Page 208 - 《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

如图 7(e) 所示，曲面在煤挥发分质量分数为 34.47% 时有明显凸起，表明相比于煤挥发分质量分数
为 28.63% 的煤，煤挥发分质量分数为 34.47% 的煤对粒径变化更敏感。这符合煤工业分析得出的结论，
高煤挥发分质量分数的煤中更多的挥发分在小粒径时更易与氧气接触反应，而煤挥发分质量分数为

28.63% 的煤中更多的水分和灰分使整体的煤尘最大爆炸压力较低。值得一提的是，在煤挥发分质量分
数为 28.63% 的煤中，小粒径煤尘最大爆炸压力反而降低，这是因为本实验所选的此类煤样有强膨胀熔
融粘结的特性，导致小粒径的煤尘颗粒更容易附着在反应釜的内壁上，并未参与爆炸反应。
如图 7(f) 所示，当煤挥发分质量分数为 28.63% 时，最大爆炸压力不随点火能量的变化而变化，在二
维平面图中形成一条几乎平行于坐标轴的直线。而二维平面图中的抛物线表明煤挥发分质量分数为
31.47% 的煤随点火能量的变化最明显，这源于此类煤拥有最多的固定碳含量：当点火能量增大时，被能
量激发的固定碳也会与氧气发生反应，产生 CO、烃类气体进一步参与到煤尘的爆炸反应中。
如图 7(g) 和图 7(h) 所示，随着点火延迟减小，煤尘爆炸压力急剧增加。在三维曲线图中的陡峭程度
反应了点火延迟在本次试验的决定性作用。适当的点火延迟一方面可以使煤尘在初始喷粉湍流的作用
下与空气更好地充分结合形成粉尘云，另一方面可以规避重力作用造成的煤尘沉降对试验的影响。此
外，与煤尘挥发分含量相比，点火能量对煤尘最大爆炸压力的影响更为显著，大额的点火能量能弥补点
火延迟增加造成的煤尘最大爆炸压力衰减。
˙ p max ）的影响
2.6.2 多因素对最大爆炸压力上升速率（
由方差分析知 ρt 、Dw、Dt 、wt 、Et 的交互作用对响应量 ˙ p max 的影响是显著的。如图 8(a)，图 8(b)，
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图 8(c) 所示，ρD、ρw、ρE 间的相互作用并不显著，互相形成的三维曲面都呈中心凸起分布，最佳爆炸条
件均在中心点取得。煤尘爆炸是一个复杂的多阶段过程，涉及颗粒加热、挥发分释放、自由基生产、气
相燃烧等。煤尘质量浓度、煤尘粒径、煤挥发分质量分数、点火能量可能在密闭空间爆炸反应的某个阶
˙ p max 不显著。
段起主导作用，而在其他阶段影响较小，进而导致它们的耦合作用在整体上对响应量
如图 8(d)、图 8(e)、图 8(f)、图 8(g) 所示，ρt 、Et 、Dt 、wt 的三维响应曲面拥有大致相同的倾向，在
d
d
d
d
以上四组的双因子交互作用中，点火延时都是影响更为显著的一方，这表明点火延迟在煤尘最大爆炸压
力上升速率的变化中起决定性作用。这主要是煤尘由储粉仓向球形反应釜输送过程中的湍流引起的，
而不同的点火延迟时间对应不同的初始湍流强度：在点火延迟为 60 ms 时，反应釜中的湍流由初始的最
高值衰减到一个最适值 [33] ，煤尘颗粒分布相对均匀，最大爆炸压力上升速率也达到峰值；当点火延迟超过
60 ms 时，沉降现象明显，煤尘的下落进一步影响了反应釜中的湍流，气体流速进一步减缓，煤尘颗粒开
始在反应釜底部聚集。其次，点火延迟决定了煤尘热解挥发分与自由基生成的时间窗口。延迟时间过短
时，挥发分未充分释放导致密闭容器中燃烧反应不充分；过长则自由基浓度衰减，降低链式反应效率 [34] 。
根据二维等高线图中的曲线弯曲程度可判断，煤挥发分质量分数对煤尘最大爆炸压力上升速率的影响
程度最小，其次是煤尘质量浓度，而点火能量和煤尘粒径有着相差不大的影响。无论是增加初始的点火
能量，还是减小煤尘的粒径，都能使更多的可燃性气体在爆炸反应的初始阶段参与，这增加了反应釜中
的初始压力，使气相反应速率加快。
如图 8(h) 所示，在二维等高线图上延煤尘粒径分布的等高线更密集，表明煤尘粒径对煤尘最大爆炸
压力上升速率的影响更为显著。煤尘中挥发分含量越多，在粒径减小的情况下，煤尘有更大的比表面
积，更充分的接触和氧气使粉尘云中初始的可燃性气体更多，从而导致煤尘最大爆炸压力上升速率更大。

3 结 论

(1) 基于 Box-Behnken 试验设计方法研究了煤尘质量浓度、煤尘粒径、煤挥发分质量分数、点火能
量、点火延迟对煤尘爆炸的影响，用 Design-Expert 软件对实验结果进行数据分析，发现响应量 p ma x 和
2
2
˙ p max 的二次回归分析模型决定系数 R 分别为 0.977 1 和 0.925 8，修正后 R 与预测系数 R 的差值均小于
2
0.2，并通过残差正态图和杠杆值等数据进一步检验，证明二次回归分析模型对于本实验有良好的适用性。

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