|CQU|甲烷/烟煤混合爆燃的火焰行为特性、压力演化和分子反应机理

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在煤炭开采和加工过程中，甲烷和煤粉的混合爆炸对煤矿安全构成严重威胁。甲烷与煤粉的混合物易被机械摩擦、爆破等能量源引燃，其爆炸特性比单一燃料更复杂，产生的冲击波、火焰和有毒气体会加剧灾害。现有研究多聚焦宏观爆炸特性（如压力、火焰传播）和抑制技术，但对微观反应机制（如分子层面链式反应路径）缺乏深入探讨。本文通过实验和ReaxFF MD分子动力学模拟，结合烟煤（中国储量占比75%）的宏观爆炸行为与分子反应机理，旨在揭示混合爆炸的协同作用机制，为灾害防控提供理论依据。

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图1 烟煤粉煤样品表征测试：（a）50µm的SEM图像；（b）30µm的SEM图像；（c）粒度分析；（d）TG-DSC曲线

图2展示了甲烷/烟煤混合爆炸实验装置的设计与组成。装置主体为透明有机玻璃管道（100×100×500 mm³），顶部开放、底部封闭，便于观察火焰传播；气粉喷射系统通过流量控制器精确调节甲烷/煤粉混合物的输入速度；高压电弧点火装置通过时间继电器与粉末喷射同步，确保点火时机可控。数据采集部分包含高频压力传感器和高速摄像机，分别用于记录爆炸压力动态变化及火焰传播行为。实验装置通过密封性检测和重复性验证，保障了数据的可靠性与安全性。整体设计兼顾可视化观测与高精度测量，为研究混合爆炸的宏观特性提供了标准化实验平台。

图2 甲烷/煤粉混合爆燃实验装置

表1 本研究建立的反应体系的参数设置

图3展示了甲烷/烟煤混合爆炸反应的分子模型构建过程。图3a为经典烟煤分子的初始结构，经Material Studio几何优化和退火处理后获得稳定构型（图3b）。随后，利用Packmol程序按化学计量比将甲烷、氧气分子随机分布至周期性三维反应箱中，形成混合反应体系（图3c）。该模型结合了烟煤分子、甲烷与氧气的空间分布特性，密度设定为0.5 g/cm³，为后续ReaxFF-MD模拟提供了原子级反应环境，旨在解析爆炸过程中分子链式反应路径与中间体演化机制。

图3 分子反应模型的建立

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3.1.甲烷/烟煤爆燃的压力特性      

图4展示了不同燃料浓度下甲烷/烟煤混合爆燃的压力演变特性。子图（a）显示爆炸超压峰值在甲烷浓度为9.5 vol%时达到最大值，且低甲烷时煤粉浓度增加显著提升MPP，而高甲烷时煤粉抑制MPP（降幅17%–34%）。子图（b）中MPP到达时间随甲烷浓度升高而延长，但煤粉的加入在低甲烷时缩短42%–56，在高甲烷下延长，反映煤粉分布均质性对反应速率的影响。子图（c-d）显示最大压力上升速率及其到达时间的变化趋势与MPP一致，进一步验证甲烷浓度对爆炸压力特性的主导作用，而煤粉浓度的影响呈现“低促高抑”的双重效应，本质源于其挥发分释放与氧气竞争消耗的博弈。综合分析表明，混合爆炸的压力演化主要由气相反应主导。   

图4 不同燃料浓度下甲烷/煤粉混合爆燃压力演化：（a）最大爆燃超压峰值（MPP）;（b）MPP到达时间;（c）最大爆燃压力上升速率;（d）（dP/dt）最大到达时间

图5展示了不同燃料浓度下甲烷/烟煤混合爆燃指数（K_st）的分布规律。结果显示， K_st最小值出现在7 vol%甲烷且无煤粉添加的工况，而最大值则出现在9.5 vol%甲烷与100 g/m³煤粉的混合条件。大部分K_st值集中于右下象限，表明煤粉浓度过高时可能因氧气竞争消耗抑制爆燃烈度。此外，甲烷浓度从7 vol%增至11 vol%时，K_st呈系统性增长趋势，凸显甲烷对爆燃强度的主导作用，而煤粉浓度的影响则呈现非线性特征（仅在低甲烷时显著促进爆燃）。

图5 不同燃料浓度下甲烷/烟煤混合爆燃的爆燃指数分布

3.2.甲烷/粉状烟煤混合爆燃的火焰行为特性    

图6 不同燃料浓度下甲烷/烟煤爆燃火焰图像

图7展示了不同燃料浓度下甲烷/烟煤混合爆燃的火焰传播特性。子图（a₁-c₁）显示火焰高度随甲烷浓度升高而显著增加，且低甲烷时煤粉添加加速火焰传播，但超过200 g/m³后促进作用消失；高甲烷时煤粉持续抑制火焰高度扩展。子图（a₂-c₂）表明火焰传播速度在甲烷9.5 vol%与50 g/m³煤粉组合下达到峰值，而煤粉浓度超过100 g/m³后速度下降。

图7 不同燃料浓度下甲烷/煤粉爆燃火焰传播特性：（a₁-c₁）火焰传播高度;（a₂-c₂）火焰传播速度

图8展示了不同燃料浓度下甲烷/烟煤混合爆燃的最大火焰速度（V_max）及其到达时间（T_max-V）的变化规律。当甲烷浓度为7 vol%时，煤粉的添加使V_max提升28%；而甲烷浓度升至9.5 vol%和11 vol%时，煤粉的加入分别导致V_max下降35%和76%，表明高甲烷环境下煤粉通过氧气竞争显著抑制火焰传播。甲烷浓度对V_max的影响远强于煤粉，但高煤粉浓度下二者差异缩小。T_max-V的变化未呈现一致趋势，可能受煤粉分布不均及挥发分释放动态影响。

图8 不同燃料浓度下甲烷/煤粉爆燃的最大火焰速度（Vmax）和Vmax到达时间（Tmax-V）

3.3．甲烷/烟煤爆燃的 ReaxFF MD 模拟

3.3.1.烟煤分子的热解反应机理   

图9揭示了烟煤分子在混合爆炸中的热解反应机制。子图（a）展示了烟煤分子通过C-O和C-C键断裂的初始热解序列，生成大分子片段和链式结构；子图（b）阐明了CO、CO₂、CH₄、H₂O等小分子气体及·H/·OH自由基的生成路径：羧基/羰基分解产生CO和CO₂，甲基侧链断裂形成CH₄，羟基/羧基与自由基反应生成H₂O和H₂；子图（c）标注了烟煤分子中的典型官能团。烟煤热解释放的挥发分和活性自由基通过参与气相燃烧链式反应，显著增强混合爆炸强度。

图9 烟煤分子热解反应简化机理：（a）烟煤分子结构的初始热解反应序列;（b）二次热解过程中典型气体小分子（CO、CO2、CH4、H2O）和关键自由基（OH、OH）的形成途径;（c）典型官能团

3.3.2.氧气分子的时间演变分析   

图10展示了不同当量比下六种系统中O₂分子在燃烧过程中的消耗动态。混合体系中O₂消耗量显著高于纯甲烷系统，表明煤粉的加入通过热解释放挥发分和活性自由基，加速了氧气的消耗，强化氧化反应进程。富氧条件下，O₂消耗持续上升，煤粉挥发分与甲烷协同促进完全燃烧；而纯甲烷系统在当量比Φ=2时O₂消耗量先增后降，反映氧气过剩时的反应饱和。此外，当量比Φ=0.5时，煤粉的引入仍显著提升O₂消耗速率，说明煤粉热解产物的氧化需额外氧气，加剧混合体系的氧竞争机制。   

图10 在不同当量比的六个系统中，燃烧过程中O₂分子的数量变化

3.3.3宏观产物与关键自由基的动态演变分析

图11展示了不同当量比下六种系统中CO、CO₂、H₂O和H₂分子在燃烧过程中的数量演变。在富氧条件下，混合体系中CO和CO₂的生成量显著高于纯甲烷系统，且煤粉的添加使CO/CO₂产量提升3-5倍，表明煤粉热解释放的挥发分通过链式反应促进氧化进程。富氧条件下，CO在500 ps内完全转化为CO₂，而缺氧条件下因氧气不足导致H₂残留量增加。H₂O的生成与·OH自由基的消耗同步，其数量随O₂浓度升高而上升，而H₂的波动性反映了挥发分氧化与氢气生成的动态平衡。

图11 不同当量比下六个体系燃烧过程中CO、CO2、H2O和H2分子数的变化

图12展示了不同当量比下六种系统中关键中间体与自由基的数量演变。子图（a₁-a₃）显示CH₂O分子数量随煤粉加入和O₂浓度升高而增加，其通过·CH₃与·O反应生成，并进一步转化为·CHO，最终氧化为CO/CO₂。子图（b₁-b₃）和（c₁-c₃）表明，煤粉和富氧条件显著提升·OH、·H、·O自由基的生成量，这些自由基通过链式反应加速CH₄和挥发分的氧化进程。此外，·OH与·H的相互转化维持动态平衡，调控燃烧速率与产物分布。

图12 不同当量比下6个体系燃烧过程中关键中间产物和自由基的数量演化：（a1-a3）CH 2O分子的数量演化;（b1-b3）甲烷/煤粉燃烧体系中OH、OH和O自由基的数量演化;（c1-c3）甲烷-氧气燃烧体系中OH、OH和O自由基的数量演化。

图13展示了不同当量比下六种系统中·HO₂自由基和H₂O₂分子在燃烧过程中的数量演变。子图（a₁-a₃）显示，·HO₂自由基的生成量随O₂浓度升高显著增加，尤其在含煤粉的混合体系中，其峰值较纯甲烷系统提升50%以上，表明煤粉热解释放的挥发分通过链式反应促进自由基生成。子图（b₁-b₃）中H₂O₂分子数量在富氧条件下迅速上升，其消耗路径进一步释放·OH自由基，加速甲烷与煤粉挥发分的氧化。煤粉的加入通过增强中间体的生成与转化效率，显著提升燃烧反应速率，而高O₂浓度则通过稳定H₂O₂的积累，延长氧化反应时间，强化CO向CO₂的完全转化。

图13 不同当量比下六种体系燃烧过程中H2O2自由基和H2O2分子数的演变：（a1-a3）H2O2自由基数的演变;（b1-b3）H2O2分子数的演变

3.4反应路径分析

图14 甲烷/烟煤粉体系中氢氧化物的反应途径（红色实线突出显示了主要反应途径）

3.5 甲烷/粉化烟煤爆燃的反应机理   

图15综合展示了甲烷/烟煤混合爆燃的宏观-微观协同反应机制。宏观层面，甲烷燃烧释放热量引发煤粉热解，生成挥发分（CO、CH₄等）和活性自由基（·OH、·H），进一步加剧气相燃烧并形成冲击波与火焰传播；微观层面，烟煤分子通过C-O/C-C键断裂释放含氧官能团和脂肪链结构，参与链式反应。煤粉挥发分与甲烷的耦合作用形成“挥发分助燃-氧气竞争”动态平衡，低浓度时增强爆炸强度，高浓度时因氧耗抑制反应。

图15 甲烷/烟煤爆燃反应机理研究

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（1）随着甲烷浓度的增加，爆燃反应明显加快。爆燃MPP和火焰亮度最初增加，然后减少，峰值在甲烷体积浓度为9.5%。煤粉浓度的增加既可以促进也可以抑制预混系统内的爆燃反应。此外，烟煤氧化热解与甲烷燃烧之间的耦合作用形成了一个火焰传播空间有限的爆燃环境，其中气相爆燃是甲烷/煤粉混合物的主要特征。此外，甲烷浓度对爆燃特性的影响比煤粉浓度的影响更为显著。   

（2）通过ReaxFF-MD模拟，分析了烟煤分子热解机理及主要气体组分和关键自由基的演化规律。结果表明，在预混体系中，烟煤分子有效地促进了燃烧反应过程，且在富氧水平较高时，促进作用更为显著.在甲烷/粉煤爆燃系统中，烟煤分子受热氧化分解，释放出大量的挥发分参与气相爆燃反应。该过程促进了混合体系的强度和反应速率。

（3）该研究为甲烷-氧气燃烧和甲烷/烟煤混合燃烧的反应途径提供了详细的见解。甲烷-氧气燃烧的主要途径包括CH₄ → CH₂CH₃ → CH₂O → CH₂CHO → CO → CO₂。此外，混合爆燃的甲烷和烟煤粉揭示了一个复杂的二级途径，导致形成各种副产物和中间产物，如CH₄CH₅O，CH₄CH₄O，CH₄CH₄O₂，CH₂O₂，CH₂CH₂O₂和C_xH_yO₂。甲烷/烟煤爆燃的主要反应途径为CH₄ → CH₂CH₃ → CH₄O → CH₂O → CH₂CHO → CO+ H₂ → CO₂ + H₂O。通过脱氢反应和结合转化维持了H₂OH和H₂OH自由基之间的平衡，在混合爆燃和产物转化中起着至关重要的作用。   

选自微信公众号 X燃爆科研工作室