礦井煤塵爆炸及抑爆技術的研究現狀及發展趨勢

杜雙利，張 玉，張 歡，3，秦宇輝，陶文飛

（1.太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024； 2.華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000； 3.山西煤炭進出口集團有限公司，山西 太原 030006）

據統計，我國具有煤塵爆炸危險的煤礦高達60%以上。眾所周知的1942年本溪煤礦煤塵爆炸，死亡1 549人、受傷246人；1993年10月18日，徐州市煤炭工業公司大劉煤礦發生了一起重大煤塵爆炸事故，造成40人死亡、4人受傷；2021年12月15時，黑龍江加格達奇區發生一起煤塵閃爆事故，造成4人重傷、4人輕傷。以上數據表明，近幾年發生的煤塵爆炸事故死亡和受傷人數雖然明顯減少，但仍有發生，煤塵爆炸的相關研究工作仍然迫在眉睫。本文從煤塵爆炸機理、爆炸特性、爆炸傳播規律以及抑爆技術四個方面對現有成果進行總結，以期為抑爆材料的開發提供新的研究思路。

1 煤塵爆炸特性研究

煤塵爆炸特性是從數值上對煤塵爆炸生成及發展過程中的各項物理指標進行表征[1-3]。目前，國內外學者主要是從實驗和數值模擬的角度研究瓦斯含量、煤塵粒度、濃度以及揮發分等對煤塵爆炸極限氧濃度、爆炸壓力以及壓力上升速率等的影響。

Wang Yan等[4-5]通過實驗方法研究發現煤粉中添加甲烷能提高煤塵的爆炸壓力，且甲烷煤塵混合爆炸壓力隨煤塵和甲烷濃度的增加均呈現先增后降的趨勢。李潤之等[6-7]采用20 L球形爆炸裝置測試系統研究發現，瓦斯參與下的煤塵爆炸下限隨瓦斯濃度的增加而減小，且瓦斯濃度存在臨界點。王博等[8-9]通過數值模擬研究得出，煤塵最大爆炸壓力隨著煤塵粒徑的減小而變大。裴蓓等[10]通過實驗發現煤塵的爆炸壓力和超壓上升速率隨著甲烷分數的增加而增大。屈姣等[11]通過Godbert-Greenwald加熱爐和20 L近球形爆炸裝置研究發現，褐煤煤云層的最低著火溫度隨煤塵粒徑的減小而減小，褐煤—空氣最大爆炸壓力隨著點火時間延遲的增大先增大后減小。Liu Qingming等[12]通過實驗發現煤塵爆炸裝置與煤粉粒度和煤塵濃度密切相關，且不同煤塵的最佳爆炸濃度為370～480 g/m3。Li Qingzhao等[13]通過20 L球形爆炸裝置實驗發現，CH4、空氣、煤塵混合物的爆炸參數（如爆炸超壓和超壓上升速率）隨混合物中甲烷含量的增加呈現先增大后減小的趨勢，且在甲烷體積分數為0.1%時出現峰值。Ajrash等[14]通過實驗研究發現，提高點火能量能顯著增大甲烷、煤塵混合物的壓力波。近年來，煤塵爆炸特性研究方面取得了豐碩的成果，但還需對多因素及特殊環境下的煤塵爆炸特性進行深入研究，且現有研究仍無法從本質上揭示煤塵爆炸的致災過程，還未形成完整的理論框架，仍需大量工作。

2 煤塵爆炸機理研究

煤塵爆炸過程涉及復雜的物理、化學、動力學及熱力學變化等。國內外學者主要是通過各種實驗分析表征儀器分析爆炸過程中各物種的變化情況，進而對爆炸機理進行推測[15-17]。宋春香等[18-20]的研究結果表明，煤質成分對煤塵爆炸有顯著影響，煤塵爆炸最大壓力及最大壓力上升速率均隨著揮發分含量的升高而增大。來誠鋒等[21]認為，煤塵爆炸實質上是氣體爆炸，且煤粉爆炸強度隨著煤粉末揮發分含量的增高而增強。李延鴻[22]認為，煤塵受熱后，表面能量增加，其表面的分子由于熱解或干餾作用變成氣體分散在煤塵周圍，與空氣形成爆炸性氣體，從而發火燃燒，燃燒產生熱能，使煤塵產生更多的氣體，如此循環反復。司榮軍等[23-24]認為，煤塵爆炸鏈式反應的關鍵在于強的自由基，而強的自由基是由于熱反應產生，因此，熱反應和鏈式反應共同作用下導致了煤塵爆炸。冷杰宣等[25〗認為，當溫度達到300～400 ℃時，煤的表面通過干餾析出可燃性氣體（甲烷、乙烷等烷烴類化合物以及氫等可燃性氣體），這些可燃性氣體與空氣混合燃燒放熱，形成活化中心，當能量達到一定程度后，引發鏈反應，產生大量自由基，形成了粒塵的閃燃，閃燃釋放的熱量傳給鄰近的煤塵，燃燒范圍逐漸增大，一定臨界條件下燃燒轉變為爆炸。煤塵非均相著火機理如圖1所示。

圖1 煤塵非均相著火機理示意Fig.1 Diagram of coal dust heterogeneous ignition mechanism

針對異常復雜的煤塵爆炸過程，實驗手段由于風險高、投入大以及周期長等缺點，科研工作者又將目光轉向了計算模擬。錢亞男[26]指出反應分子動力學和密度泛函理論相結合，不僅可以得到爆炸過程可能存在的反應路徑，還可以精確獲得各路徑的動力學和熱力學參數，是揭示煤塵爆炸微觀反應機理的新途徑。盧楠等[27]通過量子化學計算方法對煤結構中模型分子的局部片段進行了研究，結果表明煤塵的化學結構對自由基的生成更有利，更容易引發鏈式反應，從分子的角度闡明了瓦斯煤塵爆炸過程中煤塵引爆瓦斯的機理。

目前，盡管國內外專家在煤塵爆炸機理方面展開了大量工作，但對于復雜的瓦斯煤塵爆炸鏈式反應機理及中間產物的研究非常缺乏。此外，現有成果對煤塵二次爆炸以及揚塵方面的機理研究甚少，尚未形成完整的理論框架。因此，采用分子模擬方法從微觀角度進一步研究煤塵爆炸機理是安全領域的一個重要研究方向。

3 煤塵爆炸傳播規律研究

煤塵爆炸的范圍對礦井設施及礦井人員生命安全至關重要，煤塵爆炸火焰和沖擊波傳播特性是體現煤塵爆炸強度的重要參數[28-31]。景國勛等[32]通過爆炸腔體和方形斷面管道實驗發現爆炸火焰區的傳播距離比原始煤塵積聚區長度長。李雨成等[33]采用小尺度玻璃管實驗裝置研究發現低變質煤塵爆炸的持續時間長，傳播距離遠。Liu Yi等[34]的實驗研究發現瓦斯可以明顯提高煤塵爆炸的火焰傳播速度和最高火焰溫度。劉義[35]通過實驗分析得出，在一定的濃度范圍內，煤塵爆炸過程中甲烷和煤塵中揮發分含量越多、煤塵粒徑越小，復合火焰的傳播速度越快。此外，甲烷煤塵混合爆炸的火焰結構呈“月牙—S—下凹月牙—指尖”形狀（圖2）。

圖2 甲烷煤塵混合爆炸火焰結構特征Fig.2 Flame characteristics of methane-coal dust explosion

Cao Weiguo等[36]為揭示煤塵爆炸過程中火焰傳播行為和熱輻射效應，通過實驗和數值模擬的方法對半封閉垂直燃燒管中的煤塵爆炸現象展開研究，結果表明煤塵中揮發分含量越高，火焰傳播得更快，溫度也更高。趙懿明等[37]通過實驗研究發現，火焰傳播距離、傳播速度隨著點火能量的增大而變遠、變快。段新偉等[38]利用半封閉垂直管道爆炸裝置研究了瓦斯煤塵混合爆炸火焰傳播規律，發現煤塵的加入顯著增大了瓦斯爆炸的火焰傳播速度，且煤塵質量濃度和瓦斯體積分數存在最佳配比，偏離這個配比，火焰傳播速度下降。牛宜輝[39]采用實驗和數值模擬的方法研究發現，角聯管網中瓦斯參與的煤塵爆炸產生的火焰傳播速度更快、持續時間更長且波及范圍更廣。景國勛等[40]發現障礙物誘導的湍流區可以促進火焰的傳播，因而顯著提高了瓦斯煤塵的火焰傳播速度。

綜上所述，目前對煤塵爆炸傳播規律的研究已開展了大量的工作，且成果豐富，為煤塵爆炸的防治打下了良好的基礎。但目前大多實驗在模擬管道中進行，與實際礦井在空間尺度以及環境等方面存在差異，實驗得出的結論如何在實際礦井中能夠發揮作用，還有待繼續深入研究。

4 煤塵爆炸抑爆技術研究

煤塵抑爆技術根據其作用機理可分為物理抑爆、化學抑爆和物理化學抑爆。物理抑爆是指通過添加物稀釋氧濃度、隔絕熱傳導以及失去結晶水吸熱等方式抑制煤塵爆炸傳播（如SiO2、巖粉）。化學抑爆是指通過吸收爆炸過程中的中間體和自由基達到抑爆的目的（如NaCl、KCl）。物理化學抑爆則指的是通過物理抑爆和化學抑爆相結合的方式阻止煤塵爆炸（如ABC粉、NaHCO3）。近年來，關于煤塵抑爆劑的研究有了長足的發展。

劉建國[41]根據煤塵爆炸機理，提出可通過5種方式抑爆（圖3）。①通過噴灑抑塵劑、水等方式抑制煤塵發展為煤塵云；②通過吸收外界熱量（如噴灑吸熱型粉體抑爆劑）使得煤塵云無法析出大量的揮發性氣體而抑爆；③通過控制井下明火阻止煤塵被點燃；④通過控制第1次爆炸產生的熱量傳播阻止煤塵第2次爆炸（如懸掛隔爆水棚）；⑤通過對爆炸產生沖擊波的控制使得粉塵云無法形成而抑爆。

圖3 井下煤塵抑爆途徑Fig.3 Coal dust suppression approach

余明高等[42]通過實驗手段研究了改性高嶺土對瓦斯—煤塵爆炸的影響，發現改性高嶺土不僅改善了高嶺土的團聚現象，同時提升了高嶺土的熱解與抑爆性能。Song Yifan等[43]在研究巖粉對沉積煤塵與瓦斯混合爆炸的影響中發現，巖粉粒徑越小，對爆炸抑制作用越明顯。Wang Huangxiang等[44]通過數值模擬方法建立了惰性粉末抑制煤塵爆炸的數學模型。Aazm等[45]通過實驗方法研究了粉塵粒徑和濃度與惰化用巖粉之間的關系，結果表明煤塵粒徑越小、巖粉粒徑越大，煤塵爆炸所需的惰化用巖粉的比例就越大。李杰[46]對CO2—超細水霧的抑爆機理研究發現，通過CO2的稀釋和超細水霧限制煤塵揮發分的析出，從而達到降低煤塵爆炸強度的效果。王相[47]通過實驗方法制備了碳酸氫鈉—貝殼粉復合抑爆劑，并對不同揮發分含量煤塵的抑爆機制進行了研究，結果發現惰性粉體對低揮發分煤塵抑制效果較好，而活性抑爆劑對高揮發分煤塵的抑制效果更好。李振峰等[48]通過研究細水霧對煤塵爆炸的抑制作用發現，細水霧作用下，煤塵火焰傳播速度減小、火焰溫度降低。陳彪等[49]通過實驗發現，超細水霧可以使瓦斯煤塵復合爆炸超壓上升速度減慢，且煤塵濃度的增加使水霧的臨界抑爆濃度先增后減。黃子超[50]基于雙紫外爆炸信息感光技術，研制了適用于煤塵爆炸的主動抑爆減災系統。李孝斌等[51]采用改進的20 L球形爆炸裝置（圖4）建立了尿素抑制甲烷爆炸的宏觀爆炸特性與微觀反應機理之間的關系，為煤塵抑爆技術的發展提供了新的方

圖4 改進的20 L球形爆炸裝置Fig.4 20 L spherical explosive device

向。

目前，由于成本、應用效果以及政策等原因，我國對煤塵爆炸的控制措施仍以懸掛隔爆水袋、沙袋和灑水等為主，不僅浪費了大量水資源，而且抑爆效果有限。因此，研發價格低廉、效果顯著、使用便捷的煤塵抑爆材料是當前急需開展的工作。

5 結語

（1）現有煤塵爆炸特性研究仍無法從本質上揭示煤塵爆炸的致災過程，還未形成完整的理論框架，需結合爆炸機理，建立煤塵宏觀爆炸特性與微觀反應機理之間的聯系。此外，需對多因素和特殊環境下的煤塵爆炸特性進行深入研究。

（2）目前，關于煤塵爆炸鏈式反應過程中化學鍵和中間產物變化規律的研究較少，缺乏復雜煤塵爆炸的全景式分子作用機制；此外，現有成果對煤塵二次爆炸以及揚塵方面的機理研究甚少，需借助反應分子動力學和量子化學計算方法，從分子層面揭示煤塵爆炸微觀反應機理。

（3）煤塵爆炸傳播規律的研究大多在模擬管道中進行，如何將實驗得到的結論更好地應用于實際礦井環境亟須進一步研究；此外，多因素耦合作用（如高溫、氣體參與及沖擊波等）下的傳播規律尚缺乏系統性研究。

（4）研發價格低廉、效果顯著、使用便捷的煤塵抑爆材料是當前急需開展的工作。然而，煤塵爆炸的抑爆過程也極其復雜，需從本質上明確抑爆材料的作用機理，才能有針對性地為新型高效抑爆材料的研發提供理論基礎。