基于气相产物反应活性的煤粉爆炸能量传递机制

聂百胜; 马昕钰; 赵丹; 张豪; 颜宏伟; 常里; 柳先锋; 何学秋

doi:10.13247/j.cnki.jcumt.20250505

中国矿业大学学报 ›› 2025, Vol. 54 ›› Issue (6) : 1357 -1370. DOI: 10.13247/j.cnki.jcumt.20250505

基于气相产物反应活性的煤粉爆炸能量传递机制

聂百胜, 马昕钰, 赵丹, 张豪, 颜宏伟, 常里, 柳先锋, 何学秋

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摘要

煤粉爆炸作为典型的复杂多相流灾害，对国家能源稳定与发展构成了持续性重大威胁.深入研究煤粉爆炸连锁反应及能量传递机制，对能源供应链高效运转与推动煤炭工业安全发展具有重要意义.本研究综述了煤粉爆炸及气相产物特性发展现状，明晰了煤大分子结构早期热解断裂位点并量化键能分布，从化学动力学角度阐述了煤粉爆炸中挥发分气体的主要反应路径和关键自由基演化规律，提出了基于爆炸腔体轴向分区和径向分层的能量传递框架，揭示了爆炸过程中多相介质传热传质与能量积聚的空间非均匀性机制，构建了从分子键断裂到系统能量释放的宏微观全链条体系，阐明了连锁反应对爆炸起始、扩展与终止各阶段的影响.研究结果表明：煤粉爆炸始于煤粉颗粒的瞬时高温热解，其本质可视为由固相热解驱动，以气相爆炸主导的复合反应体系.在外部热源作用下，能量优化后的煤大分子结构中连接芳香簇团的脂肪族侧链C—C键是热解断裂的优先起始位点.挥发组分逸出形成的可燃气膜与游离自由基通过辐射加热邻近未燃煤粒构成链式放热循环，直接驱动了爆炸反应由点及面迅速扩散.爆炸腔体内轴向分区与径向分层导致能量与物质沿低阻抗或强驱动的优先通道集中传输，从而使化学反应释热与能量在局部高度聚集，增加体系不稳定性并强化破坏性冲击波的形成.本研究为煤粉爆炸风险评估与防控策略制定提供了理论支撑.