甲烷–煤粉混合爆燃过程中火焰结构的连续演化过程使用千眼狼（Revealer）高速摄像机NEO 25捕捉。

1 实验背景

甲烷–煤粉混合爆燃是煤矿开采过程中典型且危害严重的灾害类型之一，其瞬态传播行为、气固两相混合反应特征对事故机理研究与防控技术提出更高要求。

既有研究多依赖压力信号或爆后残留物分析来间接推断，难以捕捉爆燃过程中的火焰传播结构、传播速度、形态演化等关键过程信息，制约爆燃机理的深入解析。

重庆大学科研团队构建了以高速摄像机为核心的观测实验平台，结合压力测试与ReaxFF分子动力学模拟，从宏观行为与微观机制两个层面揭示甲烷-煤粉混合爆燃的演化规律。其中，高速摄像机作为关键观测手段，为爆燃过程提供了可视化证据链，是当前爆燃机理研究重要技术路径。

2 实验方法

2.1 实验系统

科研团队搭建包含爆燃管道、气粉混合系统、点火系统、压力采集系统以及高速摄像系统在内的综合实验平台。核心为一台中科君达视界自研的千眼狼（Revealer）高灵敏度高速摄像机NEO 25，核心参数1280×1024分辨率下25,000帧/秒采集频率（实验中采用5,000帧/秒捕捉），对爆燃过程连续记录，并与压力采集系统实现同步，保证火焰动态行为与压力演化之间严格对应。

2.2 实验工况

实验共设计21组工况，通过控制甲烷体积分数（7 vol%、9.5 vol%、11 vol%）及煤粉浓度（0~300 g/m3），系统性研究燃料浓度对爆燃特性的影响。实验通过时间继电器精确控制喷粉与点火时序，确保实验数据的一致性与可重复性。

2.3 微观反应机制模拟

实验采用ReaxFF反应分子动力学方法构建甲烷-烟煤分子模型，对煤粉热解及气相反应路径进行模拟分析，从而实现宏观观测结果与微观反应机制之间的关联。

图1 实验系统示意图

3 实验数据

3.1 高速摄像机捕捉爆燃火焰传播结构演化瞬态过程

千眼狼（Revealer）高速摄像机NEO 25捕获的火焰演化过程（图2）为甲烷-煤粉混合爆燃动力学研究提供具有高时间分辨率的序列图像证据，使爆燃过程由传统基于压力信号的间接推断转向基于可视化过程的直接解析。

图2 高速摄像机NEO 25捕获的各工况下火焰演化过程

图2涵盖了不同甲烷浓度与煤粉浓度条件下的多组典型工况。尽管各工况在火焰亮度、传播速度及不稳定程度方面存在差异，但其结构演化模式表现出良好一致性，基于多工况共性分析，可将火焰传播过程划分为“点火与火焰核形成阶段、球形火焰扩展阶段、指状火焰发展阶段以及火焰前沿失稳阶段“。上述四个阶段在各工况下均可观测到，仅发展速率与形态复杂程度存在差异。

为进一步揭示火焰结构演化机制，选取9.5 vol%甲烷与50 g/m3煤粉条件作为典型工况进行分析。该工况对应最大火焰传播速度，能够表征混合爆燃过程中反应剧烈时的传播行为。该工况下，火焰初期呈规则球形结构，随后逐渐沿轴向发展为指状形态，表明传播过程由相对均匀状态向局部强化转变。当火焰传播至管道约1/3高度时，火焰前沿出现明显褶皱、分叉及局部突起，标志火焰进入失稳阶段。

机理分析，火焰失稳源于煤粉热解过程的参与。高温作用下，煤粉释放挥发性气体及活性自由基，这些组分进入气相后强化链式反应，同时其空间分布的不均匀导致反应速率与温度场产生梯度，从而诱发火焰前沿的流动与热扩散不稳定性。

因此，图2不仅揭示火焰传播的阶段性特征，更建立了宏观火焰结构与微观反应过程之间的联系，为爆燃过程分析提供了直接图像证据，表明高速摄像技术能够有效支撑混合爆燃机理研究，为事故过程重建与风险评估提供关键依据。

3.2 高速摄像机支撑火焰传播参数测量

基于千眼狼（Revealer）高速摄像机NEO 25获取的火焰图像序列，通过图像处理，提取火焰传播高度与速度变化规律（图3），并获得最大火焰传播速度及其出现时间（图4）。

图3 不同工况下火焰传播高度（左列）、火焰传播速度（右列）

图4 不同工况下火焰传播最大速度（左）和对应时间（右）

结果表明，火焰传播速度随甲烷浓度增加显著提高，在9.5 vol%甲烷条件下达到峰值。其中9.5 vol%甲烷与50 g/m3工况下，火焰传播速度达到最大值35.08 m/s。传播参数基于千眼狼（Revealer）高速摄像机NEO 25时间序列的直接测量，而非传统基于压力信号的间接推算，从而显著提高火焰传播参数的测量精度与数据可信度。

火焰传播参数的精确获取，进一步体现高速摄像机在煤矿开采领域爆燃机理研究中的核心价值。

3.3 爆燃压力响应特征

爆燃压力变化特征如图5所示，结果表明，随着甲烷浓度增加，最大爆燃压力呈现先增后减趋势，在9.5 vol%时达到峰值。这一结果与基于千眼狼（Revealer）高速摄像机NEO 25捕捉的序列图像数据测量的火焰传播增强趋势总体一致，表明该浓度条件对应更强的爆燃反应。

煤粉的加入对爆燃压力表现出双重影响，低甲烷浓度条件下，煤粉通过释放挥发物促进反应，从而提高爆燃强度；而在高甲烷浓度条件下，煤粉热解导致氧气不足，从而抑制爆燃过程。总体看，甲烷浓度对爆燃特性的影响显著大于煤粉浓度，说明气相反应在混合爆燃过程中占主导地位，这与高速摄像机NEO 25所揭示的火焰传播规律一致，宏观层面验证了气相控制机制。

图5 甲烷–煤粉混合爆燃在不同工况下的压力演化特征

4 实验结论

研究通过融合高速摄像实验与多参数耦合分析，揭示了甲烷-煤粉混合爆燃的传播特征与灾害机制：

I. 使用高速摄像机能够完整记录爆燃过程中火焰结构的演化过程，揭示火焰由球形扩展向指状发展再到前沿失稳的多阶段传播规律，构建爆燃过程的原始图像证据链。

II. 火焰传播速度在9.5 vol%甲烷条件下达到最大值，其中9.5 vol%甲烷与50 g/m3煤粉条件下速度最高35.08 m/s，该条件下火焰传播最为迅速。

III. 爆燃压力与高速摄像机NEO 25揭示的火焰传播行为具有良好一致性，甲烷浓度对爆燃强度影响显著大于煤粉浓度，说明气相反应在混合爆燃过程中占主导地位。

IV. 高速摄像技术不仅是重要观测手段，更为爆燃机理研究中火焰传播参数的精准测量提供关键可视化证据链。将高速摄像技术纳入安全工程领域安全实验与风险评估体系，对于提升灾害预测能力与事故精准防控水平具有重要意义。