综采工作面割煤作业粉尘运移扩散规律模拟

张锁 许茂业 董俊亮 胡园园 徐超 苏明清 黎枭

（1.神華新街能源有限责任公司，鄂尔多斯 017000；2.中国矿业大学（北京） 共伴生能源精准开采北京市重点实验室，北京 100083；3.中国矿业大学（北京） 应急管理与安全工程学院，北京100083）

摘 要：为掌握矿井采煤工作面粉尘运移扩散规律、对井下综采工作面空间防尘系统设计提供依据，以新街台格庙矿区规划的大采高工作面为研究背景，运用Solidworks和ANSYS软件建立采煤工作面几何物理模型，结合气固两相流理论对采煤机割煤作业粉尘运动情况进行数值模拟。

对比分析不同入口风速、采煤机工作方式和粉尘粒径时工作面粉尘浓度分布特征。结果表明：工作面风速在沿程方向上整体呈现低-高-低的波动趋势，在采空区至煤壁方向上逐渐增高；在采煤机下风侧滚筒截煤粉尘叠加形成长度达60 m的高浓度粉尘区，浓度超2 000 mg/m3；采面入口风速是影响粉尘浓度的主要因素，采面粉尘峰值浓度与沿程浓度随风速增加而降低；采煤机工作方式改变使得粉尘浓度在水平高度上分布出现显著差异，造成粉尘重点防治区域变化；粉尘粒径越小，工作面呼吸带高度粉尘峰值浓度越高，粉尘颗粒漂浮现象越明显。研究结果有效掌握了大采高工作面粉尘运移扩散规律，为工作面防尘布置提供参考，对实现综采工作面的安全开采具有指导意义。关键词：采煤工作面；粉尘浓度；粉尘运移；数值模拟中图分类号：TD 714

文献标志码：

A

文章编号：1672-9315（2023）06-1079

-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2023.0606开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Simulation of dust migration and diffusion law in coal cutting

operation at fully mechanized coal mining face

ZHANG Suo1，XU Maoye1，DONG Junliang1，HU Yuanyuan2，3，XU Chao2，3，SU Mingqing2，3，LI Xiao3

（1.Shenhua Group Xinjie Energy Co.，Ltd.，Ordos 017000，China；

2.Beijing Key Laboratory for Precise Mining of Intergrown Energy and Resources，

China University of Mining and Technology（Beijing），Beijing 100083，China；

3.School of Emergency Management and Safety Engineering，

China University of Mining and Technology（Beijing），Beijing 100083，China）

Abstract：In order to grasp the law of dust migration and diffusion in coal mining face and provide the basis for the design of space dust prevention system in underground fully mechanized coal mining face，the large mining height working face planned in Taigemiao Mining Area of Xinjie was taken as the research background，and the geometric physical model of coal mining face was established by using such softwares as Solidworks and ANSYS software.Combined with the theory of gas-solid two-phase flow，the dust movement in coal cutting operation of shearer was numerically simulated.Based on the dust simulation results of coal cutting operation，the dust concentration distribution characteristics of working face under different inlet wind speed，working mode of shearer and dust particle size were compared and analyzed.The results show that the wind speed of the working face

displays

low-high-low fluctuation trend in the direction along the way，and gradually increases in the direction from the goaf to the coal wall；the high concentration dust area with a length of 60 m is formed by the superposition of coal cutting dust on the downwind side of the shearer drum，and the concentration exceeds 2 000 mg / m3.The inlet wind speed of the mining face is the main factor affecting the dust concentration.The peak  concentration and along-way  concentration of dust on the mining face decrease with the increase of wind speed.The change of working mode of shearer makes the distribution of dust concentration in horizontal height significantly different，resulting in the change of key prevention and control areas of dust.The smaller the particle size of the dust，the higher the peak concentration of the respiratory zone height of the working face，and the more obvious the floating phenomenon of the dust particles.The research results effectively grasp the dust migration and diffusion law of large mining height working face，provide reference for the dust prevention layout of working face，and have guiding significance for the safe mining of fully mechanized mining face.Key words：coal mining faces；dust concentration；dust transport；numerical simulation

0 引 言随着中国煤矿开采机械化水平的提高，开采过程中产生的粉尘量也成倍增加。煤尘不仅会造成爆炸、加速機械设备的磨损和老化，还会污染生产环境，从而对工作人员的身心健康造成威胁，也不利于安全作业的开展［1-3］。截至2021年，全国累计报告职业病例约102.5万例，其中，职业性尘肺病例约91.5万例，占比约89.27%［4-5］，且每年新增的煤工尘肺病例仍然高居不下，绝大部分来自煤矿从业人员。根据现场实测，在综釆工作面无任何防尘措施的情况下，多工序共同作业，人员主要作业区的时间加权总粉尘质量浓度可达500～850 mg/m3，严重超过国家标准［6］。煤矿粉尘防治关系到职业健康安全生产的重大问题，亟待解决。国内外学者基于综采面尘源的分布及其相关特点，对采煤工作面正常作业时粉尘运移扩散机理开展了研究［7-10］。杨胜来等学者

利用气固两相流理论，得到作业面风流流动和井下巷道内粉尘运移的数学模型，为作业面粉尘运移研究打下了基础［11-12］；樊建人、罗坤等在对空气中的煤尘颗粒进行受力分析的基础上，研究其运动轨迹，建立了煤尘颗粒碰撞的数学模型和多相流耦合模型［13-14］；徐景德等根据掘进工作面、普采工作面和综采工作面主要尘源的相对位置，分别设计试验模型比较了不同风速条件下的风流排尘能力［15］；时训先等运用气固两相流运动方程，导出模拟综采工作面的相似准则数，设计试验模拟工作面巷道，分析综采工作面粉尘运动规律［16］，研究认为影响综采面粉尘浓度分布的主要因素有尘源性质和综采面风速；聂百胜等学者通过对煤矿综采面粉尘浓度的测量，对比研究不同作业区间的粉尘粒径与粉尘浓度随风流的变化规律［17］；蒋仲安等建立了双尘源耦合下的呼吸性粉尘扩散模型，该模型求解结果可用于实际矿井下工作面呼吸性粉尘质量浓度的预测［18］。数值模拟拥有高效、方便、结果可视化强等优点，目前国际学术界已广泛应用数值模拟研究综采工作面粉尘的扩散污染规律。CAI、XIU等运用数值模拟研究了各种风流参数对煤尘颗粒污染物扩散的影响，得到作业时粉尘在采面的分布特征以及工作面适宜的除尘风量范围［19-20］；结合大采高工作面特点，DU、王存飞、乔金林等通过实测加模拟的方式研究大采高综采工作面在多工序、多尘源情况下的粉尘质量浓度分布情况，为工作面防、降尘系统设计提供依据［21-23］。

随着煤炭资源的机械化开采，粉尘弥散规律日益复杂，

对于采煤工作面粉尘运移扩散机理的研究尚不明确［24-26］。新街台格庙矿区是国家煤炭战略储备基地，是神东矿区的重要接续区，目前处于规划阶段。文中采用数值模拟手段，深入研究新街台格庙矿区规划工作面的粉尘扩散污染规律，对工作面防尘方案的制定提供理论指导。

1 数值模型构建与模拟方案

1.1 气固两相模型为研究粉尘颗粒在流场中的运动过程及其规律，采用欧拉-拉格朗日方法建立流场的数学模型。用欧拉法描述工作面风流流动，用拉格朗日法描述粉尘颗粒的运动。质量守恒控制方程为

式中 Gk为运动均速梯度不同产生的湍流动能，kg/（s3·m）；Gb为由浮力影响造成的湍动能；k为湍流动能，m2·s-2；ε为湍流动能耗散率，m2·s-3；σk，σε分别为k方程与ε方程紊流普朗特数。

1.2 几何模型

新街一井规划首采煤层厚度为1.26～4.14 m，采用一次采全高综采技术，用全部垮落法管理顶板。运用Solidworks软件建立工作面三维几何模型，工作面尺寸为（长×宽×高）350 m×5.0 m×4.0 m，主要由1架采煤机与200架液压支架组成，沿倾向工作面被划分为移架完成区、采煤区和未采区。为提高计算效率，对采面的计算区域进行适当简化，建模结果如图1所示。

针对上述作业场景，利用Fluent Meshing进行网格划分。采煤区网格尺寸取0.2 m，其余区域网格划分尺寸最大值限制取0.4 m。以畸形度为网格评判标准，网格最大畸形度为0.7，最小畸形度为0，平均畸形度为0.26，划分结果如图2所示。

1.3 数值模拟参数将气流视为不可压缩流体，使用k-ε模型模拟气流，运用DPM模型进行粉尘模拟，模拟计算之前设定的尘源粒径的频度分布，如图3所示。粉尘颗粒中位粒径为20 μm，分布指数为1.8。

基本边界条件设置如下：模型的入口与出口边界条件分别被设定为速度入口与压力出口；煤壁与液压支架壁面均选择无滑移边界。

设截割产尘源为滚筒位置，在模型中喷射源类型设定为面喷射进行数值模拟。关键模拟参数见表1。

1.4 模拟方案依托新街台格庙矿区地质资料及工作面设计情况，初步选定出对粉尘质量浓度分布有影响的因素，即入口风速、割煤方向、粉尘粒径。根据各因素来拟定研究方案，通过监控粉尘浓度来分析各因素对工作面粉尘颗粒运移影响。具体研究方案见表2。

以方案④为基准方案，通过与其他影响因素的模拟结果进行横向对比，分析不同条件下高产尘量综采工作面粉尘质量分布情况，并得出风速、割煤方向及粉尘粒径对采面浓度场的影响情况。

2 数值模拟结果分析

2.1 工作面流场与粉尘质量浓度分布规律为掌握割煤作业时风流沿程的分布规律，截取入口风速为2.5 m/s时，平行于底板方向Y=1.8 m（呼吸带高度）及垂直于底板方向采煤机附近竖截面的风速分布，如图4所示。

从图4可以看出，风流速度在工作面区域总体呈现出波动状态，在采煤机身附近速度变化最为显著。在呼吸带高度（Y=1.8 m）风流总体分布沿程方向上呈现出先增高后降低的趋势。风流从进风巷流入工作面被液压支架立柱分隔为2大部分，由于立柱造成的截面变化在一定程度上增强了风速，但风流速度总体基本保持在2.5 m/s左右。进入采煤区，由于采煤机机身阻挡流动，空间变狭窄，风流加速向采煤空间的中部区域集中。从采煤区处的竖截面风速分布图可见，风流紊乱区域出现在采煤机后滚筒外侧和前滚筒下风侧。

风流在后滚筒处发生横向偏转并被加强，形成一个风速达3.5 m/s的高风速条带。采煤机前滚筒处风流向四周逸散，高速风流条带以较大的偏移速度向煤壁处靠近。由于未采区空间结构一致且无机械阻挡，风流在此分布平稳。未开采区域内的风流表现为人行道上的风速小于巷道中心的风速，而靠近煤壁处的风速最大。风流速度的加快直接作用在未采区，使得整个未采区平均风速高于入口风速。

通过Fluent软件在风流模拟的基础上进行粉尘污染扩散的模拟。在采煤机的下风侧每隔40 m截取一个竖平面，即x=80～320 m，观察粉尘的运动情况，粉尘浓度分布如图5所示。

结合图5，将采煤区内前、后滚筒所产粉尘进行叠加，形成浓度高达2 000 mg/m3，长度为60多m的高浓度粉尘带。在x=80 m处，此时高浓度粉尘主要集中在近顶板位置，受湍流影响继续贴顶部空间运动；到x=120 m时，受采高影响，粉尘的横向扩散更加明显，顶部空间粉尘被高速风流带与重力作用稀释，浓度降低；到x=160 m时，粉尘扩散充满液压支柱到煤壁空间，大粒径粉尘开始沉降，导致工作面底板附近粉尘浓度高于2 000 mg/m3；在x=200～320 m处，风流场较稳定，粉尘浓度分布情况逐渐趋于一致。粉尘因重力作用其沉降量不断增加。工作面中高位粉尘向人行侧扩散，受液压支柱阻挡，人行道粉尘浓度缓慢升高。随着距离增加，人行道侧呼吸带高度粉尘浓度逐步稳定在200 mg/m3左右。在竖截面上粉尘质量浓度分布最终呈现出底板以及巷道壁浓度高，巷道中心位置浓度低的规律。分别选平行于底板方向Y=0.5 m，Y=1.5 m，Y=2.5 m和Y=3.5 m处做截面，得到粉尘浓度分布，如图6所示。

在Y=0.5～1.5 m范围内，粉尘浓度随着距离底板高度增加而降低；在Y=2.5～3.5 m范围内，粉尘的质量浓度不减反增，主要受到前滚筒割煤产

尘影响在近顶板高度大量粉尘聚集，出现狭长高浓度

粉尘带；当Y=3.5 m时，粉尘颗粒扩散到人行道侧的量比其他高度更多，浓度最高达1 000 mg/m3，

进入未采区后逐渐沉降。总体来看工作面高浓度粉尘主要集中在近煤壁刮板机道部分，在未采区沉降效果明显。由于其大采高特性，高位粉尘颗粒的运动对人行道侧粉尘浓度有显著影响。

2.2 风速对粉尘质量浓度分布的影响为探究入口风速对粉尘和质量浓度分布之间的关系，设定入口风速分别为1.0，1.5，2.0和2.5 m/s，并提取呼吸带高度沿程粉尘浓度数据进行分析。粉尘质量浓度分布如图7所示。

从图7可以看出，在采煤机身附近的扰动风流作用下，绝大部分粉尘集中在采煤区范围内。到未采区时风流速度在靠近煤壁侧得到加强，受风压影响的粉尘被吸入煤壁侧向前运动，较少的粉尘发生横向扩散。粉尘质量浓度在采煤机两滚筒粉尘汇合时达到最高，之后快速下降。随着入口风速的增大，高浓度粉尘带延伸距离逐渐缩短，在未采区内粉尘弥散范围减少。随着入口风速的增加，粉尘峰值质量浓度以及沿程质量浓度明显降低。当入口风速低于1.5 m/s时，采煤机附近的瞬时浓度较高。而当风速大于1.5 m/s时，工作面沿程的粉尘质量浓度明显降低。较高的气流速度将粉尘不断输运出工作面，但速度过高时易将已沉积在底板的粉尘颗粒二次扬起，污染了工作环境，也不利于工人作业。

2.3 割煤方向对粉尘质量浓度分布的影响

1）采煤工作面截割产生的粉尘在向出口方向扩散的过程中，粉尘浓度变化在采煤机身附近快速下降，在扩散过程中逐渐降低最终稳定。顺风割煤时，在采煤机下风侧20 m内，发现最高粉尘质量浓度达1 300 mg/m3，之后粉尘发生快速沉降，大颗粒在风

流作用下运移扩散并沉降到工作面底板，粉尘质量最终稳定在300 mg/m3。逆风割煤时，最高粉尘

质量浓度出現在采煤机下风侧60 m处。粉尘随风流吹向下风侧，因自重发生沉降，最终粉尘质量浓度稳定在100 mg/m3左右，远低于顺风割煤作业时的最高浓度。

2）在工作面呼吸带高度上，顺风割煤粉尘覆盖的面积比逆风割煤粉尘覆盖的面积要广，污染情况也更为严重。顺风采煤时受风流作用影响，粉尘高浓度带逐渐变得狭长且集中在煤壁一侧，在近顶板水平方向上，横向扩散明显。而逆风采煤在近顶板高度上粉尘仅集中在前滚筒处，在近底板处粉尘浓度高，高浓度粉尘团的影响范围随沿程距离的增加而逐渐变大，并持续向人行道扩散。顺风割煤高浓度粉尘团的影响范围随沿程距离的增加而基本保持稳定，近底板粉尘浓度随着风流横向扩散而逐渐降低。不同的工作方式对于工作面粉尘浓度的分布有一定的影响，粉尘的重点防治区域会因此发生改变。顺风割煤时，后滚筒产生的粉尘因风流紊乱区的影响而聚集，然后向未采区运动，主要集中在工作面的中、底部；逆风割煤时，前滚筒产生的粉尘被风流吹散并分布在中部和顶部空间，后滚筒产生的粉尘主要分布于中部和底部空间，高浓度粉尘主要分布在底部空间。

2.4 粒径对粉尘质量浓度分布的影响

图9为不同粒径粉尘在呼吸带高度的质量浓度分布情况，以风流入口为原点，x轴正方向为风流方向。当尘源分别设定为5，15，28 μm这3种粉尘粒径时，粉尘浓度均在x=48～52 m范围内迅速上升。随后在前滚筒切割湍流气流的影响下粉尘向四周逸散。待到风流分布较稳定的未采区，由于重力作用的影响，在近顶板附近运动的粉尘开始沉降，此

时呼吸带高度近煤壁侧的粉尘浓度超过1 000 mg/m3。

当粉尘粒径为5，15 μm时，粉尘漂浮距离较长，因为粉尘粒径过小，粉尘无法沉降以致处于漂浮状态，较分散且浓度不高。而粒径为28 μm的粉尘沉降效果显著，在x=260 m左右时，粉尘浓度有明显降低。粒径越大，粉尘沉积越快，沿程方向沉积质量随与入风口的距离增大而减少。由于重力作用，颗粒粒径越大，会更早沉降，则在沿程方向粉尘浓度会变低；而小粒径粉尘相对于大粒径而言，重力不再是主要作用，更多受风流和紊流扩散的影响，沉降速度慢且量少，故当粉尘粒径越小，粉尘无法沉降处于漂浮状态，若不能及时排出，那将会造成巷道内粉尘浓度更高。

综合以上模拟结果，提出有针对性的综采面粉尘防治技术建议。在割煤作业时，工作面入口风速在2.0 m/s左右时有利于粉尘的排出。可以在此基础上进行风流的调控，以保证工作面的气流速度更高，从而提高降尘效果。在呼吸带高度，应注重对采煤机下风侧40～140  m范围内呼吸性粉尘的降尘。顺风采煤时应着重关注近顶板处粉尘的降尘，可以考虑采用液压支架喷雾降尘措施，以便沉降高浓度粉尘团；逆风割煤时，高浓度粉尘

主要集中在中底部，可以通过润湿地面等措施防止低位粉尘横向扩散。

3 结 论

1）风流进入工作面在空间截面突变的位置出现文丘里效应。在呼吸带的高度上，风流总体分布沿程变化为先增高后降低。在未采区空间中，风流主要呈现以下规律：靠近煤壁处的风速>巷道中心的风速>人行道的风速。

2）由于大采高的特性，粉尘在不同高度范围上的分布不均匀。竖截面上的粉尘分布呈现出底板及壁面浓度高，且巷道中心位置浓度低的规律，与气流场的运动相吻合。采煤工作面截割煤尘表现出大范围的侧向扩散，在采煤机滚筒下风侧的范围内，粉尘严重污染区域延伸至60 m。

3）工作面由采煤机扰动引起的湍流风流对粉尘的运动起着主导作用。

随着工作面风速的增加，粉尘峰值浓度以及沿程浓度明显降低，但当速度过高时易将粉尘颗粒二次扬起。采煤机不同的工作方式会影响粉尘的重点防治区域。粉尘粒径越小就越难沉降，在采煤空间内粉尘浓度也缓慢降低。

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（責任编辑：高佳）