矿井瓦斯爆炸事故是煤矿灾害事故中最具破坏力的事故之一。瓦斯爆炸会导致灾难性的后果，包括大量人员伤亡、巨大的经济损失和对社会的负面影响。近年来，虽然我国煤矿安全水平大幅提高，但重大、特大瓦斯爆炸事故仍时有发生[1-2]。
瓦斯爆炸仍将是矿井安全生产的重大威胁，其防控形势依然严峻。研究抑爆减灾技术是瓦斯爆炸防治工作中的重点内容。瓦斯爆炸抑爆减灾装置是瓦斯爆炸防治中最后一道重要的屏障，一旦发生事故，提前布置的抑爆减灾系统能够减小瓦斯爆炸事故范围的扩大，降低瓦斯爆炸灾害的破坏性，较大程度减小瓦斯爆炸事故损失。基于此，笔者从文献研究的角度，对我国瓦斯爆炸抑爆减灾技术研究现状进行系统地整理与讨论，指出当前在瓦斯抑爆研究方面存在的相关问题，以期为今后研究矿井安全管理以及瓦斯爆炸防治提供参考。
1 瓦斯爆炸抑爆减灾技术研究现状
1.1 瓦斯爆炸机理及火焰传播理论
1.1.1 瓦斯爆炸机理
矿井瓦斯的主要可燃成分为甲烷。瓦斯爆炸主要是甲烷和空气在外部热源作用下发生的一种剧烈的、快速的化学反应。因此瓦斯爆炸的反应方程可以简单的表示如下:
CH4+2(O2+3.76N2)
CO2+2H2O+7.52N2
(1)
实际上瓦斯爆炸反应是一个十分复杂的过程，式(1)只是反应的最终结果，并不能准确的反映瓦斯爆炸过程中详细的化学反应动力学特征，同时也不能揭示瓦斯爆炸过程中组分场和温度场变化的爆炸特征参数。因此，必须采用尽可能详细的、包含多种物质的、多个反应步的详细化学反应机理对瓦斯爆炸过程进行描述。现今，对于甲烷燃料认可度较高的反应机理为GRI Mech 3.0，其包含53种组分、325个基元反应[3]。详尽的化学反应步骤有助于更加清楚的认识瓦斯爆炸过程中的化学反应动力学特征。为找出对瓦斯爆炸过程反应动力学特性影响较大的反应步，梁运涛[4-6]、高娜[7]、李艳红和贾宝山[8-9]等基于敏感性分析方法，分析了GRI Mech 3.0中基元反应的动力学特征，得到影响瓦斯爆炸反应链的关键基元反应步，见表1。
表1 瓦斯爆炸化学反应详细机理中的关键反应
Table 1 Key reaction step in gas explosion reaction mechanism
基元反应反应式R32O2+CH2OHO2+HCOR53H+CH4CH3+H2R98OH+CH4CH3+H2OR1162HO2O2+H2O2R155CH3+O2O+CH3OR1582CH3(+M)C2H6(+M)R170O2+CH3OHO2+CH2OR38O2+HO+OHR57H+CH2O(+M)CH3O(+M)R101OH+CH2OHCO2+H2OR119HO2+CH3OH+CH3OR156CH3+O2OH+CH2OR161CH3+CH2OHCO+CH4
详尽的化学反应动力机理能够很好的揭示瓦斯爆炸过程中动力学特征，能够为瓦斯抑爆工作提供理论指导。然而使用详尽的化学反应机理对瓦斯爆炸进行数值模拟研究是很难实现的。更加详细的机理意味着更多的中间产物种类、更多的反应步数，为实现运算的可能，需要消耗更多的经济成本。因此，开展瓦斯爆炸机理简化工作显得十分重要。部分学者已经针对瓦斯爆炸链式反应开展了一系列的简化工作，如，董刚等[10]将瓦斯爆炸反应机理简化为18种组分、14步反应机理;刘合等[11]简化得到14种组分、18步反应机理;侯金丽等[12]简化得到12种组分、10步反应机理;董清丽等[13]将甲烷简化为17种组分、24步反应机理;李洪波等[14]简化得到14种组分、18个基元反应；江冰等[15]对比了22步、39步、51步和58步的反应机理，采用22步的简化机理计算所得的火焰温度与误差较大，且出现峰值后移现象，而简化后的58步反应机理能够较好的揭示瓦斯爆炸的动力学特征。
1.1.2 爆炸火焰传播规律
井下瓦斯爆炸是典型的气体爆炸问题。虽然大部瓦斯爆炸属于爆燃火焰传播，但在矿井复杂的外部环境下，瓦斯爆炸火焰传播可能会由爆燃向爆轰转变，这使得瓦斯爆炸的传播全过程极其复杂，因此瓦斯爆炸火焰一直以来都是国内学者重点关注方向。
井下瓦斯爆炸会受到积聚体积、积聚浓度、点火源、点火位置、爆源性质、环境条件、诸多因素影响，这极大的增加了瓦斯爆炸的复杂程度[16]。如，笔者等[17]采用小尺寸实验平台对不同体积分数的瓦斯爆炸火焰传播特性进行研究发现，当瓦斯体积分数为9.5%时，瓦斯爆炸火焰传播速及爆炸压力最大。瓦斯爆炸受环境条件影响较大，尤其是障碍物对瓦斯爆炸影响更甚，也更加复杂。为揭示障碍物的瓦斯爆炸的影响机制，许多学者开展了大量的研究工作。林柏泉等[18-21]从20世纪90年代便开始开展障碍物对瓦斯爆炸火焰传播影响规律的研究工作，他们发现障碍物的存在能够诱导瓦斯爆炸湍流的产生，增加瓦斯爆炸火焰传播速度，产生激波，增加瓦斯爆炸的破坏性。此后，学者们针对障碍物对瓦斯爆炸的影响开展了一系列的研究工作，包括障碍物数量、障碍物间距、障碍物形状、障碍物阻塞率以及障碍物布置方式等[22-29]。
障碍物的存在能够在一定程度上影响瓦斯爆炸火焰的传播特性，而不同形状、不同数量、不同间距、不同阻塞率以及不同布置方式的障碍物对瓦斯爆炸火焰传播的影响也略有差异。图1展示了通过不同形状以及不同阻塞率障碍物后的爆炸火焰传播图像。障碍物的存在能够改变火焰传播结构，当爆炸火焰传播经过不同障碍形状时，其火焰传播结构也会出现相应的变化，如图1(c),(d)所示。障碍物的阻塞率对爆炸火焰传播影响较大。例如，当阻塞率(BR)为0.3时，如图1(a)所示，火焰表面较为光滑，而当阻塞率为0.5时，火焰通道变窄，且火焰变得褶皱。障碍物的存在能够破碎瓦斯爆炸火焰，增加瓦斯爆炸火焰传播过程中的湍流强度，促进瓦斯爆炸反应的进行，增加瓦斯爆炸强度。为更加直接的对比障碍物对瓦斯爆炸的影响。图2展示了在图1所示的障碍物条件下，甲烷爆炸火焰前锋位置、火焰前锋速度以及爆炸超压的变化规律。从图2可以看出，火焰传播时间随着障碍物阻塞率的增加而减小，而火焰传播速度以及最大爆炸超压随着阻塞率的增加而增加。当障碍物不同时，位于中间的障碍区对瓦斯爆炸的机理作用更强。
图1 障碍物对火焰传播的影响(余明高等[28])
Fig.1 Effect of obstacles on gas explosion flame propagation(YU Minggao et al.[28])
图2 甲烷爆炸火焰传播参数(余明高等[29])
Fig.2 Parameters of methane explosion(YU Minggao et al[29])
图3 障碍物管道内火焰湍流耦合机制
Fig.3 Coupling mechanism of flame and turbulence in obstructed duct
为揭示爆炸火焰传播过程中障碍物诱导湍流对瓦斯爆炸火焰传播影响机制。温小萍等[30-31]和陈鹏等[32-34]采用大涡模拟对障碍物管道内瓦斯爆燃火焰传播进行研究;通过对比模拟结果与实验结果发现，大涡模拟能够较好的重现实验结果，包括火焰传播结构、火焰锋面位置、火焰传播速度以及超压积聚过程;通过分析瓦斯爆燃火焰传播过程中流场结构、涡旋结构及微观火焰湍流强度变化来揭示障碍物对瓦斯爆炸火焰传播过程中影响。图3展示了瓦斯爆炸火焰通过障碍物时火焰湍流耦合关系。图3(a),(c)分别为单个中间障碍物、两侧连续障碍条件下瓦斯湍流爆燃的火焰结构。它们共同的特点是当火焰传播到障碍物下游时，火焰发生了明显的弯曲变形，其原因都是由于障碍物下游的大尺度旋涡造成的，如图3(b)和(d)所示。所不同的是，单个中间障碍物形成的一对旋涡靠近管道中部，回流区相隔较近且相互融合;而两侧连续障碍物形成的是多对旋涡，回流区位于管道两侧。在火焰传播至障碍物位置之前，由于火焰放出的热量使流体发生膨胀，致使障碍物下游的流体就已经产生了大尺度旋涡;而当火焰到达时，火焰被旋涡卷吸而发生变形。此外，实际火焰锋面还存在小尺度湍流，如图3(e)所示，由于湍流反应区厚度δt稍大于层流火焰厚度δl，因此尚能保持较规则的火焰锋面。在障碍物作用下，瓦斯爆炸火焰传播将迅速的完成由层流向湍流转变。在湍流中大尺度涡团的运动使火焰锋面变形而产生褶皱，极大的增加了瓦斯爆炸火焰的表面积;同时，小尺度涡团的随机运动大大的增强了组分间的质量、动量和能量传递。这两方面作用致使瓦斯湍流爆燃能以比层流燃烧快得多的速率进行，极大的增强了瓦斯的爆炸强度。这在一定程度上揭示了障碍物对瓦斯爆炸火焰传播特性的影响机制。
1.2 瓦斯抑爆材料
煤矿瓦斯爆炸事故的防灾减灾技术主要是在井下搭建抑爆装置(包括主动式抑爆装置和被动式抑爆装置)。一旦发生瓦斯爆炸，抑爆装置喷洒抑爆剂，阻隔瓦斯爆炸火焰波和压力波的继续传播，控制瓦斯爆炸的破坏范围，降低瓦斯爆炸事故损失。存放于抑爆装置里面的抑爆剂是影响抑爆装置成功与否的重要因素。抑爆剂抑制瓦斯爆炸作用的机理可以从物理和化学两方面揭示。物理抑制，部分抑爆剂能够起到稀释作用，降低爆源区域CH4与O2体积分数;另一方面，抑爆剂能够发生相变(汽化、升华、融化)，带走大量的热，降低瓦斯爆炸反应区温度，抑制瓦斯爆炸链式反应的进行。化学阻隔，部分抑爆剂能够与瓦斯爆炸反应区中的自由基进行反应，降低瓦斯爆炸反应区自由基浓度，抑制瓦斯爆炸链传递速度，达到抑制瓦斯爆炸的作用。目前常用的瓦斯抑爆技术包括惰气抑爆技术、水系抑爆技术、粉体抑爆技术和多孔材料抑爆技术。国内许多学者针对不同的抑爆材料性能开展大量研究工作。
1.2.1 惰性气体抑爆
惰性气体抑爆技术是在瓦斯爆炸防治时，向爆源注入惰性气体，稀释爆源中CH4与O2体积分数，降低瓦斯爆炸强度与危险性。目前广泛使用的惰性气体抑爆材料主要是N2和CO2等。部分学者针对N2和CO2对瓦斯爆炸影响开展大量实验研究[35-43]。例如，LI等[35]实验研究了N2和CO2的瓦斯抑爆效果，其结果如图4所示。实验结果表明N2和CO2均能对瓦斯爆炸起到抑制作用，抑爆效果随着N2和CO2体积分数的增加而得到增强，相较于N2，CO2抑爆效果更佳。在瓦斯-空气的混合物中，添加惰性气体一方面能够降低混合气体中CH4与O2的体积分数，另一方面能够增加混合气体的总比热容，在瓦斯爆炸过程中惰性气体具有一定的吸热作用，从而降低瓦斯爆炸反应速率[35,40-41]。相较于N2，CO2表现出更加优良的抑爆效果。一方面是因为CO2的比热容明显高于N2，CO2的存在能够吸收更多的热量，抑爆效果更加明显;另一方面，N2在瓦斯爆炸过程中仅有稀释作用，并不参与瓦斯爆炸过程中链式反应，而CO2作为瓦斯爆炸燃烧产物之一，直接参与瓦斯爆炸的链式反应中，即OH+CO
H+CO2[35]。CO2的存在消耗了瓦斯爆炸链式反应中的H离子，这极大的降低了H+O2O+OH的反应速率，从化学反应的角度抑制对瓦斯爆炸起抑制作用[40-43]。
图4 N2和CO2抑制甲烷爆炸实验效果对比(LI等[35])
Fig.4 Comparison the performance of the gas explosion suppressed by N2 and CO2(LI et al.[35])
1.2.2 细水雾抑爆
细水雾具有较好的吸热降温特性，采用细水雾抑制瓦斯爆炸是一种有效的瓦斯爆炸防治手段而被矿井广泛应用。细水雾从物理抑制和化学阻化两个方面作用于瓦斯爆炸反应区，抑制瓦斯爆炸反应的持续进行。细水雾具有较高的热容，细水雾在高温火焰的作用下迅速汽化，带走大量的热量，降低反应区的温度，抑制瓦斯爆炸链式反应的继续进行[44]。细水雾汽化为水蒸气后体积迅速膨胀，此时水蒸气作为惰性组分，降低瓦斯爆炸反应区中间产物自由基、O2和CH4的体积分数，降低瓦斯爆炸反应链传递速度，抑制瓦斯爆炸反应的进行。化学阻爆，水蒸气的存在能够破坏瓦斯爆炸反应链。一方面，细水雾液滴能够作为第3体，参与三元碰撞反应，过多细水雾能够增加自由基与细水雾的碰撞概率，减少H，O和OH等自由基的产生，降低活性自由基的浓度;另一方面，水能够参与瓦斯爆炸反应中，当细水雾浓度足够大时，水能够消耗中间活性自由基(如H，O和OH等)，减少瓦斯反应区中H，O和OH等自由基的浓度，终止瓦斯爆炸反应链的继续进行，抑制瓦斯爆炸[45-46]。
影响细水雾抑爆效果的因素很多，包括细水雾喷雾量、细水雾粒径大小、瓦斯体积分数、雾区长度以及火焰传播流场及速度等[44,47-51]。这使得在某些时刻，细水雾不但不能达到抑制瓦斯爆炸的效果，反而能够促进瓦斯爆炸[52-53]。曹兴岩等[53]指出一方面，在瓦斯爆炸火焰传播过程中，细水雾吸热汽化，体积膨胀，致使受限空间内的压力上升，当瓦斯爆炸火焰吸热降温导致的压降小于细水雾汽化膨胀导致的压升时，细水雾在一定程度上增加受限空间的爆炸压力。此外，曹兴岩等[53]认为细水雾能够影响瓦斯爆炸火焰的传播状态，进而影响细水雾对瓦斯爆炸的态度(抑制/促进)。图5为细水雾与瓦斯爆炸火焰面相互作用关系。细水雾的粒径与速度是影响细水雾与瓦斯爆炸火焰作用关系的关键。当细水雾粒径较小且速度较小时，小水滴的动量及脉动强度较小，细水雾颗粒能够被压力波反弹，水雾颗粒对火焰面的扰动较小(图5(a),(b))，使得细水雾在反应区之前汽化带走部分热量，降低瓦斯爆炸反应强度，从而起到抑制瓦斯爆炸的作用。当细水雾粒径和速度较大时，细水雾颗粒具有较大的动量和脉动强度，能够穿透或离散火焰面，制造大尺度湍流(图5(c),(d))，此时在火焰-湍流耦合作用的激励作用下瓦斯爆炸强度得到增强。此时细水雾的汽化速率得到增强，但瓦斯爆炸火焰吸热降温导致的压降仍极大地小于细水雾汽化膨胀导致的压升，在此情况下，细水雾促进瓦斯爆炸的发展。
图5 细水雾与火焰面相互作用机制(曹兴岩等[53])
Fig.5 Coupling mechanism of flame surface and water mist(CAO Xingyan et al.[53])
图6 含添加剂细水雾对瓦斯爆炸火焰传播速度的影响
(余明高等[54])
Fig.6 Effect of water mist containing additives on flame propagation speed of gas explosion(YU Minggao et al.[54])
往细水雾中添加具有化学灭火性能的、易溶于水的无机盐，形成含添加剂细水雾，能够更好地起到抑制瓦斯爆炸的作用。笔者[54]分别测试了不同浓度的含添加剂细水雾对甲烷爆炸火焰的影响，实验结果如图6所示。相较于纯水，含添加剂细水雾能够明显的抑制瓦斯爆炸火焰的传播，具体表现为当火焰进入含添加剂的细水雾区域时，其火焰传播速度快速下降。研究表明，含添加剂细水雾具有更佳的抑爆效果。这主要是含添加剂细水雾增强了瓦斯爆炸反应过程中的化学抑制作用，溶于细水雾中的碱金属离子(如Na+，Fe2+，Mg2+等)和酸根离子
等)能够与瓦斯爆炸链式反应中H，O和OH等自由基发生反应，降低中间自由基的浓度，抑制瓦斯爆炸反应链的进行。含添加剂细水雾的抑爆性能与所含添加剂的浓度和添加剂的种类密切相关[54-57]。曹兴岩等[55-56]研究发现含NaCl细水雾能够明显的抑制瓦斯爆炸火焰的传播，具体表现为当火焰进入含添加剂的细水雾区域时，其火焰传播速度快速下降。研究表明，含添加剂细水雾具有更佳的抑爆效果。这主要是含添加剂细水雾增强了瓦斯爆炸反应过程中的化学抑制作用，溶于细水雾中的碱金属离子(如Na+，Fe2+，Mg2+等)和酸根离子等)能够与瓦斯爆炸链式反应中H，O和OH等自由基发生反应，降低中间自由基的浓度，抑制瓦斯爆炸反应链的进行。含添加剂细水雾的抑爆性能与所含添加剂的浓度和含有添加剂的种类密切相关[54-57]。曹兴岩等[55-56]对含NaCl细水雾抑制瓦斯爆炸抑爆效果进行研究，研究结果表明随着添加剂浓度的增加，抑爆效果得到增强。笔者[54]实验测试含不同添加剂的细水雾抑爆性能，抑爆效果为FeCl2(0.8%)>MgCl2(5%)>MgCl2(2.5%)>NaHCO3(7.5%)>FeCl2(0.4%)>MgCl2(1%)>NaHCO3(3.5%)>FeCl2(0.2%)>NaHCO3(3.5%)。此外，曹兴岩等[57]对实验测试了含不同碱金属盐添加剂细水雾的抑爆效果，发现抑爆效果排序为K2CO3>KCl>KHCO3 >Na2CO3>NaCl，溶于细水雾中的碱金属自由基对瓦斯爆炸链式反应影响较大，其效果为
细水雾抑爆机理包含物理吸热降温与化学抑制两个方面。为提高细水雾的抑爆效果，笔者[58-63]基于静电感应原理，为细水雾荷上正(或负)电荷。如图7所示，普通细水雾和荷电细水雾均能降低瓦斯爆炸峰值压力，但荷电细水雾明显具有更优的抑爆效果，即在相同的细水雾浓度的情况下，荷电细水雾更能降低瓦斯爆炸的最大压力。荷电使得细水雾的理化性质发生了变化，荷电作用使得细水雾雾滴带有同种极性电荷，从而形成互斥的电场力作用，细水雾能保持更高的稳定性，从而达到更好的降温效果。荷上正(或负)电荷的细水雾能够加速捕获瓦斯爆炸反应中间的自由基，中和瓦斯爆炸反应中正负离子，抑制瓦斯爆炸反应链的继续传递。研究结果表明，荷电细水雾具有优良的抑爆效果，能够使瓦斯爆炸爆炸压力下降50%左右;当荷质比为0.539 7 mC/kg时，荷电细水雾抑爆效果最佳;给细水雾荷负电荷比荷正电荷抑爆效果更佳。笔者[64-65]对含NaCl添加剂的荷电细水雾对瓦斯爆炸的抑制效果进行实验测试，结果表明含NaCl荷电细水雾抑爆效果明显优于含NaCl细水雾与荷电细水雾，可以肯定的是水雾中的Na+和Cl-均被荷上电荷，更有助于捕获瓦斯链式反应过程中的自由基，终止瓦斯爆炸反应的进行。
图7 细水雾与荷电细水雾对瓦斯爆炸峰值压力的
影响(余明高等[58])
Fig.7 Effect of water mist and charged water mist on gas explosion pressure(YU Minggao et al.[58])
1.2.3 粉体抑爆
粉体抑爆技术是使用具有防灭火性能的固体粉末，利用其物理或化学性能来抑制瓦斯爆炸火焰的传播，降低爆炸范围、减少爆炸损失。粉体抑爆材料主要有，碳酸盐(NaHCO3，KHCO3和CaCO3)、磷酸盐(NH4H2PO4，(NH4)2HPO4和CaHPO4)、聚磷酸盐(聚磷酸铵)、卤化物(KCl和NaCl)、氢氧化物(Al(OH)3和Mg(OH)2)、以及SiO2、尿素、硅藻土、高岭石等。
对于粉体抑爆剂，一方面在瓦斯爆炸过程中粉体热解吸收大量的热量，降低瓦斯爆炸反应区的温度，阻止瓦斯爆炸链反应的进行;另一方面，粉体热解产物能够夺取瓦斯爆炸反应中的自由基，抑制瓦斯爆炸反应链的进行。如抑爆剂NH4H2PO4粉体热解产物主要为NH3和P2O5，NH3能够与反应区内的H，OH和O2发生反应，夺取中间自由基，抑制瓦斯爆炸反应链传递，而P2O5也能在一定程度上夺取中间自由基，起到抑制瓦斯爆炸作用[66-68]。
粉体间的热解性能及自身特性使其抑爆效果存在差异性。如，王信群等[69]采用不同粉体进行瓦斯抑爆实验，其瓦斯抑爆效果排序为，超细ABC干粉>超细SiO2干粉>普通ABC干粉>Mg(OH)2干粉。一般情况下粉体粒径越小，其抑爆效果越好，超细粉体具有更加优良的抑爆效果。粒径为10～20 μm的SiO2能够促使当量比下甲烷爆炸的最大超压下降40%以上[70]，而粒径为50 nm的超细SiO2能够使得7%的甲烷爆炸的最大超压下降70%，最大超压上升速率下降90%以上[71]。在抑爆过程中，SiO2并没有直接参与瓦斯爆炸反应，超细粉体具有的小尺寸和表面效应能够增强抑爆粉体的化学活性，使得超细粉体在瓦斯爆炸过程中吸热能力得到增强，更易吸附瓦斯爆炸反应中的分子、原子、自由基等，降低反应区自由基浓度，起到抑制瓦斯爆炸的作用[70]。
借助物理、化学等手段，采用两种及以上不同性质的抑爆材料进行优势互补，形成宏观上的新材料。这种抑爆材料综合各复配抑爆材料的优点，产生协同效应，使复合材料的抑爆性能更加突出。如，余明高等[72]对铝工业废料赤泥进行改性，得到超细改性赤泥粉体抑爆材料，通过实验对比发现以改性赤泥为抑爆剂时，9.5%CH4-空气的最大爆炸压力下降30%。王燕等[73-74]根据改性的赤泥配以碳酸氢盐粉体(NaHCO3或KHCO3)制备得到具有核-壳结构的碳酸氢盐/赤泥复合粉体(NRM)，如图8所示。与普通抑爆粉体对比，这种通过化学改性以及复配得到抑爆粉体具有更强的吸热性能及抑爆效果，通过实验对比发现，改性后的35%NaHCO3/赤泥抑爆粉体的抑爆性能要优于单种抑爆粉体的抑爆性能。如图9所示，采用35%NaHCO3/赤泥复合粉体作为抑爆剂时9.5%CH4-空气的最大爆炸压力下降44.9%，最大压力上升速率下降96.3%。SUN等[75]使用Al(OH)3、聚磷酸铵与多孔高岭土进行混合得到复配粉体并对其抑爆性能进行测试，相较于单一组分粉体，复配粉体具有更加优良的抑爆效果。研究结果表明，相较于单一组分粉体，改性或复合粉体的抑爆性能更加突出。
图8 几种抑爆剂的电镜扫描图片(王燕等[73])
Fig.8 SEM of several inhibitor(WANG Yan et al.[73])
图9 几种抑爆剂抑爆效果对比(王燕等[73])
Fig.9 Comparison of the suppression effect of several inhibitors(WANG Yan et al.[73])
1.2.4 多孔介质抑爆
多孔介质具有开孔率大、比表面积大、耐高温、抗冲击和缓冲能力强等特点，当爆炸火焰通过多孔介质时，其燃烧波和冲击波在经过无数的孔隙之后能够得到极大的削弱，甚至能够熄灭爆炸火焰，起到隔爆保护作用。多孔抑爆介质主要有金属丝网状的多孔介质、泡沫填充物的多孔介质。
对于丝网状的多孔抑爆介质研究，喻健良等[76-78]从丝网的网孔尺寸、材质、层数和尺寸等影响因素分析了网孔结构对管道内爆炸波的抑制作用，并对多层丝网结构抑爆特性进行实验研究，建立相关数学经验模型。周尚勇等[79]分别采用Cu,Al,Ni和Fe金属丝状材料进行抑爆实验，发现Ni和Fe丝网抑爆效果要优于Cu和Al丝网。采用金属丝网在一定程度上能够起到控爆效果，但其控爆效果有限。魏春荣等[80]分别测试了金属丝网、泡沫陶瓷和多孔泡沫铁镍金属的控爆效果，采用金属网进行隔爆时，瓦斯爆炸火焰温度的最大衰减率仅为8.7%～26.9%，这远远低于泡沫陶瓷的23.1%～36.2%和多孔泡沫镍铁金属的7.1%～65.7%。
图10 泡沫陶瓷抑制火焰传播图像(温小萍等[85])
Fig.10 Flame propagation process suppressed by foamed ceramics(WEN Xiaoping et al.[85])
聂百胜等[81-84]在截面为200 mm×200 mm，长为18m的实验平台上测试了Al2O3和SiC泡沫陶瓷瓦斯爆炸火焰传播的影响。泡沫陶瓷的孔隙结构具有淬熄瓦斯爆炸火焰、削弱压力波的传播，这使得瓦斯爆炸压力下降50%。图10展示了瓦斯炸火焰的传播的作用。温小萍等[85]通过对比泡沫陶瓷的孔径、厚度以及材质等参数发现，当泡沫爆炸火焰传播分别经过SiC和Al泡沫陶瓷时的火焰传播图像，从图中可以发现泡沫陶瓷能够在一定程度上熄灭瓦斯爆炸火焰，起到抑制瓦斯爆陶瓷的孔径越小或多孔介质板越厚，抑爆效果越好，对于多孔介质材质而言Al的抑爆效果优于Al2O3和SiC。陈鹏等[86]实验研究不同PPI(Pore Per Inch)的Ni金属泡沫多孔介质对甲烷爆炸火焰传播的影响，PPI越大，抑爆效果越佳，多孔介质能够降低管道内的爆炸超压。张如明[87]对泡沫陶瓷抑爆性能以及泡沫陶瓷抑爆机理进行详细分析，包括器壁碰撞、狭缝淬熄、去湍流化和火焰拉伸淬熄机理。多孔介质材料能够极大程度的降低瓦斯爆炸过程中压力波破坏作用，当压力波通过多孔介质时，经过多次的折射、散射，其传播能量得到很大的削弱。
1.2.5 气液两相协同抑爆
气液两相协同抑爆是采用具有抑爆作用的惰性气体为载体，协同具有抑爆性能的细水雾进入瓦斯富集区域，抑制瓦斯爆炸。单独采用惰性气体或者细水雾抑爆存在一定的局限性，如，采用惰气抑爆时，对惰气的浓度需求较高[88];而采用细水雾抑爆时，细水雾喷雾量、细水雾粒径大小、瓦斯体积分数、雾区长度以及火焰传播流场及速度对其抑爆效果有巨大的影响，甚至在某些情况下，细水雾非但不能够抑制瓦斯爆炸，反而能够促进瓦斯爆炸[44,47-53]。实验研究表明，采用CO2-细水雾双流体抑爆能够解决细水雾促爆情况，提高抑爆系统的稳定性[89]。
余明高、裴蓓等开展了一系列的惰气-细水雾双流体抑爆实验研究[88-95]。表2分别给出了单独采用CO2抑爆、单独采用细水雾抑爆和采用CO2-细水雾双流体抑爆的实验参数。实验研究表明，CO2-细水雾的协同抑爆效果明显优于细水雾或者CO2单独作用下的抑爆效果。单独采用细水雾(1.4 mL)或CO2(2%)作为抑制剂时，瓦斯爆炸最大压力分别为22.38 kPa和27.05 kPa，瓦斯爆炸最大压力分别下降了6.18 kPa和1.51 kPa，而采用2% CO2-1.4 mL细水雾的双流体抑爆剂时，瓦斯最大爆炸压力为19.27 kPa，最大超压下降了9.30 kPa，这充分说明采用2% CO2-1.4 mL细水雾的双流体具有协同抑爆作用，且其协同抑爆效果要大于二者单独抑爆效果之和。这有助于提高细水雾抑爆系统的稳定性。采用惰气-细水雾双流体抑爆时，一方面喷入的惰气能够作为推动细水雾更好的分散在甲烷富集区域，使细水雾散更加均匀;另一方面，惰气的加入降低管内CH4与O2的体积分数，这在一定程度上减少瓦斯爆炸火焰传播速度，增加瓦斯爆炸火焰与细水雾的接触时间，二者协同增效，起到更好的抑爆效果。裴蓓等[91-93]还对含不同惰性气体(CO2，N2，He，Ar)细水雾双流体抑爆效果进行实验对比，采用CO2-细水雾双流体具有最佳的抑爆效果，且双流体抑爆剂中惰性组分超过14%后才能取得较好的抑爆效果，而当CO2超过18%时，能够完全抑制瓦斯爆炸的发生。此外，研究表明:含NaCl添加剂的细水雾-惰气双流体的抑爆效果能够的到进一步的提高[95]。
表2 细水雾和二氧化碳抑制甲烷爆炸(余明高等[90])
Table 2 Gas explosion suppressed by water mist and CO2(YU Minggao et al.[90])
ConditionsPure CH4(9.5%)With 2%CO2With 10%CO2With 1.4 mLH2OWith 4.2 mLH2OWith 2% CO21.4 mL H2OWith 2% CO24.2 mL H2Otp/ms49.8050.2053.0054.4056.7067.3061.90Pmax/kPa28.5627.0520.9622.3821.3019.2715.08(dp/dt)max/(kPa·ms-1)0.570.540.400.410.380.290.24
注:tp为到达峰值压力的时间;Pmax为最大爆炸压力;(dp/dt)max为最大压力上升速率。
1.3 瓦斯抑爆技术及装备
矿井瓦斯抑爆装置按着抑爆触发方式可分为被动抑爆装置和主动抑爆装置。被动抑爆装置主要工作原理是利用瓦斯爆炸冲击波打翻或粉碎提前布置于井巷中的岩粉棚、岩粉袋、隔爆水槽以及隔爆水袋等，使惰性岩粉(或水)喷洒于巷道中形成高浓度岩粉云区或水雾区，抑制瓦斯爆炸的继续进行。主动抑爆装置采用火焰探测器探测瓦斯爆炸火焰，将光信号转变为电信号传输给控制器，经控制器判断后，命令抑爆器喷洒抑爆剂，阻止瓦斯爆炸的继续进行。根据抑爆装置使用地点可分为机载式、巷道式和管道式[96]。机载式主要安装于大型采掘设备，能够及时熄灭在采掘过程中出现的火花，起到阻爆作用;巷道式主要指安装于矿井井巷的抑爆装置;管道式是用于矿井低浓度瓦斯放管路中保证抽采安全的抑爆装置。目前我国在抑爆技术和措施上不断创新发展，相继研制并应用了多种抑爆产品。
1.3.1 采掘巷道抑爆设备
被动式抑爆装置因其结构简单、安装方便、价格低廉且能够起到一定的阻隔爆作用而广泛应用于现今的矿井中。井下的被动式抑爆装置主要有惰性岩粉棚、惰性岩粉袋、隔爆水槽和隔爆水袋和隔爆水幕等。采用惰性岩粉棚隔爆装置是阻隔井下瓦斯爆炸的重要手段之一。波兰研发的KDB型惰性岩粉棚，结构简单、安装方便、隔爆能力强被广泛应用。采用岩粉棚装置时，岩粉裸露与矿井潮湿的空气中容易受潮结块，影响装置的抑爆性能。基于此，费国云和王陈[97]采用泡沫塑料密封惰性岩粉，解决普通岩粉防潮问题，并对不同安装方式的防潮岩粉棚的抑爆性能进行实验测试，采用嵌入式安装能够发挥最佳的抑爆效果。另一井下常用的抑爆装置是在巷道安装隔爆水棚，利用水较好的吸热冷却特性达到抑制瓦斯爆炸的目的。费国云和周奠帮[98]采用阻燃聚氯乙烯材料制作得到XGS隔爆水槽(体积为15 L)解决了水槽不能在斜巷安装的难题，通过大型试验测试表明，新型XGS隔爆水棚能够取得较好的抑爆效果。采用隔爆水棚时，水槽中的水易蒸发、缺失需要经常换水，特别是在部分高低温、大风量采区，影响装置的抑爆性能，基于此，蔡周全[99]设计一种具有防尘、防蒸发的MGS水袋。现有的隔爆水棚有:PGS型隔爆水棚、KYG型快速移动式隔爆水棚、XGS型隔爆水棚和CD型隔爆水袋。被动式抑爆装置需借助外力触发(如，爆炸冲击波等)，在搭建时需与爆源保持一定的距离才能够起到较好的阻隔爆效果，且被动式抑爆装置仅能一次使用，当井下发生二次瓦斯爆炸或多次爆炸时并不能起到阻隔爆作用。
主动式抑爆系统能够实现对井下瓦斯爆炸起到多次阻隔爆作用。主动抑爆装置能够对瓦斯爆炸快速响应，通过控制器快速出发喷洒装置喷出大量的抑爆剂，短时间内形成高浓度的抑爆粉体云区或高浓度水雾区，达到阻隔爆作用。中煤科工集团重庆研究院从“六五”时期便开展瓦斯自动抑爆装备的研制，至今开发一系列的主动抑爆成套装备，并发展成为一套可靠的瓦斯煤尘抑爆技术被许多矿井广泛使用，这些装备技术包括:ZGB-Y型主动抑爆装备、ZYB-S型实时产气抑爆装备、ZHY12型自动防爆装置、YBW-I型无电源触发式抑爆装备和自动水雾抑爆系统等。谢如谦和郑盛端[100]对ZHY12性自动防爆装置进行改进得到能在低矮断面巷道中使用的ZYB型矿用本质安全性自动抑爆装置并应用于实际生产中。此外，部分企业也着力于对主动抑爆装备的研发，以期更好的对瓦斯爆炸起到阻隔爆作用。山东立业矿井隔爆设备有限公司与俄罗斯煤炭研究院共同研发一套纯机械式的自动抑爆装置—ZYJFH煤矿井下自动抑爆装置[101]。中煤科工集团沈阳研究院也相继研发了ZFM6/10矿用区域自动喷粉灭火装置。中北大学与山西新思备科技股份有限公司公同研制了ZFM30/10型自动抑爆装置[102]。山西兰花汉斯瓦斯抑爆设备有限公司引进南非HS抑爆技术，HS采用自动分析控制技术，能够准确的识别爆炸火焰光源，且响应速度快。大量的试验测试表明，HS主动抑爆装置具有较好的抑爆效果[103-106]。主动式抑爆装置的抑爆效果与瓦斯爆炸火焰探测时间、响应触发动作时间、抑爆剂浓度及抑爆性能等有关。瓦斯爆炸反应的传播在毫秒级，因此，更加快速、准确的探测瓦斯爆炸火焰能够对瓦斯爆炸做出更加快速的反应动作，提高主动式抑爆装饰的抑爆效果。
1.3.2 瓦斯抽放管网抑爆装备
对瓦斯矿井采取“先抽后采”的技术方针是矿井瓦斯治理的重要手段之一。瓦斯抽采是煤矿瓦斯治理的关键技术，是降低开采过程中的瓦斯涌出量、防止瓦斯超限和积聚、预防瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出事故的重要措施，同时也是开发利用瓦斯能源、保护大气环境的重要手段。瓦斯抽采的主要手段是通过管道将瓦斯输送到安全位置并利用，然而不少矿井在抽采过程中存在瓦斯体积分数低于30%，甚至抽采的瓦斯体积分数在爆炸极限范围内，这给整个抽采系统带来了极大的安全隐患，极易诱发管道内瓦斯燃烧或爆炸，给矿井带来毁灭性的灾难。随瓦斯抽采量增大，瓦斯抽采管路越来越长，管网越来越复杂，潜在的危险因素也越来越多，诸如煤矿井下火灾、爆炸诱发抽采管网瓦斯泄漏扩散、二次灾害发生。因此，为防止管道瓦斯爆炸灾害发生与扩大，减少爆炸造成的损失，需要采取抑爆措施杜绝瓦斯爆炸和抑制灾害的破坏程度，达到抑爆减灾的目的。目前我国在防隔爆技术和措施上不断创新发展，相继研制并应用了多种防隔爆产品。如，自动喷粉抑爆装置、细水雾输送抑爆装置、气水两相流输送抑爆装置、水封阻泄爆装置、防回火(风)装置、自动阻爆装置、传感器(温度、湿度、压力、流量等)、真空泵、截止阀、湿式设备(压缩机、抽采泵)等。
中煤科工集团重庆研究院承担了“十一五”国家科技支撑计划，研制了一系列应用于低浓度瓦斯抽放管网抑爆、泄爆和阻爆成套技术装备，包括:低浓度瓦斯输送管网自动喷粉抑爆装置、低浓度瓦斯输送管网水封阻火泄爆装置和低浓度瓦斯输送管路自动阻爆装置等。低浓度瓦斯输送管网自动喷粉装置主要采用紫外火焰探测器探测瓦斯爆炸火焰，并将瓦斯爆炸火焰光信号转变为电信号经控制器判断识别后，命令抑爆器快速喷洒出大量的抑爆剂，形成高浓度的抑爆剂云区，阻隔瓦斯爆炸的继续传播。国内多家企业也致力于低浓度瓦斯输送管道抑爆、泄爆及隔爆装备的研发与生产[107-111]。如，山西新思备科技股份有限公司也相继开发出一些列的低浓度瓦斯输送管网抑爆、阻火泄爆装备，包括ZYBG矿用管道抑爆装备、ZYBQG10/2瓦斯输送七氟丙烷抑爆装置、ZYBG-10瓦斯管道输送自动喷粉抑爆装置、ZGS500瓦斯输送管道输送水封泄爆装置和自动隔爆装置等。
余明高研究团队与山西焦煤集团有限责任公司和四川天微电子有限责任公司合作，共同研发了一系列的低浓度瓦斯抽放管网抑爆成套装备。研制的低浓度瓦斯抽放管网自动喷粉抑爆装置采用双紫外线探测瓦斯爆炸火焰，其相应探测相应时间小于3 ms(2.564 ms)，能够更加快速的对瓦斯爆炸火焰进行响应，且采用双紫外线探测能够提高探测系统的稳定性。该系统从见火到喷射抑爆剂能够在18 ms内完成，有效喷射时间小于110 ms。该抑爆装备在山西、河南、安徽等地大、中型煤矿大量使用。此外，基于细水雾抑爆性能，将含添加剂细水雾技术应用于地面低浓度瓦斯安全输送管道保护，并研制了相应的抑爆装备。低浓度瓦斯安全输送管道抑爆装备系统由水雾发生子系统、瓦斯浓度检测与喷雾控制子系统、除细水雾子系统、抑制瓦斯燃烧/爆炸添加剂组成。水雾发生子系统将含添加剂的水通过喷头变成细水雾，并送入低浓度瓦斯输送管道，使体积分数在5%～20%的瓦斯气体失爆，实现低浓度瓦斯的安全输送。而在瓦斯输送终端装设除细水雾子系统，将管道内的水雾除掉，使瓦斯气体以干燥的形式进行利用。整套系统能够保障低浓度瓦斯气体的安全输送，且该系统先后在张家口宣东瓦斯热电有限公司风井电站、宁夏安泰新能源股份有限公司石嘴山电站等地进行了现场工业性试验，并取得不错的效果。
1.4 瓦斯爆炸减灾技术
井下瓦斯煤层爆炸产生的高温热流、高压冲击波严重破坏井下主要通风构筑物，致使有毒有害气体蔓延至整个矿井，诱发灾害扩大。根据《煤矿安全规程》第一百五十八条规定，装有风机的风井必须安装防爆门[112]。理想型的风井防爆门是，在正常通风条件下，防爆门密封关闭，防止风流短路，保证矿井通风系统有序运行;而一旦井下发生瓦斯爆炸，防爆门能够快速打开，快速泄压，起到保护风机的作用，泄压后的防爆门能够快速复位并关闭，保证井下通风，排出井下有毒有害气体，保证抢险、救灾工作的快速进行。然而现实情况是，当井下发生瓦斯煤层爆炸时，大多数矿井的风井防爆门由于各种原因并不能及时开启泄压，损坏通风机。此外，在爆炸冲击波的作用下，风井防爆门可能变形、破坏或抛出，使得风井防爆门复位困难，致使矿井风流短路，诱发煤尘瓦斯爆炸灾害的扩大[113]。
1.4.1 立风井防爆门
目前国内使用最多的为MFBL立风井防爆门(简称B78型立风井防爆门)，其主要是由防爆盖、配重装置、反风装置、油液密封槽等部分组成。B78型立风井防爆门在矿井使用过程中有着诸多缺陷:① B78型风井防爆门通常采用水作为密封液，水易蒸发造成密封圈缺水，致使矿井漏风严重;② 在北方寒冷的冬天，采用水作为密封液容易结冰，将防爆门冻住，发生瓦斯爆炸时不能及时被打开泄压保护风机;③ 门体采用钢结构材质，整体质量超过2 t，当发生瓦斯爆炸时防爆门存在不能及时打开，起到泄压作用;④ 缺乏缓冲、限位装置，在冲击波作用下易变形或移位，不能起到密封作用，造成风流短路;⑤ 缺乏快速复位功能，在较大冲击波作用下门体容易被冲起、抛出，造成复位困难;等。这些严重制约着防爆门发挥其泄压和保护同风机的功能，不能保证在瓦斯爆炸后矿井能够在短时间内恢复井下通风，也不能起到防止瓦斯爆炸次生灾害的作用。
鉴于B78型立风井防爆门在使用过程存在的问题，部分学者在B78型立风井防爆门的基础上，对其进行改进，以更好的实现风井防爆门的功能。秦强等[114]对B78型立风井防爆门进行改进，风门上的4个受力点通过钢丝绳链接，经多个滑轮组后引向同一配重块，实现风门开启过程中同步受力、同步升降的功能，解决防爆门在冲击泄压过程中容易变形破坏的问题。陈世建[115]对立风井防爆门进行改进，在立风井井口安装一圈型钢，并在防爆门外安装3条导轨并设置限位实现防爆门的自动复位功能，采用橡胶圈密封，克服了液体密封的挥发和冬季冻结问题，提高防爆门防灾、减灾的可靠性。魏春荣等[116]提出在立风井井口同安装导轨，通过备用装置实现防爆门的限位，实现防爆门的复位功能。
为避免在瓦斯爆炸冲击作用下被抛出，实现防爆门快速泄压、复位功能，部分学者改变防爆门的结构、开启方式进行改进。将传统的盖式防爆门改为铰链门式防爆门，铰链门式防爆门一端固定于井口基架或固定梁上，在瓦斯爆炸冲击作用下，防爆门绕着固定轴转动打开泄压，通过限位装置保证打开后的防爆门快速复位。这种铰链门式防爆门能够防止防爆门在较大瓦斯爆炸冲击波作用下被抛出或产生错位，解决瓦斯爆炸后立风井防爆门复位困难的问题。范喜生和韩贵生等[117-118]研制了一种具有缓冲作用的快速复位立风井防爆门，该门体是由两块半圆形门扇组成，两扇门铰接于风井中间固定的横梁上，横梁过圆心，发生瓦斯爆炸时，两扇铰接门向中心开合，该装置设有缓冲装置，能够减小防爆门在冲击波作用下变形与破坏，在重锤装置作用下，防爆门在泄爆后能够实现快速复位。辛嵩等[119]研制一种新型立风井防爆门，其防爆门井口为矩形结构，防爆门一点铰接于井口矩形基架，采用配重装置和钢结构限位装置实现防爆门的快速泄压、复位功能。张庆丰等[120]研制出一种能够实现多次泄压复位的防爆门装置，该装置底座为正方形，两块三角形侧立板固定于基架底座，两扇斜拉门分别放置于三角形两侧并配有配重及缓冲装置，瓦斯爆炸时能够快速打开泄压，泄压完成后在于电机牵引下快速复位。李涛[121]认为对开式立风井防爆门单扇风门质量过大，不利于实现瓦斯爆炸冲击过程中的快速泄压、复位，因此提出一种自复式的多瓣立风井防爆门装备。
余明高等[122]研制了一套能够实现快速泄压、复位的立风井防爆门装备，该装备将两扇防爆门固定于转轴，将转轴安装于固定在立风井井口的轴座上，在瓦斯爆炸冲击作用下，两扇防爆门围绕转轴转动泄压，此后在自重的作用下复位。游浩[123]对对开式防爆门进行设计并研制出能够实现快速复位的立风井防爆门装备，同时也对该装备进行瓦斯爆炸现场试验，结果表明研制的立风井防爆门能够很好的实现快速泄压、复位功能。潘荣锟等[124]在已有研究基础上对立风井防爆门进行改进，研制出一套具有自动复位功能的立风井防爆装备。此外，针对防爆门在较大爆炸冲击作用下产生变形和无法复位的情况，游浩等[125]研发一套独立的备用防爆门装备。当主防爆门在被冲击破坏时，在不改变风井结构的前提下，备用防爆门通过水平导轨，快速移动至立风井井口上方，封堵出风口，保证井下风流，防止灾害扩大。
1.4.2 斜风井和平硐防爆门
风井防爆门主要作用是在瓦斯爆炸冲击波作用下能够快速打开泄压，泄压后能够实现快速复位，快速恢复井下通风，防止瓦斯爆炸灾害的扩大。斜风井(或平硐)防爆门位于地面，且多采用门式架构，斜风井(或平硐)防爆门风井防爆门易出现冬季结冰被冻住、门体质量过大难以打开等问题，这暗中制约着防爆门在瓦斯爆炸中起到的保护风机、防止瓦斯爆炸灾害扩大的功能。为此，魏春荣等[116]建议采用在斜风井(或平硐)防爆门上涂抹60%的乙二醇水溶液解决黑龙江冬季防爆门被冻住而不能及时泄爆的问题。同时他们提出采用高强度钛合金防爆门替代高强度钢结构防爆门已解决防爆门因质量过大，在瓦斯爆炸时不能顺利开启泄爆的问题。此外，为更好的实现防爆门快速泄压、复位功能，部分学者对斜风井(或平硐)防爆门进行研究，并研制出一系列具有快速泄压、复位功能的斜风井(或平硐)防爆门。
斜风井(或平硐)防爆门位于地面，且门框结构主要呈倒立的“日”字结构，由外框架、中间直立门框、门扇以及门锁等配套装置组成。门扇通过合页安装于中间直立门框上，以实现开启、复位功能。黑龙江昱泰重型机械制造公司研制出一套适用于斜风井(或平硐)的防爆门，该套设备在防爆门内侧设置保温层，能够在冬季预防防爆门被冻结，采用高强度磁铁设计反风装置，在瓦斯爆炸冲击作用下能够及时开启泄压[126]。为保证斜风井(或平硐)防爆门泄压后能够快速复位，山西创奇实业有限公司开发了一系列的斜风井(或平硐)防爆门，包括可自行复位的斜风井(或平硐)防爆门[127]、自重复位的斜风井(或平硐)防爆门[128]和双缓冲强制复位的斜风井(或平硐)防爆门[129-130]。可自行复位的斜风井(或平硐)防爆门采用在直立门框上通过安装斜面脱卸合页、扭转弹簧合页和滚珠斜面合页，以实现防爆门在开启泄压后的快速复位功能[127];自重复位的斜风井(或平硐)防爆门在安装时，门体与防爆门出口方向的水平地面呈一钝角，当防爆门开启泄爆后在重力作用下防爆门实现自行关闭复位[128];双缓冲强制复位的斜风井(或平硐)防爆门主要是将内置气体弹簧、外置泡沫铝缓冲装置的门扇通过合页和扭簧安装于中间的直立楔形梁上，气体弹簧和泡沫铝缓冲装置能够在防爆门受瓦斯爆炸冲击时吸收能量，起到缓冲作用，防止防爆门在冲击波作用下产生破坏，泄压后，在扭簧的作用下，防爆门能够快速复位[129-130]。枣庄和顺达机电设备有限公司研制出一种具有自复式的斜风井(或平硐)防爆门，装有缓冲装置的门扇通过铰链安装于防爆门中间门柱上，门扇通过导向装置连接配重，使之在发生瓦斯爆炸时能够迅速开启，爆炸后门扇能够自行复位[131]。
扬州江隆矿业设备有限公司也相继开发出具有自动复位功能的斜风井防爆门，包括可以上下转动的自复式斜风井防爆门、水平移动式的自复式斜风井防爆门和飞翅式的自复斜风井防爆门[132-134]。上下转动的自复式斜风井防爆门，其防爆门的上端铰接于上部防爆门框，防爆门下端通过曲柄连杆装置连接至电机，同时配有负重系统，使防爆门更易被抬起，发生瓦斯爆炸时，通过电机运行将防爆门抬起泄压，泄压结束后通过电机带动防爆门复位[132]。水平移动式的自复斜风井防爆门是在斜风井口安装水平的防爆门框，框内装有导轨和弹簧缓冲器，防爆门安装于门框内，且防爆门外侧通过曲柄连杆装置连接电机，同时配重装置通过钢绳牵引与防爆门连接，发生瓦斯爆炸后，防爆门沿导轨被快速推出，经门框内的泄压孔泄压，由于弹簧缓冲器的存在，减少了防爆门被冲击变形的可能性，泄压结束后，在电机推动下使防爆门复位[133]。而翅式的自复斜风井防爆门主要完善了防爆门报警响应系统和提高了对防爆门电器设备的保护性[134]。
2 瓦斯爆炸抑爆减灾技术研究存在问题
瓦斯爆炸防治研究是保证矿井安全的重要课题，受到了广泛关注。在过去的几十年中，国内学者围绕煤矿瓦斯爆炸抑爆减灾技术开展了大量的研究工作，包括:瓦斯爆炸机理、瓦斯爆炸火焰传播规律、瓦斯抑爆技术、瓦斯抑爆装备以及瓦斯爆炸发生后的减灾技术，形成一个较为完整的瓦斯爆炸抑爆减灾技术体系。然而，近几年重(特)大瓦斯爆炸事故仍时有发生，造成巨大的生命财产损失及巨大的社会负面影响。这说明对瓦斯爆炸的防控形势依然严峻，瓦斯爆炸抑爆减灾技术理论体系仍需继续完善。
(1)瓦斯爆炸火焰传播理论仍需完善。
瓦斯爆炸反应机理及爆炸火焰传播理论是防控瓦斯爆炸的基础，国内学者在此方面开展大量研究工作，包括，基于敏感性分析方法得到瓦斯爆炸链式反应中的关键基元反应和基于实验研究得到瓦斯爆炸火焰传播过程中火焰结构、火焰传播速度以及超压变化规律。这些宏观性的实验参数虽然能够在一定程度上为瓦斯爆炸的防控提供理论支撑，但不能从本质上揭示瓦斯爆炸火焰传播规律。瓦斯爆炸传播属于带强烈化学反应的强湍流过程，特别是在多重障碍物的作用下，瓦斯爆燃火焰传播过程中会产生压力波。仅从爆炸火焰结构、爆炸火焰传播速度以及超压积聚变化规律很难揭示瓦斯爆炸火焰-湍流-压力波的耦合作用机制。此外，由于现有实验方法和测试手段的限制，不能通过实验直接捕捉详实的火焰传播过程及其流场变化特征，因此缺乏足够的数据来揭示火焰-湍流-压力波的耦合作用机制对瓦斯爆炸火焰传播的控制。
(2)瓦斯爆炸火焰传播模型过于简化，带反应机理的数值模拟亟需解决。
现有的数值模拟往往采用简化模型开展瓦斯爆炸火焰传播特性研究工作。特别是采用大涡模拟方法模拟瓦斯爆炸火焰传播时，亚网格燃烧模型的选取需要根据实际工况进行调整，亚网格燃烧模型的准确性与普适性仍需进行更多的改进与验证。瓦斯爆炸是一种剧烈的化学反应过程，开展带化学反应机理的瓦斯爆炸数值模拟有助于从理论上揭示瓦斯爆炸火焰传播过程中瓦斯爆炸燃烧波、冲击波在传播扩散过程中温度、压力的时空变化规律，从本质上揭示瓦斯爆炸火焰传播机制。然而，准确度较高的GRI Mech 3.0甲烷燃烧机理包含53种组分、325个基元反应[6]，直接采用如此复杂的反应机理开展数值模拟工作难以实现，需要对反应机理进行简化，以满足数值模拟的要求。而机理的简化并不是在复杂反应机理的基础上对中间反应产物以及中间基元反应进行简单的祛除，需要对关键自由基、关键反应路径变化的进行详细的分析，更需要对瓦斯热力学参数的优化，以此保证简化机理的准确性。如何实现带化学反应机理的数值模拟是现今亟需解决的重大问题。
(3)瓦斯爆炸抑爆剂的详细化学作用机制需更加明确。
抑爆剂详细的化学作用机制需更加明确。抑爆剂是矿井瓦斯抑爆装备的重要组成部分。国内学者对惰性气体抑爆剂(N2和CO2等)、细水雾抑爆剂(细水雾、含添加剂细水雾和荷电细水雾)、粉体抑爆剂(碱金属盐粉体、改性粉体、复合粉体)、多孔抑爆介质以及气液两相抑爆剂抑制瓦斯爆炸开展了大量的研究工作。重点关注了瓦斯抑爆过程中最大爆炸压力、最大压力上升速率以及火焰传播速度的变化规律。宏观的实验参数能够反应抑爆剂对瓦斯爆炸的抑制作用，却不能解释抑爆剂在抑制瓦斯爆炸过程中的作用机理。现有的研究主要通过表征抑爆剂的热力学特征参数来解释抑爆剂抑制瓦斯爆炸反应的作用机理，包括，热重分析、微分热重分析、差热扫描/焓变、活化能等。虽有部分学者尝试解释抑爆剂在抑制瓦斯爆炸反应过程中的作用机理，但缺乏足够的理论支撑，化学抑制作用机理并没有被很好的揭示。现有的研究缺乏从抑爆剂反应作用机理出发，从化学分子动力学出发，结合数值模拟，分析不同类型抑爆介质(气相、液相、固相)在抑制瓦斯爆炸反应过程中的键能、关键自由基及关键反应路径变化规律，不能准确的从机理层面阐明抑爆剂在瓦斯抑爆过程中的作用机制。瓦斯抑爆剂的发展趋势是清洁高效、安全环保。对粉体抑爆材料进行改性、复合，或使用两相抑爆剂协同能够在一定程度上提高抑爆剂的抑爆性能，丰富瓦斯抑爆材料。此外，高分子有机抑爆材料已经在防灭火中表现出更加优良的性能，尝试将高分子有机灭火材料引入瓦斯抑爆材料是提高抑爆性能的重要手段。
(4)瓦斯爆炸抑爆装置配置方式需要进一步研究。
煤矿井下巷道中布置的抑爆装置包括主动式抑爆装置与被动式抑爆装置。被动式抑爆装置(隔爆岩棚、隔爆水棚等)因其布设简单、成本低廉而广泛应用于煤矿井下，且其布设要求、标准已经在《煤矿安全规程》中做出了明确的规定。然而，一方面随着现代化进程的快速推进，单个矿井产能不断增大，矿井逐步向深部延伸，在大风量、高地温环境下，采用被动式防爆装置已经渐渐地不能满足防控瓦斯爆炸的作用;另一方面，被动式抑爆装置发挥作用时瓦斯爆炸已经发展到一定的规模，被动式抑爆系统往往不能扑灭瓦斯爆炸火焰，发挥阻隔瓦斯爆炸传播的作用。采用主动式抑爆装置能够克服被动式抑爆装置的问题。基于双紫外线探测技术，主动式抑爆装置能够实现对瓦斯爆炸火焰的“精准”探测，对瓦斯爆炸火焰做出“快速”反应，能够在瓦斯爆炸发展初始阶段扑灭爆炸火焰。然而，主动式抑爆装置价格高昂且缺乏相关的布设标准严重阻碍着其在矿井的推广与使用。如何实现主、被动抑爆装置的优化配置是实现瓦斯爆炸防控的关键，这需要今后通过大量的实验确定。
(5)瓦斯爆炸减灾装置智能化水平有待提高。
井下瓦斯失控后，瓦斯爆炸冲击传播至井口时，需要风井防爆门能够快速打开泄压，保护风机，泄压结束后，需要风井防爆门能够实现快速复位、密封，恢复井下通风，防止灾害扩大。现有的风井防爆门受瓦斯爆炸冲击破坏严重，更有甚者防爆门在冲击作用下被抛出，造成复位困难，致使风井防爆门并不能履行其协同减灾的功能。现有的研究主要集中于对风井防爆门快速开启、复位进行研制。然而，在瓦斯爆炸冲击过程中，冲击动作属于毫秒级，而防爆门开启泄压动作属于秒级，现有的研究缺乏考虑在瞬时(ms)冲击作用下的风井防爆门破坏动态力学响应特征，缺乏对在瞬时冲击作用下风井防爆门动作响应的考虑。如何实现风井防爆门在灾变时实现快速泄压且泄压后实现快速复位而不被破坏是当前研究的难点。针对现有风井防爆门发展情况，如何研制具有抗冲击、多次泄压、快速复位、锁扣密封及自动控制功能的主-备一体化智能风井防爆门装备是当前研究亟需解决的重点、难点。
3 瓦斯爆炸抑爆减灾技术研究发展趋势
(1)在瓦斯爆炸反应机理与爆炸火焰传播研究方面，目前主要是以实验研究为主的研究手段。由于实验过程中受实验条件限制，有些实验工况是无法实现的，且实验工况也是有限的，因此未来需要打破以实验研究为主的常规研究手段，更多的借助数值模拟方法，开展数值模拟研究工作。通过开展数值模拟，在有更多数据结果的基础上才能真正了解瓦斯爆炸反应机理与爆炸火焰传播特征。当然在开展数值模拟研究过程中，应该对理论模型进一步的完善，不能过于简化，使模拟结果更符合实际爆炸过程。
(2)在瓦斯抑爆材料研究方面，无论是惰性气体、细水雾、粉体还是多孔介质，主要都是基于某一种特定材料而开展的，其中有物理抑爆机理、也有化学抑爆机理。未来的发展趋势是开发既有物理抑爆机理、也有化学抑爆机理的复合材料，实现物理和化学抑爆耦合作用机制下的高效抑爆。众所周知，爆炸过程总体上是一个复杂的化学反应过程，用物理的手段解决化学反应问题显然其作用是有限的，因此在未来的基于物理和化学抑爆耦合作用机制的高效抑爆剂，更应该突出其化学抑爆作用。
(3)在瓦斯爆炸抑爆装置开发方面，除高效抑爆剂外，快速、高精确、高稳定性的瓦斯爆炸火焰探测技术是核心。目前基于双紫外线探测技术基本能够实现对瓦斯爆炸火焰的“精准”探测，但精度和稳定性都有待提高。这主要是因为精确度与稳定性是一对矛盾体，要实现快速高精度往往需要“牺牲”稳定性。因此开发兼顾快速、高精确、高稳定性的瓦斯爆炸火焰探测技术是未来的发展趋势。
(4)在瓦斯爆炸抑爆减灾技术研究方面，目前主要通过设置防爆门的方式实现爆炸发生后的减灾。由于瓦斯爆炸是瞬间(毫秒级)完成的，故需要提高防爆门的快速响应能力。随着我国煤矿加快数字矿山和矿井灾变智慧系统建设，将风井防爆门与这些智能系统有机的联系起来，才能形成一套完整的瓦斯抑爆减灾系统，从而整体上提高瓦斯爆炸减灾作用。
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