文章编号：1004-5309（2021)-0063-17DO1; 10. 3969/j. issn. 1004-5309 2021. 02. 01
陈硕，路长12，苏振国，孟琪，刘金刚
（1.河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地，焦作，454003；2.河南理工大学提炭安全生产与请亮效利用省部共建协闻创新中心，焦作.454003)
摘要：针对瓦斯爆炸事数在矿并开采中的尼害及防治：从爆炸发展规律和爆炸防治两大方面对国内外瓦斯爆炸研完状况进行了综合评述.国内外学者通过理论法、实验法、数值模拟法对民斯爆炸进行研究，民斯爆炸发展观律方 面的研究涉及到瓦斯瑶炸的机理、瓦斯组分及浓度对爆炸发展规律的影响、爆炸发生的条件及危害、爆炸过程中的燃选阶段变化及流体流动执办变化、爆炸特征参量随阶段变化的规律等.瓦斯爆炸防治方面的研究涉及到四种防治方法、分别是抑爆、阻爆、泄爆、隔爆，四种方法的研完内容有交叉重合部分且每种方法都有其优势和不足、不明方法组合的栖合效果优于其单独作用.最后，对瓦斯爆炸相关领残的未来研究进行了晨望.
关键调：瓦斯爆炸：塔炸规律：防治：煤炸压力：火路传福速度
中图分类号：X932 文献标识码：A
生产的重大威胁.根据“煤矿安全网”快报提供的中 国煤矿事故情况，笔者整理了近三年国内煤矿瓦斯爆炸事故统计，详见表1.
0引言
当前我国经济高速发展，新能源开发随科技进步显著提高，但还不能完全替代传统能源，对煤炭能源的需求量还是只增不减.通过国家统计局发布的 《中华人民共和国2019年国民经济和社会发展统计公报3显示，全国原煤产量完成38.5亿吨，同比增长4.0%.可见，我国能源最主要的依靠就是煤炭.虽然有越来越多的煤矿企业投人生产，但是由于我国煤层自然赋存条件复杂多变，煤矿开采的煤层大层透气性差、地质构造复杂，瓦斯抽采困难，因此容 多属于石炭二叠纪的煤层，其媒层中瓦斯含量大、煤易诱导瓦斯事故发生，瓦斯事故主要包括瓦斯突出和瓦斯爆炸两类，其中，瓦斯爆炸事故是我国煤矿事故中最严重的灾害事故之一（煤矿常见五大自然灾害：煤尘、瓦斯、火灾、水灾、冒顶），是矿井安全
事故发生往往不是单因素作用的结果，如：瓦斯爆炸一般会引发其他事故，该连锁反应引起很多学者关注，裴蓓等就瓦斯爆炸产生冲击波诱导沉积 煤尘爆炸展开多角度探索.陈志峰等对瓦斯爆炸产生冲击波对通风设施的破坏特性展开研究，对煤矿中各类事故的频繁发生，杨前意等就瓦斯爆炸诱导煤尘爆炸的因素展开研究.国家安监总局根据是特别重大事故、重大事故、较大事故、一般事故. 灾害事故严重程度对事故做出明确等级划分，分别
瓦斯爆炸事故严重制约着我国煤矿安全和生产发展，基于此学者们在诸多方面开展研究工作并取得重大成果，为安全生产提供理论指导和技术支持.笔者通过阅读大量国内外瓦斯爆炸方面的文献，发
理论法、实验法、数值模拟法，这三种方法各有利，toReaGas、FLUENT、PHOENICS、CHEMKIN、 是爆炸发展规律和爆炸防治.研究方法大体可分为散化形式相关，目前，常用的数值模拟软件有Au-量受实验条件限制；数值模拟法不受实验条件限制，结果得出速度较快，但容易因边界条件限制不足导
现目前该方面研究工作主要从两大角度开展，分别致分析结果产生偏差，所得结果和精度也和结构离特别是后两种方法在研究中相对来说使用较多，实FLACS、FDS等，实验法和数值模拟法结合可以验法直观性强，但成本高，周期长，安全性差，工况数优势互补，拓宽研究广度和深度.下面，本文将从爆炸发展规律和爆炸防治两方面结合不同研究方法展开叙述.
表1近三年中国煤矿瓦斯爆炸事故统计smaf aa sed a u r u se soxa se a eo po sss1 a1
日期 事政简况2020-10-20 山西溶安集团左权阜生煤业井下发生瓦斯爆炸事故造成4人遇难、1人受伤2019-09-28 2019-11-18 山西平遥二亩淘煤矿发生瓦斯爆炸事故造成15人退难、9人受伤 徐矿集团新经赛尔能源有限公司三矿发生瓦斯爆炸事故造成4人死亡、1人受伤2019-07-31 贵州省毕节市亮岩镇大树煤矿发生疑似瓦斯爆炸事故造成7人遇难、1人受伤2019-03-15 山西省阳泉市平定县古州东升阳胜煤业发生瓦斯爆炸事故，造成2人死亡2018-12-24 陕西省延安市华龙煤业公可贯屯煤矿发生瓦斯爆炸事故，造成5人苑亡2018-10-25 四川内江市双鹰煤炭有限公司老鹰岩井发生瓦斯爆炸事故，造成4人死亡、2人受伤2018-10-10 吉林省桦甸市兴样煤矿井下发生瓦斯爆炸事故，造成3人死亡、1人失踪2018-10-01 翼中能源张矿集团宣东煤矿发生瓦斯爆炸事故，造成4人受伤2018-01-23 黑龙江省双鸭山市宝山区一煤矿发生爆炸事故，伤亡不明2017-09-13 黑龙江省鸡东县裕晨煤矿发生瓦斯爆炸事故，造成9人遇难2017-02-27 贵州水城矿业股份有限公司大河边煤矿发生瓦斯爆炸事故，造成7人死亡、11人受伤 湖南省娄底链源市斗笠山镇祖保煤矿发生爆炸事故，造成8人死亡、3人失踪2017-02-14
出浓度越接近化学当量浓度，最大爆炸压力和爆炸压升速率越大，爆炸区域内温度峰值越高，压力峰值出现时间越短；火焰传播速度变化由爆炸压力变化率随瓦斯浓度增大而增大，除此之外，彭飞等、 导致：爆炸感应期内光亮度的最大值、平均值、变化路长等郑立刚等在甲烷和空气预混气中掺入不同种类气体进行爆炸规律研究，潘尚昆等周宁等[贾宝山等Khokhlov等单独研究等[2]、陈东梁[、Niu等、王燕等[从瓦斯爆炸 瓦斯组分中其他气体成分的爆炸特性景国勋诱导煤尘爆炸角度出发研究瓦斯煤尘耦合作用下的爆炸特性.多角度研究瓦斯爆炸发展规律为有效抑制爆炸提供了重要理论依据，同时也使得其本身更具有现实意义.
1瓦斯爆炸发展规律研究现状
1.1瓦斯爆炸基础知识
1.1.1瓦斯组分及浓度对爆炼规律的影响
古代植物中的纤维素和有机质在厌氧菌分解作用下会形成瓦斯，堆积成煤的同时，瓦斯在高温、高压环境作用下还会继续不断生成，在瓦斯爆炸事故中，瓦斯作为可燃气体，其主要成分是烷烃，其中还有HS、CO：、N：、水蒸气和微量情性气体，如 CH占比最多CHCH、CH少量存在，此外He、Ar等.瓦斯中占比最多的CH：常以游离和吸附两种状态存在于煤层中，且属于易燃易爆气体，所以瓦斯爆炸可近似看成是甲烷燃烧爆炸，对瓦斯爆炸的研究也往往简化为甲烷爆炸.余明高等、 赵军凯等李树刚等尉存娟和谭迎新王亚磊等通过对比不同浓度甲烷爆炸传播特性，得
1.1.2瓦斯爆炸条件及产生危害
瓦斯爆炸属于可燃气体爆炸范畴，其实质是系
统本身能量借助气体急剧膨胀面转化为对周边介质式中：V为反应容器体积，m；p为可燃混合气体密学反应.因此，瓦斯爆炸发生也需满足可燃气体爆统升温速率，K/ms；Q，为单位质量混合气体反应炸三要素，即：可燃物、助燃物、点火源.瓦斯浓度的爆炸极限一般在5%~16%（7%~8%时最容易引燃），爆炸感应期随瓦斯浓度的增加面缩短，当浓度低于5%时，遇到火源不发生爆炸但能在火焰外围 形成燃烧层：当浓度为9.5%时，爆炸威力最大（此时瓦斯和氧气完全反应）：当浓度在16%以上时，失去爆炸性，但在空气中遇到火源仍会燃烧.但是，瓦斯爆炸极限并不恒定，还受初始温度、初始压力、情 性介质、点火能量、环境空间大小等因素影响.氧气浓度一般不低于12%，一般来说，矿井下氧气浓度满足爆炸条件，主要还看瓦斯浓度和点火源条件.点火源种类很多，常见的有明火、电火花、摩擦火花、0.28mJ.引燃时间不能低于点火感应期）.点火 自然火源等，瓦斯引燃所需的最小能量为源温度一般情况下为650℃～750℃，该范围还受度等因素影响. 瓦斯浓度、火源性质、混合气体压力、环境温度和湿
做功，同时伴随发光、放热和声响的剧烈高速燃烧化度，kg/m²：C，为等容热容，J/（kgK）；dT/d为系热，J/kg：W，为可燃混合气体化学反应速率，kg/（m²s）：F为反应容器表面积，m²；a为环境和容器间的对流换热系数，J/（m”sK）；T为反应混度，K. 合物的环境温度，K：T为反应混合物的时温
链式反应理论认为：爆炸过程包含多个支链的快速连锁反应，该反应主要包含三个过程，即：链引发、链传递、链终止.链引发是指可燃物和助燃物在一定能量作用下反应，发生分子内化学键断裂 生成多个较为活跃自由基的过程，在该过程中初始点火能和压力越高，产生自由基的速度越快，宏观表现就是化学反应速率加快：链传递是指反应中活跃自由基与分子间作用发生旧自由基消耗和新自由基生成的过程，在该过程中如果旧自由基消耗速度小 于新自由基的生成速度，则活跃自由基浓度会逐渐升高，反应速度加快，形成链分支；链终止是指自由基与反应器壁碰撞或自由基间相互碰撞过程中能量被释放，消耗自由基速度大于生成自由基速度的 过程.
瓦斯爆炸产生的危害主要表现在以下四个方面，分别是：（1）使温度急剧升高，继面造成矿井内人员烧死烧伤，同时还可能引起矿井火灾：（2）产生很强的冲击波，对人造成很强的冲击作用，同时还有可 能扬起巷道沉积煤尘使之参与爆炸继而引发连续爆炸；（3）产生大量有毒气体，其中主要是CO，人吸人后短时间内会中毒死亡：（4）破坏通风系统，通风素乱会导致灾情迅速扩大和波及井下其他区域使得煤矿井下巷道内因缺乏新鲜风流使人缺氧和中毒， 此外还可能破坏运输系统和各类设施，诱发巷道冒顶继而造成更大危害.
瓦斯爆炸是一种“热一链”反应，因为瓦斯组分复杂且主要以甲烷为主，故瓦斯爆炸的反应方程式通常简单表示为甲烷/空气的反应方程式，见式(2):
(2)
上式是化学总反应方程式，实际瓦斯爆炸反应由很多基元反应构成，过程复杂多变.在总式中，很难直观、清晰地看到爆炸过程组成成分、化学反应速 率、能量的变化规律，只有从微观角度出发研究瓦斯爆炸过程才能更为详尽地揭示其发展规律，目前.对于瓦斯爆炸机理认可度比较高的是其包含53种组分、325个基元反应.细化研究瓦斯爆炸化学反治手段提供坚实的理论依据.在得到详尽化学反应 应步骤可以更清楚地认识爆炸规律，为后续研究防机理后，为了简化数值模拟研究中的工作量，减少成本，学者们开始寻找爆炸过程中对反应动力学特征影响较大的反应步骤.其中梁运铸、高娜等 贾宝山等基于敏感性分析方法，分析了GRIMech3.0中基元反应的动力学特征，得到瓦斯爆炸反应链中相对来说比较关键的基元反应步骤，详见
1.1.3瓦斯爆炸机理
是热爆炸理论和链式反应理论.热爆炸理论认为： 目前针对瓦斯爆炸的理论很多，认可度较高的爆炸过程是放热因素和散热因素共同作用的刷烈化学反应，放热和散热往往通过吸热速率和散热速率产生热量大于向外界散失热量，用速率表征就是吸 表征.若反应体系中放热因素占主导地位，即反应热速率大于散热速率，则体系能量逐渐积累，温度逐渐升高，化学反应速度加快：反之，则温度降低，反应速度减慢.谢苗诺夫对以上内容进行归纳总结，得到式（1）：
=VQsWs-aF（T-T_）（1)
表2瓦斯爆炸化学反应详组机理中的关键反应Table 2 The key reactions in the detailed mechanism of coal mine gas explosion
基元反应编号 反应式 基元反应编号 反应式R32 O; CH;OHO; HCO R119 R155 HO;CH ==OHCH:OR53 R38 HCH CH H; O;H==OOH R156 CH O;==OHCH:O CH;HO; CH;OOHR57 H CH O( M)==CH O( M) R158 2CH ( M) C H ( M)R98 CH OHH OCH R161 CH CH O==HCOCH R101 OHCH;OHCO H;O R170 O CH;O==HO CH;OR116 2HO H O O;
度是指火焰前锋沿着火焰法向方向相对于未燃可燃混合气推进的速度，火焰速度测量方法有测量系统 测速、粒子图像测速（PIV法）和高速摄影技术记录相临两个探头之间火焰前锋传播的平均速度，通常法是能在瞬态记录下二维流场速度分布信息，高精 度地体现流场空间结构和流动特性，广泛适用于计算这段时间火焰传播平均速度v，因为时间很短可 近似等于这段时间内某时刻的瞬时速度，但是这种方法很难对火焰传插规律进行量化，通过”v"图像可得最大火焰传播速度以及火焰传播加速度的发展变化趋势.
瓦斯火焰传播特征测速，测量系统测速是计算可以采用离子电流、光电转化等方法实现[.PIV算流体速度的非接触式测试技术方法，高速摄影技术可直接观测火焰的传播规律，利用爆炸过程中火焰传播距离x和走过这段距离所用时间r，求
表2.目前，比较常用的简化机理有：14组分28步机理等. 反应机理、9组分6步反应机理、17组分58步反应
1.2瓦斯爆炸中涉及的特征参量
对于管道内瓦斯爆炸的研究分析主要从以下几个方面展开，即火焰阵面形态变化、火焰传播速度变 化、火焰传播加速度变化、管道内爆炸超压变化、爆炸压升速率变化、爆炸区域内温度变化、爆炸温升速率变化、爆炸极限、爆炸指数、自燃点等方面.
1.2.1爆炸火焰阵面形态
速摄影法或纹影和阴影法进行火焰形态变化过程记 瓦斯爆炸时火焰阵面形态的变化，通常采用高录.高速摄影最早应用于火焰阵面观测，是可以把高速运动发展规律进行有效记录的一种方式和研究示肉眼捕捉不到的瞬时状态，纹影和阴影法可以拍 方法.该方法可以把火焰快速传播动作放慢从而显摄肉眼看不到的气流形态，其原理是利用气流对光波的扰动将不可能被肉眼看到的气流转化为可视图像.这两种技术经常被用于记录和分析爆炸过程中研究不同当量比甲烷/空气预混气在小型长方形实 火焰形态变化规律，宋小雷等借助高速纹影技术验管道内传播过程中的结构与参数变化特征，管道中烷烃类气体具有特殊胞状结构，后来Searby 和Rochwerger认为胞状火焰产生的原因是流场中声波扰动，Lee和Tsai通过对火焰阵面形态的研究，将其分为蘑菇形火焰和郁金香火焰.此外，火焰厚度以及火焰颜色变化也是实验分析中不可忽略 的部分.
1.2.3爆炸超压及压升速率
瓦斯爆炸时管道内爆炸超压的变化.爆炸超压是爆炸研究中经常被关注的特征参量，超压指爆轰波阵面上压力与大气压之间的压力差.压力分为正压和负压，正压对人体和建筑物等伤害严重，一般只考虑正压作用，对负压很少研究.实验中，通过压力 传感器、采集卡、电脑等进行数据采集，将压力信号转化为电信号传输到电脑中已经编写好的程序内进行计算和储存，后期通过数据处理软件，如Origin，Excel等处理并绘制出压力p随时间r的变化趋势图像或压力随传播距离x的变化趋势图像.在"p-” 和"p-z"图中可直观看到压力峰值位置、达到峰值所需时间、最大爆炸压力等，通过”p-r"图上各点切线斜率变化情况，还能得出压升速率dp/d变化趋
1.2.2爆炸火焰传播速度及加逸度
瓦斯爆炸时火焰传播速度的变化，火焰传播速
势，进面得到最大压升速率.
1.2.4爆炸火焰温度及温升速率
瓦斯爆炸时爆炸区域内的温度变化.爆炸过程中动量变化可以通过火焰传播速度特征参量表征出来，组分场的变化可以通过链式反应微观分析研究，而能量变化最直观的就是通过温度直观显示.实验中，选用精度较高的微细热电偶对爆炸区域内温度 变化进行测量记录，得到温度丁随时间：的变化曲线从而得出最高和最低温度.通过“T-r”图像上各点切线斜率可得温升速率dT/dz变化趋势，进面得爆炸火焰传播压力与温度特性的研究得出火焰温度 到最大温升速率，王秋红等通过对管道内瓦斯峰值随瓦斯体积分数增加呈现先增加后减小的变化趋势，且管道内上部燃烧剧烈程度比下部大，下部火焰温度峰值与瓦斯体积分数呈4次函数关系.除此之外，也有学者认为燃烧过程中除了放热还会发光， 光带走的部分能量没有用于升温.因此，学者们认为爆炸反应发出的光子数量和波长直接影响着火焰温度，并在这方面开展大量实验研究.
1.2.5可燃物爆炸根限
均匀混合后的浓度在一定范围内遇到明火发生爆 可燃物爆炸极限指的是可燃物质和空气或氧气炸，该范围即爆炸极限，通常用百分数（%）表示，也有用单位体积可燃物质量（g/m²或者mg/L）表示.爆炸极限分为爆炸上限（UEL）和爆炸下限（LEL），通常1mol有机可燃气体可利用经验公式，即：根据 其所需氧原子物质的量估算有机物的爆炸上限和下限，详见式（3）和式（4）：
X =4.764式中：Xm.为可燃气体爆炸上限，%；X为可燃氧原子的物质的量，mol. 气体爆炸下限，%；n为1mol可燃气完全燃烧所需
根据可燃气体在空气中完全燃烧时的化学当量浓度估算有机物的爆炸上限和下限，详见式（5）和式（6），此方法适用以饱和烃为主的有机可燃气体.
式中：c为可燃气在空气中完全燃烧对应的化学计量浓度，L/mol.
单一燃料在空气中的爆炸极限还能根据燃料的
(3)
(4)
(5)
(6)
闪点进行估算，详见式（7）.
1.2.6爆炸指数
式中：X为可燃气的爆炸极限，%；P，为燃料闪点下的饱和蒸气压，Pa：P为总压力，Pa
对于两种或两种以上的可燃气体混合物，计算各组分气体的爆炸下限（或上限）和在混合气体中的 爆炸上限和下限可利用“莱-夏特尔”公式估算，根据体积分数求得混合气体的爆炸下限（或上限），详见式（8），此方法也适用含有情性气体的可燃气体混合气爆炸极限的计算.
式中：X为混合气体的爆炸极限，%；P，为可燃气体占总可燃气的体积分数，%：X.为混合气体中各组分的爆炸极限，%.
除上述谈及的爆炸极限计算方法外，还有很多极限计算方法，不同方法得到的结果相差不大.经过学者们大量的实验研究和经验总结，得出生活中常见的可燃气体爆炸极限，详见表3.
表3常见可燃气体的爆炸极限
Table 3 Explosion limits of mon flammable gases
气体名称 可燃气体爆 可燃气体爆化学分子式 炸下限（%) 炸上限（%）甲烷 乙烷 CH 5 0 15.5 15 0乙烯 CH C; H 3 0 2 7 36 0乙炔 CH 2.5 82.0丙烷 丙烯 CH C H 2 1 2 0 11. 1 9 5T烷 C H 1 9 8.5氢气 H 4 0 75 0一氧化碳 硫化氢 H;S 0 12.5 4 3 74 2 45 5氨气 NH 15 7 27. 4
定浓度反应物爆炸特性的各种数量值，其中，K是 爆炸指数K是在1m²容器内，按规定测得一由容器体积V和最大爆炸压升速率（dp/d）n共同影响的，其关系可以表示为式（9）：
(7)
×100%(8)
