脅我國煤礦安全生產和礦工的生命安全。據統計[1]，2008—2017年間，我國發生煤礦瓦斯事故389次，死亡人數達3 016人，其中，瓦斯突出事故導致855人死亡，占總死亡人數的28.34%；瓦斯爆炸事故導致1 663人死亡，占總死亡人數的55.13%；其他瓦斯事故導致498人死亡，占總死亡人數的16.53%。瓦斯爆炸事故導致的死亡人數占瓦斯事故總死亡人數的一半以上，因此，瓦斯爆炸的防控仍是煤礦瓦斯安全工作的重點。由于井下瓦斯爆炸具有破壞性、突發性、災難性、環境復雜性等特點，瓦斯爆炸災害的防治技術始終是我國煤礦安全領域研究的難點問題。

1 礦井瓦斯控爆技術及裝置

目前，通用的瓦斯爆炸防控技術主要分為2個方面，一方面是防止瓦斯爆炸3要素同時形成的預防性技術，包括瓦斯預抽采、瓦斯濃度監測、防治瓦斯積聚、井下作業嚴禁火源等措施；另一方面是在爆炸發生后，以降低爆炸破壞程度為目的的阻爆、隔爆技術。

阻爆、隔爆技術統稱為抑爆技術，其主要原理是在爆炸被引發階段，釋放抑制爆炸的材料而阻尼爆炸反應的進程或終止爆炸過程中的鏈反應，從而減小爆炸強度，減弱其破壞作用。抑爆技術方面，根據其觸發、啟動原理的不同又可細分為被動抑爆技術與主動抑爆技術。被動式抑爆技術是利用爆炸沖擊波與爆炸火焰鋒面之間的時間差，以瓦斯爆炸的沖擊波作為動力源釋放布置于井巷中的巖粉棚、抑爆水槽、水棚等抑爆材料，撲滅隨后到達的火焰鋒面。在一定時期內，被動式抑爆技術由于其使用方便、成本低廉而被普遍使用。隨著煤炭采掘技術的進步，被動式抑爆技術的不足逐漸體現出來，如綜采方式使得礦井風流增大，布置于井巷中的巖粉棚易被風流揚起，惡化了井下工作條件，不利于人員的身體健康。王從銀等[2]的研究表明，發生爆炸時，若阻隔爆裝置的動作延遲時間與火焰到達的時間不同步，抑爆材料便不能有效地覆蓋火焰陣面，抑爆效果受到限制；張建忠[3]的研究表明，被動式阻隔爆裝置無法對爆炸進行提前預警，同時發生爆炸時如果沖擊波能量較低，不足以擊破巖粉袋，就達不到預期的防爆效果。這些研究從觸發和啟動原理、滅火抑爆效果以及井下工作環境方面證實了被動式抑爆巖粉棚、水槽等的缺陷。

主動抑爆技術是指在發生爆炸時，抑爆系統經火焰傳感器將光信號轉化為電信號并傳輸給控制器，經控制器運算、判斷后發出指令，釋放裝置接收到指令后在極短時間內噴灑滅火材料或抑爆劑，在一定空間內形成云霧狀的抑爆介質屏障，從而抑制瓦斯爆炸火焰傳播的技術。此類抑爆系統主要布置于井下采掘工作面的掘進機、進回風巷道以及瓦斯輸送管道內部，其主要抑爆介質有水，水加鹵代烷，粉末無機鹽類抑制劑和鹵代烴，這些介質對于瓦斯爆炸都具有物理吸熱抑制作用，在化學抑制作用方面，水可降低瓦斯爆炸過程中基元反應速率，粉末無機鹽類抑制劑可消耗爆炸過程的自由基起到化學抑制作用，鹵代烴分解產生的自由基與瓦斯爆炸過程的自由基反應會中斷瓦斯爆炸過程鏈反應的傳遞，從而達到抑爆效果。現有部分成型主動抑爆裝置及參數見表1，主動抑爆技術與被動抑爆技術的優缺點對比見表2。

表1 主動抑爆系統Table 1 Active explosion suppression system

薛少謙[4]在長896 m的實驗巷道內研究了抑制瓦斯(煤塵)爆炸的主動噴粉技術，與爆炸源距離30～40 m范圍內時，效果最好；朱承建等[5]針對低濃度瓦斯輸送管道易燃易爆等問題，研制了1套主動抑爆裝置，抑爆器采用產氣劑式，噴粉完成時間約為135 ms，成霧時間大于1 000 ms，經試驗測試，該裝置能很好地控制管道爆炸范圍，減少爆炸危害。依據爆炸沖擊波速度遠大于火焰傳播速度的原理，榮佳等[6]研發了新型的自動抑爆裝置，該裝置以沖擊波為觸發信號啟動高壓腔體，釋放腔體內存放的抑爆介質，在火焰鋒面到達前形成屏障。經試驗測試，系統在25 ms內響應，成霧時間為120 ms，在斷面面積為7.2 m2、長30 m的巷道內，抑爆屏障持續時間大于6 000 ms；丁玨等[7]研究了以爆炸拋撒為原理的抑爆裝置，即發生爆炸時，裝置內的炸藥爆炸，在極短時間內將抑爆劑拋撒，迅速形成水霧封閉火焰的傳播通道，從而衰減壓力、抑制火焰的傳播，分析結果表明，該裝置具有水霧形成速度快，水霧體積大的特點，且將裝置放置在平行來流方向時抑爆效果好于放置在垂直來流方向上；李潤之等[8]介紹了1種水幕抑爆系統，在大型實驗巷道內對其效果進行了驗證，發現抑爆效果主要與各裝置安裝位置、噴霧壓力、噴霧強度和水幕帶長度有關。此外，以紫外紅外傳感器和壓力傳感器為核心的探測器和邏輯判斷回路被設計出來，不僅從各方面優化了傳統的抑爆介質噴灑裝置，縮小了裝置體積，而且提升了噴灑率，縮短了成霧時間。綜上，目前在主動抑爆裝置研制方面已取得較大進展，利用先進的技術手段實現了抑爆裝置的智能觸發與啟動，采用不同的抑爆介質研究了各方面因素對抑爆效果的影響，從而使抑爆效果更智能、高效、可靠。

表2 主動抑爆技術與被動抑爆技術對比Table 2 Comparison of active and passive explosion suppression techniques

2 抑爆介質

抑爆介質是抑爆過程中的關鍵因素，通過特定材料與瓦斯爆炸火焰的相互作用，減弱或者中斷燃燒爆炸反應，從而減弱爆炸的強度。常見的抑爆材料有惰氣、水系材料、粉體和氣溶膠、多孔材料等。

2.1 惰性氣體抑爆材料

惰性氣體(CO2，N2和Ar)具有縮小瓦斯爆炸極限范圍、降低瓦斯-空氣混合氣體的可燃性的作用。當惰性氣體添加到一定量時，可使混合氣體惰化為不可燃氣體，從而抑制瓦斯爆炸的發生。

Bundya等[9]分析了在不考慮質量損失的情況下，惰性氣體CO2，N2和CF3Br對瓦斯爆炸火焰的抑制作用，總結出各種惰性氣體抑制火焰傳播所達到的定量臨界濃度；王華等[10]研究了添加CO2，N2以及不同比例CO2/N2混合惰氣后，瓦斯爆炸極限、臨界氧濃度和抑爆效果的變化，N2，CO2在瓦斯爆炸過程中起到了一定的抑制作用，且CO2的抑爆效果比N2好；王建等[11]通過實驗和理論計算分析了惰性氣體的阻尼效應，隨著惰性氣體添加量的上升，混合氣體的爆轟參數逐漸下降，CO2、水蒸氣和N2這3種抑爆材料的阻尼性能依次降低；羅振敏等[12]通過實驗與數值模擬相結合的手段，分析了CO2抑制作用下的管道內甲烷爆炸傳播流場特性，發現有顯著的震蕩傳播特點。以上研究主要通過實驗和數值模擬的方法，從宏觀角度研究惰性氣體對瓦斯爆炸的作用，發現惰性氣體CO2對瓦斯的抑爆效果最好。

2.2 水系抑爆材料

帶有壓力的水經過特殊噴嘴噴出產生微小的水顆粒即為細水霧，具有成本低、無污染、安全等優點。大多情況下，在水中加入不同的添加劑，可以使噴出的水霧特征發生變化，從而提高水霧的抑爆性能。

Chelliah等[13]發現比表面積和火焰抑制效果兩者存在相關性且具有最佳粒徑，超過最佳粒徑時，火焰傳播速度與霧滴比表面積呈負相關，分析認為細水霧的介入改變或減弱了流場，使自由基消失并通過蒸發吸熱減小了火焰溫度，從而達到抑爆的目的；李永懷等[14]在700 mm直徑的管道中進行了水霧抑爆研究，隨水量增加，最大爆炸壓力逐漸減小，添加到一定量后，水量增加對最大爆炸壓力影響不明顯，噴霧角與抑爆距離關系不大，細水霧在管道內的理想抑爆范圍為10～50 m；陳曉坤等[15]的研究表明，分別添加超細清水霧、NaCl、NaHCO3、KCl水霧條件下，甲烷爆炸感應期明顯延長，平均速率和峰值明顯降低，且含添加劑的水霧抑爆效果明顯優于清水霧，3種添加劑中，KCl細水霧抑爆效果最好；張增志等[16]研發了1種以水為載體，span80為吸收劑，NaClO，NaHCO3，KHCO3，CH3COONa和NaOH為添加劑的新型瓦斯吸收材料，該材料不僅對甲烷有很好的吸收作用，還能對甲烷爆炸起到一定的抑制作用；谷睿等[17]用自己搭建的實驗系統研究了不同體積分數的超細水霧對甲烷的抑爆效果，確定了超細水霧抑制的臨界體積；安安[18]利用自主設計的裝置，研究了細水霧對管道內瓦斯的抑爆效果，結果表明：細水霧可以抑制火焰傳播速度，阻止形成火焰高溫區，同時發現細水霧在通量不足或瓦斯濃度較高時會促燃引發爆炸，另一方面，通過實驗發現荷電細水霧對瓦斯爆炸超壓和平均壓升速率有明顯抑制作用；李振峰等[19]進行了細水霧對瓦斯和煤塵混合物爆炸抑制的研究，細水霧的降溫和阻隔作用能減小爆炸預熱區長度，從而降低對未燃氣體的熱傳導速度；張振普等[20]的研究結果還顯示，水霧對鉆孔瓦斯爆炸火焰的抑制效果，霧滴粒徑越小，噴霧壓力越大，滅火效果越好，同時發現水蒸氣對甲烷燃燒和爆炸的抑制作用主要是增大了甲烷的點火延遲時間，降低了燃燒溫度和高活性自由基的濃度。可見，目前水系抑爆材料主要包括清水霧和含有添加劑的細水霧，且含有添加劑的細水霧抑爆效果更好。

2.3 氣溶膠抑爆材料

氣溶膠是1種以納米或亞微米級固態、液態微粒為分散相，氣體為分散介質的膠體體系，分為熱氣溶膠和冷氣溶膠，其中，熱氣溶膠主要以固相微粒(40%碳酸鹽和金屬氧化物)的化學抑制作用為主，以惰性氣體(60% CO2，N2，水蒸氣)的物理抑制作用為輔來共同達到滅火的目的；冷氣溶膠滅火劑主要是通過80% 細微粒的化學抑制作用來實現滅火的，具有環保、成本低、無腐蝕、對人無害等特點。

Korostelev[21]考察了氣溶膠配方和組成成分對火焰壓力的影響，當氣溶膠的配方不同時，氣溶膠的燃速、火焰壓力也不同；屈麗娜[22]發現氣溶膠添加量的增加可使甲烷爆炸極限范圍不斷縮小直至閉合，甲烷爆炸壓力峰值、最大爆炸壓力上升速率不斷降低，直至不再發生爆炸，且S型比K型氣溶膠抑制所形成的爆炸極限范圍小，到達最大爆炸壓力所用的時間長，抑爆效果更好；羅振敏[23]對冷卻氣溶膠和無冷卻氣溶膠抑制瓦斯爆炸進行了實驗研究，研究表明，無冷卻氣溶膠的抑爆效果更好，加入冷卻劑后，氣溶膠燃燒后的產物受陶瓷球冷卻劑的冷卻作用，氣溶膠中的納米級固體微粒被陶瓷球所阻隔，導致擴散出去的固體微粒數量減少，同時，固體微粒在經過冷卻陶瓷球后活性大大降低。以上研究主要通過測試不同組分和配方的氣溶膠對瓦斯爆炸極限參數及壓力特性的影響從而確定氣溶膠的抑爆效果。

氣溶膠滅火技術的研究重點是改性冷氣溶膠、復合型氣溶膠[24-25]和新型氣溶膠。復合型氣溶膠滅火劑是通過在冷、熱氣溶膠中加入惰性氣體、阻燃劑或其他滅火劑來優化滅火作用。如水蒸氣噴霧式氣溶膠干粉滅火劑，是1種復合型氣溶膠滅火劑，主要是利用水蒸氣和氣溶膠干粉之間的協同作用，來實現滅火的，其滅火作用主要是減緩自由基產生速率，從而降低化學反應速率，終止鏈式反應。

2.4 粉體抑爆材料

粉體抑爆材料是指能夠熄滅火焰、阻止火焰傳播的固體粉末。目前抑爆效果較好的粉體抑爆材料有：ABC干粉、硅藻土、Al(OH)3，Mg(OH)2，KHCO3，NaHCO3和CaCO3等。

Krasnyansky[26]通過對甲烷爆炸的物理和化學過程分析，確定了實驗狀態下固體抑爆材料有效釋放時間，以CO(NH2)2為抑爆劑主要成分，加入KCl和少量霧化SiO2，在小型管式爆炸系統和大型模擬巷道中進行抑爆效果及抑爆劑加入方式影響研究；蔡周全等[27]發現ABC干粉能抑制瓦斯爆炸，粉體粒度對抑爆性能影響明顯，粒度越小，抑爆性能越好；謝波等[28]在大型爆炸管道研究了粉體抑爆劑種類、濃度、粒度3個參數對抑爆效果的影響，抑爆劑種類對抑爆效果影響明顯，粒度越小抑爆效果越好，濃度越大，抑爆效果越好，存在極限濃度，低于極限濃度時，激波在抑爆區不能被有效抑制，離開抑爆區后會重新成長；鄧軍等[29-31]采用20 L近球形爆炸裝置，對超細Al(OH)3粉體、超細ABC干粉、SiO2納米粉體、NaHCO3粉體、氟化酮滅火劑的抑爆效果進行了實驗研究，粉體對甲烷爆炸有不同程度的抑制作用，且在抑爆過程中存在最佳抑爆濃度范圍和最佳抑爆時間范圍，超出該范圍抑爆作用明顯下降，其中，在實驗條件相同的情況下，同濃度超細ABC干粉抑爆效果優于其他粉體材料；余明高等[32]通過對拜耳法赤泥進行脫堿、改性處理得到超細改性赤泥粉體，并研究了該粉體在瓦斯爆炸過程中的抑爆效果，改性赤泥粉體具有較高的吸熱性和比表面積，能夠有效吸附爆炸中產生的自由基，具有良好的抑爆效果；黃寅生等[33]用20 L爆炸球測試裝置對比分析了(NH4)H2PO4，KH2PO4，Ca(H2PO4)2等磷酸二氫鹽和SiO2粉體的抑爆效果，同時研究了粉體質量濃度、粉體粒徑和點火能量對抑爆效果的影響。綜上，多項研究通過實驗手段分析了粉體抑爆劑種類、濃度、粒度對抑爆效果的影響，發現粒度大小對抑爆效果影響顯著，且存在最佳抑爆濃度，這為瓦斯爆炸防控提供了理論依據。

2.5 多孔抑爆材料

多孔材料具有開孔率大，耐高溫，抗沖擊強等特點，是1種新型的緩沖吸能材料，其孔隙結構能夠大量銷毀鏈式反應過程中產生的自由基，起到淬熄火焰，破壞沖擊波和燃燒波間的耦合作用，起到阻爆隔爆作用。目前，應用最廣泛的多孔材料有金屬多孔材料、陶瓷和泡沫陶瓷多孔材料。這些多孔材料，均具有相對密度小，熱導率低，比強度高，比表面積大和吸能效果好等特點，因此國內外學者對其抑爆效果進行了廣泛研究。

Ciccarelli等[34]通過研究泡沫陶瓷淬熄性能發現，在當量直徑和流率一定時，顆粒填料比陶瓷泡沫的淬熄效果好，淬熄現象不能單獨靠熱效應來解釋，也可能受火焰的延展和前驅波的擴散影響；魏春榮等[35]研究發現放置多孔材料后，瓦斯爆炸火焰波明顯衰減，火焰溫度坡度變緩，影響火焰溫度衰減的因素有多孔材料的孔徑、厚度和相對密度，材質一定時，孔徑小，厚度和相對密度大的多孔材料對火焰溫度衰減效果好；張巨峰等[36]通過測定甲烷爆炸過程導熱系數，對爆炸實驗模型三維結構進行微觀分析，在一定范圍內，多孔材料的孔徑越小，導熱系數越小，對甲烷爆炸的抑制作用越好；孫建華等[37]將金屬絲網體和碳化硅泡沫陶瓷同時使用，發現2種材料性能可以互補，增強抑爆效果，降低抑爆材料的耗損率，探究了泡沫鐵鎳材料對爆炸波和火焰波的影響，孔徑越小，厚度越大，含鎳成分越高則抑爆效果越好；聶百勝等[38]在方形試驗管道內研究了泡沫陶瓷對礦井瓦斯多次爆炸的阻隔作用；馬凱等[39]通過超景深三維數碼顯微系統量化爆炸過程中的器壁效應，結果顯示泡沫陶瓷具有特殊的三維空間結構，有利于瓦斯爆炸反應的斷鏈，銷毀自由基，從而終止瓦斯爆炸反應。以上研究主要從材料、結構尺寸、安裝因素、使用因素、改進試驗方法和抑爆機理等方面對多孔材料的阻隔爆性能進行了分析，發現多孔材料的孔徑大小對抑爆效果具有較大的影響。

3 抑爆機理

由于抑爆介質物化特性的不同，其抑爆機理主要有物理抑爆、化學抑爆和物理化學混合抑爆，其中，物理抑爆作用包括稀釋混合氣體中的氧濃度、材料自身吸熱分解、失去結晶水的吸熱過程和隔絕熱傳導4種；化學抑爆機理主要包括直接與鏈式反應中間基團發生反應和代替鏈式反應中間基團發生反應生成穩定產物2種。

4 結論與展望

1)目前瓦斯抑爆技術的有效性和可靠性主要取決于抑爆介質的物理化學性質、控爆空間幾何參數、爆炸特性參數和抑爆系統中爆炸探測方式等因素。抑爆材料種類和抑爆機理研究應主要考慮對混合氣體和工藝環境適用性以及控爆效率。

2)現有瓦斯抑爆研究方面，主要是通過對爆炸過程中的壓力變化、爆炸感應期、爆炸沖擊波、火焰傳播過程數據分析，判斷材料的抑爆性能，隨著抑爆研究的進一步發展，研究應更多地關注于抑爆過程的微觀特性，分析抑爆介質對瓦斯爆炸鏈-熱反應過程詳細信息特征和爆炸過程多場信息特征的影響，揭示抑爆介質的微觀作用機理，從而高效可靠地分析材料的抑爆性能。

3)國內外學者對惰性氣體、細水霧、氣溶膠、粉體、多孔材料等單一材料或同相復配材料的性能進行了實驗研究，這些材料對瓦斯爆炸均有一定的抑制作用，但受煤礦復雜環境影響，經濟條件制約，許多抑爆材料還無法應用到煤礦井下，因此，尋求1種多相復配的高效能、環保、經濟、適用于礦山實際應用領域的新型抑爆材料是現在抑爆領域的1個重要研究方向。

4)近年來，基于瓦斯爆炸鏈式反應理論，結合軟件模擬，材料的抑爆效能研究得到了發展，但深層控爆本質仍需進一步揭示，因此有必要分析瓦斯爆炸防控過程中鏈引發關鍵組分、鏈發展致災關鍵自由基以及瓦斯爆炸關鍵反應路徑的變化情況，綜合控爆機理將成為礦井瓦斯抑爆技術研究的另一個重要方向，為探尋新型抑爆材料提供更有力的理論支持。