气固两相介质协同抑制瓦斯爆炸实验及分子动力学研究

谯永刚; 华杰; 袁丹萍; 张泽宇; 左文哲

doi:10.11883/bzycj-2023-0322

气固两相介质协同抑制瓦斯爆炸实验及分子动力学研究

doi: 10.11883/bzycj-2023-0322

谯永刚^{1, 2,},
华杰^1, ,,
袁丹萍¹,
张泽宇³,
左文哲¹

1.
太原理工大学安全与应急管理工程学院，山西太原 030024
2.
中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州 221116
3.
山西省地质矿产研究院有限公司，山西太原 030001

基金项目: 国家自然科学基金联合基金(U1810206)；山西省青年科学研究项目(202103021223116)；

详细信息

作者简介:
谯永刚（1984－　），男，副研究员，博士研究生，qiaoyonggang@tyut.edu.cn

通讯作者:
华　杰（1998－　），男，硕士研究生，hahahuajie@163.com

中图分类号: O389
计量
- 文章访问数: 339
- HTML全文浏览量: 114
- PDF下载量: 76
- 被引次数: 2
出版历程
- 收稿日期: 2023-09-06
- 修回日期: 2023-12-10
- 网络出版日期: 2024-01-25
- 刊出日期: 2024-05-08

Experimental and molecular dynamics studies on the synergistic suppression of gas explosions in gas-solid media

QIAO Yonggang^{1, 2
,},
HUA Jie^{1
, ,},
YUAN Danping¹,
ZHANG Zeyu³,
ZUO Wenzhe¹

1.
College of Safety and Emergency Management Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, China
2.
School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, Jiangsu, China
3.
Shanxi Institute of Geology and Mineral Resources Company Limited, Taiyuan 030001, Shanxi, China

摘要

摘要: 针对传统单相抑爆介质效果不佳的问题，提出气固两相介质通过不同抑爆原理的协同作用，实现高效快速抑制瓦斯爆炸。研究使用NaHCO₃粉体与CO₂气体协同抑制瓦斯爆炸的方法，选用标准20 L球形爆炸测试装置，并通过密度泛函理论对甲烷爆炸微观反应机理中各反应物、过渡态、产物进行构型优化，在此基础上进行后续计算。结果表明：体积分数为16%的CO₂和质量浓度为0.35 g/L的NaHCO₃单相介质对瓦斯爆炸具有优良的抑制效果，但0.1 g/L粉体存在时会使最大升压速率提升17.9%；气固两相介质抑爆相较单相CO₂、单相NaHCO₃粉体使最大爆炸压力降低，采用体积分数为8%的CO₂协同0.125 g/L粉体时，瓦斯爆炸最大爆炸压力降低72.42%，最大升压速率降至2.345 MPa/s，抑制效果达到最优；但当体积分数为4%的CO₂协同0.05 g/L粉体时会使最大爆炸升压速率上升93.68%，反应呈现出一定的加剧现象；量子化学计算表明，在气固两相介质协同抑制瓦斯爆炸的过程中，NaHCO₃粉体裂解会吸收反应体系中的热量，其分解产物会与混合体系中的OH·、H·优先反应，阻碍O·的产生，将链式过程抑制在CH₂O阶段，进而抑制链式反应的传递过程；NaHCO₃粉体分解产生的CO₂与混合体系中的CO₂稀释了混合体系中甲烷的体积分数，减少甲烷与氧气分子之间碰撞发生的概率，对反应进程起到有效抑制作用。
- 抑制瓦斯爆炸 /
- 气固两相介质协同 /
- 反应机理 /
- 混合体系 /
- 吸热 /
- 分子动力学
Abstract: Aiming at the problem that the traditional single-phase explosion suppression medium is not effective, it is proposed that the gas-solid two-phase medium cooperates with different explosion suppression principles to achieve efficient and rapid suppression of gas explosion. The method of using NaHCO₃ powder and CO₂ gas to synergistically suppress gas explosion was studied. The standard 20 L spherical explosion test device was selected, and the configuration optimization of reactants, transition states and products in the microscopic reaction mechanism of methane explosion was carried out by DFT (density funchtion theory). On this basis, the subsequent calculation was carried out. The results show that the single-phase medium with a volume fraction of 16% CO₂ and 0.35 g/L NaHCO₃ has an excellent effect on suppressing gas explosion, but the presence of 0.1 g/L powder will increase the maximum boosting rate by 17.9%. Compared with single-phase CO₂ and single-phase NaHCO₃ powder, the gas-solid two-phase medium explosion suppression phase reduces the maximum explosion pressure. When 8% volume fraction CO₂ is used in conjunction with 0.125 g/L powder, the maximum explosion pressure of gas explosion is reduced by 72.42%, and the maximum pressure rise rate is reduced to 2.345 MPa/s. The suppression effect is optimal; however, when 4% volume fraction CO₂ cooperates with 0.05 g/L powder, the maximum explosion pressure rise rate increases by 93.68%, and the reaction shows a certain intensification phenomenon. The quantum chemical calculation shows that in the process of gas-solid two-phase medium synergistic inhibition of gas explosion, the decomposition of NaHCO₃ powder will absorb the heat in the reaction system, and its decomposition products will preferentially react with OH· and H· in the mixed system, hindering the generation of O·, inhibiting the chain process in the CH₂O stage, and then inhibiting the transfer process of chain reaction. The CO₂ produced by the decomposition of NaHCO₃ powder and the CO₂ in the mixed system dilute the volume fraction of methane in the mixed system, reduce the probability of collision between methane and oxygen molecules, and effectively inhibit the reaction process.
- gas explosion suppression /
- synergistic gas-solid two-phase media /
- reaction mechanism /
- mixed systems /
- heat absorption /
- molecular dynamics

HTML全文

SHPB实验系统和轻气炮是目前最常用的动态加载实验设备^[1], 所能加载的材料试件的尺寸都较小, 只能对符合缩比模型实验条件的材料进行实验。将两者应用于混凝土和钢筋混凝土材料的动态力学性能实验研究, 做缩比模型实验, 材料试件很难满足等比例缩小和材料相同的条件, 所得实验数据的真实性必然受到影响。要想解决此类问题, 根本的方法是发展大尺寸试件的实验加载手段, 直接对真实混凝土试件进行加载, 这样所得的实验数据才可靠。

如果选取炸药作为驱动源动力, 一种方法是在保证飞片平面度的前提下, 先利用炸药爆炸驱动大直径的金属飞片, 再用高速飞片对真实混凝土试件进行动态加载, 完成与轻气炮相同的加载效果。孙承纬等^[2]、赵锋等^[3]利用平面波发生器实现了多级爆轰驱动; 栾广博等^[4]和张柱等^[5]利用阶梯型炸药驱动锥形金属飞片, 对大尺寸试件的加载实验进行了初步研究。另一种方法就是利用炸药直接对材料试件进行加载, 但通常只能在材料内部产生三角形冲击波, 实验数据很难测定, 且较离散。N.Gebbeken等^[6]在点起爆方式下对真实混凝土试件实现了三角形冲击波加载, 得到了不同深度处的压力-时间曲线。

在炸药直接加载情况下, 为了得到与轻气炮加载相同的加载波, 本文中提出利用接触爆炸下的反向起爆模型对材料试件进行加载, 在理论上给出冲击波加载对应的平台压力和平台宽度的计算方法, 并结合数值模拟对理论解进行验证, 以期为爆炸加载冲击波与轻气炮加载应力波的等效关系的建立提供理论基础。

1. 爆炸加载冲击波理论研究

对于轻气炮加载实验而言, 理想情况下, 飞片与靶板相撞后, 会在材料试件内部产生一个矩形加载应力波。炸药爆炸一般产生的为三角形冲击波, 如果有n个相同的三角形冲击波按照到达的先后顺序依次叠加, 便可得到带有平台的加载冲击波, 平台上带有明显的压力震荡, 如图 1所示。如果相邻2个三角形冲击波的时间间隔逐渐缩短, 甚至连续, 那么叠加所得冲击波平台上的震荡就会消失, 最终必将获得与轻气炮加载相同的矩形冲击波。

图 1 三角形冲击波叠加成带平台的冲击波

Figure 1. Triangular waves superimposed into shock wave with platform

下载: 全尺寸图片幻灯片

1.1 形成机理分析

基于图 1所示的叠加原理, 采用接触爆炸反向起爆加载方式, 如图 2所示, 可以获得带平台的加载冲击波。把炸药看成由无数个矩形微元体组成, 分别为1、2、3、4、5、6、7、…。当炸药被起爆后, 首先微元体1爆炸, 在固体表面施加第1个三角形冲击波; 然后微元体2爆炸, 在固体表面施加第2个三角形冲击波; 再后微元体3爆炸, 在固体表面施加第3个三角形冲击波; 后续微元体依次爆炸, 产生连续不断的三角形冲击波, 依次到达固体表面。由于这些三角形冲击波是连续到达固体表面的, 使固体表面一直维持着平稳的压力供应, 因此最终必然会在固体表面获得带平台的加载冲击波。

为验证上述加载冲击波形成机理的正确性, 利用AUTODYN软件建立了与图 2相同的反向起爆模型(平面轴对称问题), 模型中所用材料均选自软件自带的材料库, 分别为AIR、COMP B和AL2024, 得到了固体表面的压力-时间曲线, 如图 3所示。压力-时间曲线中存在明显的加载平台, 说明采用接触爆炸反向起爆方式得到的加载波形与采用轻气炮加载得到的加载波形相同。此外, 压力-时间曲线刚开始存在很大的压力峰值, 主要是由起爆瞬间化学反应区内的化学峰造成的。结合部分数值模拟发现, 该峰值随着冲击波在材料内部传播距离的加大而逐渐衰减。

图 2 平面轴对称反向起爆模型

Figure 2. Plane axisymmetric reverse detonation model

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 接触面的压力-时间曲线

Figure 3. Pressure -time curve at contact surface

下载: 全尺寸图片幻灯片

1.2 冲击波平台压力的计算

爆炸加载条件下, 固体可以看成流体处理, 故称为可压缩流体。以下理论推导公式涉及的符号有S、e、p、D、ρ、γ、u、τ和c, 分别为熵、内能、压力、冲击波波速、密度、绝热指数、粒子速度、比容和声速。带下标J的量为爆轰波阵面上的参数, 带*的量为固体材料的参数, 带下标0的量为材料的初始参数。

设x < 0部分为可压缩流体, x≥0部分为炸药柱, 炸药在x=0处起爆, 如图 2所示, 此时有一个爆轰波在炸药内传播, 流体被压缩, 流体内部传入一个冲击波。在爆轰波波后始终跟随着一个中心稀疏波, 稀疏区后跟一个常数区, 爆炸产物与流体分界面两边都是常数, 对此种情况下的爆炸问题, 爆炸产物和流体的(u, p)曲线^[7]分别为:

$u=u_{\mathrm{J}}+\frac{2 c_{\mathrm{J}}}{\gamma-1}\left[\left(\frac{p}{p_{\mathrm{J}}}\right)^{\frac{\gamma-1}{2 \gamma}}-1\right], \quad u=-\sqrt{\frac{2 \tau_{0}^{*}}{\gamma^{*}+1}} \frac{p}{\sqrt{p+\frac{2}{\gamma^{*}+1} \rho_{0}^{*} c_{0}^{* 2}}}$

(1)

在爆轰波阵面上, 有:

$u_{\mathrm{J}}=\frac{D_{\mathrm{J}}}{\gamma+1}, \quad c_{\mathrm{J}}=\frac{\gamma D_{\mathrm{J}}}{\gamma+1}, \quad p_{\mathrm{J}}=\frac{\rho_{0} D_{\mathrm{J}}^{2}}{\gamma+1}, \quad \rho_{\mathrm{J}}=\frac{\gamma+1}{\gamma} \rho_{0}, \quad \tau_{0}^{*}=\frac{1}{\rho_{0}^{*}}$

(2)

当炸药和固体材料确定后, 对应的各个材料参数也就确定, 利用逐次逼近法便能求得式(1)确定的2条(u, p)曲线的交点(, ), 即得到反向起爆模型下可压缩固体的表面压力和粒子速度。

显然, 当被研究固体材料确定时, 选用不同的炸药对应不同的平台压力; 一旦炸药和固体材料两者都确定, 平台压力即确定不变, 与材料几何尺寸无关。表 1中给出了3种常用炸药(TNT、COMP B和PETN1.77)与3种代表材料(Al、Cu和W)作用后的平台压力和粒子速度。

表 1 3种常用炸药和3种代表材料作用后的平台压力和粒子速度

Table 1. Shock wave platform pressure and particle velocity for three explosives loading three materials, respectively

炸药	ρ₀/(t·m^-3)	D_J/(km·s^-1)	p_J/GPa	c_J/(km·s^-1)	γ	固体	γ^*	ρ₀^*/(t·m^-3)	c₀^*/(km·s^-1)	u/(km·s^-1)	p/GPa
TNT	1.630	6.93	19.570	5.198	3	Al	3	2.785	5.328	0.286	4.478
						Cu	3	8.930	3.940	0.140	5.121
						W	3	18.167	4.030	0.073	5.439
COMP B	1.717	7.98	27.335	5.985	3	Al	3	2.785	5.328	0.377	6.011
						Cu	3	8.930	3.940	0.190	6.999
						W	3	18.167	4.030	0.100	7.506
PETN1.77	1.770	8.30	30.484	6.225	3	Al	3	2.785	5.328	0.411	6.602
						Cu	3	8.930	3.940	0.209	7.738
						W	3	18.167	4.030	0.111	8.329

下载: 导出CSV

| 显示表格

1.3 冲击波平台宽度的计算

从图 2可以看出:在炸药反向起爆过程中加载冲击波的平台宽度取决于AD、DE、CF和EF等4条边上的稀疏波作用。对于B点的压力来说, 主要是看AD、DE、CF和EF等4条边上的哪个反射稀疏波先到达B点, 一旦有稀疏波到达, 压力平台将不能维持, 压力开始下降。

设AD=BE=CF=a₁, BC=EF=a₂, AB=DE=a₃, 取爆轰产物的绝热指数γ=3, 结合波系分区, 爆轰产物包括常数区和中心稀疏区, 爆轰产物中^[8]:

$c=\frac{\gamma-1}{\gamma+1} \frac{x}{t}+\frac{1}{\gamma+1} D_{J}$

(3)

如果不考虑爆炸产物与流体分界面的运动, 将其看成固壁, 此时, 常数区中u=0, c=D_J/2;中心稀疏区中, D_J/2≤x/t≤D_J, D_J/2≤c≤3D_J/4。显然, c=3D_J/4对应的是爆轰波阵面上的声速c_J, 其值在爆轰产物中最大。

(1) 炸药侧向(EF)稀疏波沿爆轰波阵面上的传播速度最大, 其到达B点所需时间:

$t_{1}=\frac{a_{1}}{c_{\mathrm{J}}}=\frac{a_{1}}{3 D_{\mathrm{J}} / 4}=\frac{4 a_{1}}{3 D_{\mathrm{J}}}$

(4)

(2) 炸药的后自由面(CF)稀疏波传到B点所需的时间包括t_a和t_b两部分, t_a为爆炸冲击波从BE传到CF所用的时间, t_b为反射稀疏波从CF传回BE所用的时间, 且有:

$t_{\mathrm{a}}=a_{2} / D_{\mathrm{J}}$

(5)

当爆炸冲击波传到CF时, 其后区域均为爆轰产物, 分别为常数区和中心稀疏区, 2个区对应的长度均为a₂/2。故t_b可分2段计算, t_b1为反射稀疏波在常数区中的传播时间, t_b2为反射稀疏波在中心稀疏区中的传播时间, 则:

$t_{2}=t_{\mathrm{a}}+t_{\mathrm{b}}=t_{\mathrm{a}}+t_{\mathrm{b} 1}+t_{\mathrm{b} 2}=\frac{a_{2}}{D_{\mathrm{J}}}+\frac{a_{2} / 2}{D_{\mathrm{J}} / 2}+\frac{a_{2} / 2}{\left(D_{\mathrm{J}} / 2+3 D_{\mathrm{J}} / 4\right) / 2}=\frac{14 a_{2}}{5 D_{\mathrm{J}}}$

(6)

(3) 固体中侧向(DE)稀疏波到达B点所需的时间:

$t_{3}=a_{3} / c_{0}^{*}$

(7)

(4) 固体中前自由面(AD)稀疏波传到B点所需的时间:

$t_{4}=a_{3} / c_{0}^{*}+a_{3} / c_{0}^{*}=2 a_{3} / c_{0}^{*}$

(8)

最终, 爆炸冲击波的压力平台宽度:

$t_{\mathrm{e}}=\min \left(t_{1}, t_{2}, t_{3}, t_{4}\right)=\min \left(\frac{4 a_{1}}{3 D_{\mathrm{J}}}, \frac{14 a_{2}}{5 D_{\mathrm{J}}}, \frac{a_{3}}{c_{0}^{*}}, \frac{2 a_{3}}{c_{0}^{*}}\right)$

(9)

由式(9)可知, 冲击波平台宽度与加载模型几何尺寸、炸药的冲击波波速和固体材料中的声速有关。由式(4)和式(6)可知, 确定炸药的几何尺寸时, 应尽量使t₁=t₂, 即a₁/a₂=21/10, 此时两侧稀疏波同时达到, 炸药利用率最高; 当a₁/a₂ > 21/10时, 炸药侧向稀疏干扰为主; 当a₁/a₂ < 21/10时, 炸药后自由面稀疏干扰为主, 此时固定a₁不变, 改变a₂, 可得到不同的冲击波平台宽度, 使之与轻气炮加载波形宽度保持相同。确定固体材料试件的尺寸时除了考虑t₃、t₄外, 更应该考虑轻气炮加载实验中样品的设计要求, 满足宽厚比^[9], 确保数据采集系统能得到有效的实验结果。表 2以COMP B炸药和固体材料Al为例, 给出了几种尺寸条件下平台宽度的理论计算值。

表 2 COMP B炸药反向起爆时，不同尺寸对应的理论平台宽度

Table 2. Theoretical platform width for several sizes in reverse detonation of COMP B

a₁/mm	a₂/mm	a₃/mm	t₁/μs	t₂/μs	t₃/μs	t₄/μs	t_e/μs
100	25	100	16.71	8.77	18.77	37.54	8.77
100	36	100	16.71	12.63	18.77	37.54	12.63
100	44	100	16.71	15.44	18.77	37.54	15.44
100	47	100	16.71	16.49	18.77	37.54	16.49
100	50	100	16.71	17.54	18.77	37.54	16.71
100	75	100	16.71	26.32	18.77	37.54	16.71
100	100	100	16.71	35.09	18.77	37.54	16.71
200	200	200	33.42	70.18	37.54	75.08	33.42
300	300	300	50.13	105.26	56.31	112.60	50.13
400	400	400	66.83	140.35	75.08	150.20	66.83

下载: 导出CSV

| 显示表格

2. 反向起爆的数值模拟及结果分析

为验证上述理论分析的准确性, 借助AUTODYN软件对反向起爆加载模型进行了数值模拟。

2.1 冲击波平台压力的模拟

讨论冲击波加载平台压力时, 保持数值分析模型的几何尺寸不变, 取a₁=100mm, a₂=100mm, a₃=50mm, 不断改变所用炸药和固体材料(与表 1对应), 最终模拟结果如表 3所示。

表 3 平台压力和粒子速度的数值模拟结果

Table 3. Numerical simulation results of shock wave platform pressure and particle velocity

材料	理论计算		数值模拟		$\left( \frac{\left\| \bar{p}-{{p}^{\prime }} \right\|}{{{p}^{\prime }}}\times 100 \right)/%$	$\left( \frac{\left\| \bar{u}-{{u}^{\prime }} \right\|}{{{u}^{\prime }}}\times 100 \right)/%$
材料	p/GPa	u/(km·s^-1)	p/GPa	u/(km·s^-1)
TNT + Al	4.478	0.286	4.320	0.272	3.66	5.15
TNT+Cu	5.121	0.140	4.967	0.134	3.10	4.48
TNT+W	5.439	0.073	4.555	0.062	19.41	17.74
COMP B+Al	6.011	0.377	5.870	0.362	2.40	4.14
COMP B+Cu	6.999	0.190	6.867	0.183	1.92	3.83
COMP B+W	7.506	0.100	6.828	0.089	9.93	12.36
PETN+Al	6.602	0.411	6.820	0.416	3.20	1.20
PETN+Cu	7.738	0.209	7.990	0.211	3.15	0.95
PETN+W	8.329	0.111	8.119	0.104	2.59	6.73

下载: 导出CSV

| 显示表格

观察表 3可知:

(1) 无论是理论值还是数值模拟值, 平台压力和粒子速度的变化规律均符合客观事实, 即固体材料相同时, 随着炸药密度的增加, 炸药威力变大, 平台压力和粒子速度均逐渐变大; 炸药相同时, 随着固体材料密度的增加, 材料可压缩性变差, 粒子速度逐渐变小。

(2) 如果以数值模拟值为准确值, 对于W, 随着炸药密度的增加, 其相对误差逐渐变小。因为W本身强度和密度很大, 不容易被压缩, 当炸药密度变大时, 对W的压力作用也变大, 此时W更近似流体; 对于Cu和Al, 理论值与数值模拟值的相对误差都在5%以内, 两者基本一致。说明平台压力对应的理论推导比较适用于较软材料的计算, 对于高强度材料, 应该尽可能选用高性能炸药进行驱动。

2.2 冲击波平台宽度的模拟

讨论冲击波加载平台宽度时, 选定COMP B对Al作用, 研究炸药的几何尺寸对其的影响, 具体模拟结果见表 4, 表中t′_e为冲击波平台宽度的数值模拟结果。对于固体材料几何尺寸可能引起的影响, 不在此处讨论, 因为对于高爆速炸药来说, 当固体材料的几何尺寸满足轻气炮加载实验样品的设计要求时(宽厚比约为2), 其侧面和自由面的稀疏波到达分界面中心的时间都较长, 即t₃, t₄ > t₁, t₂。

表 4 冲击波平台宽度的数值模拟结果

Table 4. Numerical simulation results of shock wave platform width

序号	a₁/mm	a₂/mm	a₃/mm	t_e/μs	t′_e/μs	$\left( \frac{\left\| {{t}_{\text{e}}}-t_{\text{e}}^{\prime } \right\|}{t_{\text{e}}^{\prime }}\times 100 \right)/%$
1	100	25	100	8.77	8.12	8.03
2	100	36	100	12.63	12.20	3.54
3	100	44	100	15.44	15.06	2.51
4	100	47	100	16.49	16.12	2.30
5	100	50	100	16.71	16.40	1.88
6	100	75	100	16.71	16.45	1.57
7	100	100	100	16.71	16.56	0.90
8	200	200	200	33.42	33.83	1.22
9	300	300	300	50.13	50.26	0.27
10	400	400	400	66.83	67.05	0.32

下载: 导出CSV

| 显示表格

观察表 4可知:

(1) 理论值与模拟值基本一致, 说明建立的理论推导公式可以用于实验前的初步估算。

(2) 相对误差随着装药量的提高, 不断减小, 说明建立的理论推导方法更适合大药量的冲击波加载。

(3) 当a₁/a₂ < 21/10时, 若固定a₁不变, 改变a₂便可得到不同的冲击波平台宽度。

(4) 对于炸药来说, 由侧向稀疏波决定(a₁)的平台宽度(表 4中序号5~10)与由后自由面稀疏波决定(a₂)的平台宽度(表 4中序号1~4)相比, 前者的理论解更接近数值解, 原因是固壁假设和讨论后自

由面稀疏波传播时间时t_b2中所用的声速为一段平均, 若选为2段或更多段平均计算, 理论解一定更精确。

3. 结论

为获得与轻气炮相同的加载效果, 并突破加载试件的尺寸限制, 完成对真实混凝土或钢筋混凝土的动态加载研究, 基于叠加原理, 提出利用炸药反向起爆模型实现对可压缩固体材料的冲击波加载。理论上, 通过联立爆炸产物和可压缩流体的(u, p)曲线, 确定了冲击波平台压力; 综合考虑炸药与材料各自由边的反射稀疏波情况, 给出冲击波加载平台宽度的计算方法。并结合数值模拟, 对理论分析结果进行了验证, 两者基本一致, 说明理论分析方法正确有效。如果要建立爆炸加载冲击波与轻气炮加载应力波的等效关系, 只需对比相应的理论解。

本文在完成过程中得到北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室宁建国教授和赵衡阳教授的很多指导, 在此表示感谢。

图 1 20 L球形爆炸实验系统

Figure 1. 20 L spherical explosion system

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 NaHCO₃粒径分布与表面微观表征

Figure 2. NaHCO₃ particle size distribution and surface microscopic characterization

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 NaHCO₃粉体TG-DSC曲线

Figure 3. TG-DSC curves of NaHCO₃ powder

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 CO₂体积分数对火焰形态影响

Figure 4. Effect of CO₂ volume fraction on flame shape

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 CO₂作用下瓦斯爆炸特性

Figure 5. Gas explosion characteristic under the action of CO₂

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 NaHCO₃粉体作用下火焰的传播形态

Figure 6. Flame propagation morphology under the action of NaHCO₃ powder

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 NaHCO₃粉体作用下瓦斯爆炸特性参数的变化

Figure 7. Change of gas explosion characteristic parameters under the action of NaHCO₃ powder

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 气固两相介质作用下瓦斯爆炸参数的变化

Figure 8. Variation of gas explosion parameters in gas-solid two-phase medium

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 气固协同抑制下甲烷爆炸火焰的形态变化

Figure 9. Change of the methane explosion flame morphology under gas-solid synergistic inhibition

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 甲烷爆炸微观反应简化机理^[28]

Table 1. Simplified microscopic reaction mechanism of methane explosion^[28]

反应	方程式
R1	CH₃·+O₂→O·+CH₃O
R2	CH₃·+O₂→OH·+CH₂O
R3	H·+O₂→O·+OH·
R4	HO₂+CH₃·→OH·+CH₃O
R5	CH₃·+CH₂O→HCO·+CH₄
R6	H·+CH₄→CH₃·+H₂
R7	OH·+CH₄→CH₃·+H₂O
R8	H·+CH₂O (+M)→CH₃O(+M)

下载: 导出CSV

表 2 气固两相介质协同作用下甲烷爆炸微观反应机理热力学数据及自由能垒

Table 2. Thermodynamic data and free energy barriers for the microscopic reaction mechanism of methane explosion under the synergistic action of gas-solid medium

反应	状态	H/E₀	G/E₀	E/E₀	ΔG_a/ (kJ·mol⁻¹）	ΔG_b/ (kJ·mol⁻¹）	ΔH/ (kJ·mol⁻¹）	ΔG/ (kJ·mol⁻¹）
R1	CH₃·+O₂	−190.17	−190.20	−190.17	−	−	−	−
	CH₃·+O·+O·	−190.16	−190.19	−190.16	13.03	42.94	−32.58	−29.91
	O·+CH₃O	−190.18	−190.21	−190.18	−	−	−	−
R2	CH₃·+O₂	−190.17	−190.20	−190.17	−	−	−	−
	CH₃·+2O·+H·	−190.13	−190.16	−190.13	109.30	117.92	−75.45	−8.62
	OH·+CH₂O	−190.20	−190.20	−190.27	−	−	−	−
R3	H·+O₂	−150.90	−150.92	−150.90	−	−	−	−
	H·+O·+O·	−150.78	−150.80	−150.78	311.22	101.04	246.52	210.18
	O·+OH·	−150.80	−150.84	−150.82	−	−	−	−
R4	HO₂+CH₃·	−190.70	−190.74	−190.70	−	−	−	−
	CH₃·+O·+OH·	−190.70	−190.73	−190.70	19.51	230.38	−258.24	−210.87
	OH·+CH₃O	−190.80	−190.82	−190.80	−	−	−	−
R5	CH₃·+CH₂O	−154.27	−154.32	−154.27	−	−	−	−
	CH₃·+H·+HCO·	−154.23	−154.23	−154.28	235.68	277.37	−55.19	−41.69
	HCO·+CH₄	−154.29	−154.33	−154.30	−	−	−	−
R6	H·+CH₄	−40.97	−41.00	−40.97	−	−	−	−
	CH₃·+H·+H·	−40.97	−40.97	−40.95	67.71	70.98	1.67	−3.26
	CH₃·+H₂	−40.97	−41.00	−40.97	−	−	−	−
R7	OH·+CH₄	−116.21	−116.24	−116.20	−	−	−	−
	CH3·+H·+OH·	−116.19	−116.23	−116.19	22.90	79.51	−39.95	−56.61
	CH3·+H₂O	−116.23	−116.26	−116.22	−	−	−	−
R8	H·+CH₂O	−115.05	−115.07	−115.08	−	−	−	−
	CH₂O·+H·	−115.05	−115.06	−115.08	19.20	101.71	−125.37	−82.51
	CH₃O	−115.10	−115.10	−115.14	−	−	−	−
R9	NaOH+OH·	−313.87	−313.90	−313.87	−	−	−	−
R9	NaO·+H₂O	−313.86	−313.89	−313.86	−	−	15.84	13.52
R10	NaOH+H·	−238.68	−238.71	−238.68	−	−	−	−
R10	Na·+H₂O	−238.51	−238.57	−238.51	−	−	442.60	367.43
注：E₀=2625.5 kJ/mol

下载: 导出CSV

参考文献(32)

[1]	朱云飞, 王德明, 李德利, 等. 2000—2016年我国煤矿重特大事故统计分析 [J]. 能源与环保, 2018, 40(9): 40–43. DOI: 10.19389/j.cnki.1003-0506.2018.09.008. ZHU Y F, WANG D M, LI D L, et al. Statistics analysis of serious coal mine disasters from 2000 to 2016 in China [J]. China Energy and Environmental Protection, 2018, 40(9): 40–43. DOI: 10.19389/j.cnki.1003-0506.2018.09.008.
[2]	余明高, 阳旭峰, 郑凯, 等. 我国煤矿瓦斯爆炸抑爆减灾技术的研究进展及发展趋势 [J]. 煤炭学报, 2020, 45(1): 168–188. DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.YG19.1422. YU M G, YANG X F, ZHENG K, et al. Progress and development of coal mine gas explosion suppression and disaster reduction technology in China [J]. Journal of China Coal Society, 2020, 45(1): 168–188. DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.YG19.1422.
[3]	TAN W, LÜ D, LIU L Y, et al. Suppression of methane/air explosion by water mist with potassium halide additives driven by CO₂ [J]. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2019, 27(11): 2742–2748. DOI: 10.1016/j.cjche.2019.03.020.
[4]	WEN X P, WANG M M, WANG F H, et al. Combined effects of obstacle and fine water mist on gas explosion characteristics [J]. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2021, 40: 131–140. DOI: 10.1016/j.cjche.2020.10.042.
[5]	贾宝山, 肖明慧, 王连聪, 等. 受限空间N₂对CH₄最大爆炸压力的影响实验与模拟研究 [J]. 矿业安全与环保, 2018, 45(2): 11–14, 20. DOI: 10.3969/j.issn.1008-4495.2018.02.003. JIA B S, XIAO M H, WANG L C, et al. Influence experiment and simulation study of N₂ on the maximum explosion pressure of CH₄ in the limited space [J]. Mining Safety & Environmental Protection, 2018, 45(2): 11–14, 20. DOI: 10.3969/j.issn.1008-4495.2018.02.003.
[6]	CUI C B, SHAO H, JIANG S G, et al. Experimental study on gas explosion suppression by coupling CO₂ to a vacuum chamber [J]. Powder Technology, 2018, 335: 42–53. DOI: 10.1016/j.powtec.2018.04.070.
[7]	文虎, 王秋红, 邓军, 等. 超细Al(OH)₃粉体浓度对甲烷爆炸压力的影响 [J]. 煤炭学报, 2009, 34(11): 1479–1482. DOI: 10.3321/j.issn:0253-9993.2009.11.009. WEN H, WANG Q H, DENG J, et al. Effect of the concentration of Al(OH)₃ ultrafine powder on the pressure of methane explosion [J]. Journal of China Coal Society, 2009, 34(11): 1479–1482. DOI: 10.3321/j.issn:0253-9993.2009.11.009.
[8]	LIU X D, GUO J, TANG W F, et al. Enhancing the flame retardancy of thermoplastic polyurethane by introducing montmorillonite nanosheets modified with phosphorylated chitosan [J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2019, 119: 291–298. DOI: 10.1016/j.compositesa.2019.02.009.
[9]	周建华, 郝变芝, 高敬民. 聚磷酸铵杂化纳米SiO₂溶胶的制备及阻燃性能研究 [J]. 陕西科技大学学报, 2017, 35(2): 77–81. DOI: 10.19481/j.cnki.issn1000-5811.2017.02.015. ZHOU J H, HAO B Z, GAO J M. Study on the preparation and flame retardancy of ammonium polyphosphate hybrid nano-silica sol [J]. Journal of Shaanxi University of Science & Technology, 2017, 35(2): 77–81. DOI: 10.19481/j.cnki.issn1000-5811.2017.02.015.
[10]	李笑堃. 煤矿井下主动抑爆隔爆系统技术研究 [D]. 太原: 中北大学, 2016. LI X K. Research on the technology of coal mine active explosion suppression and isolation system [D]. Taiyuan: North University of China, 2016.
[11]	LIU R Z, ZHANG M C, JIA B S. Inhibition of gas explosion by nano-SiO₂ powder under the condition of obstacles [J]. Integrated Ferroelectrics, 2021, 216(1): 305–321. DOI: 10.1080/10584587.2021.1911296.
[12]	WANG Q H, SUN Y L, JIANG J C, et al. Inhibiting effects of gas-particle mixtures containing CO₂, Mg(OH)₂ particles, and NH₄H₂PO₄ particles on methane explosion in a 20-L closed vessel [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2020, 64: 104082. DOI: 10.1016/j.jlp.2020.104082.
[13]	梁天水, 林争雄, 毛思远, 等. 典型超细干粉与惰性气体的协同灭火效果研究 [J]. 中国安全科学学报, 2021, 31(11): 148–154. DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2021.11.021. LIANG T S, LIN Z X, MAO S Y, et al. Study on synergistic fire extinguishing effect of typical superfine dry powder and inert gas [J]. China Safety Science Journal, 2021, 31(11): 148–154. DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2021.11.021.
[14]	CHEN X F, HOU X Z, ZHAO Q, et al. Suppression of methane/coal dust deflagration by Al(OH)₃ based on flame propagation characteristics and thermal decomposition [J]. Fuel, 2022, 311: 122530. DOI: 10.1016/j.fuel.2021.122530.
[15]	JIA J Z, TIAN X Y, WANG F X. Study on the effect of KHCO₃ particle size and powder spraying pressure on the methane explosion suppression characteristics of pipe networks [J]. ACS Omega, 2022, 7(36): 31974–31982. DOI: 10.1021/acsomega.2c02945.
[16]	李孝斌, 张瑞杰, 崔沥巍, 等. 尿素抑制甲烷爆炸过程中爆炸压力与自由基变化耦合分析 [J]. 爆炸与冲击, 2020, 40(3): 032101. DOI: 10.11883/bzycj-2019-0090. LI X B, ZHANG R J, CUI L W, et al. Coupling analysis of explosion pressure and free radical change during methane explosion inhibited by urea [J]. Explosion and Shock Waves, 2020, 40(3): 032101. DOI: 10.11883/bzycj-2019-0090.
[17]	何文浩, 郝朝瑜, 张亚超, 等. 硅藻土抑制瓦斯爆炸的微观机理分析 [J]. 煤炭学报, 2022, 47(10): 3695–3703. DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2021.1457. HE W H, HAO C Y, ZHANG Y C, et al. Microscopic mechanism analysis of inhibition on methane explosion by diatomite [J]. Journal of China Coal Society, 2022, 47(10): 3695–3703. DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2021.1457.
[18]	孟祥卿. 气/固两相抑制剂的甲烷抑爆特性研究 [D]. 焦作: 河南理工大学, 2019. DOI: 10.27116/d.cnki.gjzgc.2019.000200. MENG X Q. Suppression characteristics of gas/solid two-phase inhibitors on methane explosion [D]. Jiaozuo, Henan, China: Henan Polytechnic University, 2019. DOI: 10.27116/d.cnki.gjzgc.2019.000200.
[19]	田志辉. 气-固混合抑制剂对矿井瓦斯的抑爆实验研究 [D]. 西安: 西安科技大学, 2013. TIAN Z H. Suppressing experimental study on mine methane explosion by the gas-solid mixied inhibitors [D]. Xi’an: Xi’an University of Science and Technology, 2013.
[20]	LUO Z M, SU B, LI Q, et al. Micromechanism of the initiation of a multiple flammable gas explosion [J]. Energy & Fuels, 2019, 33(8): 7738–7748. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.9b00480.
[21]	罗振敏, 康凯, 任军莹. NH₃对甲烷链式爆炸的微观作用机理 [J]. 煤炭学报, 2016, 41(4): 876–883. DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2015.0922. LUO Z M, KANG K, REN J Y. Microscopic mechanism of NH₃ on chain of methane explosion [J]. Journal of China Coal Society, 2016, 41(4): 876–883. DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2015.0922.
[22]	SU B, LUO Z M, WANG T, et al. Chemical kinetic behaviors at the chain initiation stage of CH₄/H₂/air mixture [J]. Journal of Hazardous Materials, 2021, 403: 123680. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2020.123680.
[23]	姜海洋, 张国宾. CO与H₂O抑制瓦斯爆炸的微观反应机理 [J]. 煤炭转化, 2019, 42(6): 77–87. DOI: 10.19726/j.cnki.ebcc.201906011. JIANG H Y, ZHANG G B. Microscopic mechanism of CO and H₂O on chain of methane explosion [J]. Coal Conversion, 2019, 42(6): 77–87. DOI: 10.19726/j.cnki.ebcc.201906011.
[24]	余明高, 孔杰, 王燕, 等. 不同浓度甲烷-空气预混气体爆炸特性的试验研究 [J]. 安全与环境学报, 2014, 14(6): 85–90. DOI: 10.13637/j.issn.1009-6094.2014.06.021. YU M G, KONG J, WANG Y, et al. Experiment study on explosion characteristic features of the methane-air pre-mixture at different concentrations [J]. Journal of Safety and Environment, 2014, 14(6): 85–90. DOI: 10.13637/j.issn.1009-6094.2014.06.021.
[25]	LIU Y, ZHANG Y S, MENG X B, et al. Research on flame propagation and explosion overpressure of oil shale dust explosion suppression by NaHCO₃ [J]. Fuel, 2022, 314: 122778. DOI: 10.1016/j.fuel.2021.122778.
[26]	王华, 葛岭梅, 邓军. 惰性气体抑制矿井瓦斯爆炸的实验研究 [J]. 矿业安全与环保, 2008, 35(1): 4–7. DOI: 10.3969/j.issn.1008-4495.2008.01.002. WANG H, GE L M, DENG J. Experimental study of using inert gas to suppress mine gas explosion [J]. Mining Safety & Environmental Protection, 2008, 35(1): 4–7. DOI: 10.3969/j.issn.1008-4495.2008.01.002.
[27]	丁超, 王信群, 徐海顺, 等. 喷射超细ABC粉体对瓦斯爆炸的抑制与增强作用 [J]. 煤炭学报, 2021, 46(6): 1799–1807. DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.hz21.0350. DING C, WANG X Q, XU H S, et al. Suppression and enhancement of methane/air explosion by discharge of ultrafine ABC powders [J]. Journal of China Coal Society, 2021, 46(6): 1799–1807. DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.hz21.0350.
[28]	梁运涛. 瓦斯爆炸反应动力学特性及其抑制机理 [M]. 北京: 科学出版社, 2013: 33–35, 96–112.
[29]	王秋红, 蒋夏夏, 代爱萍. 基于Gaussian的甲烷爆炸微观反应计算分析 [J]. 中国安全生产科学技术, 2022, 18(6): 178–184. DOI: 10.11731/j.issn.1673-193x.2022.06.027. WANG Q H, JIANG X X, DAI A P. Calculation and analysis on micro reaction of methane explosion based on Gaussian [J]. Journal of Safety Science and Technology, 2022, 18(6): 178–184. DOI: 10.11731/j.issn.1673-193x.2022.06.027.
[30]	侯金丽, 金平, 蔡国飙. 基于敏感性分析的氧/甲烷燃烧反应简化机理 [J]. 航空动力学报, 2012, 27(7): 1549–1554. DOI: 10.13224/j.cnki.jasp.2012.07.029. HOU J L, JIN P, CAI G B. Reduced mechanism for oxygen/methane combustion based on sensitivity analysis [J]. Journal of Aerospace Power, 2012, 27(7): 1549–1554. DOI: 10.13224/j.cnki.jasp.2012.07.029.
[31]	WANG Y, LIN C D, QI Y Q, et al. Suppression of polyethylene dust explosion by sodium bicarbonate [J]. Powder Technology, 2020, 367: 206–212. DOI: 10.1016/j.powtec.2020.03.049.
[32]	LIN C D, QI Y Q, GAN X Y, et al. Investigation into the suppression effects of inert powders on the minimum ignition temperature and the minimum ignition energy of polyethylene dust [J]. Processes, 2020, 8(3): 294. DOI: 10.3390/pr8030294.

施引文献

期刊类型引用(1)
1. 贾进章，田秀媛. 瓦斯爆炸抑制研究进展及发展趋势. 安全与环境学报. 2025(01): 95-107 . 百度学术
其他类型引用(1)

资源附件(0)

访问统计

图(9) / 表(2)

计量

文章访问数: 339
HTML全文浏览量: 114
PDF下载量: 76
被引次数: 2

1. 爆炸加载冲击波理论研究
1.1 形成机理分析
1.2 冲击波平台压力的计算
1.3 冲击波平台宽度的计算
2. 反向起爆的数值模拟及结果分析
2.1 冲击波平台压力的模拟
2.2 冲击波平台宽度的模拟
3. 结论

气固两相介质协同抑制瓦斯爆炸实验及分子动力学研究

doi: 10.11883/bzycj-2023-0322

作者简介: 谯永刚（1984－ ），男，副研究员，博士研究生，qiaoyonggang@tyut.edu.cn

通讯作者: 华 杰（1998－ ），男，硕士研究生，hahahuajie@163.com

计量

出版历程