作者：张海音
近年来，国内外相关学者主要集中研究瓦斯爆炸的抑制机理，魏春荣等利用自行设计的方形实验管道，对多孔材料抑制瓦斯爆炸进行了实验研究；王连聪等从反应机理角度详细分析水对瓦斯爆炸的抑制作用；Maremonti等分析了管路直径、点火位置对瓦斯爆炸过程中压力、燃烧速率的影响。在瓦斯爆炸的促进机理方面，邓军等对可燃性气体影响瓦斯爆炸过程进行了实验研究，实验结果证明：CH4中加入可燃性气体，混合气体的临界爆炸极限降低，爆炸的需氧量减少，使爆炸更危险，但并未从反应机理角度分析可燃性气体对瓦斯爆炸的影响机制。本文从瓦斯爆炸过程的化学反应动力学机理方面，首先分析C2 H6含量对瓦斯爆炸温度、压力的影响，同时对瓦斯爆炸过程中的关键反应步进行敏感性分析，得出的数据和结论将丰富瓦斯爆炸的相关理论，为下一步相关实验研究提供一定的理论基础。了解C2 H6对瓦斯爆炸的具体促进机制，才能在煤矿井下进行气体浓度监测监控时，采取必要的措施降低C2 H6的浓度，为预防瓦斯爆炸提供理论指导。
1 计算模型
根据文献[7]中已经建立的数学模型进行计算，即在Chemkin子程序Senkin软件环境下进行数值计算。混合气体在定容燃烧反应器中预混均匀，给予一定能量使之发生低温反应，生成自由基，当自由基浓度达到一定程度后就会发生燃烧和爆炸。通过计算反应器中温度、压力等变化趋势以及反应步敏感性系数变化就能详细分析出瓦斯爆炸过程中的化学动力学特性。
2化学反应机理
瓦斯爆炸的化学反应式可以简单表示如下：
CH4 +202→C02 +2H20 +882. 6kj/mol
上式只反映最终结果，不能反映出瓦斯爆炸过程中物理和化学的本质特征。根据化学动力学研究结果，瓦斯爆炸是一个复杂的链式连锁反应过程。因此，本文计算采用的是一直被国际公认为目前最理想的甲烷燃烧机理，即美国气体动力学研究所资助、国际大量知名燃烧研究小组共同构建完成的GRI Mech 3.0机理，该详细化学反应机理包括53种组分和325个基元反应。
3 计算结果及分析
3.1 瓦斯爆炸压力、温度影响分析
煤自燃产生的可燃性气体，其中大多数成分与CH4同为碳氢类气体，比空气轻，易扩散，所以极易与CH4混合成为更容易爆炸的混合气，并且会使爆炸强度增加。在瓦斯爆炸极限范围内(6%~16%)，向CH4/02/N2预混合气体中依次充人0.5%，1%，1.5%，2%的C2H6，其中02和N2的体积分数按照空气中的体积比21/79求得。同时采用提高混合气体初始温度来代替点火源。
1)不同C2H6浓度对瓦斯爆炸压力的影响
通过对不同工况条件下数值计算结果，绘制出不同C2H6浓度对瓦斯爆炸压力的影响，如图1所示。从图1中曲线可知，随着CH4体积分数增加，瓦斯爆炸压力先升高后降低。当混合气体中不含C2H6时，在CH4体积分数为14%时达到最大压力值0. 236MPa;随着C2H6的加入，瓦斯爆炸压力普遍升高，当C2H6浓度为0.5 010时，在CH4体积分数为13%时达到最大压力值0. 237MPa;当C2H6浓度为1%时，在CH4体积分数为12%时达到最大压力值0. 238MPa：当C2H6浓度为1.5%时，在CH4体积分数为12 010时达到最大压力值0.240MPa;当C2H6浓度为2%时，在CH4体积分数为11%时达到最大压力值0. 240MPa。纯CH4爆炸时，CH4体积分数为14%时达到最大压力值，这可能是由于CH4体积分数越高，在定容燃烧反应器中相当于体系初始压力升高，爆炸后压力也会升高。本文仅考虑加入C2H6后瓦斯爆炸最大压力对应的甲烷浓度相对提前。
以上数据表明：混合气体中加入少量C2H6，瓦斯爆炸压力明显增加，且C2H6体积分数增加使达到瓦斯爆炸最大压力所对应的CH4体积分数提前，爆炸最大压力增大了0. 004MPa。说明C2H6促进瓦斯爆炸，增强了瓦斯爆炸的危害性。
2)不同C2H6浓度对瓦斯爆炸温度的影响
图2给出了不同C2H6浓度对瓦斯爆炸温度的影响。从图中曲线可知，随着CH4体积分数增加，瓦斯爆炸温度先升高后降低。当混合气体中不含C2H6时，在CH4体积分数为11%时达到最高温度值2900K;当C2H6浓度为0.5%时，在CH4体积分数为10%时达到最高温度值2900K;当C2H6浓度为1%时，在CH4体积分数为10%时达到最高温度值2910K;当C2H6浓度为1.5%时，在CH4体积分数为9%时达到最高温度值2920K;当C2H6浓度为2%时，在CH4体积分数为8%时达到最高温度值2920K。体系中C2H6含量越高，温度下降曲线越陡，这是由于混合气体中C2H6含量越高，整个体系中02含量相对更低，气体燃烧更加不充分，放出热量随之减少所致。
以上数据表明：混合气体中加入少量C2H6，瓦斯爆炸温度普遍升高，且C2H6体积分数增加使达到瓦斯爆炸最高温度所对应的CH4体积分数提前，爆炸最高温度升高了20K。这也说明C2H6促进瓦斯爆炸，增强了瓦斯爆炸的危害性。邓军等在研究CH4、CO、C2H4多元体系的爆炸实验中发现：随着C2H4含量的增加，混合气体的爆炸危险度明显增加；罗振敏等在研究C2H6、C2H4、CO、H2对瓦斯爆炸极限影响的实验中发现：有机可燃气体C2H6和C2H4对瓦斯爆炸下限的影响程度基本一致，不同程度的增加了瓦斯爆炸的危险性。以上实验均说明煤自燃产生的可燃性气体会使瓦斯爆炸强度增加，更加危险，间接验证了本文的结论。
另外，温度和压力的变化趋势都是先升高后降低，但是由于初始压力以及气体含量影响的不同，会导致瓦斯爆炸后温度和压力变化的拐点位置有所不同。
3.2敏感性分析
表1所列为定容燃烧反应器中瓦斯爆炸的3种初始工况，工况1为气体混合物中不含有C2H6，工况2为混合物中含有0.5%的C2H6，工况3为混合物中含有1.0%的C2H6。
1)影响瓦斯爆炸的关键反应基元步分析
根据链式反应理论，可以看出，反应步R57、R158消耗自由基H、CH3，中断瓦斯爆炸的链式反应，抑制了CH4的消耗，即对CH4生成起促进作用；相反，反应步R32、R38、R155生成自由基，使链式反应得以进行下去，即对CH4消耗起促进作用。
图3显示，加入C2H6后，各反应步的敏感性系数都降低，其中以R155和R158的变化最为明显，但仔细观察可知，R158下降幅度大于R155，即加入C2H6后，促进CH4生成反应步的敏感性系数下降幅度更为明显，说明混合气体中加入C2H6促进瓦斯爆炸。
2)影响CO生成的关键反应基元步分析
从链式反应角度分析，爆炸后反应步R98、R158促进CO生成；反应步R38、R119、R155促进CO消耗。图4显示，瓦斯爆炸前，工况1中，促进CO生成反应步的敏感性系数小于促进其消耗反应步的敏感性系数；工况3中（含1% C2H6），促进CO生成反应步的敏感性系数大于促进其消耗反应步的敏感性系数。说明加入C2H6，促进CO生成反应步的敏感性增强，促进了CO的生成，即混合气体中加入C2H6促进瓦斯爆炸。
3)影响NO生成的关键反应基元步分析
同理，从链式反应角度分析，反应步R38、R155、R170促进NO生成；反应步R57、R158促进NO消耗。
图5显示，工况1中，促进NO生成反应步的敏感性系数小于促进其消耗反应步的敏感性系数；工况3中（含l% C2H6），促进NO生成反应步的敏感性系数大于促进其消耗反应步的敏感性系数。说明加入C2H6，促进NO生成反应步的敏感性增强，促进了NO的生成，即混合气体中加入C2H6促进瓦斯爆炸。
4结论
1)混合气体中依次充人0.5%、1010、1.5%、2%的C2H6，瓦斯爆炸压力、温度明显增加，同时，与混合气不含C2H6相比，加入2%的C2H6后，达到瓦斯爆炸最大压力、最高温度所对应的CH4体积分数都提前了3%，且爆炸最大压力增大了0.004MPa，爆炸最高温度升高了20K，因此，C2H6对瓦斯爆炸起促进作用。
2)促进CH4生成的关键反应步是R57:H+CH20( +M)<=>CH30(+M) ,Rl58:2CH3(+M)<=>C2H6(+M)；促进CH4消耗的关键反应步是R32:02 +CH20<=>H02+HCO,R38:H+ 02<=>O+ OH,Rl55:CH3+02<=>0+CH30。混合气体中加入C2H6使促进CH4生成反应步的敏感性系数下降幅度更为明显，即C2H6对瓦斯爆炸起促进作用。
3)促进CO生成的关键反应步是R38:H +O2<=>O+ OH,Rll9:H02+CH3<=>OH+CH30,
R155:CH3+02<=>O+CH30；促进NO生成的关键反应步是R38:H +O2<=>0+0H，R155:CH3+02<=>O+CH30,Rl70:CH30+02<=>H02+CH20。混合气体中加入C2H6使上述反应步敏感性增强，促进了CO、NO的生成。
4摘要：
为了研究受限空间内C2H6对瓦斯爆炸的影响，采用GRI Mech 3.0甲烷燃烧反应机理对定容燃烧反应器内瓦斯爆炸过程中压力、温度变化趋势进行详细分析，同时，对瓦斯爆炸过程中关键反应步进行敏感性分析。结果表明：混合气体中依次充人0.5%、1% .1. 50、2%的C2H6，瓦斯爆炸压力、温度明显增加。其中，与混合气不含C2 H6相比，加入2%的C2 H6后，达到瓦斯爆炸最大压力、最高温度所对应的CH4体积分数都提前了3%，且爆炸最大压力增大了0.004MPa，爆炸最高温度升高了20K;混合气中加入C2 H6，促进CH4生成反应步的敏感性系数大幅度下降，促进CO、NO生成反应步的敏感性系数升高。C2 H6对瓦斯爆炸起促进作用，且随着C2 H6含量的增加，瓦斯爆炸强度增大，同时，C2 H6促进致灾性气体CO、NO的生成：
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