刘瞰，贾真真，叶青
湖南科技大学，资源环境与安全工程学院，湖南湘潭
收稿日期：2023年12月20日：录用日期：2024年1月22日：发布日期：2024年1月29日
摘要
矿井瓦斯爆炸给煤矿生产带来严重的灾害和威胁，为了控制受限空间瓦斯爆炸的危险性和掌握瓦斯爆炸硕的研究成果.但是瓦斯爆炸事故时有发生，这也暴露了其研究和防治措施中存在的问题.为此，本文 传播规律及其破坏特征，国内外学者从理论、实验、数值模拟等方面对此进行了大量的研究，并获得丰特性及传播规律，指出当前存在的主要间题，研究结果表明：瓦斯爆炸机理、影响因素、爆炸破坏特性、 分析了瓦斯爆炸及其传播的影响因素，综合评述瓦斯爆炸研究方法与成果，分类分析瓦斯爆炸研究灾害传播特性等方面的研究很深入，并获得丰硕成果，部分理论成果已经成为瓦斯爆炸理论的一部分，但是在实验研究时不能同时综合实验测定多因素综合作用，很难测定多因素的协同效应和耦合作用，同时实验存在尺度效应等问题：在数值模拟分析过程中，通常都进行大量的假设和修正相应参数，同时，缺乏针对性的软件和模块.期望研究结果能为受限空间瓦斯爆炸及其灾害防治提供参考与依据.
关键词
瓦薪爆炸，受限空间，爆炸特性，影响因素，综述
ReviewontheCharacteristicsandResearch ProgressofGasExplosioninConfinedSpace
Tun Liu Zhenzhen Jia Qing Ye
School of Resources Environment and Safety Engineering Hunan University of Science and Technology Xiangtan Hunan
Receivedl: Dec. 20° 2023; accepted: Jan. 22”* 2024; published: Jan. 29° 2024
Abstract
Mine gas explosion has brought serious disasters and threats to coal mine production. In order to
文章引用：刘墩，贾真真，叶青，受限空间瓦斯爆炸特性及其研究进展评述[].矿山工程，2024，12[1):71-91. DOl: 10.12677/me.2024.121009
characteristics of gas explosion scholars at home and abroad have carried out a lot of research on control the risk of gas explosion in confined space and master the propagation law and damagethis from the aspects of theory experiment numerical simulation and so on and achieved fruitfulresearch results.However gas explosion accidents occur from time to time which also exposes the problems existing in its research and prevention measures. Therefore this paper analyzes theinfluencing factors of gas explosion and its propagation prehensively reviews the researchresearch results show that the research on gas explosion mechanism influencing factors explo- and propagation laws of gas explosion and points out the main problems existing at present. Thesion damage characteristics propagation characteristics and other aspects is very in-depth andHowever in theoretical analysis simplification and assumptions are often made and many in-fluencing factors are difficult to quantitatively describe and establish an effective multi factor coupling mathematical model; it is difficult to measure the synergistic effect and coupling effect ofmultiple factors and there are scale effects in the experiment; In the process of numerical simula-tion analysis a large number of assumptions and corresponding parameters are usually modified. Atsults can provide reference and basis for gas explosion and disaster prevention in confined space.
Keywords
Gas Explosion Confined Space Explosion Characteristics Influence Factor Overview
Copyright @ 2024 by author(s) and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).
1.引言
近年来，我国煤矿安全生产状况得到了显著改善，当前攻坚的重点主要是遇制重特大事故的发生，然而，近年来该类事故仍然时有发生，尤其是瓦斯爆炸事故，它导致巷道设备严重破坏和人员伤亡，造36人死亡，2014年安徽淮南东方煤矿发生瓦斯爆炸事故，造成27人死亡、1人受伤，2016年内蒙古赤峰宝马矿业有限责任公司发生瓦斯爆炸事故，造成32人死亡、20人受伤.2017年涟源市斗笠山祖保煤矿发生瓦斯爆炸事故，造成10人死亡、2人受伤.2019年山西平遥峰岩集团二亩沟煤业矿发生瓦斯爆炸事故，造成15人死亡、9人受伤.2020年淄安集团左权阜生煤业发生瓦斯爆炸事故，造成4人死亡、1人受伤.瓦斯爆炸灾害事故接连不断地发生，这与国家煤矿安全生产方针极不协调，因此瓦斯爆炸事故 的控制仍是重中之重.由于低浓度瓦斯具有易燃、易爆的特性，低浓度瓦斯在输送过程中，瓦斯输送管道静电火花、抽放管道中的碎石碰撞等因素会使整个输送管道系统中低浓度瓦斯处于非常危险的状态.山西、重庆、安徽、云南等省市矿区先后也发生了瓦斯抽放管道系统瓦斯爆炸事故，虽然没有造成严重的后果，但也为煤矿瓦斯抽采及利用工作敲响了警钟.所以煤矿瓦斯爆炸灾害预防是个技术难题，也是斯爆炸及其传插过程的热动力特性主要体现在瓦斯爆炸冲击波、火焰、高温高压的爆炸产物等，同时， 非常复杂的科学问题，它涉及到灾害动力学、构造力学、爆炸动力学、传热传质、热动力学等理论.瓦瓦斯爆炸热动力灾害体现在超压、冲量、高温等方面.瓦斯爆炸热动力灾害受到许多因素的影响，主要集中在不同条件下瓦斯爆炸特征参数、障碍物对瓦斯爆炸火焰和冲击波的加速作用、瓦斯爆炸条件（如瓦
斯浓度、温度、湿度、气体压力、悄性气体、点火能量和方式、空间结构、位置、传播距离等）对瓦斯爆炸特性的影响、能量的释放形式与释放量等[1]-[7]-为此国内外专家学者进行了深入研究并取得了丰硕的研究成果.Dezhi R[8]对瓦斯爆炸冲击波破坏地下设施情况进行系统评述.KaiYang[9]描述了密闭空间 瓦斯爆炸泄爆峰结构的分布特征，并分析不同因素对各种峰结构的影响，提出了一种定量评价影响因素和峰结构之间关系的方法.贾智伟[10]从火焰传播规律和冲击波传播规律两个方面总结煤矿瓦斯爆炸传播规律的研究进展.胡江慧[11]从不同环境条件、可燃气体等角度对瓦斯爆炸特性进行总结.张莉聪[12]分析说明了放置障碍物条件下瓦斯爆炸参数的研究现状.但国内外目前还没有专门针对受限空间瓦斯爆炸特性及其研究进展进行系统研究，因此本文对其进行综合评述，期望研究结果对煤矿瓦斯爆炸灾害防治、低浓度瓦斯输送与瓦斯爆炸能量的开发利用具有十分重要的现实意义和科研价值，同时研究成果对煤矿 井下瓦斯爆炸源、爆炸强度的确定和瓦斯爆炸事故调查能提供理论指导和技术依据，对丰富和完善瓦斯爆炸理论也将起到积极的促进作用.封闭空间瓦斯爆炸特性与开空间瓦斯爆炸特性存在差异，巷道（管道）瓦斯爆炸属于非常典型而又常见的受限空间瓦斯爆炸，本次研究集中分析巷道（管道）型受限空间瓦斯爆炸特性.
2.瓦斯浓度及充填量对受限空间瓦斯爆炸的影响
2.1.瓦斯浓度对受限空间瓦斯爆炸的影响
研究表明，不同的瓦斯浓度会形成不同的瓦斯爆炸表征参数，如瓦斯爆炸产生的冲击波超压、压力峰值增长变化率以及火焰速度.一般情况下，瓦斯爆炸极限是5%-16%，其当量浓度是9.5%.根据化学反应分析，浓度为9.5%的瓦斯与空气中的氧气完全燃烧[13]，能产生较高的热释放速率，产生最大的火 焰速度[14]和压力峰值[15][16]-恰好这时受限空间内的瓦斯浓度能与氧气完全燃烧，所以瓦斯爆炸得更加剧烈[17]，瓦斯浓度对瓦斯爆炸的影响还与管道长度有关.俏若管道长度不够长，瓦斯在层流燃烧阶段没有完全加速，不能产生爆轰，所以瓦斯浓度在当量浓度时的火焰速度与压力峰值比在其他浓度时都更小[18]，在瓦斯爆炸时，由于冲击波的作用，大量气体被冲击，部分气体被排除，浓度也发生变化，因此度对瓦斯爆炸的影响规律.徐景德[20]研究了浓度梯度和障碍物耦合作用对瓦斯爆炸的影响.任少云[21] 整个爆炸极限范围内甲烷浓度分布是不均匀的，简伟[19]通过模拟总结出横向和纵向两个方向瓦斯浓度梯考虑了瓦斯爆炸下限浓度梯度的影响.
综上所述，均匀分布瓦斯爆炸传播规律研究较为完善，且不同浓度梯度下非均匀分布瓦斯爆炸传播规律也陆续展开了研究，接下来将进一步研究关于全范围下浓度梯度对瓦斯爆炸特性的影响，如压升速率、冲击波速度等爆炸特征参数的研究仍存在空缺.
2.2.瓦斯充填量对受限空间瓦斯爆炸的影响
程中，火焰会传播至整个受限空间.然而现实情况下瓦斯一般不会在巷道内全部存在，火焰也很难在整 一般情况下在进行实验时，会让可燃气体与空气的预混气在整个实验管道内充满，在爆炸进行的过响.瓦斯爆炸火焰传播的最大距离叫做火焰区长度，增大瓦斯填充量，瓦斯填充区与火焰区长度的比值随之增大[27].WANG[22]进行了数值模拟，发现因为火焰前端预混气体的扩散效应，火焰区长度远大于瓦斯填充区长度并且增大瓦斯填充量，气体流动速度和爆炸压力随之增大.司荣军[28]在大型试验巷道进 行实验，探究瓦斯和煤尘气固两相爆炸传播特性中发现，当瓦斯填充量增大，瓦斯爆炸最大压力峰值绝对值也随之增大，且最大压力点距离爆源越近，同时瓦斯爆炸火焰传插速度增大，火焰速度最大点距离爆源越远.王东武[29]在独头巷道进行实验来探究瓦斯爆炸最大爆炸压力时空特性以及火焰速度变化特征
等规律，发现火焰传播长度和瓦斯填充量二者没有正相关关系.ZHANG[23][24][25]指出爆炸超压峰值在瓦斯填充区外达到最大值.前驱冲击波和高温流体的危害范围随瓦斯填充量的增大而增大.结构开口焰速度明显低于瓦斯填充区，且火焰区长度随瓦斯填充区长度的增大是呈指数关系增长，程方明[30]等进 处的动压取决于瓦斯填充量.瓦斯填充量越大，结构开口处的动压越高.PANG[26]则指出，火焰区的火行数值模拟后发现当增大瓦斯填充量到一定程度之后，瓦斯爆炸冲击波的强度会发生突增，最大爆炸冲量随之增大然后逐渐无明显变化-同时，瓦斯填充量也影响着瓦斯爆炸燃烧压力在巷道中的传播过程[31].能让瓦斯爆炸效应更加剧烈[32]. 高瓦斯矿发火区的瓦斯填充量很高，基于这种条件下压力增加、温度上升、产生的可燃气体浓度增大均
综上所述，首先目前瓦斯填充量对瓦斯爆炸的影响研究在巷道、管道实验及数值模拟方面均有开展，并取得一定成果.其次发现增大瓦斯填充量，爆炸冲击波破坏特征参数将发生突变，而这一突变的瓦斯填充量的区间范围受多种因素的影响，探究瓦斯填充量临界区间范围的影响因素及其影响规律可以成为下一步研究方向.
3.情性气体及多元可燃气体对受限空间瓦斯爆炸的影响
3.1.情性气体对受限空间瓦斯爆炸的影响
矿下空气中存在着许多种类的情性气体，学者们目前主要针对情性气体中的N、CO、HO对瓦斯爆炸的影响展开了大量的研究.MARIAM[33]探究了N对瓦斯爆炸特性的影响，发现N能显著影响瓦N以及CO对瓦斯燃烧的影响并分析了情性气体HO、N以及CO对瓦斯爆炸情化作用的化学动力学机 斯爆炸火焰，对瓦斯爆炸火焰传播过程起到了阻碍的作用.李成兵[34]进行了数值模拟探究情性气体H0、理.陈金健[35]进行试验来探究CO、N和N/CO对瓦斯爆炸的影响，得出以下结论，首先，情性气体的存在对瓦斯爆炸极限上下限的影响程度有所不同，对瓦斯爆炸下限的影响比爆炸上限更小，此外，加入情性气体会对瓦斯爆炸超压峰值产生影响，让瓦斯爆炸超压峰值有所下降-张迎新[36]通过实验的方法，此外，瓦斯浓度越高，N以及CO的抑制瓦斯爆炸的作用越明显.钱海林[37]探究了NCO两种组分情 发现增大情性气体N以及CO的体积分数可以显著降低瓦斯爆炸压力，同时让瓦斯爆炸效应的强度下降，性气体混合对瓦斯爆炸的影响，得出CO在混合气中所占比例越大，对瓦斯爆炸的抑制效果越好的结论.王华[38]进行实验后得出以下结论，首先，情性气体对瓦斯爆炸极限影响显著，愉性气体的存在能显著减小瓦斯爆炸极限范围，其次，情性气体种类不同，对瓦斯爆炸极限的影响也不同，CO对瓦斯爆炸极限的影响大于N对瓦斯爆炸极限的影响，所以CO抑制瓦斯爆炸的效果比N更好.
综上所述，情性气体有关CO、N的相关研究已经进行地比较充分，关于其它种类的情性气体对瓦斯爆炸的影响，需要进行更加深入的研究.
3.2.多元可燃气体对受限空间瓦斯爆炸的影响
井下煤自燃会产生许多可燃气体，此外瓦斯中除主要成分甲烷外也含有其他种类可以燃烧的气体.罗振敏[39]进行实验后发现多元可燃气体对瓦斯爆炸的影响与瓦斯的浓度有关.罗振敏[40]通过实验方法，来探究H、CO、CH和CH这4种矿井火区可燃气体混合对低浓度瓦斯爆炸的影响.罗振敏[41]进行了数值模拟来探究H、CO、CH和CH这4种气体混合的比例与初始温度对瓦斯爆炸的耦合作用.李秀芳[42]通过数值模拟后发现，CH对温度变化曲线斜率以及瓦斯爆炸超压峰值的影响最大，CH次 之，而瓦斯爆炸的相关特性受到CO以及H的影响最小.邓军[43]则探究了CH和CO对瓦斯爆炸的影响，发现提高CO的体积分数，瓦斯爆炸上限值随之提升，瓦斯爆炸下限值也随之提升，而提高CH的体积分数，瓦斯爆炸上限值随之提升，瓦斯爆炸下限值却随之下降，此外，CO能通过阻尼效应来消耗瓦
斯混合气体的能量.
综上所述，目前对于多元可燃气体对瓦斯爆炸的影响研究，主要集中在浓度保持不变的情况下瓦斯爆炸过程的传播，而较少考虑多元可燃气体种类、配比、浓度等多因素耦合作用对瓦斯爆炸的影响，今 后可往这方面进行研究.
4.环境条件对受限空间瓦斯爆炸的影响
4.1.环境温度对受限空间瓦斯爆炸的影响
性有所改变.黄子超[44]通过数值模拟发现升高环境温度，会使瓦斯爆炸反应速率变快，但瓦斯爆炸压力 由于煤矿开采深度加大及煤层自燃等因素会使得井下环境温度发生急剧变化，这会导致瓦斯爆炸特峰值会减小，原因是[45]初始温度对瓦斯爆炸的影响存在“竞争机制”：初始温度的升高降低了瓦斯初始密度，减小了爆炸能量，产生“抑制作用”：初始温度的升高同时提高了化学反应活化能，对爆炸过程有“促进作用”.而“抑制作用”占主导地位，因此随着初始温度的升高，爆炸压力会减小.此外，升高环境温度，瓦斯爆炸火焰温度升高，这是吸收了环境温度升高所带来的热量的缘故[46].ⅡIANG[47] 得出随初始温度的升高，火焰传播距离增大，但火焰传播速度逐渐减小.李润之[48]通过理论与实验结合的方式得出瓦斯爆炸峰值与温度的倒数是类似线性变化规律，而瓦斯爆炸最大压升速率和温度之间没有线性关系.高娜[49]认为温度升高，会使瓦斯进入爆炸反应阶段的速度加快.温度与其他影响因素耦合对瓦斯爆炸的影响也取得如下进展.白刚[50]进行实验后发现温度与CO耦合下，瓦斯爆炸极限范围变宽，进而瓦斯爆炸更易发生，更加危险.而耦合比单因素对爆炸极限的影响更大，尤其是对于爆炸上限.LUO增加.耦合条件下温度升高依然会加剧瓦斯爆炸的强度.高娜[52]则研究了温度与压力的耦合对瓦斯爆炸 [51]通过实验与模拟的方法发现在CO与温度双重影响因素耦合条件下添加CO，会使初始温度的敏感性的影响，罗振敏[41]通过实验与模拟结合的方式探究了温度、瓦斯浓度以及可燃气体浓度耦合对瓦斯爆炸的影响.
综上，学者们最开始是从温度对瓦斯爆炸危险度影响方面入手着重研究，随后得出不同温度下瓦斯爆炸特征参数的变化规律，目前温度对受限空间瓦斯爆炸影响研究已较为完善，当前研究方向是和其他 因素对瓦斯爆炸的耦合作用.
4.2.环境湿度对受限空间瓦斯爆炸的影响
环境湿度是指环境空气中水蒸气的含量，空气中的水蒸气能使瓦斯爆炸的压力特性下降，让瓦斯与空气的化学反应弱化，进而抑制瓦斯爆炸[53].李成兵[54]分析了水蒸气抑制瓦斯爆炸的原因.杨龙龙[55]进行了气体混合后湿度对瓦斯爆炸的影响的实验，实验结果表明，湿度与最大爆炸压升速率和最大爆炸压力具有一定线性关系，增大湿度，最大爆炸压升速率和最大爆炸压力均随之减小.谭汝始[56]则发现湿度对环氧丙烷爆炸特性的影响具有与瓦斯相同的规律.增大湿度也能缩小瓦斯爆炸极限的范围，这其中 有两点原因，其一，水吸收了空气中瓦斯爆炸所需的热量，其二，水的存在让瓦斯浓度降低，于是爆炸反应就要求更多的瓦斯气体参与[57].此外，司荣军[58]经过实验，发现在环境湿度较小时，增大湿度，含量在常温常压条件下较低，但高温高压条件下水蒸气含量会增加，不可忽略其对瓦斯爆炸的影响[55]，因此可进行高温高压下湿度对瓦斯爆炸的影响研究.
综上所述，湿度对瓦斯爆炸的影响多采用理论及实验的方法进行，今后可以进行数值模拟研究及尝试在软件开发湿度参数设置等来开展更多湿度与其他因素耦合作用的影响研究，并通过数值模拟与实验相互验证，使研究结果更加精确.
