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^[1]，因此，对瓦斯爆炸抑制技术的研究具有重要意义。目前，研究者已经对水雾^[2]、惰性气体^[3-6]、泡沫陶瓷^[7-8]、粉体抑制剂(KHCO₃、NaHCO₃、Na₂CO₃、NH₄H₂PO₄、KCl、NaCl、CaCO₃、CO(NH)₂、SiO₂)等^[9-11]抑制瓦斯爆炸进行了大量的研究工作; 另一方面，通过充注惰性气体抑制矿井瓦斯爆炸的方法也一直备受关注^[12]。由于CO₂和N₂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惰性气体应用于瓦斯爆炸抑制方面的研究。

丛北华等^[6]、M.Bundy等^[13]研究了惰性气体CO₂、N₂及三氟甲烷对爆炸火焰的抑制程度，得到了惰性气体抑制火焰的临界体积分数; 刘玉泉等^[3]、邓军等^[4]、邱雁等^[14]通过充注CO₂、N₂研究惰性气体对瓦斯爆炸极限的影响，并利用实验证明了充注惰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^[15]提出了采用含惰性气体N₂三相泡沫抑制火源，从而预防瓦斯爆炸的新方法。然而，上述研究多集中于惰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，通过研究惰性气体N₂及CO₂对瓦斯爆炸超压变化的影响，得出N₂及CO₂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^[16-17]。

1.   实验系统与方法

1.1   实验设备

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、点火装置及数据采集装置构成，其中爆炸腔体参数为 $\emptyset$ 300mm×1500mm，容积为109L，安全系数为6。单个扩散管参数为$\emptyset$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紊流，爆炸管为开口容器。图 1中已注明各爆炸超压测点位置。

图  1  瓦斯爆炸实验系统

Figure  1.  Experimental device of mine explosion

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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; 实验中所用惰性气体CO₂和N₂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%CH₄-19.53%O₂-73.47%N₂)、G2(9.40%CH₄-19.03%O₂-71.57%N₂)、G3(10.20%CH₄-18.86%O₂-70.94%N₂)，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)在实验装置中布置点火头并进行封膜; (3)配制瓦斯-惰性气体混合气体; (4)将爆炸腔体抽真空至-0.1MPa，然后充入预配后的瓦斯-惰性气体混合气体; (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

2.1   N₂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(未加入N₂)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CH₄、O₂的浓度有所降低，N₂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。

表  1  在气样G1、G2、G3充入不同比例N₂后瓦斯气体组分

Table  1.  Gas composition after filling different proportion of N₂ in samples G1, G2, G3

编号	工况1	工况2	工况3
G1	7.00%CH4-19.53%O2-73.47%N2	6.42%CH4-17.92%O2-75.66%N2	6.14%CH4-17.13%O2-76.73%N2
G2	9.40%CH4-19.03%O2-71.57%N2	8.62%CH4-17.46%O2-73.92%N2	8.25%CH4-16.55%O2-75.20%N2
G3	10.20%CH4-18.86%O2-70.94%N2	9.36%CH4-17.30%O2-73.34%N2	8.95%CH4-16.54%O2-74.51%N2

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随着瓦斯气样G1~G3中注入N₂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N₂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时，瓦斯爆炸超压逐渐降低; d=210~360cm为瓦斯爆炸波传播段，爆炸超压值逐渐增强，但始终低于测点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  2  N₂对瓦斯气样G1爆炸超压的影响

Figure  2.  Influence of N₂ on explosion overpressure of mine gas G1

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图  3  N₂对瓦斯气样G2爆炸超压影响

Figure  3.  Influence of N₂ on explosion overpressure of mine gas G2

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图  4  N₂对瓦斯气样G3爆炸超压影响

Figure  4.  Influence of N₂ on explosion overpressure of mine gas G3

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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%、43.91%、26.67%、35.91%;气样G2的爆炸超压分别下降了41.37、91.27、77.71、89.09kPa，降幅分别为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、126.45kPa，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可知，本实验体系中，N₂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CH₄浓度由7.00%提高到9.40%时，各测点处的瓦斯爆炸超压均有明显的上升。其中测点4(d=430cm)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%。而当瓦斯气样中CH₄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CH₄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360cm)处超压值降低16.04kPa，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CH₄浓度由7.00%提高到9.40%时，除测点2外，瓦斯爆炸超压均有下降，但降幅较小; 但当瓦斯气样中CH₄浓度为10.20%时，爆炸超压均显著下降。

图  5  工况2条件下瓦斯爆炸超压

Figure  5.  Explosion overpressure of mine gas in condition 2

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图  6  工况3条件下下瓦斯爆炸超压

Figure  6.  Explosion overpressure of mine gas in condition 3

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分析认为，在工况2条件下，瓦斯气样G1、G2充入惰性气体N₂后，CH₄和O₂浓度受到的影响较小，CH₄与O₂等反应物仍处于较活跃的氧化反应体系中，链式反应中仍有充足的O₂分子和O基参加，因此瓦斯爆炸超压不降反升。而在工况3条件下，瓦斯爆炸超压除测点2外均下降，主要原因是注入的惰性气体N₂量相对工况2更多，较显著地影响了CH₄及O₂的浓度; 并且与G2相比，由于CH₄浓度的提高，体系中O₂浓度相对较小，使反应中的O₂的体积分数减少，不能产生足够的O基，链式反应中有O₂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。

2.2   CO₂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，加入CO₂后瓦斯气体组分见表 2。与工况1(未加入CO₂)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CH₄、O₂、N₂浓度均有所降低。

表  2  在气样G1、G2、G3充入不同比例CO₂后瓦斯气体组分

Table  2.  Gas composition after filling different proportion of CO₂ in mine gas G1, G2, G3

编号	工况1	工况4	工况5
G1	7.00%CH4-19.53%O2-73.47%N2	6.42%CH4-17.92%O2-67.40%N2-8.26%CO2	6.14%CH4-17.13%O2-64.45%N2-12.28%CO2
G2	9.40%CH4-19.03%O2-71.57%N2	8.62%CH4-17.46%O2-65.66%N2-8.26%CO2	8.25%CH4-16.55%O2-62.92%N2-12.28%CO2
G3	10.20%CH4-18.86%O2-70.94%N2	9.36%CH4-17.30%O2-65.08%N2-8.26%CO2	8.95%CH4-16.54%O2-62.23%N2-12.28%CO2

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随着瓦斯气样G1~G3中CO₂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CO₂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入N₂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，CO₂对瓦斯气样G3发生爆炸时的抑制效果最为明显。

图  7  CO₂对瓦斯气样G1爆炸超压的影响

Figure  7.  Influence of CO₂ on explosion overpressure of mine gas G1

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图  8  CO₂对瓦斯气样G2爆炸超压的影响

Figure  8.  Influence of CO₂ on explosion overpressure of mine gas G2

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图  9  CO₂对瓦斯气样G3爆炸超压的影响

Figure  9.  Influence of CO₂ on explosion overpressure of mine gas G3

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图 10给出了瓦斯气样G1~G3在工况4条件下的瓦斯爆炸超压曲线。从图 10可以看出，当瓦斯气样中CH₄浓度由7.00%增大到10.20%时，除测点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，与充入N₂(工况2)的作用效果不同，进一步证明了CO₂对瓦斯爆炸的抑制效果强于N₂，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N₂与CO₂混合气体对甲烷爆炸的影响，而本文中则分别研究了惰性气体N₂及CO₂对瓦斯爆炸超压的影响，所得数据更加直接，说服力更强。

图  10  工况4条件下CO₂对瓦斯爆炸超压的影响

Figure  10.  Influence of CO₂ on explosion overpressure in condition 4

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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CH₄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CH₄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。

图  11  工况5条件下CO₂对瓦斯爆炸超压的影响

Figure  11.  Influence of CO₂ on explosion overpressure in condition 5

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本实验中，瓦斯爆炸超压峰值在爆源点相对较高，随后逐渐下降，然后在沿管道传播过程中逐渐增大，之后又开始下降。主要原因如下：点火源引爆瓦斯后，在爆源点附近形成球面波，在向前传播时受到管壁和薄膜限制，冲击波发生反射和叠加，导致爆炸压力急剧上升; 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。

2.3   N₂及CO₂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^[18]，是一种复杂的“热-链式”反应，其主要反应基元步为^[12]： $\text{ }\!\!~\!\!\text{ OH+C}{{\text{H}}_{\text{4}}}\text{ }\!\!~\!\!\text{ }\rightleftharpoons \text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{+}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O},\text{H+C}{{\text{H}}_{\text{4}}}\rightleftharpoons \text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{+}{{\text{H}}_{\text{2}}},\text{O+C}{{\text{H}}_{\text{4}}}\rightleftharpoons \text{OH+C}{{\text{H}}_{\text{3}}}$ 。在瓦斯气体中充注惰性气体，代替部分可燃气体，可以使瓦斯气体处于较低的浓度范围，这样在氧化反应中CH₄等可燃气体的浓度不足，不能产生足够的自由CH₃基和H基，从而使反应链的数目减小，CH₄的氧化反应速率降低，爆炸反应不易发生。另外，惰性气体充入瓦斯气体后，瓦斯气体中O₂的体积分数降低，使得单位体积反应物中O₂分子数目的减小，同时也不能产生足够的O基，链式反应中有O₂分子和O基参加的支链反应数目减少，反应速率降低。

根据现代燃烧学^[19]理论，惰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子的能量转移到惰性气体分子上，系统反应能力降低，从而抑制爆炸传播。CO₂密度较N₂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CO₂分子上。此外，CO₂还不同程度地参与其他链式反应，而N₂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^[20]。具体来说，CO₂主要通过基元反应OH+CO $\rightleftharpoons$ H+CO₂参与链式反应，消耗大量的H自由基，同时生成大量的CO，导致CH₄燃烧更加不完全，放热量减少。

3.   结论

(1) 本实验中，N₂和CO₂均对较高浓度瓦斯气抑爆效果更为显著。

(2) 与N₂相比，CO₂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N₂或CO₂，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。