矿井瓦斯爆炸是煤矿重大恶性事故之一，如何有效地防治煤矿瓦斯爆炸事故的发生对煤矿安全生产具有十分重要的意义。实际矿井生产中，开掘出的巷道壁面是非常粗糙的，通常为了坚固巷道壁面，还需要在壁面上喷涂颗粒度较大的砂砾混合物，一般情况下，此类粗糙壁面的绝对粗糙高度在0.8mm到20mm之间，井下的巷道壁面是非常粗糙的。但在现有的瓦斯爆炸试验研究中，瓦斯爆炸管道往往是光滑管道，没有考虑表面粗糙层对瓦斯爆炸过程的影响，得出的瓦斯爆炸试验结果与矿井巷道的瓦斯爆炸传播规律存在着较大的偏差。为了修正现有的试验结果并为井下安全生产提供有何时何地的建议，必须对壁面粗糙度影响瓦斯爆炸的规律进行研究。
1 瓦斯爆炸试验系统
瓦斯爆炸试验中所用的“瓦斯爆炸试验系统”结构如图1所示。该系统包括5个部分，即瓦斯爆炸试验腔体、点火装置、火焰速度测量系统、压力测量系统以及动态数据采集系统。
图1 瓦斯爆炸试验系统示意图
1.1 瓦斯爆炸试验腔体
试验中的爆炸试验管道是内径为80mm×80mm的方管，用12mm厚的16Mn钢板焊制，耐压值达到20MPa。每节管长分别为0.5m、1m、1.5m、2.5 m，管道有火焰、温度、压力传感器和点火装置的安设孔。整体组合后的管道安放在组合式支架上，支架用YB164～63轻型槽钢焊制，结构稳定，装卸灵活。
1.2 动态数据采集分析系统
试验中选用了TST3000动态数据采集系统，该系统具有16个通道（采样率20％，采样精度10bit，采样长度1m），整个采样通道采用并行工作模式，各通道的时差在3×10-9s内，可认为通道间的时差为零，能满足微秒级数据采集速度的要求。该系统具有自动采集、储存数据、图表显示等功能，能同时显示8通道的测试结果，并具有压缩拉伸曲线、读取数据点等功能。
1.3 火焰速度测量系统
采用光敏三极管作为传感器，将光信号转换为电信号，调制后放大输出。其采集速度达到了微秒级，保证了试验数据的有效性。
1.4 压力测量系统
试验采用YD205型石英压电传感器，该传感器具有很高的频响，数据采集速度可达微秒级。每一传感器均用独立的YE5852型电荷放大器配合，这一组合的优点在于信号引线短，避免了电荷的丢失，保证了测量的准确度。
1.5 点火装置
该装置采用简易操作型的电容储能高压电火花点火装置，其输出功率为20～100J。
利用管道抽真空后形成的负压，将配好一定浓度的瓦斯空气混合气体（CH4浓度9.5％）送入管道。调试TST3000动态数据采集系统，根据试验需要设定采样率、采集长度、触发电平、触发通道等参数，并使之处于“等待采集”状态。启动高能点火装置，引爆管道内混合气体，计算机自动采集瓦斯爆炸过程中的各个参数。
2 试验结果及分析
试验用的瓦斯爆炸管道是总长为4m的短管，内径为80mm×80mm。为了便于统一比较和叙述的方便，文中不区分粗糙度范围这一概念，将光管以及1mm～8mm的表面粗糙层高度统称为壁面粗糙度。分析和整理所用数据为多次试验的平均值。
2.1 壁面粗糙度对瓦斯爆炸的影响
将各工况测点的火焰速度和爆炸波超压值绘制成曲线，如图2、图3所示：
图2 闭口管道不同粗糙度时的火焰速度
图3 闭口管道不同粗糙度时的超压
由图2、图3可以看出，闭口时壁面粗糙度对瓦斯爆炸过程中的火焰速度和压力波有着很明显的影响。在第一个火焰测点（L/D＝9）处，粗糙管中火焰速度比光管中火焰速度增加了33～37倍。随着火焰传播过程的进行，速度增长幅度不断增大。在测点L/D＝28处，各种工况的火焰传播速度达到峰值：光管为5.48m/s，4mm粗糙管在该点的火焰传播速度最高，为580.26m/s，速度增长的最大幅值为105.8倍，平均幅值为58倍。第一个压力测点（L/D＝9）处，光管的超压值为0.311×105Pa，粗糙管时最大，为1.708×105Pa，增幅为1.28倍。随着瓦斯爆炸过程的进行，各工况的压力波超压不断增大；同时，与光管相比，粗糙管的超压值增幅也越来越大。在最后一个压力测点处（L/D＝47），各种工况的压力波超压达峰值。光管的压力波峰值为0.641×105Pa，1mm粗糙管在该点超压值增大为光管在该点峰值超压的1.6倍；2mm粗糙管时为5.4倍；4mm时最大，为7.9倍；平均峰值超压为光管的4.6倍。综上所述，壁面粗糙度对闭口系统瓦斯爆炸过程的影响非常大，火焰速度和超压均比光管有大幅提高。
2.2 壁面粗糙度影响程度的峰值规律
从图4可以看出，火焰速度峰值从光管到2mm粗糙管工况以近直线的方式上升，达到275.1m/s。而3mm粗糙管工况的火焰速度峰值为269.27m/s，比2mm工况低。到4mm工况时，速度峰值急剧增加到280.26m/s，是2mm工况的2.15倍。6mm和8mm工况的火焰速度峰值分别为369.05m/s和316.17m/s，呈下降趋势。由图5可以看出，峰值超压从光管到2mm粗糙管也是以近乎直线的方式上升，达到3.489×105Pa。3mm工况下降到3.481×105Pa，下降幅值不大。但在4mm工况的超压峰值达到5.084×105Pa，是2mm工况的1.5倍，此后，6mm和8mm工况的超压峰值下降至3.937×105Pa和3.171×105Pa。由图4和图5可以看出，曲线整体趋势呈现明显的双峰三区形状。
图4 不同粗糙度时的火焰速度峰值
图5 不同粗糙度时的超压峰值
3 壁面粗糙度影响瓦斯爆炸的理论分析
由流体力学理论及相关的研究成果可知，粗糙管道湍流的达西摩擦因子λ不仅受雷诺数的影响，而且还依赖于管道内壁的相对粗糙度e/D。这主要是因为在管道壁面附近存在着一个粘性底层δ，当Re较大时，湍流的核心区向壁面附近扩展，使粘性底层变薄，e超过δ，壁面粗糙度的突起开始进入湍流核心区影响湍流流动。随着Re的继续增大，粘性底层的高度就变得很低，壁面粗糙层几乎全部暴露在湍流核心区中，此时流体几乎是直接撞击壁面上粗糙层的凸起。由伯努利方程可知，此时流动阻力主要是来自流动界面上的压差，该压差阻力与来流动能成正比。由上述分析可知，在瓦斯爆炸过程中，由于流动速度非常快，壁面粗糙度完全暴露在湍流核心区，粗糙壁面能够在很大程度上增大燃烧区的湍流度，加快化学反应速率，可以预见，这对燃烧区传播的影响将是很明显的。同时，在此状态下，流动的阻力主要来自于流动截面上的压差，而且正比于来流动能。这说明在压力波和流动动能都比较大的瓦斯爆炸过程中，壁面粗糙度所带来的阻力值也是比较大的。
总的来看，管道壁面的粗糙度会对高速传播的火焰区产生如下影响。一方面，管道的壁面粗糙层引入了抑制因素，即摩擦阻力，而且几何粗糙度越大，产生的管道总阻力值也就越大；另一方面，管道的壁面粗糙层也同时引入了激励因素。因为瓦斯爆炸过程是一个化学性爆炸，在传播过程中燃烧区内所发生的是复杂的连锁化学反应。燃烧区内部湍流程度的提高或增强都有助于在分子级别上增加化学反应物的接触几率，表现在宏观上就是提高化学反应速率，加速燃烧速度，并伴随着复杂的热、光、声等能量的转换。所以，壁面粗糙度的存在既引入了较大的总阻力，同时也因为增加了燃烧区的湍流度而加速燃烧产生能量以推动反应进行和加速传播。由此可以推知，壁面粗糙度对瓦斯爆炸过程的影响取决于抑制因素和激励因素的综合作用。试验结果所反映出来的火焰峰值速度、爆炸波超压峰值随粗糙度变化的双峰三区曲线验证了上述理论分析的合理性。
4 结论
（1）壁面粗糙度瓦斯爆炸过程的影响非常大，相比光滑管道、粗糙管的瓦斯爆炸过程中的火焰速度、峰值超压等物理参数均有大幅提高；
（2）不同绝对粗糙高度的管内粗糙层对瓦斯爆炸过程的影响趋势呈现双峰三区形状的曲线规律，即壁面粗糙层的绝对高度在不同区间内取值时，对瓦斯爆炸过程影响程度的趋势按照双峰三区的曲线形状变化；
（3）形成双峰三区曲线的原因在于流动阻力与湍流加剧能量释放速率这一对矛盾影响因素的综合作用，这2种因素的强弱对比决定了壁面粗糙度影响瓦斯爆炸过程的趋势。
