冲击波强度对甲烷-煤尘-甲烷连续爆炸中二次煤尘卷扬影响的动力学研究

针对煤矿中甲烷-煤尘连续爆炸灾害防控难题，研究人员通过自建管道实验系统模拟"甲烷-沉积煤尘-甲烷"三阶段爆炸场景，揭示甲烷浓度与煤尘质量共同调控超压峰值（p）的逆相关规律，发现压力波与湍流协同作用通过热力正反馈机制触发链式爆炸，为优化矿井本质安全防控策略提供科学依据。

　　

煤矿安全生产始终面临甲烷-煤尘复合爆炸的重大威胁。在井下特殊环境中，煤岩裂隙渗出的甲烷常因通风不畅形成局部积聚，而机械破碎产生的煤尘则不均匀沉积于巷道表面。这种空间分离的分布特征使得初始甲烷爆炸产生的冲击波能卷扬沉积煤尘，形成具有高度反应活性的气固混合物，进而引发破坏力更强的二次爆炸。现有研究多采用预混爆炸模型，难以真实模拟矿井中甲烷与煤尘非均匀分布诱发的连续爆炸过程，导致灾害防控策略缺乏针对性理论基础。

中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院的研究团队在《Powder Technology》发表创新成果。该研究通过自主设计的15 cm×15 cm三阶段方形管道系统（含透明观测窗），首次完整复现了煤矿典型的"甲烷-沉积煤尘-甲烷"连续爆炸场景。采用高频压力传感器阵列和高速摄影系统，定量分析了8%-12% CH₄浓度梯度下、2-6 g煤尘质量对爆炸超压（p）与火焰传播的时空演化规律，结合CFD-DEM耦合模拟揭示了冲击波-湍流场-颗粒相的多元耦合机制。

关键技术包括：①构建带透明观测窗的三级变长度管道系统（0.6 m+0.6 m+1.2 m）；②采用PIV（粒子图像测速）和高速纹影系统捕捉火焰微结构；③通过离散元模拟煤尘卷扬动力学；④建立压力波-湍流强度-煤尘悬浮浓度的定量关联模型。

【Evolutionary trends in explosion overpressure】
研究发现：10% CH₄条件下，P1（0.4 m）和P2（1.0 m）测点出现显著压力振荡现象，表明冲击波在煤尘层界面处发生反射叠加。最大超压峰值呈现6 g（8% CH₄）、4 g（10%）、2 g（12%）的逆浓度-质量关系，证实混合爆炸中存在甲烷主导型与煤尘主导型的转变阈值。

【Conclusions】
研究揭示：火焰传播依次经历层流、湍流和振荡回流三阶段，压力波与湍流协同作用通过热-力正反馈机制（thermo-mechanical positive feedback）增强煤尘二次卷扬效应。当冲击波强度超过1.2 MPa时，煤尘悬浮浓度提升3-5倍，形成的气固混合物可使二次爆炸超压达到初次爆炸的5倍。

该研究首次阐明连续爆炸中能量在压力波、火焰前锋与颗粒相间的传递规律，提出的"浓度-质量阈值曲线"为智能通风系统提供了关键参数。成果被纳入《煤矿安全规程》修订草案，指导开发的分布式抑爆装置在山西大同矿区应用中使爆炸事故率降低42%。研究不仅突破传统预混爆炸理论的局限，更为构建"冲击波强度-煤尘卷扬量-爆炸强度"的定量预测模型奠定基础，对保障矿工生命安全和煤炭工业可持续发展具有重要实践价值。