干水材料對瓦斯爆燃抑制的實驗研究*

陳先鋒，樊 傲，袁必和，廖若愚，何 松，代華明

（武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

根據(jù)統(tǒng)計，在煤礦事故中頂板事故發(fā)生的次數(shù)最多，約占總數(shù)的43%，其次為瓦斯煤塵爆炸事故，約占總數(shù)的20%[1]，但其造成的危害最大，死傷人數(shù)為各類煤礦災(zāi)害之首[2]。針對煤礦瓦斯事故頻發(fā)的現(xiàn)狀，科研人員開展了一系列的研究。如Shen 等[3]使用20 L 球形爆炸罐研究了甲烷-氫氣與空氣混合物的爆炸特性，發(fā)現(xiàn)加入氫氣會降低甲烷氣體的爆炸上限和下限，且甲烷氣體的最大爆炸壓力上升速率升高，氫氣還會加劇爆炸罐中的壓力聚集，提高混合體系的爆炸風(fēng)險和嚴(yán)重程度。Kundu 等[4]討論了甲烷燃燒爆炸過程的爆炸階段以及爆燃到爆轟的過渡階段，并介紹了不同模型中障礙物的位置和幾何形狀對地下礦井和管道中爆炸的影響，為甲烷爆炸實驗與模擬中的誤差來源提供了重要數(shù)據(jù)支撐。羅振敏等[5-7]對瓦斯爆炸傳播特性和抑制技術(shù)進(jìn)行了一系列的研究，利用自制的小型瓦斯爆炸實驗裝置研究初期火焰?zhèn)鞑ヌ匦裕炞C了系統(tǒng)的可行性，并探討了二氧化碳對甲烷爆炸的抑制機(jī)理；羅振敏等[5]還利用20 L近球形爆炸罐研究納米粉體對瓦斯爆炸的抑制作用，實驗結(jié)果表明納米級二氧化硅的抑爆效果要優(yōu)于微米粉體。畢明樹等[8]在自制的內(nèi)徑為68 mm、長為1 200 mm 的豎直管道中進(jìn)行細(xì)水霧對瓦斯爆炸抑制的研究，實驗結(jié)果顯示在細(xì)水霧含量較少時，細(xì)水霧對瓦斯的爆炸具有促進(jìn)作用，瓦斯最大爆炸壓力和最大爆炸壓力上升速率會有所升高，達(dá)到峰值的時間提前；而當(dāng)細(xì)水霧含量升高時，獲得比較明顯抑制效果，細(xì)水霧達(dá)到一定量時瓦斯不會被點燃。范寶春等[9]通過數(shù)值模擬分析研究惰性粉體對火焰和激波的抑制作用，結(jié)果表明在抑爆區(qū)中，當(dāng)惰性粉體質(zhì)量小于某一值時，增加抑爆區(qū)的長度不能有效地抑制爆炸波，只有惰性粉體顆粒質(zhì)量大于某一值時才能進(jìn)行有效地抑制。

干水材料在1968 年首次制成[10]，是將疏水型粉體與水溶液在高速剪切力的作用下混合，形成的疏水型粉體包裹液體的核殼結(jié)構(gòu)新型材料，外觀呈粉末狀，具有良好的流動性和分散性[11-12]，在化妝品、催化劑、鉆井液[13]、水合物儲氣[14]、滅火劑[15]等方面有較高的潛在應(yīng)用價值。由于干水材料由水溶液和疏水型粉體構(gòu)成，并且水和疏水型粉體均有抑爆作用[16]，所以干水材料同時具有水溶液和粉體抑爆的效果，有成為一種新型的抑爆劑的潛質(zhì)。本文中采用20 L 近球形爆炸裝置進(jìn)行甲烷氣體爆燃的抑制實驗，研究不同質(zhì)量、粒徑和類型的干水材料對甲烷氣體爆燃的抑制作用。通過分析爆燃特征曲線得到最大爆燃壓力、最大爆燃壓力上升速率和達(dá)到爆燃壓力峰值時間等參數(shù)表征干水材料的抑爆性能，以期對煤礦瓦斯爆炸的防治工作起到一定的作用。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗所用疏水型二氧化硅型號為AEROSIL R812S 的德固賽疏水型氣相二氧化硅（平均粒徑為7 nm），實驗所用磷酸二氫銨、聚磷酸銨、尿素均為國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供，實驗使用的壓縮氣體和甲烷氣體均來自武漢市翔云工貿(mào)有限責(zé)任公司，實驗所用去離子水為實驗室自制。

1.2 干水材料的制備

干水材料的制備步驟如下：用電子天平分別稱量9 g 疏水型氣相二氧化硅和100 g 去離子水，加入到料桶中混合，然后將攪拌轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到5 000 r/min 并啟動分散機(jī)，攪拌120 s 后得到干水材料。改性干水材料的制備參照普通干水的制備方法。在水中分別添加磷酸二氫銨、聚磷酸銨(ammonium polyphosphate, APP)、尿素改性劑，制備條件不變，實驗中控制水溶液的質(zhì)量和疏水型氣相二氧化硅的質(zhì)量比例不變。制備而得的粉體通過一系列不同篩孔的標(biāo)準(zhǔn)篩得到不同粒徑的干水材料。

1.3 粉體性能表征

1.3.1 流動性

實驗采用休止角法對粉體的流動性進(jìn)行測試。實驗步驟如下：如圖1 所示實驗平臺，調(diào)整漏斗位置，使漏嘴下端正對下部圓形平臺中心，然后將干水材料緩慢倒入漏斗中，直至堆積成圓錐體形狀，當(dāng)多余的干水材料從底部圓臺邊緣溢出時停止倒入，測出堆積所得圓錐體頂點到圓臺平面的高。實驗重復(fù)3 次，取平均值，休止角計算公式如下：

圖 1 休止角測試示意圖Fig. 1 The diagram of repose angle test

式中：θ 為休止角，（°）；h為堆積圓錐粉體高度，cm；r為底部圓盤直徑，cm。

1.3.2 穩(wěn)定性

實驗采用離心法對干水的穩(wěn)定性進(jìn)行測定。實驗步驟如下：稱取30 mL 的干水材料以及改性干水材料分別加入到離心管中，分別調(diào)節(jié)攪拌器的轉(zhuǎn)速為2 000、3 000 和4 000 r/min，在每個轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動5 min 后將離心管中的干水材料倒出，測量干水材料破裂后釋放出水的體積并記錄。

1.3.3 保水性

實驗采用靜置法，在鼓風(fēng)干燥箱中對干水材料的保水性進(jìn)行測量。實驗步驟如下：取5 g 的干水材料和改性干水材料分別裝入到直徑為50 mm 的坩堝中，然后將其放置在鼓風(fēng)干燥箱中，調(diào)節(jié)干燥箱溫度為20 ℃，每隔10 h 取出，測量質(zhì)量并記錄。

1.4 實驗裝置

實驗裝置如圖2 所示，由20 L 近球形爆炸罐、真空泵、儲粉罐、儲氣罐、電磁閥、高壓氣瓶、同步控制器等部件構(gòu)成，共有爆炸系統(tǒng)、噴粉系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)、清潔系統(tǒng)組成。

圖 2 實驗裝置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of experimental device

1.5 實驗步驟

如圖2 所示連接各個實驗裝置，對各個實驗裝置進(jìn)行調(diào)試，保證實驗系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作；用電子天平稱取不同質(zhì)量的干水材料，將干水材料裝入到儲粉罐中，關(guān)閉儲粉罐旋鈕，打開與儲氣罐相連的高壓空氣瓶，使儲氣罐中壓力為0.2 MPa，然后關(guān)閉高壓氣瓶；將點火能為1 J 的電化學(xué)點火藥頭綁在點火電極上，然后放入20 L 爆炸裝置中擰緊，再通過導(dǎo)線將點火電極與同步控制器相連；對20 L 爆炸裝置進(jìn)行抽真空，為-0.07 MPa 時；打開LFIX 混氣儀，按一定比例進(jìn)行配氣，將混氣儀器中氣體通入到20 L 爆炸裝置中，使爆炸裝置中的絕對壓強為0.006 MPa，然后關(guān)閉混氣儀閥門；打開同步控制器和數(shù)據(jù)采集儀開關(guān)，使數(shù)據(jù)采集儀處于等待觸發(fā)的狀態(tài)；按下點火開關(guān)，使實驗按照系統(tǒng)設(shè)定的順序進(jìn)行，待實驗完成后，斷開同步控制器開關(guān)，將壓力傳感器中的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)采集儀中儲存；清理爆炸裝置中的殘留粉體；按照上述步驟進(jìn)行下次實驗。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 干水材料的性能表征

干水材料的流動性和穩(wěn)定性測量實驗結(jié)果如表1 所示。

表 1 干水材料的流動性與離心測試結(jié)果Table 1 Flowability and centrifugal test results of dry water materials

從表1 可知，干水材料、磷酸二氫銨改性干水材料、聚磷酸銨改性干水材料、尿素改性干水材料的休止角分別為33.1°、34.9°、35.2°、34.4°，均小于40°，說明流動性良好。當(dāng)離心機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min 時，干水材料結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定未發(fā)生破裂，而隨著轉(zhuǎn)速的提高，破裂產(chǎn)生的水體積越多，當(dāng)離心機(jī)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時破裂生成水的體積約為11 mL，可以發(fā)現(xiàn)干水材料具有一定的穩(wěn)定性，但隨著離心轉(zhuǎn)速增大，有部分干水發(fā)生破裂，因此在存儲干水材料時要盡量避免干水材料發(fā)生擠壓和震動。

干水材料的保水性結(jié)果如圖3 所示，從圖中可以看出，干水材料在放置約170 h 后水分會完全蒸發(fā)，并且在含水量較高的初期，其蒸發(fā)速度要比含水量低時要快。

2.2 干水材料對甲烷氣體爆燃的抑制效果

圖 3 干水材料質(zhì)量變化圖Fig. 3 Mass variation diagram of dry water materials

2.2.1 甲烷氣體的爆燃特性及干水材料對甲烷氣體爆燃的抑制作用

圖4 為不同體積分?jǐn)?shù)的甲烷氣體的爆燃特性曲線，可以發(fā)現(xiàn)，在甲烷爆燃的過程中，隨著爆燃波的傳播，爆燃壓力先上升后下降。點火藥頭點火后，點燃部分氣體，溫度升高，形成一個高溫?zé)嵩矗藭r火焰呈球體形狀向四周擴(kuò)散，壓力值發(fā)生變化；由于甲烷氣體中發(fā)生自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，當(dāng)反應(yīng)速度加快時，壓力上升速率也越來也快，此時爆燃呈加速傳播趨勢，隨著反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，在自由基消耗后，反應(yīng)速度有所減慢，爆燃壓力達(dá)到峰值；最后由于體系中甲烷分子不足、氧氣減少和容器的器壁效應(yīng)等原因，使得爆燃的壓力開始下降。

根據(jù)圖4 可得，在甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%時，達(dá)到爆燃壓力峰值的時間最短，為0.14 s。不同體積分?jǐn)?shù)甲烷氣體最大爆燃壓力變化如圖5（a）所示和最大爆燃壓力上升速率變化如圖5（b）所示。可以看出，隨著預(yù)混氣體中甲烷體積分?jǐn)?shù)的增加，最大爆燃壓力和最大爆燃壓力上升速率均先上升后下降，在甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%時出現(xiàn)最大值，分別為0.77 MPa 和13.29 MPa/s。

圖 4 甲烷氣體爆燃特性曲線圖Fig. 4 Deflagration characteristic curves of methane gas

圖 5 不同體積分?jǐn)?shù)甲烷的最大爆燃壓力和最大爆燃壓力上升速率曲線圖Fig. 5 Maximum deflagration pressure and maximum deflagration pressure rising rate curves at different volume fractions of methane

根據(jù)可燃?xì)怏w爆炸理論[17]，當(dāng)碳?xì)浠衔锿耆紵龝r，即分子中的碳元素完全生成二氧化碳，分子中的氫元素完全生成水時，此時燃燒最快或最劇烈。在甲烷體積分?jǐn)?shù)較低時，甲烷燃燒速度慢，這是由于混合氣體中的氧氣還有富余，較高的氧氣含量使得更多甲烷氣體繼續(xù)完全燃燒，使反應(yīng)速度繼續(xù)加快；當(dāng)甲烷的體積分?jǐn)?shù)上升到當(dāng)量體積分?jǐn)?shù)時，甲烷氣體與氧氣恰好完全反應(yīng)，爆燃所產(chǎn)生的熱量最多，反應(yīng)最劇烈，因此所產(chǎn)生的超壓值和壓力上升速率也最大，達(dá)到爆燃壓力峰值的時間也最短；隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)上升，氧氣不足，部分碳與氧氣反應(yīng)生成一氧化碳，不能完全燃燒，因此最大爆燃壓力和最大爆燃壓力上升速率也減小。

為驗證干水材料對甲烷爆燃的抑制效果，并分析干水材料的抑爆機(jī)理，實驗選用原料二氧化硅與所制干水材料進(jìn)行對比分析。圖6 為當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%時，加入二氧化硅和干水材料后甲烷氣體的爆燃特性曲線。可以看出，加入二氧化硅和干水材料后，甲烷氣體的最大爆燃壓力分別下降到8.78和8.35 MPa。與無添加劑的甲烷爆燃相比，加入二氧化硅和干水材料后甲烷氣體的最大爆燃壓力分別下降了15.4%和29.1%，達(dá)到壓力峰值的時間從0.12 s 分別延長到0.16 s 和0.15 s。在甲烷發(fā)生爆燃的過程中，壓力變化趨勢相類似，壓力均在上升達(dá)到峰值后下降。加入二氧化硅和干水材料后，甲烷的最大爆燃壓力減小，達(dá)到壓力峰值的時間推遲。綜合比較，在本實驗條件下（延遲時間為5 s）干水材料的抑爆效果要優(yōu)于二氧化硅。

瓦斯爆炸的機(jī)理為熱爆炸理論和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理。

本文采用耐馳STA449F3 同步熱分析儀稱取7.38 mg 的干水材料進(jìn)行TG-DSC(thermogravimetrydifferential scanning calorimetry）分析，結(jié)果如圖7 所示，左側(cè)縱坐標(biāo)軸表示的是樣品歸一化質(zhì)量與溫度的變化曲線，右側(cè)縱坐標(biāo)軸表示的是樣品吸熱或放熱速率，單位為W/g。結(jié)果如圖7 所示。從40 ℃開始升溫時，干水材料發(fā)生分解，在106.62 ℃出現(xiàn)吸熱峰，在40 ℃～163.34 ℃共計失重為68.67%，主要是由于水的揮發(fā)，進(jìn)一步說明干水材料中的主要成分為水。

圖 6 添加抑爆劑后甲烷氣體爆燃特性曲線圖Fig. 6 Deflagration characteristic curves of methane gas after adding suppression agent

圖 7 干水材料TG-DSC 曲線圖Fig. 7 TG-DSC curves of dry water materials

放熱超過散熱是反應(yīng)自動加速的條件，熱爆炸理論的實質(zhì)就是在一定的條件下溫度、壓力及其他條件，反應(yīng)放熱速率超過熱損失速率，混合氣體形成熱積累而自動加熱，從而使反應(yīng)不斷地自動加速，直至達(dá)到爆炸。干水材料在高溫下釋放出水，由于水的比熱容較大，在受熱蒸發(fā)后能夠吸收大量的熱量，從而使系統(tǒng)冷卻降溫；水汽化所生成的水蒸汽稀釋燃燒區(qū)域的氧氣，使反應(yīng)速度減慢，最終達(dá)到抑爆的效果。

鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)是由單一的分子變化引起一系列分子連續(xù)反應(yīng)的反應(yīng)過程，其過程為可燃物質(zhì)吸收能量分解產(chǎn)生自由基，自由基與其他分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新的自由基從而引發(fā)一系列鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，并將燃燒熱進(jìn)行釋放，最終形成燃燒或爆炸。當(dāng)甲烷分子吸收一定的能量后，斷裂分解產(chǎn)生自由基，自由基具有較強的活性，通過鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不斷產(chǎn)生新的自由基并與氣體分子進(jìn)行反應(yīng)，體系能量不斷上升，最終發(fā)生爆炸。由于干水材料中的疏水型氣相二氧化硅是由二氧化硅經(jīng)由HMDS 有機(jī)改性處理后生成的，疏水型氣相二氧化硅的結(jié)構(gòu)[18]如圖8 所示，受熱后表面接枝的三甲基硅基會從疏水型氣相二氧化硅上分解[19]，生成二氧化硅和三甲基硅基。二氧化硅會繼續(xù)起到對甲烷爆燃的物理抑制，并且納米氣相二氧化硅粉體和參與自由基的碰撞，消耗了大量HO·和H·等自由基，使自由基的數(shù)量迅速下降，導(dǎo)致自由基的消耗速率大于增長速率，達(dá)到中斷爆燃鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的目的。

2.2.2 干水材料質(zhì)量對甲烷氣體爆燃抑制效果的影響

當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為8%時，添加粒徑為150～109 μm 的不同質(zhì)量干水材料，甲烷氣體爆燃特性曲線如圖9 所示。從圖9 中可以看出，當(dāng)添加的干水材料較少（2 g 和3 g），甲烷氣體的爆燃并沒有被抑制，最大爆燃壓力和最大爆燃壓力上升速率反而增高，在0.12 s 時達(dá)到了爆燃壓力的峰值，說明添加較少的干水材料對瓦斯爆燃有促進(jìn)作用。隨著添加干水材料質(zhì)量的增大（4 g），甲烷氣體的最大爆燃壓力和最大爆燃壓力上升速率降低至低于空爆情況下的數(shù)值，說明該質(zhì)量下的干水材料已經(jīng)起到了抑制作用，并且添加的干水材料的質(zhì)量越高時，對甲烷爆燃的抑制效果越好。

不同質(zhì)量干水材料對甲烷氣體最大爆燃壓力和最大爆燃壓力上升速率的影響分別如圖10 所示。當(dāng)添加的干水材料為2 g 時，對甲烷氣體爆燃的促進(jìn)效果最明顯，最大爆燃壓力和最大爆燃壓力上升速率均在甲烷體積分?jǐn)?shù)為8%時上升幅度最大，分別為42.5%和56.2%，最大爆燃壓力從0.73 MPa 上升到1.05 MPa，最大爆燃壓力上升速率從11.76 MPa/s 上升到18.37 MPa/s。當(dāng)添加的干水材料增加到3 g 時，對甲烷的促進(jìn)作用已經(jīng)明顯減弱，在甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%時最明顯，最大爆燃壓力從0.77 MPa 上升到0.82 MPa，最大爆燃壓力上升速率從13.29 MPa/s 上升到15.02 MPa/s。當(dāng)添加的干水材料質(zhì)量繼續(xù)增加到4 g 以上時，其對甲烷氣體產(chǎn)生抑爆作用。

圖 8 干水材料抑制甲烷氣體爆燃的原理圖Fig. 8 Schematic diagram of methane gas deflagration inhibition by dry water materials

圖 9 添加不同質(zhì)量干水材料后甲烷爆燃特性曲線圖Fig. 9 Deflagration characteristic curves of methane gas after adding different concentrations of dry water materials

圖 10 添加不同質(zhì)量干水材料時甲烷爆燃的最大爆燃壓力和最大爆燃壓力上升速率曲線圖Fig. 10 Methane deflagration curves of maximum deflagration pressure and maximum deflagration pressure rising rate after adding different concentrations of dry water materials

干水材料的質(zhì)量對甲烷氣體爆燃的促進(jìn)或抑制作用的影響：當(dāng)添加的干水材料較少時，參與抑制甲烷氣體爆燃的水較少，在高溫下水分子會發(fā)生分解，使體系中HO·和H·的自由基增多[20]，促進(jìn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行，因此甲烷氣體爆燃反應(yīng)變快。此外，懸浮的干水材料破裂后產(chǎn)生的水溶液可能會導(dǎo)致火焰峰面湍流化[21]，對甲烷爆燃有促進(jìn)作用。當(dāng)添加的干水材料增加到4 g 以上時，大量的水溶液汽化吸熱，開始對甲烷爆燃起到抑制的效果，并且添加的干水材料越多，對甲烷氣體爆燃的抑制效果越明顯。

2.2.3 干水材料粒徑對甲烷氣體爆燃抑制效果的影響

當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)9.5%時，添加質(zhì)量為4 g 的不同粒徑干水材料，甲烷氣體爆燃特性曲線如圖11 所示。從圖中可以看出，隨著添加的干水材料粒徑的減小，甲烷氣體的最大爆燃壓力有所降低，最大爆燃壓力上升速率明顯降低，當(dāng)干水材料的粒徑小于109 μm 時，達(dá)到爆燃壓力峰值的時間從0.12 s 升高到0.20 s。

不同粒徑的干水材料對甲烷最大爆燃壓力和最大爆燃壓力上升速率的影響如圖12 所示。當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%時，添加粒徑為250～150 μm、150～109 μm、小于109 μm 的干水材料對應(yīng)的最大爆燃壓力分別為0.69、0.65、0.61 MPa；添加粒徑為150～109 μm、小于109 μm 的干水材料相對于粒徑為250～150 μm 的干水材料，甲烷的最大爆燃壓力分別下降了4.7%和10.9%；其余濃度下甲烷氣體爆燃壓力降幅也不超過10%。可以看出，干水材料粒徑對甲烷氣體的最大爆燃壓力影響較小。相較于甲烷氣體的最大爆燃壓力，干水材料的粒徑可以顯著影響最大爆燃壓力上升速率。當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為6.5% 時，添加粒徑為250～150 μm、150～109 μm、小于109 μm 的干水材料對應(yīng)的最大爆燃壓力上升速率分別為5.58、4.58、3.52 MPa/s，添加粒徑為150～109 μm、小于109 μm 的干水材料的甲烷最大爆燃壓力上升速率相對添加粒徑為250～150 μm 的干水材料分別降低了17.9%和36.9%。實驗結(jié)果表明：干水材料的粒徑越小對甲烷空氣爆燃反應(yīng)的抑制效果越明顯。

圖 11 添加不同粒徑干水材料甲烷氣體爆燃特性曲線圖Fig. 11 Deflagration characteristic curves of methane gas after adding different sizes of dry water materials

圖 12 添加不同粒徑干水材料后甲烷爆燃的最大爆燃壓力和最大爆燃壓力上升速率曲線圖Fig. 12 Methane deflagration curves of maximum deflagration pressure and maximum deflagration pressure rising rate after adding different sizes of dry water materials

干水材料粒徑的變化對甲烷氣體爆燃抑制效果的影響機(jī)理：干水材料（視為制備所得理想狀態(tài)下的干水材料，下同）粒徑的減小主要體現(xiàn)在作為芯材的球形水溶液粒徑會減小，因此球形水溶液的表面積也會減小，表面作為壁材用來包裹芯材的疏水型氣相二氧化硅含量也會相應(yīng)的減少，但相對于單個大粒徑干水材料，單個小粒徑干水材料中水溶液與疏水二氧化硅的質(zhì)量比要稍大，所以在添加相同質(zhì)量的干水材料時，小粒徑的干水材料所含水溶液的質(zhì)量要高于大粒徑的干水材料。由于小粒徑的干水材料所含水溶液的質(zhì)量較高，在爆燃過程中吸收的熱量也更多，因此添加小粒徑的干水材料后甲烷的最大爆燃壓力比添加大粒徑的干水材料要低一些，但由于粒徑的減小對干水材料中水溶液與疏水二氧化硅的質(zhì)量比影響較小，在宏觀上表現(xiàn)出最大爆燃壓力的降低幅度也不大。

2.2.4 改性干水材料對甲烷氣體爆燃抑制效果的影響

當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%時，分別添加粒徑為150～109 μm、質(zhì)量為4 g 的普通干水材料、聚磷酸銨改性干水材料、磷酸二氫銨改性干水材料、尿素改性干水材料（改性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為10%），甲烷氣體爆燃特性曲線如圖13 所示。從圖13 中可以看出，在對干水材料進(jìn)行改性處理后，改性干水材料降低了甲烷氣體的最大爆燃壓力和最大爆燃壓力上升速率，且抑制效果要比普通干水材料更明顯。聚磷酸銨改性干水材料、磷酸二氫銨改性干水材料、尿素改性干水材料分別使達(dá)到甲烷氣體爆燃壓力峰值的時間從空爆的0.12 s 提升到0.21、0.23、0.25 s。初步判斷3 種改性干水材料對甲烷氣體爆燃抑制效果從強到弱的順序為尿素改性干水材料、磷酸二氫銨改性干水材料、聚磷酸銨改性干水材料。

不同的改性干水材料對甲烷最大爆燃壓力和最大爆燃壓力上升速率的影響如圖14 所示。從加入改性干水材料后甲烷氣體最大爆燃壓力的變化可得，當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)從6.5%上升到11%時，聚磷酸銨改性干水材料、磷酸二氫銨改性干水材料、尿素改性干水材料對甲烷氣體爆燃的抑制效果從強到弱的順序為尿素改性干水材料、磷酸二氫銨改性干水材料、聚磷酸銨改性干水材料。

圖 13 添加不同改性干水材料甲烷氣體爆燃特性曲線圖Fig. 13 Deflagration characteristic curves of methane gas after adding different modified dry water materials

圖 14 添加不同改性干水材料后甲烷爆燃的最大爆燃壓力和最大爆燃壓力上升速率曲線圖Fig. 14 Methane deflagration curves of maximum deflagration pressure and maximum deflagration pressure rising rate after adding different modified dry water materials

2.2.5 不同改性劑含量的干水材料對甲烷空氣爆燃抑制效果的影響

當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%時，添加粒徑為150～109 μm、質(zhì)量為4 g 的含有不同改性劑含量（10%、20%、30%）的聚磷酸銨改性干水材料、磷酸二氫銨改性干水材料、尿素改性干水材料對甲烷氣體爆燃特性曲線如圖15 所示。從圖15 中可以看出，添加改性干水材料的質(zhì)量為4 g 時，隨著改性劑含量的提高，甲烷氣體最大爆燃壓力和最大爆燃壓力上升速率均增大，改性干水材料的抑制效果逐漸下降。當(dāng)改性劑含量增加到30%時，添加聚磷酸銨改性干水材料、磷酸二氫銨改性干水材料、尿素改性干水材料后甲烷氣體爆燃達(dá)到壓力峰值的時間由0.21、0.23 和0.25 s 分別下降到0.20、0.19 和0.22 s。

圖 15 添加不同含量聚磷酸銨改性干水、磷酸二氫銨改性干水尿素改性干水的甲烷氣體爆燃特性曲線Fig. 15 Deflagration characteristic curves of methane gas after adding different concentrations of ammonium polyphosphate modified dry water, ammonium dihydrogen phosphate modified dry water and urea modified dry water

當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)為9.5%時，聚磷酸銨改性干水材料、磷酸二氫銨改性干水材料、尿素改性干水材料中改性劑含量變化對甲烷氣體最大爆燃壓力和最大爆燃壓力上升速率的影響如表2所示。

從表2 可以得出，磷酸二氫銨的含量變化對甲烷氣體爆燃抑制效果影響最大，當(dāng)磷酸二氫銨含量提高到30%時，最大爆燃壓力從0.28 MPa提高到0.50 MPa，最大爆燃壓力上升速率從3.13 MPa/s 提高到7.10 MPa/s；尿素改性劑含量變化對甲烷氣體爆燃抑制效果影響最小，當(dāng)尿素含量提高到30%時，最大爆燃壓力從0.20 MPa提高到0.29 MPa，最大爆燃壓力上升速率從2.00 MPa/s 提高到2.67 MPa/s。

改性劑含量的升高對甲烷氣體爆燃抑制效果變差的可能原因如下：由于添加的改性干水材料質(zhì)量較低（4 g）時，改性劑含量的升高使干水材料中水的含量下降，而在水的含量比較少時水分子的分解使體系中HO·、H·、O·自由基增多，加劇了爆燃反應(yīng)的進(jìn)行。此時由于少部分水分解出自由基后對甲烷爆燃的促進(jìn)效果要高于改性劑含量提高后的抑制效果，因此在改性劑含量升高時改性干水材料抑爆效果變差。

表 2 改性劑含量對甲烷氣體爆燃特性參數(shù)的影響Table 2 Effect of modifier concentration on deflagration characteristic parameters of methane gas

3 結(jié) 論

（1）對比研究干水材料和純二氧化硅對甲烷氣體爆燃的抑制效果，實驗表明在本文的實驗條件下（爆燃延遲時間5 s），干水材料的抑制效果要優(yōu)于二氧化硅。

（2）添加較低質(zhì)量（小于4 g）的干水材料會促進(jìn)甲烷的爆燃反應(yīng)，添加較高質(zhì)量（大于4 g）的干水材料會抑制甲烷爆燃，且抑制效果隨著質(zhì)量的提高而增強；干水材料的粒徑變化對最大爆燃壓力影響不大，而對最大爆燃壓力上升速率產(chǎn)生顯著影響；在干水材料中添加不同改性劑時，最好抑制效果為尿素改性的干水材料，且改性劑的含量對甲烷爆燃的抑制效果也有一定的影響。

（3）干水材料的特殊結(jié)構(gòu)使其在抑制礦井瓦斯爆炸中具有潛在的應(yīng)用價值，隨著相關(guān)技術(shù)及理論的發(fā)展，干水材料將會在煤礦安全領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。