Page 198 - 《爆炸与冲击》2026年第8期

第 46 卷 郭宏泽，等： 基于Box-Behnken响应面的煤尘爆炸强度多因子耦合效应的实验研究 第 8 期

quadratic regression model, the significant two-factor interaction affecting p max are ρD, ρE, ρt , Dw, wE, wt , and Et , wheras
d
d
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˙ p max are ρt , Dw, Dt , wt , and Et . Among these, ignition delay (t ) plays a
the significant two-factor interaction affecting
d d d d d
decisive role in response values p max and ˙ p max .
Keywords: coal dust explosion; explosion intensity; Box-Behnken experimental design; response surface methodology
煤尘爆炸是煤矿安全中最严重的威胁之一，由于其强烈的破坏性和广泛的致灾范围，一直是矿业安
全研究的重点 [1-2] 。在过去几十年中，我国在矿井煤尘控制和爆炸预防方面取得了一定进展 [3-5] ，但煤尘爆
炸事故仍时有发生，造成巨大的人员伤亡和经济损失 [6-8] 。这些事故进一步凸显出在煤矿生产过程中，煤
尘爆炸风险防控工作仍存在薄弱环节，亟待进一步强化和完善。
为有效降低此类事故的发生概率，保障煤矿生产的安全稳定运行，学者们在爆炸机理、影响因素、
传播规律和抑制技术等方面对煤尘爆炸进行了长足的研究。江丙友等 [9] 通过自主搭建的平台研究了密
闭管道内瓦斯爆炸卷扬沉积煤尘爆炸的传播特性，发现管道内压力随时间变化的曲线会出现 2 次峰值，
瓦斯爆炸的前驱冲击波产生第一次峰值，第二次出现在火焰传播至煤尘段时。张江石等 [10] 采用 20 L 爆
炸球实验装置研究了分散度对煤尘爆炸特性的影响规律，结果表明对于具有相同粒径分布的煤粉,分散
度对煤粉爆炸反应速率影响较大，且对于多分散性煤尘，利用 D 、D 和 5 D 3, 2 可以较好地评估分散度对
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煤尘爆炸特性的影响。刘天奇等 [11-12] 对不同变质程度煤样进行研究，分析了不同变质程度煤尘云的爆
炸压力和最低着火温度随变质程度的变化规律。Zhou 等 [13] 使用热解真空紫外光电离质谱系统原位测
量了煤尘热解过程中的产物，结果发现产物主要为 5 大类：烯烃、二烯烃、芳烃、酚类和二羟基芳烃，均
是易燃组分，点燃后会维持煤尘爆炸火焰的传播。Tan 等 [14] 利用 20 L 球形爆炸试验装置对比分析了微
纳米煤尘的爆炸压力特性和残余气体特性，结果表明爆炸压力特性与颗粒尺寸和煤尘质量浓度显著相
关。Liu 等 [15] 在圆柱形燃烧室内将煤粉掺入空气-甲烷混合气体进行爆炸实验，研究发现火焰结构演化
过程分为 3 个阶段：火焰开裂阶段、火焰胞状阶段和火焰燃烧结束阶段，并发现蜂窝状结构增加了火焰
表面积和混合物燃烧速率，从而提高了压力上升速率，加速了爆炸压力的上升。Liu 等 [16] 利用爆炸管，研
究了不同粒径的低浓度瓦斯煤尘混合物的爆炸传播特性和火焰温度变化规律。研究结果表明，煤尘颗
粒尺寸显著影响爆炸传播动力学，颗粒越小，产生的火焰速度越快，温度越高。Yu 等 [17] 借助 CHEMKIN-
PRO 数值模拟程序研究了不同甲烷-空气气氛下不同含量的煤挥发分质量分数的爆炸特性，结果表明煤
的挥发分含量对混合物的混合爆炸有积极的影响，随着煤挥发分质量分数体积分数从 0.1% 增加到
1.6%， 自 由 基 的 聚 合 速 率 呈 现 出 增 加 的 趋 势 。 Wang 等 [ 18 ] 采 用 ReaxFF-MD 和 DFT 计 算 研 究 了
NH H PO 和 (NH ) HPO 对 甲 烷 /煤 尘 爆 炸 的 抑 制 作 用 ， 结 果 表 明 NH H PO 抑 制 CO 的 产 生 ， 而
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(NH ) HPO 促进 H O 的产生，抑制剂不仅影响甲烷的初始反应，还吸收活性自由基 (H/O/OH) 和中间产
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物 (CH /CH O)。Li 等 [19] 使用 20 L 球形爆炸试验系统和 FTIR 分析研究了 FA/KH PO 复合材料对煤尘的
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抑爆效果和动力学特性，结果表明当 FA 与 KH PO 比例为 1∶1 时，复合材料有最佳抑制效果，KH PO 4
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通过捕获活性自由基和抑制关键官能团的形成来抑制爆炸，而 FA 通过形成物理屏障来抑制爆炸，两者
表现出良好的协同效应。
实际生产环境中，煤尘质量浓度、粒径分布、煤挥发分质量分数等参数存在动态耦合的特征，传统
单变量控制方法难以准确表征多因素交互作用对爆炸强度的非线性影响。响应面法通过结合实验设计
与数学建模，构建关键变量与目标响应之间的显式关系，可系统解析关键变量的主效应与交互效应 [20] ，
其中 Box-Behnken 实验设计法在保证预测精度的同时显著减少实验次数 [21] ，特别适用于易燃易爆材料的
高风险实验场景。陈春燕等 [22] 利用 20 L 球形爆炸系统结合 Box-Behnken 试验设计法研究了粉尘粒径、
粉尘质量浓度和点火能量 3 个单因素对爆炸压力的影响，结果表明，对甘薯粉尘爆炸影响最大的是粉尘
质量浓度，其次是点火能量，粉尘粒径的影响最小。Jiang 等 [23] 采用响应面法对高速铁路桥梁系统在近
场爆炸作用下的易损性进行了分析，研究发现该模拟方法可以有效预测桥梁系统在各种汽车炸弹爆炸
作用下的破坏概率。此外，响应面法已在新型煤尘抑尘剂研发 [24-25] 、井下降尘雾化喷嘴的优化设计 [26] 等
领域展现优势，为多因素耦合作用下的煤尘爆炸强度分析提供了可靠方法框架。因此，本文采用 Box-
085402-2