煤尘变质程度与沉积质量对甲烷-煤尘-甲烷连续爆炸动力学机制的影响研究

为解决煤矿甲烷-沉积煤尘-甲烷连续爆炸的安全威胁，研究人员通过自建管道实验平台系统研究了煤变质程度和沉积质量对爆炸动力学的影响。研究发现4?g沉积煤尘引发最剧烈爆炸，揭示了冲击波二次夹带、分层燃烧等机制，证实煤的O/C比、挥发分等化学特性主导爆炸强度，为煤矿本质安全提升提供了理论依据。

　　

在全球能源转型与气候变化的双重背景下，煤炭作为主导化石能源仍占世界一次能源消费的重要比重。然而煤矿开采伴随的甲烷泄漏和煤尘爆炸问题，不仅威胁矿工生命安全，其释放的甲烷（GWP₂₀为CO₂的84倍）更会加剧气候风险。现有研究多聚焦预混甲烷-煤尘爆炸，对矿井中常见的沉积煤尘被局部甲烷爆炸触发二次爆炸的机制认知不足。中国矿业大学（北京）的研究团队在《Powder Technology》发表的研究，通过自建管道实验系统（含15?cm×15?cm截面钢构管道与石英观测窗），结合高速摄像与压力传感器，首次揭示了"甲烷-煤尘-甲烷"连续爆炸的动力学规律。

关键技术包括：1）多段式管道模拟真实矿井环境；2）同步采集爆炸超压（p）与火焰传播数据；3）灰色关联分析（GRA）量化煤质参数对爆炸危害的贡献度；4）残余物特性表征技术。

爆炸超压与煤尘变质程度的关系
实验发现4?g沉积煤尘引发峰值超压（9.5?kPa），低阶煤（长焰煤）因高挥发分（VMs）和低O/C比，其爆炸压力较无烟煤高47%。压力曲线呈现振荡特征，源于反射冲击波导致的煤尘二次夹带与复燃。

火焰传播动力学机制
甲烷爆炸进入煤尘区时，冲击波夹带粉尘形成"火焰-湍流"耦合效应，使火焰速度提升3倍。下游甲烷-空气预混区因热浮力（thermal buoyancy）产生分层燃烧，火焰向上偏转15°-30°。高速摄像显示煤尘复燃导致火焰前锋呈现锯齿状振荡。

煤质特性的关键控制作用
GRA分析表明，挥发分含量（r=0.89）、最大热解速率温度（T_max）与爆炸强度呈强关联。低阶煤因快速释放挥发性组分，其危害指数（H_I）达到高阶煤的2.3倍，证实化学活性主导爆炸链式反应。

该研究首次系统阐释了连续爆炸中能量传递的"冲击波夹带-挥发分燃烧-气固耦合"三阶段机制，为矿井通风系统优化与智能预警提供了理论基石。特别是发现4?g煤尘的临界沉积量，可直接指导井下除尘标准制定。通过建立煤质参数与爆炸强度的定量关系，实现了从经验防控到精准预测的跨越，对实现"双碳"目标下的煤矿本质安全具有重要实践价值。