程方明，南 凡,羅振敏，康曉鋒

(西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000—2017年特別重大瓦斯爆炸事故共發(fā)生49起，死亡2 884人，受傷849人，直接經(jīng)濟(jì)損失80 373.52萬元[1]，可見瓦斯爆炸事故對煤礦安全開采和持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)重阻礙。由于我國富煤、貧油、少氣的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn),以煤為主的能源結(jié)構(gòu)在今后20年不可能有太大變化，因此瓦斯爆炸災(zāi)害事故防治工作一直被煤礦安全研究者所關(guān)注。目前，抑爆、隔爆、泄爆等是常用的瓦斯爆炸防控技術(shù)，而抑制爆炸相對于泄爆、隔爆措施是一種相對積極有效的防爆方法，它可通過主動或被動的方式減少爆炸損失和二次爆炸事故的發(fā)生[2]。

1910年,美國礦務(wù)局最先開始了礦井瓦斯爆炸事故的試驗(yàn)研究，1952年，COWARD等[3]確定了甲烷在N2、CO2、H2O、Ar等惰性氣體中的可燃極限，1955年和1957年，文獻(xiàn)[4-5]提出細(xì)水霧主要通過冷卻降溫和水蒸氣稀釋可燃?xì)怏w濃度2種機(jī)理，1959年，LAFFITTE等[6]考察了粒子對爆轟的抑制作用，學(xué)者們的研究為進(jìn)一步研究瓦斯抑爆奠定了基礎(chǔ)。隨后，國內(nèi)外學(xué)者對瓦斯抑爆工作開展了大量研究，其中文獻(xiàn)[7-8]對瓦斯抑爆材料及抑爆裝備進(jìn)行了研究和分析，但對抑爆機(jī)理的分析不夠深入，尤其是在近幾年研究比較熱門的多相復(fù)合抑爆方面總結(jié)分析較少，筆者在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上分別從氣體、水霧、粉體以及多相復(fù)合抑爆等4個(gè)方面出發(fā)，對瓦斯抑爆材料和抑爆機(jī)理研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)分析，總結(jié)不足之處，探索未來創(chuàng)新發(fā)展方向，為研究瓦斯爆炸事故防控技術(shù)、開發(fā)新型高效環(huán)保抑爆材料提供引導(dǎo)。

1 氣體抑爆

目前，國內(nèi)外學(xué)者研究及應(yīng)用的氣體抑爆材料主要涉及N2、Ar、He等常見惰性氣體以及CO2、水蒸氣和鹵代烴化合物等活性氣體，其具有成本低廉、清潔、高效、環(huán)保、安全等特性,抑制瓦斯爆炸極限、瓦斯爆炸劇烈程度以及降低甲烷-空氣混合氣體燃燒性有顯著作用。

1.1 氣體抑爆研究現(xiàn)狀

國外的文獻(xiàn)[9]研究了He、CO2、CF4、CHF3、C3HF7、CF3Br、CF3I、NaOH等抑制劑在CH4燃燒反應(yīng)中的抑制作用原理；文獻(xiàn)[10]通過試驗(yàn)研究了在分別添加CF3Br、C2F4Br2和CF3I時(shí)，CO2、N2對甲烷-空氣混合物爆炸的抑制情況，研究發(fā)現(xiàn)，CO2和N2的最低惰化濃度隨著鹵代烴添加出現(xiàn)先降低后上升趨勢。文獻(xiàn)[11-13]分別研究了C2HF5、CHF3、C4F10和AKM抑制劑對H2-O2-N2混合物和CH4-O2-N2混合物燃燒極限、最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率、層流火焰燃燒速度等特征參數(shù)的影響。文獻(xiàn)[14]采用高速相機(jī)拍攝了CO2、CCl4、Ar等氣體抑制甲烷與空氣混合物點(diǎn)火后球形火焰?zhèn)鞑サ膱D像，分析了抑爆劑對燃燒感應(yīng)期和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?。文獻(xiàn)[15-17]通過試驗(yàn)研究了添加氟化物(CF3Br、C6F12O、C3H2F3Br、C2HF5、C6F12O、C3H2F3Br、C2HF5、CF3I、CF3Br、C3HF7和C2HF5)對甲烷-空氣混合物的抑制作用，發(fā)現(xiàn)不同的氟化物對甲烷-空氣混合物的點(diǎn)火延遲時(shí)間影響效果不同，但燃燒速度均有所下降。文獻(xiàn)[18]研究了在甲烷-空氣混合氣體中由幾種惰性氣體(He、Ar、N2或CO2)稀釋后層流爆燃傳播特性指標(biāo)，結(jié)果表明：在所研究的惰性添加劑中，二氧化碳的抑制效果是最有效的，其次是氮?dú)?、氬氣和氦氣。文獻(xiàn)[19]研究了二氧化碳/真空室對爆炸強(qiáng)度和抑爆效果的影響。結(jié)果表明：在真空室的作用下，真空度越高，抑制效果越顯著；在真空室/CO2的作用下，抑制效果優(yōu)于高真空度下無CO2的真空室。

國內(nèi)的文獻(xiàn)[20-29]研究了充注CO2、N2對可燃?xì)怏w濃度和氧氣濃度的影響以及對瓦斯爆炸極限的影響，結(jié)果表明：CO2、N2能降低瓦斯和氧氣濃度，能縮小瓦斯爆炸極限的范圍，抑爆效果明顯，且CO2的抑爆效果優(yōu)于N2。羅振敏等[30]從微觀角度研究了氨氣對甲烷燃燒的抑制作用，結(jié)果表明：氨的加入降低了氣體爆炸上限和下限，縮小了爆炸極限的范圍。羅振敏等[31-32]研究了水蒸氣分別對瓦斯爆炸和甲烷燃燒爆炸的影響，研究結(jié)果表明水蒸氣降低了燃燒溫度和H、O和OH等關(guān)鍵自由基的濃度，抑爆效果明顯，當(dāng)水蒸氣量達(dá)到某臨界值時(shí),甲烷混合氣體將不能被點(diǎn)燃；文獻(xiàn)[33-35]利用化學(xué)動力學(xué)計(jì)算軟件CHEMKIN對瓦斯爆炸過程中反應(yīng)物的多種參數(shù)的變化趨勢進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果表明：H2O、N2、CO2對瓦斯爆炸及爆炸后CO、NO、NO2等有害氣體的生成起抑制作用；文獻(xiàn)[36-39]研究了鹵代氫(氟化酮、三氟甲烷、四氟乙烷、七氟丙烷等)對瓦斯爆炸的抑制效果，分析了其抑爆機(jī)理。結(jié)果表明：鹵代氫不僅具有稀釋、隔氧等優(yōu)點(diǎn)，還能在受熱后分解，吸收熱量，達(dá)到降溫、化學(xué)抑制的效果。

1.2 氣體抑爆機(jī)理分析

1.2.1 惰性氣體抑爆機(jī)理

根據(jù)論述發(fā)現(xiàn)，氮?dú)?、氬氣、氦氣等[18]不參與可燃物的爆炸支鏈反應(yīng)，主要是通過稀釋可燃?xì)怏w和氧氣濃度，最終令可燃?xì)怏w窒息；同時(shí)，這部分惰性氣體還有冷卻降溫作用。

1.2.2 活性氣體抑爆機(jī)理

水蒸氣[32]、二氧化碳等除過具有氬氣、氮?dú)馑哂械奈锢硪直瑱C(jī)理外，還參與了瓦斯爆炸的支鏈反應(yīng)。水蒸氣和水霧的機(jī)理相同，這里不重復(fù)介紹。二氧化碳是甲烷氧化之后的主要產(chǎn)物之一，將導(dǎo)致甲烷燃燒支鏈反應(yīng)更易向逆方向進(jìn)行，消耗了H、O、OH等關(guān)鍵自由基，間接延長了反應(yīng)進(jìn)程，從而阻礙甲烷爆炸鏈反應(yīng)的發(fā)展[26-28]。

鹵代氫抑爆劑常溫下可液態(tài)儲存，在注入爆炸區(qū)域時(shí)，能夠吸收部分反應(yīng)熱量，起到物理降溫作用；而且由于鹵代氫分子量普遍較大，在受熱后會發(fā)生分解，能吸收部分爆炸反應(yīng)能量，起到化學(xué)冷卻作用；另外，其分解產(chǎn)生的含氟自由基能與爆炸產(chǎn)生的H、O、OH等關(guān)鍵自由基發(fā)生反應(yīng)，中斷爆炸過程中支鏈反應(yīng)，起到抑制瓦斯爆炸的作用[36-39]。

2 水霧抑爆

由于水霧成本低、來源廣泛、使用方便、比熱容高等特點(diǎn)，近年來在消防滅火方面得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)水霧是一種很好的抑爆材料。水霧抑爆主要可以概括為2種方式，一種是純水霧抑爆，另一種是通過向水霧中添加添加劑或與荷電結(jié)合達(dá)到不同介質(zhì)協(xié)同抑爆的目的。

2.1 水霧抑爆研究現(xiàn)狀

清水霧抑爆效果良好，一直以來是國內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)研究的抑爆材料之一，例如早期國外的文獻(xiàn)[40-41]提出細(xì)水霧通過冷卻吸熱和水蒸氣稀釋2種機(jī)理熄滅火焰，文獻(xiàn)[42-44]研究認(rèn)為水霧對爆炸的抑制作用源于燃燒區(qū)內(nèi)對能量傳遞的隔離，抑爆效果與生成霧滴的尺寸，使霧滴分解所需的最小火焰速度，水槽的數(shù)量、尺寸、形狀和到點(diǎn)火源的距離都有關(guān)。國內(nèi)的陸守香等[45]通過分析與計(jì)算,說明水能作為第三體或惰性液滴破壞瓦斯爆炸鏈反應(yīng)過程中的鏈載體來抑制爆炸；劉暄亞等[46-47]研究了不同條件下的細(xì)水霧對瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑サ囊种谱饔?結(jié)果表明水霧可通過降低溫度和氣體燃燒速度以及阻礙能量傳遞來達(dá)到抑制效果。目前，張鵬鵬等[48-49]應(yīng)用不同尺寸的密閉管道對超細(xì)水霧抑制瓦斯爆炸進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明超細(xì)水霧對瓦斯爆炸有明顯抑制作用；劉長春等[50]應(yīng)用CHKMKIN17.0軟件進(jìn)行了定量分析。研究表明稀釋和潛熱冷是抑制CH4層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊闹饕蛩亍Ｎ墨I(xiàn)[51]研究了不同條件下細(xì)水霧抑制甲烷燃燒的效果，結(jié)果表明細(xì)水霧對甲烷火焰有很好的抑制作用，用水霧吸熱冷卻法可以熄滅甲烷燃燒火焰。文獻(xiàn)[52]對瓦斯抑爆進(jìn)行了定量研究，結(jié)果表明：細(xì)水霧的抑制作用主要體現(xiàn)在對爆炸火焰溫度的抑制上。文獻(xiàn)[53]研究了細(xì)水霧對火焰形狀、溫度場、速度場、輻射強(qiáng)度和滅火效果的影響，然后進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。結(jié)果表明：增大水霧壓力，火焰高度減小，傾角增大。

由于水是很好的溶劑，很多學(xué)者發(fā)現(xiàn)在水霧中添加添加劑，能有效提高水霧的抑爆效率。文獻(xiàn)[54]通過試驗(yàn)研究了水霧添加KOH、NaCl、NaOH抑制瓦斯/空氣混合氣體燃燒的效果，得出抑制能力的順序?yàn)椋篕OH>NaCl>NaOH；林瀅等[55-58]研究了在超聲波細(xì)水霧中添加添加劑的抑爆效果。結(jié)果表明，在超聲波霧化基礎(chǔ)上加入堿金屬添加劑，能夠明顯提高超細(xì)水霧對甲烷-空氣爆炸的抑制效果,且隨添加劑濃度的提高,抑爆效果不斷增強(qiáng)；李定啟等[59-60]利用半密閉爆炸管道進(jìn)行了水霧抑爆試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超細(xì)水霧可提高瓦斯爆炸下限，加入添加劑后能進(jìn)一步提高瓦斯爆炸濃度的下限；劉江虹等[61]利用Cup Burner裝置開展含添加劑細(xì)水霧抑制小尺度甲烷火焰的試驗(yàn)研究，得出幾種含添加劑細(xì)水霧抑制能力從小到大依次為:MgCl2CH3COOK>KNO3>KCL>KH2PO4，其原因是不同的鉀鹽添加劑在火焰溫度下分解出不同的活性物質(zhì)。楊克等[65]采用含草酸鉀的超細(xì)水霧抑制甲烷爆炸，結(jié)果表明添加草酸鉀的超細(xì)水霧對爆炸威力指數(shù)以及爆炸壓力等參數(shù)有明顯的抑制效果。

余明高等[66-67]利用水的良好導(dǎo)電性，在細(xì)水霧中加入荷電的情況下進(jìn)行了瓦斯抑爆試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，荷電細(xì)水霧對爆炸壓力峰值以及火焰?zhèn)鞑ニ俣扔懈玫囊种菩Ч?，且荷電電壓越大抑制效果越好?/p>

2.2 水霧抑爆機(jī)理分析

水霧不僅具有冷卻吸熱、物理惰化、阻隔輻射熱等抑爆機(jī)理，還能作為第三體可阻礙瓦斯爆炸的支鏈反應(yīng)，添加劑等的加入能夠提高超細(xì)水霧的抑爆效果,不同堿金屬添加劑的抑制效果不同，且隨著添加劑離子活性和濃度的提高抑爆效果不斷增強(qiáng)。以下分別從物理抑爆和化學(xué)抑爆2種方式來對純水霧和加入添加劑的水霧進(jìn)行分析。

2.2.1 純水霧抑爆機(jī)理

1)物理抑爆：純水霧的物理抑爆機(jī)理主要有冷卻吸熱、物理惰化、隔絕熱量。

2)化學(xué)抑爆：純水霧的化學(xué)抑爆主要通過水分子來消除關(guān)鍵自由基實(shí)現(xiàn)。在瓦斯爆炸的高溫作用下甲烷反應(yīng)出現(xiàn)的主要活性基元有H、O和OH，水分子會與這些活性基元作用，例如H+H2O→H2+OH,O+H2O→OH+OH,HO2+H2O→H2O2+OH，這些反應(yīng)降低了甲烷燃燒支鏈中的H、O等關(guān)鍵自由基的濃度。另外，大量的水分子是一種很好的第三體,并且基元的碰撞頻率比二體基元的碰撞頻率高，由此可以將能量大幅轉(zhuǎn)移到不參加反應(yīng)的水分子上，降低支鏈反應(yīng)活性。

2.2.2 加入添加劑的水霧抑爆機(jī)理

1)物理抑爆：加入添加劑后，水霧的飽和蒸汽壓被降低，冷卻能力得到了提高。水霧汽化后會析出添加劑的晶體，例如氯化鈉晶體，吸收大量熱量，從而降低爆炸溫度。根據(jù)阿倫尼烏斯公式可知，當(dāng)溫度降低時(shí)，反應(yīng)速率呈指數(shù)減小，反應(yīng)速率減小進(jìn)而影響火焰釋放速率減小，從而抑制瓦斯爆炸。

2)化學(xué)抑爆：加入添加劑后水霧的化學(xué)抑爆機(jī)理主要通過高溫下產(chǎn)生的陰陽離子來消除關(guān)鍵自由基實(shí)現(xiàn)。高溫條件下，不同添加劑會析出晶體，析出的晶體會產(chǎn)生鈉、鉀、鈣、鎂等陽離子和氯、碳酸根、碳酸氫根陰離子。研究表明析出的鈣、鎂陽離子不具備抑制化學(xué)反應(yīng)鏈的作用[68]；析出的鈉、鉀能與氫離子和氫氧根離子結(jié)合生產(chǎn)水及相應(yīng)氧化物。析出的鐵、錳離子具有多個(gè)價(jià)態(tài)，與自由基結(jié)合數(shù)目大幅增加，抑爆效果更好[69]；析出的氯離子不僅作為催化劑促使氫原子轉(zhuǎn)化成氫分子，而且使氫離子和氫氧根離子反應(yīng)生成水分子。這些反應(yīng)使甲烷燃燒支鏈中的H、O等關(guān)鍵自由基的濃度降低,使爆炸過程中主要基元反應(yīng)中斷。

2.2.3 荷電細(xì)水霧的抑爆機(jī)理

1)物理抑爆：荷電能增強(qiáng)細(xì)水霧的彌散性，增加細(xì)水霧霧滴之間的庫侖力，減小霧滴的粒徑，增強(qiáng)細(xì)水霧的蒸發(fā)吸熱能力。

2)化學(xué)抑爆：自由基本身是帶有電荷的，在爆炸區(qū)域產(chǎn)生的自由基所帶的正負(fù)電荷總量基本平衡，帶荷電細(xì)水霧充入爆炸區(qū)域后打破了自由基正、負(fù)電荷的平衡，擾亂自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)達(dá)到抑制瓦斯爆炸的效果。

3 粉體抑爆

3.1 粉體抑爆研究現(xiàn)狀

在粉體抑爆方面，國內(nèi)外學(xué)者也開展了大量研究。國外的文獻(xiàn)[70]研究了粒子抑制爆轟形成的作用，結(jié)果表明粒徑越小，抑制爆轟的效果越好，當(dāng)量配比下需要的粒子量最大。文獻(xiàn)[71]研究了惰性粒子對可燃粉塵爆轟的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)粒子粒徑與濃度達(dá)到一定程度時(shí)可導(dǎo)致爆轟熄滅。國內(nèi)學(xué)者范寶春等[72-76]對CaCO3、SiO2、ABC干粉、礬土等粉體抑制CH4-O2的效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)增加抑爆材料的濃度、減小粒徑能增加抑爆效果。鄭立剛等[77-79]對NaHCO3抑制瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ヒ约氨▔毫M(jìn)行研究，并分析了抑制機(jī)理。張宇明等[80-84]研究了超細(xì)ABC干粉對瓦斯爆炸的抑制作用，結(jié)果表明隨著干粉粒徑的減小或含量的升高，干粉對超壓和火焰的抑制效果越好，且其分解產(chǎn)物對爆炸有一定的弱化作用。羅振敏等[85-87]研究了不同超細(xì)無機(jī)粉體材料的抑爆效能，得出不同材料的抑爆效能依次為NH4H2PO4>Al(OH)3>Mg(OH)2，當(dāng)NH4H2PO4粉體的抑爆添加量達(dá)到一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，可以使體積分?jǐn)?shù)為7%的瓦斯失去爆炸性。余明高等利用自行研制的爆炸試驗(yàn)系統(tǒng)，分別進(jìn)行了二茂鐵[88]和赤泥[89]粉體對甲烷-空氣預(yù)混氣的抑爆試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)改性赤泥在高溫下分解并吸收熱量，達(dá)到降溫效果，另外，其特殊的多孔隙結(jié)構(gòu)使其具有較高的比表面積，能夠有效吸附爆炸中產(chǎn)生的關(guān)鍵自由基；二茂鐵能較好地抑制爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｎ墨I(xiàn)[90]研究了二茂鐵和氫氧化鋁粉末滅火劑對管道內(nèi)體積分?jǐn)?shù)為9.5%的甲烷混合氣體爆炸的抑制作用，結(jié)果表明與氫氧化鋁相比，二茂鐵具有較好的抑爆性能。文獻(xiàn)[91]在20 L球形爆炸容器和5 L有機(jī)玻璃管道中，測試了NaHCO3/RM(赤泥)復(fù)合材料對9.5%CH4爆炸的抑制性能。結(jié)果表明，NaHCO3/RM(赤泥)復(fù)合粉體的抑制性能明顯優(yōu)于純赤泥或NaHCO3粉體。文獻(xiàn)[92]將常規(guī)抑制劑(聚磷酸銨和氫氧化鋁)與多孔高嶺土混合，制備了一種新型多組分粉末抑制劑。結(jié)果表明：該粉末抑制劑具有良好的抑爆效果，且多組分抑制劑的抑制性能優(yōu)于單組分抑制劑；羅振敏等[93-94]研究了SiO2納米粉體和硅藻土粉體的抑爆效果，結(jié)果表明SiO2粉體和硅藻土粉體能顯著降低甲烷最大爆炸壓力、壓力上升平均速率、爆炸濃度極限范圍，并且SiO2納米粉體抑爆效果好于SiO2微米粉體。陳先鋒等[95]利用 20 L 近球形爆炸裝置測試干水材料對瓦斯爆燃的抑制效果。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)添加的干水材料較少時(shí)，干水材料對瓦斯爆燃產(chǎn)生促進(jìn)效果；當(dāng)添加的干水材料不斷增加時(shí)，對瓦斯最大爆燃壓力上升速率有顯著抑制效果。

大量研究證明不同粉體抑爆劑的抑爆效果各不相同，通過分析發(fā)現(xiàn)其根本原因是抑爆機(jī)理不同。分析不同材料的抑爆機(jī)理，以及對抑爆效果的影響如下。

3.2 粉體抑爆機(jī)理分析

一方面抑爆粉體的加入使爆炸氣氛中氧濃度相對降低，一定程度上在可燃物與氧氣之間產(chǎn)生隔離作用，當(dāng)活化分子與粉體介質(zhì)碰撞時(shí),會使活化分子失去活化能而不能反應(yīng)，且粉體粒徑越小，比表面積越大，吸附自由基效果越好，例如具有天然納米級微孔結(jié)構(gòu)的SiO2[93]，且孔隙率較高，增加了比表面積，表面吸附性能增強(qiáng)，提高了抑爆效果；另一方面，在爆炸區(qū)域加入超細(xì)Al(OH)3、Mg(OH)2、KHCO3、NaHCO3、ABC干粉等粉體后，這類粉體受熱會分解，Al(OH)3、Mg(OH)2吸熱分解后產(chǎn)生水蒸氣和氧化物起到稀釋甲烷濃度的作用，使得爆炸波壓力下降，KHCO3、NaHCO3粉體在高溫作用下分解出相應(yīng)的碳酸鹽并釋放出惰性氣體CO2和水蒸氣，能有效阻礙甲烷燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，起到抑爆效果。ABC干粉主要成分是NH4H2PO4，分解會吸收瓦斯爆炸反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量；另外，體系中的N和P自由基可以與甲烷爆炸支鏈反應(yīng)過程中產(chǎn)生的H、OH、O自由基反應(yīng)，使消耗了關(guān)鍵自由基，起到抑制爆炸作用。

4 多相復(fù)合抑爆

通過上述論述，發(fā)現(xiàn)不同抑爆材料，抑爆特點(diǎn)不同。為了提高抑爆效果，同時(shí)加入不同相態(tài)的抑爆劑，綜合利用各種抑爆材料的有利性質(zhì)，達(dá)到協(xié)同抑爆效果。下面就3種相態(tài)抑爆劑復(fù)配組合開展抑爆的研究情況進(jìn)行總結(jié)，具體可分為氣-液、氣-固、氣-液-固3種類型。

4.1 氣-液復(fù)合抑爆研究現(xiàn)狀

文獻(xiàn)[95-100]采用雙流體噴嘴抑制甲烷/空氣爆炸，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)使用N2、CO2等惰性氣體作為驅(qū)動力時(shí)，惰性氣體雙流體細(xì)水霧的抑爆效果顯著，通過延長噴灑時(shí)間，峰值爆炸超壓、壓力上升速率和峰值速度以及溫度均下降明顯，均表現(xiàn)出明顯的協(xié)同增效抑制作用。

由于將固體添加劑加入水溶液中與惰氣混合使用時(shí)是以氣、液混合的形式噴出的，在抑制過程中，并不以固體形式參與，所以將帶有添加劑的氣、液復(fù)合抑爆劑歸為氣-液復(fù)合抑爆。郭成成等[101]設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，研究了惰氣、添加劑和細(xì)水霧在抑制瓦斯爆炸具有的協(xié)同抑制作用，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行正交分析，同時(shí)利用方差分析表分析 CO2、KCl和細(xì)水霧三者對瓦斯抑爆的主次順序以及最優(yōu)配比；楊勇等[102]研究了含添加劑的N2-雙流體細(xì)水霧對甲烷爆炸的影響，結(jié)果表明：含添加劑的N2-雙流體細(xì)水霧比N2-雙流體細(xì)水霧抑爆效果好。戴彪等[103]將介質(zhì)NH4H2PO4溶于水中，利用高壓氣體噴射形成氣溶膠，通過不同組試驗(yàn)的對比，發(fā)現(xiàn)壓力、濃度及出口直徑，均是影響滅火的主要因素。

4.2 氣-固復(fù)合抑爆研究現(xiàn)狀

MCHALE[104]利用鹵代烷氣體驅(qū)動粉體從滅火器中噴射出來，能同時(shí)發(fā)揮2種滅火劑的功效，滅火效能顯著提高；文獻(xiàn)[105-107]研究發(fā)現(xiàn)七氟丙烷與碳酸氫鈉干粉同時(shí)使用時(shí)，具有明顯的協(xié)同滅火效應(yīng)，抑爆效果較單一抑爆劑使用時(shí)都有顯著提高。文獻(xiàn)[108-110]進(jìn)行了惰性氣體分別與不同粉體抑爆劑混合使用抑制瓦斯爆炸的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，混合使用比單獨(dú)使用時(shí)抑爆效果好，表明氣固兩相抑制劑可以獲得協(xié)同效應(yīng)，但比理論上疊加各自的抑爆效果弱。

4.3 氣-液-固復(fù)合抑爆研究現(xiàn)狀

氣溶膠俗稱煙或霧，其主要成分包括CO2、N2、水等惰性氣體以及金屬氧化物、碳酸鹽和磷酸鹽，是主要的氣-液-固復(fù)合抑爆劑。屈麗娜等[111]采用20 L近球形試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了K型和S型2種熱氣溶膠的抑爆性能和相關(guān)參數(shù)，探討了氣溶膠的抑爆機(jī)理，結(jié)果表明：隨著氣溶膠濃度的增加，甲烷最大爆炸壓力上升速率、最大爆炸壓力逐漸減小，直至不再爆炸，且甲烷爆炸極限范圍逐漸減小，甚至閉合。

4.4 多相復(fù)合抑爆機(jī)理分析

根據(jù)上述研究發(fā)現(xiàn)，對于氣-液復(fù)配抑爆，一方面水霧會使火焰出現(xiàn)不同的湍流現(xiàn)象，稀釋氣體的加入能有效提高火焰的穩(wěn)定性，增強(qiáng)了抑爆效果；另一方面惰性氣體能減小瓦斯爆炸的火焰?zhèn)鞑ニ俣群头磻?yīng)速率，當(dāng)火焰鋒面以較低的速度遇到細(xì)水霧液滴群時(shí)，霧滴在火焰區(qū)停留時(shí)間增長，提高了細(xì)水霧對火焰陣面和已燃區(qū)的冷卻作用。氣-液兩相抑爆介質(zhì)相互促進(jìn)，形成了正向的協(xié)同效應(yīng)。

氣-固復(fù)配和氣-液-固復(fù)配抑爆的相關(guān)研究表明，其抑爆效果雖然較單一抑爆劑有明顯提高，但比理論疊加抑爆效果要弱，說明不同相態(tài)抑爆劑可能在爆炸過程的不同階段發(fā)揮了抑制作用，在一定程度上增加了抑爆效果，但很難同時(shí)形成正向協(xié)同效應(yīng)，且部分氣、固抑爆介質(zhì)會同時(shí)參與燃燒反應(yīng)，中間產(chǎn)物種類繁多，反應(yīng)機(jī)理十分復(fù)雜，協(xié)同作用機(jī)制尚未完全揭示清楚。

5 討論與展望

1)不同抑爆材料的抑爆機(jī)理主要有物理惰化、冷卻吸熱、消除關(guān)鍵自由基等。常規(guī)惰性氣體(CO2、N2等)以及清水霧抑爆劑主要根據(jù)自身特點(diǎn)通過冷卻吸熱以及物理惰化機(jī)理來抑制瓦斯爆炸。鹵代氫氣體、粉體化合物以及金屬化合物添加劑主要通過分解吸熱以及分解后產(chǎn)生的陰陽離子來消除瓦斯爆炸過程產(chǎn)生的關(guān)鍵自由基來實(shí)現(xiàn)抑制作用。

2)不同抑爆材料主要通過研究瓦斯爆炸過程中爆炸壓力、壓力上升速率、爆炸火焰溫度、傳播速度、點(diǎn)火延遲時(shí)間、爆炸極限范圍以及氧濃度等參數(shù)的宏觀變化情況來研究其抑爆效果。隨著抑爆研究的進(jìn)一步深入，目前可利用瞬態(tài)發(fā)射光譜測量等方法實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程中間產(chǎn)物的檢測，來實(shí)現(xiàn)對微觀機(jī)理的研究和分析。

3)抑制瓦斯爆炸的機(jī)理按性質(zhì)不同可分為物理和化學(xué)抑制機(jī)理，大多數(shù)抑爆劑或抑爆材料都包含上述2種機(jī)制，但不同抑爆劑或抑爆材料特點(diǎn)不同，且存在上限，如果要進(jìn)一步提升其抑爆效果，需要將不同抑爆劑或抑爆材料的特點(diǎn)有效結(jié)合起來，使其優(yōu)勢互補(bǔ)，形成正耦合，達(dá)到更好的抑爆效果。近年來，氣-液、氣-固、氣-液-固等不同相態(tài)的復(fù)合抑爆劑在試驗(yàn)中得到研究，但氣-固、氣-液-固等復(fù)合滅火劑是否具有顯著的抑爆效能有待進(jìn)一步驗(yàn)證，對其協(xié)同抑爆機(jī)理需進(jìn)行深入研究。

4)金屬化合物KOH、Na2CO3等在吸水或加入水中后有強(qiáng)堿性，會對滅火現(xiàn)場的電器設(shè)備等產(chǎn)生較強(qiáng)的腐蝕性，鹵代烴氟化酮等滅火過程中會產(chǎn)生有毒氣體，對救災(zāi)人員產(chǎn)生危害，且要達(dá)到完全抑爆，需要充入的抑爆劑濃度較高。所以在選擇滅火劑的時(shí)候，應(yīng)盡量選擇腐蝕性較小或?qū)θ藛T沒有影響的滅火劑，同時(shí)，開發(fā)清潔、高效、無腐蝕的滅火劑成為未來發(fā)展的方向。