DOI: 10. 11883/1001-1455 (2017)05-0906-07
张迎新，吴强，刘传海，江丙友，张保勇（1.黑龙江科技大学安全工程学院黑龙江哈尔滨150022：2.安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南232001）
摘要：为探究情性气体（N：和CO:）对瓦斯气体爆炸影响，采用中型尺寸瓦斯爆炸实验装置，在N：及CO体积分数为0%、9%、14%工况下开展了瓦斯爆炸实验研究，获取了N和CO对矿井瓦斯抑爆特性的影响规律，并针对瓦斯爆炸过程中情性气体N：和CO：对爆姓超压变化的影响及爆炸却制效果进行了对比分析.结果表明：随着初始混合气体中性气体N：或CO：含量的升高.瓦斯爆炸超压均明显降低，CO的抑 爆效果优于N；N和CO:对较高浓度瓦斯气的抑爆效果更为显著.
关键词：瓦斯爆炸：情性气体：抑爆：爆炸超压
中图分类号：O381：TD75 国标学科代码：13035 文赋标志响：A
瓦斯爆炸是煤矿安全的主要隐患，一旦发生，将造成大量的人员伤亡和巨大的经济损失，因此，对斯爆炸进行了大量的研究工作；另一方面，通过充注情性气体抑制矿井瓦斯爆炸的方法也一直备受关注.由于CO和N具有来源广、生产成本低等优势，因此，国内外学者普遍将其作为理想的情性气体应用于瓦斯爆炸抑制方面的研究.
丛北华等M.Bundy等研究了情性气体CO：N及三氟甲烷对爆炸火焰的抑制程度，得到了对瓦斯爆炸极限的影响，并利用实验证明了充注情性气体降低开采区氧气浓度的办法是切实可行的：周福宝等提出了采用含情性气体N三相泡沫抑制火源，从而预防瓦斯爆炸的新方法.然而，上述研究多集中于倍性气体对瓦斯爆炸火焰、爆炸极限及支链反应的抑制效果方面.本文中，通过研究情性气体N及CO对瓦斯爆炸超压变化的影响，得出N及CO对矿井瓦斯抑爆特性的影响规律，以期为增强 抑爆救灾能力提供相应的参考（
1实验系统与方法
1.1实验设备
火装置及数据采集装置构成，其中爆炸腔体参数为300mm×1500mm，容积为109L，安全系数为6. 瓦斯爆炸模拟实验系统如图1所示，该系统主要由爆炸腔体、扩散管路、抽真空装置、配气装置、点单个扩散管参数为必125mm×2200mm，安全系数为6.为实现爆炸腔体内配气、抽真空的需要，采用塑料薄膜将燃爆腔体与扩散管隔开并实现密封，扩散管路出口连接空气，内部充满空气，其初始状态为静止无素流，爆炸管为开口容器，图1中已注明各爆炸超压测点位置.
1.2实验材料
本实验瓦斯爆炸超压的采集精度为1Pa，反应时间为1ms：泄爆膜材料为聚四氟乙烯材质，实际厚
度为0.3mm，其爆破压力为90kPa；实验中所用情性气体CO和N的纯度均为99.99%.3种瓦斯气样G1、G2、G3的构成分别为：G1（7.00%CH 19. 53 % O;-73. 47 % N)、G2(9. 40% CH 19. 03 %O;71. 57 % N;)、G3 (10. 20% CH -18. 86 % O;70.94%N），其中数字表示相应组分的体积分数，气样均购置于哈尔滨通达特种气体有限公司.
1.3实验方法
本系列实验均在20℃、101.325kPa的条件下进行，主要步骤如下：（1）对测试系统进行调试和校准，并标定和安装压力传感器：（2）在实验装置中布气体：（4）将爆炸腔体抽真空至一0.1MPa，然后充 置点火头并进行封膜：（3）配制瓦斯-情性气体混合
图1瓦斯爆炸实验系统
人预配后的瓦斯-情性气体混合气体：（5）启动数据采集系统和瓦斯爆炸点火系统.
2实验结果与分析
2.1N，对瓦斯爆炸超压的影响
针对瓦斯气样G1、G2、G3，分别在工况1~工况3下开展了9组瓦斯爆炸实验，其瓦斯气体组分见表1.与工况1（未加人N）相比，工况2和工况3中原始瓦斯气样组分均发生了改变，其中CH、O：的浓度有所降低，N浓度升高.利用数据采集系统测量可得各测点处的瓦斯爆炸超压.
N抑制瓦斯爆炸的效果良好，如图2~4所示.设d为距点火端的水平距离，可以看出：当d<210cm 随着瓦斯气样G1~G3中注人N：体积分数的增加，各测点的瓦斯爆炸超压均有明显的下降，说明测点1处的超压值；当d=360~430cm时，瓦斯爆炸超压又逐渐降低，并最终达到最小值. 图3N;对瓦斯气样 G2 爆炸超压影响Fig. 3 Influence of N; on explosion overpressure of mine gas G2 图2 N:对瓦斯气样 G1 爆炸超压的影响Fig 2 Influence of N on explosion overpressure of mine gas G1 表1在气样G1、G2、G3充入不同比例N后瓦斯气体组分 Table 1 Gas position after filling different proportion of N; in samples G1 G2 G3 编号 工况1 工况2 工& 3G1 G2 7 00%(CH -19 535O -73 47% N; 9 40%CH -19 03%O -71 57% N; 6 42 %CH -17 92%O;-75 66 N; 8 62%CH -17 46%O -73 92%N; 6 14 %CH -17 13%O;-76 73%N; 8 25 %CH -16 55%O -75.20%N;G3 10. 20%CH-18. 84%O-70 94% N 9 36% CH -17 30% O-73 34 % N: 8 95 %CH-16 54%O-74.51%N: 与工况1下的瓦斯爆炸超压相比，瓦斯气样G1～G3各测点的瓦斯爆炸超压均在工况3条件下降至最低，其中气样G1的爆炸超压分别下降了17.84、55.55、39.36、45.15kPa，降幅分别为11.44%、126.45kPs，降幅分别为20.51%、90.54%、73.13%、97.40%，通过对爆炸超压值降低量及降幅的分析 为24.97%、54.01%、42.88%、52.13%：气样G3的瓦斯爆炸超压分别下降了29.56、130.95、98.91、可知，本实验体系中，N对气样G3爆炸的抑制效果最为明显. 图5为瓦斯气样G1~G3在工况2下的瓦斯爆炸超压曲线.从图5可以看出，当瓦斯气样中CH炸超压均有明显的上升.其中测点4（d=430cm） 浓度由7.00%提高到9.40%时，各测点处的瓦斯爆处超压值的增加量最大，其值为29.19kPa，升幅为32.01%；测点1（d=40cm）处超压值的增加量最小，其值为2.79kPa，升幅为1.83%.面当瓦斯气样中CH浓度为10.20%时，各测点处的瓦斯爆炸 超压均显著下降（相比于CH浓度为7.00%的情况）.其中测点2（d=210cm）处爆炸超压降低了15.90kPa，降幅为14.92%；测点3（距离点火端水平距离为 360 cm)处超压值降低 16.04 kPa 降幅为 11.44%.图6为瓦斯气样G1~G3在工况3下的瓦斯爆炸超压曲线.由图6可知，当瓦斯气样中 图4N:对瓦斯气样G3爆炸超压影响Fig. 4 Influence of N; on explosion overpressure of mine gas G3 中CH浓度为10.20%时，爆炸超压均显著下降. Fig 5 Explosion overpressure of mine gas in condition 2 图5工况2条件下瓦斯爆炸超压 Fig 6 Explosion overpressure of mine gas in condition 3 图6工况3条件下下瓦斯爆炸超压 分析认为，在工况2条件下，瓦斯气样G1、G2充人情性气体N后，CH，和O浓度受到的影响较度的提高，体系中O浓度相对较小，使反应中的O的体积分数减少，不能产生足够的0基，链式反应 人的性气体N量相对工况2更多，较显著地影响了CH及O的浓度；并且与G2相比，由于CH浓中有O：分子和O基参加的支链反应数目减少，从而导致瓦斯爆炸超压明显降低. 2.2CO：对瓦斯爆炸超压的影响 应用瓦斯气样G1、G2、G3，分别在工况1、工况4、工况5条件下开展9组瓦斯爆炸实验，加人CO 后瓦斯气体组分见表2.与工况1（未加人CO）条件下相比，工况4和工况5条件下，原始瓦斯气样不仅浓度发生了变化，其组分也由3种气体变成4种，并且CH、O、N：浓度均有所降低. 表2在气样G1、G2、G3充入不同比例CO后瓦斯气体组分 Table 2 Gas psition after filling different proportion of CO in mine gas G1 G2 G3 编号 工& 1 工况 4 工况5G1 7 00%CH -19 535O;- 6 42%CH -17 92%O -67 40% N- 6 14.% CH -17 13% O-64 45 %N-9 40(CH -19 03%O- 73 47%N 8 62%CH -17 465AO -65 66%N- 8 26CO; 8 25 %CH -16 S5%D;-62 92%N- 12 28%C);G2 10.20%CH -18 86%O 71. 57%N; 8.26%00; 12. 28%CO;G3 70 94% N 9 36%CH -17 30%O -65 08% N- 8 26CO; 8 95%CH -16 54% O-62. 23% N 12 28%CO; 随着瓦斯气样G1~G3中CO：体积分数的增加各测点的瓦斯爆炸超压均有明显的下降，说明CO抑制瓦斯爆炸的效果良好，如图7~9所示.瓦斯爆炸超压值随距点火端水平距离的变化规律与注人N的情况极其相似.与工况1条件下的瓦斯爆炸超压相比，瓦斯气样G1~G3各测点的瓦斯爆炸超压均在工况5下降至最低.其中气样G1的爆炸超压分别下降了27.45、54.60、55.03、73.78kPa，降 幅分别为17.60%、43.17%、37.28%、58.68%：气样G2的爆炸超压分别下降了27.56、99.36、64.37、113.53kPa，降幅分别为16.64%、58.80%、35.52%、66.43%：气样G3的爆炸超压分别下降了138.66、104.34、47.62、113.36kPa，降幅分别为96.20%、72.14%、35.21%、87.31%.通过对爆炸超压降低量及降幅分析可知，本实验中，CO：对瓦斯气样G3发生爆炸时的抑制效果最为明显. 图7CO对瓦斯气样G1爆炸超压的影响Fig 7 Influence of C(); on explosion overpressureof mine gas G1 图10给出了瓦斯气样G1~G3在工况4条件气样中CH浓度由7.00%增大到10.20%时，除测 下的瓦斯爆炸超压曲线.从图10可以看出，当瓦斯点3处瓦斯爆炸超压上升以外，其余各测点的爆炸超压均有明显的下降，与充人N（工况2）的作用效果不同，进一步证明了C0对瓦斯爆炸的抑制效果强于N：，该结论与文献[5]中结论相同.略有不同的是，文献[5]中主要研究N与CO混合气体对甲 烷爆炸的影响，面本文中则分别研究了情性气体N及CO对瓦斯爆炸超压的影响，所得数据更加直接，说服力更强. 图8CO：对瓦斯气样G2爆炸超压的影响 Fig. 8 Influence of CO; on explosion overpressureof mine gas G2 Fig. 9 Influence of CO; on explosion overpressureof mine gas G3 图9CO：对瓦斯气样G3爆炸超压的影响 图11为瓦斯气样G1~G3在工况5下的瓦斯爆炸超压曲线.可以看出：当瓦斯气样中CH浓度由7.00%提高到9.40%时，瓦斯爆炸超压均略有上升，但上升幅度远小于工况2中的情况；当瓦斯气样中CH浓度为10.20%时，除测点3外，瓦斯爆炸超压均明显下降，作用效果与工况2类似. 管壁和薄膜限制，冲击波发生反射和叠加，导致爆炸压力急刷上升；随着冲击波冲破薄膜向前移动，反射波能量的衰减大于前驱冲击波波阵面的能量增加，压力峰值呈现短暂的下降趋势；之后由于混合气体 不断燃烧释放热量，并且放热量大于与壁面接触损失的热量，压力峰值又逐渐增大：随后，压力峰值又表现出不同程度的衰减趋势，但衰减幅度相对较小. 图10工况4条件下C0;对瓦斯爆炸超压的影响Fig 10 Influence of CO; on explosion overpressurein condition 4 图11工况5条件下 CO;对瓦斯爆炸超压的影响Fig. 11 Influence of CO; on explosion overpressurein condition 5 2.3N及CO抑制瓦斯爆炸的机理分析 瓦斯爆炸是甲烷与氧剧烈氧化放热反应，是一种复杂的“热-链式”反应，其主要反应基元步为OHCHCHHO，HCHCHH，OCHOHCH.在瓦斯气体中充气体的浓度不足，不能产生足够的自由CH：基和H基，从面使反应链的数目减小，CH的氧化反应速率降低，爆炸反应不易发生.另外，情性气体充入瓦斯气体后，瓦斯气体中0的体积分数降低，使得单位体积反应物中O：分子数目的减小，同时也不能产生足够的0基，链式反应中有0分子和0基参加的支链反应数目减少，反应速率降低. 力下，三元碰撞频率高于二元碰撞频率，使支链反应的活化中心浓度大大降低，大量的自由基或自由原 根据现代燃烧学理论，情性气体分子可作为第三体参与链式反应中三元碰撞.在较大的爆炸压子的能量转移到情性气体分子上，系统反应能力降低，从而抑制爆炸传播.CO密度较N大，故当其参与三元碰撞时，自由基或自由原子所携带的能量更多转移到CO：分子上.此外，CO：还不同程度地参与其他链式反应，面N则完全不参与其他链式反应，导致二者的抑爆能力有所不同，具体来说，CO主要通过基元反应OHCOHCO参与链式反应，消耗大量的H自由基，同时生成大量的 CO，导致CH燃烧更加不完全放热量减少. 3结论 （1）本实验中，N：和CO：均对较高浓度瓦斯气抑爆效果更为显著. （2）与N：相比，CO：的抑爆性能更好，可使瓦斯爆炸超压显著降低，最大降幅可达96.20%. （3）在瓦斯气样中充注N或CO，可以降低反应物浓度，抑制自由基的解离，降低反应活化中心的浓度，从而降低瓦斯爆炸的剧烈强度.
