Page 200 - 《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

预置在储粉仓煤尘经由氮气驱动的两相阀扩散到 20 L 球形反应釜内，喷粉时间和点火延迟都可以
在点火控制系统进行设置，本实验中喷粉时间固定为 60 ms，点火延迟在 60～100 ms 内调节。

1.3 实验方法
测试前，保证各部件、线路连接正确，整个系统运行正常。将点火延迟、点火能量设定为所需值。
关闭反应釜上所有阀门，确保爆炸反应在密闭的环境中进行。
测试时，将称量好一定质量的煤尘试样放入储粉仓，紧闭储粉仓上盖，并将压缩空气充入储粉仓到
1.8 MPa（表压）。对球形反应釜抽真空到−0.6 MPa（表压），然后通过控制系统开启气粉两相阀，储粉罐内
的压缩空气在 60 ms 内将储粉仓内的煤尘经气粉两相阀分散到球形反应釜中，气粉两相阀自动关闭，经
过给定的点火延时后在容器中心进行点火测试。
测试后，采集到数据自动上传至电脑并生成整个爆炸过程的时间-压力曲线，同时得到爆炸过程中
最大爆炸压力值等实验数据。将反应釜中的气体排出后打开上盖，使用吸尘器对釜内和储粉仓内残留
物进行初步清除，再进行一次空爆以保证反应釜中没有残留煤粉或可燃性气体影响下一次实验。每组
实验重复 3 次，取平均值以减小误差对实验数据的影响，每组实验结果的相对误差均在 5% 以内。

2 试验设计及结果

2.1 Box-Behnken 试验设计法
Box-Behnken 设计法（Box-Behnken design, BBD）是一种高效的响应面法实验设计方法，适用于多因
素 间 耦 合 效 应 的 问 题 ， 其 核 心 是 通 过 二 次 回 归 模 型 拟 合 因 素 与 响 应 变 量 之 间 的 非 线 性 关 系 。 使 用
BBD 可以有效减少冗余实验，提高实验效率。具体的流程如下：①确定响应量；②确定影响因素并定
义因素水平；③生成试验方案；④进行实验并记录数据；⑤建立数学模型；⑥验证模型；⑦分析三维曲
面图。
2.2 多因素 Box-Behnken 试验设计
煤尘爆炸是一个瞬时发生且极为复杂的气-固两相反应过程，其本质是煤粉散布在空气中形成粉尘
云后，煤尘颗粒中的气态挥发分与氧气结合形成爆炸性混合物，在接触到高温点火源时引发一系列链式
反应，迅速产生大量的热和气体 [28] 。在粉尘云爆炸的过程中，煤尘颗粒与空气以及煤尘颗粒间存在非均
匀、非平衡、非线性、多尺度的相互耦合作用过程。
结合以往的研究和单因素试验可知，煤尘质量浓度、煤尘粒径、煤挥发分质量分数、点火能量、点
火延迟都会影响煤尘爆炸特性，且各因素的作用方式并非相互独立，而是存在一定程度的相互作用。为
进一步研究，利用 Box-Behnken 设计法分析煤尘质量浓度、煤尘粒径、煤挥发分质量分数、点火能量、点
火延迟 5 个因素对煤尘爆炸强度的影响规律。BBD 是一种响应曲面设计方法，主要用于多元线性回归
建模，此方法不仅可以探究各因素对响应变量的影响，同时还可以探究因素间的交互作用对响应变量
的影响 [29] ，在试验设计中，水平是指每个自变量（因素）在试验中所取的具体数值或状态，用于量化不同
的试验条件。BBD 要求为每个自变量设置三个实际水平，分别对应低、中、高三种试验条件；为消除不
同因素量纲和数值范围对建模结果的影响，需将

表 2 试验影响因素及水平
实际水平标准化编码为−1（低水平）、0（中心水
Table 2 Factors and levels affecting
平）和 1（高水平）。本文以最大爆炸压力（p ）
max
the experiment
˙ p max ）作为试验的响
和最大爆炸压力上升速率（
水平 ρ/(g·m ) D/μm w/% E/kJ t d /ms
−3
应 量 ， 用 于 评 估 煤 尘 爆 炸 强 度 ， 表 2 为 B o x -
−1 200 58 28.6 4 60
Behnken 试验影响因素及水平设置情况，表 3 显
0 300 119 31.5 5 80
示了从 45 个试验设计 (5 个中心点和 40 个非中
1 400 180 34.4 6 100
心点) 获得的响应量。
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