Page 199 - 《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

Behnken 响应面设计法和 20 L 球形爆炸系统研究煤尘质量浓度 ρ、煤尘粒径 D、煤挥发分质量分数 w、
点火能量 E、点火延迟 t 等 d 5 种因素对煤尘爆炸强度特性的影响，并使用 Design-Expert 软件对实验结果
构建合数学模型进行数据分析，确定各个因素的主次关系及对煤尘爆炸强度影响显著的双因素作用，以
期为井下煤尘防爆工作提供理论基础。

1 实 验

1.1 实验样品
为研究挥发分对煤尘爆炸强度的影响，选取了 3 种不同产地的原煤进行实验。所有煤样破碎后经
80、120、250 目的标准筛进行筛分，并在真空干燥箱中以 55 ℃ 干燥 12 h，以确保实验结果不受水分干
扰。对干燥后的 3 种煤样进行工业分析和元素分析，得到其组分及元素的质量分数占比，如表 1 所示，其
中煤样 1 的煤挥发分质量分数最高，为 34.47%；其次是煤样 2，为 31.47%；煤样 3 最少，仅为 28.63%。煤
挥发分质量分数越高，煤尘有越强的爆炸性，而煤尘中的水分和灰分会在爆炸反应进行时起抑制作用 [27] 。

表 1 煤样各组分及元素质量分数
Table 1 Mass fraction of components and elements in coal samples %
煤样编号 水分 挥发分 灰分 固定碳 C H O N S
煤样1 6.41 34.47 3.59 55.53 73.78 4.68 19.49 1.58 0.47
煤样2 6.01 31.47 2.99 59.53 77.45 3.24 18.08 1.03 0.2
煤样3 1.17 28.63 13.18 57.02 76.70 3.84 15.95 1.36 1.15

1.2 实验仪器

实验在标准 20 L 球形爆炸测试系统（ETD-20LDGE2）中进行，实验系统主要包括不锈钢双层结构球
形反应釜、真空泵、粉尘分散系统、大能量点火控制系统、数据采集系统和供气系统，其中点火控制系统
控制两相阀的开启与关闭以控制喷粉时间和点火延迟，实验装置示意图如图 1 所示。实验室环境温度
为 20 ℃，实验现场如图 2 所示。

6 Electronic control system Explosion system
4 5 Gas supply system
3 7 Ignition Spherical
control
1 2 8 11 system reactor
10 Data
9 acquisition Gas
1. Air compressor 7. Pressure sensor system supply
2. Two-phase valve 8. Powder container system
3. Spherical vessel 9. Compressed nitrogen
4. Ignition control system 10. Compressed air Dust
5. Electrostatic igniter 11. Data processing systems Vacuum dispersion
6. Pressure gauge pump system
图 1 实验装置 图 2 实验现场
Fig. 1 Experimental device Fig. 2 Experimental site

装置采用原理为“高压击穿，低压续弧”的大能量静电点火方式点燃煤尘，电火花最高能量可达
10 kJ，媲美化学点火，这种点火方式便于对每次试验的点火能量进行调节，本实验采用该方式进行点火
以研究点火能量对煤尘爆炸强度的影响。
在实验过程中，球形反应釜内的压力变化由压力传感器捕捉并通过变送器处理后转变为电信号，大
量的电信号经过计算机实时处理可生产实验的压力-时间曲线，通过对曲线的分析可以得到本次实验的
最大爆炸压力和规格化最大爆炸压力上升速率。

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