煤炭是我国的基础能源和主体能源，受地质条件限制，在开采过程中存在多种安全隐患，而瓦斯煤尘爆炸是对煤矿生产影响最大、破坏最严重的灾害。近几来，煤矿重特大事故仍频频发生，2019年全国煤矿发生瓦斯事故27起，造成118人死亡，占煤矿事故总死亡人数的37.3%。瓦斯煤尘爆炸等热动力灾害是当前煤矿安全领域的难点，也是亟需系统研究和解决的问题之一[1]。
瓦斯煤尘爆炸事故具有突发性、破坏性等特点，国内外相关学者对瓦斯煤尘爆炸的特征参量和致灾机制做了大量工作。司荣军等[2-4]利用爆炸实验管道、密闭容器等装置研究了温度、压力、点火能以及多因素耦合条件对瓦斯煤尘爆炸参量的变化特性。段玉龙等[5]通过建立空间温度衰减模型，对瓦斯爆炸后热危害区域分布进行了探索。刘丹等[6]应用连续相、颗粒相计算方法，分析了瓦斯爆炸诱导沉积煤尘参与爆炸2种作用模式。
国内外相关学者通过构建不同尺度、不同形状(圆形、方形、球形等)的管道实验系统，研究了瓦斯(煤尘)爆炸压力、火焰传播特性。LOHRER C等[7]利用直径分别为0.159,0.200 m，长23 m管道研究了不同堵塞比条件下爆炸特性参量的变化规律，得出湍流诱导元素增强了反应流的传热和传质。MANJU Mittal[8]研究了容积为0.02 m3球形、0.027 m3、0.8 m3矩形和25.6 m3球形等不同尺度条件下甲烷-空气混合物在密闭容器爆燃实验，量化了爆炸严重性参数对甲烷体积分数和容器容积的依赖性，爆燃指数随着试验容器尺寸的增大而增大。景国勋等[9]采用150 mm×150 mm×500 mm竖直有机玻璃管道，研究了煤尘质量浓度对瓦斯煤尘耦合爆炸火焰传播规律的影响。
抑爆材料的性能是影响瓦斯爆炸灾害防治的重要因素之一，各种不同的介质材料得到越来越多的研究和关注。CHELLIAH、文虎等[10-11]对不同质量浓度、不同粒径的NH4H2PO4,NaHCO3化学活性粉体材料对甲烷-空气火焰的抑制变化趋势进行了实验测试。CAO等[12]发现超细水雾能够影响瓦斯爆炸火焰的状态，随水雾喷射量增加火焰“TULIPS”结构的出现具有延迟作用。YU 等[13-14]研究了细水雾以及添加NaCl 和感应电荷的条件下对甲烷爆炸超压或火焰传播的抑制效果。路长等[15]认为氮气云幕能够阻断管道瓦斯爆炸的传播，而喷气压力对氮气幕的阻爆效果起决定作用。
受实验设备和条件的限制，目前爆炸实验多采用小尺度的管道或爆炸容器进行，且多采用先喷射抑爆材料、后点爆瓦斯等易燃物的方式，这与实际煤矿井下巷道内瓦斯煤尘爆炸致灾特性存在较大差异，并不能可靠地指导实际的矿井爆炸灾害防治。笔者采用工程尺度条件的爆炸实验巷道，研究瓦斯煤尘爆炸的灾害演化过程，并以此为基础，采用“爆炸探测-控制分析-执行”的方式研究巷道隔爆系统的防控效果。研究的巷道隔爆方法和系统能有效控制爆炸传播，降低事故灾害，为煤矿生产提供安全保障。
1 实验系统和方法
1.1 大尺度巷道实验系统
图1为大尺度巷道实验系统示意，由主巷、副巷、保护段组成，其中主巷分为平巷段和斜巷段。巷道全长896 m，断面为7.2 m2的半圆拱形，在保护段设置有双重防爆门，实验时防爆门关闭，形成一端封闭、一端敞开的传播方式。
图1 大尺度巷道实验系统
Fig.1 System of large-scale experimental roadway
主巷为爆炸实验段，0 m起点为封闭端，由封闭端起，可以在特定设置封闭巷道断面，形成30，50，100，200 m3容量的空间。该空间通过充气循环管路形成瓦斯-空气混合气体。巷道沿走向设置有壁龛，每隔10 m或20 m布置1个，壁龛面板上安设有测试爆炸压力、火焰等参量的传感探测器。
图2 隔爆装置组成及工作原理示意
Fig.2 Composition and working principle diagram of explosion isolation device
1.2 巷道主动隔爆系统
主动隔爆系统主要由直流稳压电源、巷道隔爆器、火焰传感器、爆炸冲击波传感器、控制器等组成，如图2所示。火焰传感器采用双紫外原理，光谱响应位置在185～260 nm[16]，灵敏度高，能够在爆炸初始时刻探测的火焰信息;冲击波探测器高频实时采集爆炸压力信息，可以根据安装使用位置的不同设置不同的触发阈值;控制器是主动隔爆系统的信号和功能中枢;巷道隔爆器储存大容量的隔爆粉体介质，直流稳压电源为系统整体正常工作和触发过程提供动力源。主动隔爆系统的整体响应时间小于16 ms。
当发生爆炸事故时，传感器探测到爆炸火焰或压力信号并传输至控制器，控制器分析后输出控制信号，触发巷道隔爆器迅速喷射出隔爆粉体介质，在前端形成隔爆屏障，达到扑灭爆炸火焰、衰减冲击波的作用，阻断爆炸的传播。
巷道隔爆使用ABC超细干粉灭火剂作为隔爆粉体介质，主要成分为NH4H2PO4，配有少量的SiO2,CaCO3等，质量比90%的粒径<15.49 μm。超细粉体贮存在隔爆器罐体内，触发后在储存的高压干燥氮气驱动下快速喷射，在巷道受限空间内形成气-粉混合隔爆屏障。NH4H2PO4在高温下能发生多步分解反应，与可燃物质作用，具有冷却降温和隔绝窒息等方面的抑制作用[17]。
1.3 实验方法
瓦斯(煤尘)爆炸传播实验与隔爆实验中爆源物质与爆炸信息采集布置方式相同，实验测试系统主要由瓦斯充气循环装置、点火装置、采集装置、测试软件等组成，实验布置如图3所示。
图3 巷道瓦斯煤尘爆炸实验布置
Fig.3 Layout diagram of explosion experiment of gas and coal dust
首先在不安装主动隔爆系统的条件下进行瓦斯(煤尘)爆炸实验，分析爆炸参量的传播特性。在主巷的起始段封闭形成100 m3的瓦斯室，通过管路充气并循环形成甲烷体积分数9%～10%的混合均匀的瓦斯气。瓦斯煤尘爆炸实验预先在14～70 m通过煤尘架铺设细煤粉(85%粒径小于75 μm，挥发分大于40%)，细煤粉的用量按照空间质量浓度150 g/m3布置[18]。实验用2根8号工业电雷管引火头作为触发源，引爆瓦斯混合气体，瓦斯爆炸冲击波卷扬煤尘，形成瓦斯煤尘爆炸。
在主巷0～120 m内壁龛布置爆炸信号传感器，每个测点分别安设压力、火焰传感器，火焰传感器以2CU24光敏二极管为核心，能够探测爆炸火焰的到达时间和持续时间。压力传感器采用高频响压阻式原理，直接显示可存储的压力信号。爆炸数据采集采用基于PXIe硬件平台的测试系统，可以实现64路通道的瞬态信号高速采集，实验中采样率为每秒106个采样点，在引爆的同时触发系统的各采集通道，采集各测点爆炸压力、火焰信息随时间的变化规律。爆炸实验流程为“封闭瓦斯室-配气-循环混合-点火采集-巷道通风”，实验完成后进行数据处理及分析。
隔爆实验中，瓦斯(煤尘)爆炸强度、可燃物布置位置、点火方式与爆炸传播实验相同，根据主动隔爆系统的工作原理在巷道内安装布置各组成部分。根据爆炸火焰、压力等信息的发展演化规律，在爆炸初始段分别布置火焰传感器和压力传感器，在爆炸传播途径安装巷道隔爆器。实验中根据爆炸能量和强度的不同，逐渐递增隔爆粉体介质，隔爆器罐体内粉体的驱动气压力均为(8±0.5)MPa。
2 隔爆屏障的形成及动态特征
隔爆粉体介质喷射后在空间内的动态分布特征及屏障效果是影响隔爆系统性能的重要因素之一。通过高速摄像机在地面敞开空间对巷道隔爆器的粉体喷撒过程进行了记录，拍摄帧率为1 000 fps。粉体隔爆屏障在空间内的形成过程和动态特征如图4所示。
图4 粉体介质喷撒动态分布状态
Fig.4 Distribution of cloud curtain of powders at different times
喷撒实验中，罐体内超细粉体介质的充装质量为30 kg，驱动压力为8.0 MPa。由图4(a)可知，隔爆器触发后，粉体介质快速向前喷射，以触发时刻为起点，在120 ms时刻形成直径约3.2 m的近圆形云幕，面积8.04 m2，能够覆盖大尺度巷道的全断面。由图4(b)～(e)可知，粉体介质继续快速向前喷射，并向四周扩散，粉体云幕可以在空间形成大范围的有效隔爆屏障。实验中隔爆器为倾斜放置，根据介质物理状态，粉体位于罐体下部，驱动气位于上部，实验中粉体介质率先快速喷出，然后在氮气驱动力作用下继续向前喷射，在1 200 ms时刻覆盖范围距喷粉口20 m左右，随后向前扩散速度减缓。因此，气体压力是影响粉体介质动态分布和覆盖距离的直接因素。
在驱动气压力下，粉体向四周扩散的速度小于轴向的喷射速度。当在巷道内有限空间约束条件下，粉体向前的喷射速度会更快。由于超细干粉的能保持良好的悬浮状态，在空间内的持续作用时间大于5 000 ms，可以在巷道隔爆实验中起到有效的抑制灭火作用。
定义粉体质量浓度为隔爆器喷撒粉体介质形成有效隔爆屏障后，超细粉体颗粒分布在单位空间内的质量。粉体质量浓度为
(1)
式中，c为喷撒后空间内的粉体质量浓度，g/m3;m0为粉体的充装质量，kg;m1为喷撒完成后粉体的剩余质量，kg;S为粉体云幕的横截面面积，m2;L为粉体介质的喷撒距离，m。
在巷道隔爆实验中，受巷道壁面约束，横截面积为7.2 m2，不考虑爆炸冲击波对隔爆屏障的后续影响，覆盖距离按照地面喷撒实验中20 m计算。
3 巷道瓦斯(煤尘)爆炸传播特性
3.1 瓦斯爆炸传播特性
进行了CH4体积分数9.5%的100 m3瓦斯爆炸传播试验，不同位置爆炸压力和火焰传播速度如图5所示。火焰传播速度为相邻两测点火焰到达的时间间隔与距离的比值，即v=(t2-t1)/l。其中，v为火焰传播速度，m/s;t1, t2分别为前后两测点的火焰到达时刻，s;l为两测点的距离,m。
图5 瓦斯爆炸压力及火焰传播变化规律
Fig.5 Variation of pressure and flame velocity in gas explosion experiment
由图5可知，在瓦斯爆炸过程中，各测点最大爆炸压力不是单调的下降，而是有所起伏。由于爆炸源附近可燃气被点燃后，气体高速向外压缩膨胀，未被点燃的瓦斯气在压缩波作用下向前运动，压力达到某一峰值后有所下降。又因巷道空间的约束作用以及压力波的回传等原因，更多瓦斯气被点燃，使得压力又重新出现回升。随着爆炸反应的持续进行，在没有更多瓦斯气体支持下，且无其他条件影响，后续各测点爆炸压力又逐渐回落。本次试验，100 m3瓦斯爆炸过程中，最大爆炸压力出现在40 m测点位置，最大爆炸压力为103 kPa。
在爆炸初期火焰速度大于压力波传播速度，随着爆炸发展，压力波超越火焰波阵面，形成典型的“2波3区”结构。实验中，爆炸火焰最远传播至封闭端60 m位置，这也符合爆炸火焰区长度为初始瓦斯积聚区3～5倍的关系[19]。最大火焰传播速度基本与爆炸最大压力在同一区域，最大火焰速度为30～40 m的285.7 m/s，火焰速度达到极值后开始下降，60 m之后未测到爆炸火焰。
3.2 瓦斯煤尘爆炸传播特性
图6为CH4体积分数9.5%时的100 m3瓦斯诱导沉积煤尘爆炸实验中，不同测点位置爆炸最大压力、火焰传播速度等参量变化。
图6 瓦斯煤尘爆炸压力及火焰传播变化规律
Fig.6 Variation of pressure and flame velocity in gas and coal dust explosion experiment
由图6可知，在瓦斯煤尘爆炸实验过程中，各测点位置的爆炸最大压力明显增大。初始段的瓦斯气体爆炸在爆源处达到极大值，而爆炸冲击波在卷扬铺设煤尘的过程中消耗能量，爆炸压力降低。随后，煤尘参与爆炸，爆炸压力逐渐升高，在60 m达到最大值140 kPa。同样，在传播过程中，卷扬煤尘云和压缩气体共同向前推进，受空间约束，在压缩波叠加、膨胀波作用、传播做功及壁面能量耗散等因素共同作用下，爆炸压力在传播过程中出现振荡，在120 m内整体下降幅度较小。
爆炸火焰区长度远大于煤尘铺设区，火焰能传播至120 m之后。火焰传播速度随距离呈现先增加后降低的趋势，在14～60 m瓦斯煤尘持续参加化学反应，火焰速度急剧增加，最大火焰速度在40～60 m，最大速度为313 m/s，之后随着可燃物质减少火焰速度呈现降低趋势，在100 m之后由于没有更多的能量维持，火焰速度降至76 m/s。在煤尘质量浓度150 g/m3、铺设区14～70 m条件下，瓦斯煤尘复合爆炸过程中的火焰区长度为煤尘区的2.1倍。相对于瓦斯爆炸，煤尘参与反应后，爆炸能量增加，燃烧反应得以延续和发展，爆炸强度增加，火焰区长度增加。
4 巷道隔爆实验效果及分析
4.1 主动隔爆系统的布置
根据瓦斯(煤尘)爆炸传播特性，隔爆系统采用先火焰探测后压力探测的方式，火焰传感器安装在最前端，距离点火源5 m左右，爆炸冲击波探测器安装在距离封闭端20 m处。隔爆系统根据探测到火焰、压力信号的不同，判别分析爆炸发生传播的不同阶段，从而触发不同数量的巷道隔爆器。为检验隔爆系统的性能和效果，巷道隔爆器安装在爆炸最大压力和最大火焰速度出现位置的前端，从而与传播实验中爆炸参量传播特性进行对比分析。瓦斯隔爆实验中，巷道隔爆器安装在主巷内距封闭端20 m处，瓦斯煤尘隔爆实验中，巷道隔爆器安装在主巷内距封闭端40 m左右位置。
根据隔爆屏障的喷撒动态特征，驱动气压力是影响粉体在空间分布范围的决定因素，贮粉质量是影响隔爆屏障粉体质量浓度的决定因素。隔爆实验中通过改变隔爆器贮粉质量，从而改变隔爆屏障的粉体质量浓度。隔爆实验中隔爆器的安装方式和驱动压力与喷撒测试中相同，粉体介质的用量是20～90 kg，根据式(1)计算得出在爆炸火焰前端形成的隔爆屏障的粉体质量浓度。实验采用爆炸压力、火焰传播等参量变化分析不同质量浓度粉体的主动隔爆效果。
4.2 粉体质量浓度对隔爆效果的影响
4.2.1 粉体抑制作用分析
ABC粉体分解温度低，可以在燃烧反应的预热区分解，而且其多步分解反应均是高度吸热过程，起到有效冷却降温的作用。分解产生的NH3、水蒸气以及惰性分子和颗粒能够隔离可燃物质与氧气接触。随着粉体质量浓度的增加，超细粉体的冷却、隔绝效应逐渐增加，活性自由基与惰性分子的碰撞几率增加，从而消耗活性自由基的链终止反应速率增加，燃烧爆炸反应速率降低。而且，隔爆器内高压驱动气体氮气持续喷出，氮气的喷射方向与冲击波压力的传播方向相反，起到对冲效果，减缓了爆炸波的传播，氮气作为稳定的第3体同样起到了抑制作用[20]，稀释了甲烷和氧气体积分数，隔爆效果更加明显。
在瓦斯煤尘爆炸隔爆实验中，惰性颗粒一方面阻挡了煤粒子与氧的接触，另一方面可以吸附在煤粉颗粒表面产生结焦，阻碍热传导和火焰辐射，起到了有效的隔爆效果。
4.2.2 爆炸超压变化
爆炸超压是衡量爆炸反应过程和破坏程度的重要参量。图7为瓦斯隔爆、瓦斯煤尘隔爆实验添加不同质量粉体介质时，爆炸最大压力随传播距离的变化规律。
图7 不同粉体质量浓度对爆炸压力的影响
Fig.7 Effects on explosion pressure under different mass concentrations of powders
当燃烧爆炸反应热效应放出的能量大于向前传播和热交换损失的能量时，爆炸超压上升;反之，爆炸超压下降。由图7可知，在隔爆实验中，由于隔爆器超前喷撒粉体介质形成有效的隔爆屏障，起到了良好的消焰阻火作用，而粉体质量浓度是影响隔爆效果的直接因素。瓦斯隔爆实验中，当粉体质量浓度为138.9 g/m3时，爆炸压力经过短暂的低压区后又快速上升，没有实现有效的隔爆效果。随着粉体质量浓度的增加，隔爆系统消减冲击波的作用逐渐增加。当粉体质量浓度为208.3,277.8 g/m3时，爆炸最大压力在隔爆系统后端分别降低至40.5,36.4 kPa，相对于瓦斯爆炸实验同一位置的最大压力下降了60.2%,64.2%。
主动隔爆系统不能消除爆炸压力波，但可以大幅减弱爆炸压力的强度和破坏性。瓦斯煤尘爆炸隔爆实验中，在40 m之前无粉体介质的阻隔作用，压力上升与爆炸传播实验规律一致。在40 m之后，爆炸超压出现拐点，进入衰减区。当隔爆屏障的粉体浓度为416.7 g/m3时，爆炸超压在70 m位置下降至75 kPa，爆炸最大压力相对于传播实验明显降低。当粉体浓度增加到625.0 g/m3时，70 m位置爆炸最大压力降低至54 kPa，相对于瓦斯煤尘爆炸实验的最大压力下降了60.3%。
4.2.3 爆炸火焰传播变化
爆炸火焰是爆炸反应释放能量的外在直观表现，在释放能量支持下，爆炸猛烈程度增强、破坏性增加。在爆炸传播实验中，随瓦斯和煤粉可燃物质用量的增加，在化学反应支持下，爆炸火焰传播的距离更远，火焰速度增加。实验中，单一甲烷体积分数9.5%、体积100 m3瓦斯爆炸火焰区长度为60 m，同等瓦斯与质量浓度150 g/m3,14～70 m煤尘区发生复合爆炸的火焰传播距离至120 m之后。实验条件下，煤尘参与反应后，火焰区长度呈现翻倍增加。
如图8所示，当布置隔爆系统后，在爆炸压缩波作用下，爆炸火焰仍会向前传播一定距离，但火焰区长度大幅度缩短。而且，当粉体质量浓度较低时，隔爆屏障不能扑灭火焰，随着质量浓度的增加，粉体消焰灭火区的长度递减。瓦斯隔爆实验中，粉体质量浓度为277.8 g/m3时，爆炸火焰最远传播至30 m;在瓦斯煤尘隔爆实验中，粉体质量浓度为625.0 g/m3时，60 m位置未探测到火焰信号。煤尘参与反应后，气相与固相爆炸耦合，释放的热量大于瓦斯爆炸，爆炸压力和火焰在接触区存在叠加效应，热效应与爆炸冲击效果增加。所以，煤尘的存在对隔爆系统的安装布置和粉体用量都有较大影响，达到同等隔爆效果时，瓦斯煤尘隔爆实验中需要的粉体质量浓度明显增大。
图8 不同质量浓度隔爆粉体对爆炸火焰区长度的影响
Fig.8 Effect on flame zone length under different mass concentration of powder
图9为瓦斯隔爆、瓦斯煤尘隔爆实验中添加不同质量粉体条件下，爆炸火焰速度随距离的传播变化规律。在隔爆实验中，粉体质量浓度增加后，最大火焰速度出现位置逐渐前移。瓦斯爆炸实验中最大火焰速度出现在30～40 m，当粉体质量浓度为208.3,277.8 g/m3时，最大速度分别出现在20～30,10～20 m，而且最大速度分别为144.8,92.6 m/s。爆炸火焰最终在隔爆器后20 m被完全扑灭。
图9 不同质量浓度隔爆粉体对火焰传播速度的影响
Fig.9 Effect on flame propagation velocity under different mass concentrations of powders
在瓦斯煤尘传播实验中，最大火焰速度出现在40～60 m，而在隔爆实验中，最大火焰速度在巷道隔爆器的前端，即20～40 m。隔爆器的安装位置为爆炸火焰传播的“拐点”，在隔爆屏障覆盖区，爆炸火焰传播速度迅速降低。当隔爆屏障的粉体质量浓度为416.7 g/m3时，爆炸火焰的最大传播速度为226.4 m/s，70 m位置未探测到火焰信号，爆炸火焰在隔爆器后30 m范围内被完全扑灭。随着粉体质量浓度的增加，隔爆效果增强，当质量浓度增加至625.0 g/m3时，爆炸火焰的最大传播速度为102.9 m/s，60 m位置未探测到火焰信号，爆炸火焰被控制在隔爆器后20 m内。
5 结 论
(1)巷道隔爆器内粉体介质在触发后快速向外喷撒形成隔爆屏障，驱动气体压力是影响隔爆屏障动态分布和覆盖距离的直接因素。粉体在120 ms时刻形成8.04 m2有效断面，1 200 ms时隔爆屏障可覆盖20 m，粉体能在空间内持续作用5 000 ms以上。
(2)巷道隔爆系统的粉体介质和惰性驱动气体能起到有效的衰减压力波作用。随着粉体质量浓度的增加，隔爆系统的效果增强。在瓦斯隔爆实验粉体质量浓度为277.8 g/m3时，40 m位置爆炸超压为36.4 kPa，相对于爆炸传播实验最大压力下降了64.2%。瓦斯煤尘爆炸隔爆实验中，粉体质量浓度为625.0 g/m3时，70 m位置爆炸超压降低至54 kPa，相对于同等爆炸传播实验的最大压力下降了60.3%。
(3)在巷道隔爆系统的氮气和粉体隔爆屏障作用下，成功实现隔爆，爆炸火焰传播速度迅速下降，直至最终消失。瓦斯隔爆实验中，随着粉体质量浓度的增加，最大火焰速度出现在爆源附近，最大速度为92.6 m/s，爆炸火焰最终控制在在隔爆器后20 m;瓦斯煤尘爆炸隔爆实验中，爆炸火焰在隔爆器后20 m区域内被完全扑灭。
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