NaHCO₃和NH₄H₂PO₄两种传统粉体抑制剂对长焰煤、焦煤、无烟煤分别与9.5 vol%甲烷混合爆燃的抑制规律使用高灵敏度高速摄像机结合压力同步采集系统研究。
1.实验背景
煤矿井下与工业粉尘环境中，甲烷与煤尘混合爆燃涉及气固两相耦合反应、火焰温度更高、传播速度更快，事故后果更严重，惰性粉体如NaHCO₃和NH₄H₂PO₄，因成本低、易储存、无二次污染等优势成为主要防控手段。
不同变质煤种（长焰煤、焦煤、无烟煤）的挥发分含量不同，其热解行为与气相参与程度不同，导致同一种抑制剂对不同煤尘-甲烷混合体系的抑制效果差异显著。现有研究缺乏对不同煤种-抑制剂组合下火焰形态瞬态演变的高时间分辨率对比。
重庆大学科研团队引入千眼狼（Revealer）高灵敏度高速摄像机NEO25，对NaHCO₃和NH₄H₂PO₄抑制甲烷-煤尘混合爆燃过程进行记录，连续捕获火焰核形成、火焰前锋加速、界面失稳、局部熄灭以及火焰分裂的全过程，结合反应动力学模拟与残渣微观分析，建立“火焰时程演化-压力增长-自由基耗散”之间的关联机制。
2.实验设备
实验采用自主搭建的甲烷-煤尘混合爆燃可视化平台，系统由爆燃管道、煤尘分散系统、甲烷配气系统、点火系统、压力采集系统及高速火焰诊断系统组成（图1）。
实验对象包括焦煤、无烟煤、长焰煤三类典型煤阶煤尘，并统一与9.5 vol%甲烷形成混合爆燃体系。抑爆剂分别选取NaHCO₃与NH₄H₂PO₄。
火焰传播过程采用高灵敏度高速摄像机NEO25进行同步记录，实验帧率设定为5000 fps（该型号支持1280×1024全画幅下25000帧/秒采集能力），实验时间分辨率200 μs，峰值量子效率85%，可在低甲烷浓度或高抑制剂浓度导致的弱光条件下清晰捕获火焰边界与内部结构。
图1-基于高灵敏度高速摄像机的甲烷-煤尘混合爆燃瞬态诊断系统
3.实验方法
基于三种煤样、两种抑爆剂及不同抑制剂浓度设计正交交叉实验。选取长焰煤、焦煤、无烟煤三种代表性煤样，甲烷浓度固定为9.5 vol%，煤尘质量浓度固定在200 g/m³。抑爆剂添加质量分数依次设置为 0%、10%、30%、50%、70%、90%，开展可视化爆燃实验。
每组实验，高速摄像机、点火系统与压力采集系统采用统一时序同步触发。NEO25高速摄像机连续记录火焰传播全过程，并基于时间序列图像提取火焰前锋位置、传播速度、火焰亮度及火焰界面演化特征。微观层面采用Chemkin反应动力学模拟分析自由基生成与消耗速率（ROP）变化规律，并结合SEM、XRD及TG-DTG结果分析抑爆剂与煤颗粒之间的作用机制。
4. 实验数据解析
千眼狼（Revealer）NEO25高速摄像机以5000 fps记录的火焰图像序列，是区分两种抑制剂对不同煤种抑制效果差异的核心证据。以下分别对NH₄H₂PO₄和NaHCO₃抑制下的典型工况进行解析。
4.1 NH₄H₂PO₄抑制下三种煤 甲烷混合爆燃的火焰形态时序（图2）
图2- NH₄H₂PO₄抑制不同煤阶甲烷-煤尘混合爆燃火焰传播时程图像
4.1.1 焦煤
焦煤挥发分中等，火焰演化对NH₄H₂PO₄浓度变化表现出连续响应特征。高灵敏度高速摄像机以5000 fps记录到以下关键转变节点（图2a）:
0%浓度：点火后7 ms形成球形火核，24 ms球形火焰转手指状火焰，整个过程火焰连续、亮度均匀。
50%浓度：时间演化延至69 ms，39 ms火焰前锋出现第一条纵向裂隙，54 ms裂隙扩展使火焰分裂为多段。高速摄像机逐帧回放显示：裂隙起源于火焰前锋中轴线附近，随后向两侧延伸，最终将火焰面切割上下两个独立发光区，这一现象表明NH₄H₂PO₄中断气相链式反应，导致局部反应熄灭。
90%浓度：高速图像显示90 ms时火焰内部形成明显未燃区，火焰难以维持稳定传播至管道顶部。
小结：NH₄H₂PO₄并非简单降低燃烧强度，而是在传播过程中逐步削弱自由基链增长能力，使局部区域难以维持稳定放热。从燃烧机理分析，焦煤属于中等挥发分煤种，其爆燃传播同时依赖挥发分气相燃烧与颗粒表面反应。当NH₄H₂PO₄热解后释放含磷活性组分时，气相自由基链增长受到明显抑制，导致火焰内部出现低反应活性区域，并最终形成纵向裂隙。
4.1.2 无烟煤
无烟煤挥发分最低，NH₄H₂PO₄抑制下的火焰形态变化与焦煤明显不同（图2b）：
0%浓度：点火后7 ms火核形成，24 ms球形转手指，火焰亮度明显低于焦煤。
50%浓度：46 ms时火焰前锋出现明显抑制，高速摄像机逐帧回放显示火焰前锋变为离散的发光斑点，但未出现焦煤那样的纵向裂隙，说明其火焰对气相链中断敏感性较低。
70%浓度：高速摄像机记录显示，仅17 ms时，火焰前锋便已出现变形，而此时火焰尚未进入快速传播阶段。
90%浓度：火焰整体暗淡但形态仍保持连续，传播至118 ms，未出现焦煤体系中的明显裂解现象。
小结：NH₄H₂PO₄对无烟煤的抑制作用在火焰形成初期即开始影响传播结构，传播失稳明显提前。从燃烧机理分析，无烟煤挥发分含量低，其燃烧更依赖颗粒表面非均相反应。NH₄H₂PO₄热解后形成的抑制组分会削弱颗粒周围局部热反馈能力，使火焰前锋难以形成稳定高温传播区。
4.1.3 长焰煤
长焰煤挥发分最高（40.34%），是三种煤中对NH₄H₂PO₄最敏感的体系（图2c）：
0%浓度：点火后3 ms即形成火核，19 ms球形转手指形状，火焰发展速度最快、亮度最高。
50%浓度：高速摄像机在此浓度下捕捉到71 ms出现纵向裂隙，99 ms时，火焰中部完全熄灭，分裂为底部燃烧区和顶部传播区。
90%浓度：初始火核未形成完整球形，84 ms火焰前锋即开始熄灭，表明抑制剂在点火初期即破坏了火核的形成，使爆燃无法进入自维持传播阶段。
小结：NH₄H₂PO₄对高挥发分长焰煤的抑制效果最佳，稳定气相传播核心难以建立。从燃烧机理分析，长焰煤挥发分含量最高，其爆燃传播高度依赖挥发分析出后的气相链式燃烧。NH₄H₂PO₄热解生成的小分子含磷组分，会优先抑制挥发分燃烧过程中关键自由基增长过程。
4.2 NaHCO₃抑制下三种煤 甲烷混合爆燃的火焰形态时序（图3）
与NH₄H₂PO₄不同，NaHCO₃对甲烷-煤尘混合爆燃的影响并不主要体现为火焰传播连续性崩塌，而更多体现为颗粒表面燃烧均匀性被削弱。
图3- NaHCO₃抑制不同煤阶甲烷-煤尘混合爆燃火焰传播时间序列图像
4.2.1 焦煤（图3a）
0%浓度：点火后7 ms火核形成，火焰快速传播至42 ms，火焰形态连续、亮度均匀，确认焦煤在无抑制下的标准火焰行为。
50%浓度：高速摄像机图像显示，65 ms时，管道中部出现团块状未燃区域，未出现火焰分裂。
90%浓度：高速摄像机捕捉到48 ms时火焰中部出现纵向裂隙，但宽度较窄未完全分裂。与NH₄H₂PO₄抑制焦煤时50%浓度即出现裂隙相比，NaHCO₃需要更高浓度（90%）才能诱导裂隙，这表明NaHCO₃对焦煤的气相化学反应中断能力弱于NH₄H₂PO₄。
小结：NaHCO₃对焦煤体系的抑制并未表现为火焰传播连续性的直接崩塌，从燃烧机理分析，NaHCO₃分解后形成的Na₂CO₃颗粒能够覆盖煤粉表面，降低热解效率并削弱局部氧气扩散能力，导致火焰高亮区域收缩与未燃区扩大。
4.2.2 无烟煤
无烟煤是NaHCO₃抑制作用最强的煤种，与NH₄H₂PO₄抑制时的表现形成鲜明对比（图3b）
0%浓度：点火后7 ms火核形成，24 ms球形转手指，火焰传播至47 ms，亮度相对较低，为挥发分低固有特征。
50%浓度：高速摄像机图像显示火焰前锋不再保持连续光面，而是呈现为多个离散的、大小不一的发光区域，彼此之间由暗区隔开，这种“破碎化”形态在焦煤和长焰煤中均未出现。
90%浓度：延迟至51 ms时火核隐约出现，较0%浓度的7 ms延迟了44 ms。全时段火焰均呈现破碎化区域，高速摄像机逐帧回放显示火焰由数十个微小发光点组成，这些点不断生灭、跳跃，整体传播速度慢。
小结：从燃烧机理分析，NaHCO₃分解后生成的Na₂CO₃颗粒会覆盖无烟煤颗粒表面，阻碍煤粉与氧气之间的非均相接触，从而导致颗粒燃烧空间分布不均匀。
4.2.3 长焰煤
长焰煤挥发分最高，对NaHCO₃的响应介于焦煤与无烟煤之间（图3c）。
0%浓度：点火后3 ms火核即形成，19 ms球形转手指，火焰传播至41 ms，发展速度最快、亮度最高。
50%浓度：与无烟煤不同，长焰煤在50%浓度下未出现破碎化，火焰形态仍保持连续，仅亮度均匀下降。这表明NaHCO₃对高挥发分煤尘的固相覆盖效果有限，长焰煤在热解瞬间即释放大量气相可燃物，固体颗粒来不及形成有效覆盖层。
90%浓度：54 ms火焰前锋出现局部凹陷，60 ms出现纵向裂隙，但未导致火焰分裂或熄灭，整体仍保持传播能力。与无烟煤90%浓度下的“全时段破碎化”相比，长焰煤90%浓度下仅出现变形和裂隙，抑制程度明显更弱。
小结：从燃烧机理分析，长焰煤在热解初期即可快速释放大量气相可燃组分，因此Na₂CO₃颗粒尚未来得及形成稳定覆盖层，挥发分气相燃烧已经建立连续传播。
5. 实验结论
本研究基于千眼狼（Revealer）NEO25高灵敏度高速摄像机建立了甲烷-煤尘混合爆燃抑制的时间分辨火焰数据库，并结合反应动力学模拟与残渣分析，揭示了NaHCO₃与NH₄H₂PO₄差异化抑爆机制。
I. NH₄H₂PO₄适用于高挥发分煤尘体系，其通过生成含磷自由基中间体持续耗散 *H自由基，破坏挥发分链式燃烧，从而诱导火焰中心裂解与火焰分离传播；而NaHCO₃更适用于低挥发分煤尘体系，其通过形成稳定颗粒覆盖煤颗粒表面，并持续耗散 *O自由基，显著降低火焰传播速率与热解效率。
II. NEO25高灵敏度高速摄像机的核心价值在于为抑爆机理提供了直观且不可替代的可视化证据，以5000 fps分辨率精准定位火焰纵向裂隙的时序与形态，清晰区分热稀释（亮度衰减）与化学链中断（裂隙/分裂）两种抑制机制的可视化特征。
III. 高灵敏度高速摄像机可作为抑制剂筛选与抑爆效果可视化评估的标准工具，为安全工程领域抑爆装备设计、事故反演及标准制定提供直接的图像证据。
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