Migration and distribution patterns of cutting dust in a continuous mining face under ventilation disturbance
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摘要: 为掌握通风扰动下连采工作面截割粉尘运移及分布规律，以陕西红柳林煤矿15218连采工作面为研究对象，采用SolidWorks构建了连采工作面物理模型，基于欧拉−拉格朗日方法，使用CFD软件对风流场、粉尘浓度分布、粉尘粒径分布进行了数值模拟。结果表明：① 连采工作面内大部分含尘风流向回风侧运移，粉尘主要富集于回风侧连续采煤机截割滚筒下方的三角区及连续采煤机尾部至巷道中部区域。② 涡流区内粉尘富集较少，部分粉尘富集于梭车内，尾流区内粉尘云团呈凹形条带状。③ 含尘风流向巷道出口运移过程中，粗尘沉降最多，细尘次之，微尘沉降最少；微尘、细尘、粗尘数量随巷道高度增加均呈先增加后减少的变化规律；微尘、细尘、粗尘数量随距采煤壁面距离、回风侧巷道壁面距离的增大均减少。④ 呼吸带高度处粉尘云团浓度和面积均随风速增大而减小，且微尘、细尘、粗尘占比分别为15%，54%，31%左右，基本不受风速变化影响。⑤ 1.6 m/s的风速虽利于呼吸带高度平面粉尘富集区域的排尘，但会扬起更多的粉尘进入呼吸带高度平面，因此既要合理增大风速进行全局排尘，也要采取针对性措施进行局部重点控降尘。Abstract: To understand the migration and distribution patterns of cutting dust in the continuous mining face under ventilation disturbance, the 15218 continuous mining face of the Hongliulin Coal Mine in Shaanxi was taken as the research object. A physical model of the continuous mining face was constructed using SolidWorks. Based on the Euler-Lagrange method, CFD software was employed to numerically simulate the airflow field, dust concentration distribution, and dust particle size distribution. The results showed that: ① Most of the dust-laden airflow in the continuous mining face migrated toward the return air side. Dust primarily accumulated in the triangular area beneath the cutting drum of the continuous miner and in the region from the tail of the continuous miner to the middle of the tunnel. ② Dust accumulation was less in the vortex zone, with some dust accumulating in the shuttle car. In the wake zone, dust formed a concave, strip-like cloud. ③ As the dust-laden airflow moved toward the tunnel exit, coarse dust settled the most, followed by fine dust, while ultrafine dust settled the least. The quantities of ultrafine dust, fine dust, and coarse dust initially increased and then decreased with the increase in tunnel height. The quantities of ultrafine dust, fine dust, and coarse dust decreased as the distance from the mining face and the return air side tunnel wall increased. ④ The dust concentration and area at the breathing zone height decreased as wind speed increased. The proportions of ultrafine dust, fine dust, and coarse dust were approximately 15%, 54%, and 31%, respectively, and were generally unaffected by changes in wind speed. ⑤ A wind speed of 1.6 m/s facilitated dust removal in the breathing zone plane but also lifted more dust into the breathing zone, making it necessary to appropriately increase the wind speed for global dust removal while implementing targeted measures for localized dust control.
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0. 引言
煤炭开采过程中往往产生大量粉尘[1-3]，高浓度粉尘不仅威胁矿井安全生产，还会诱发尘肺病、心血管疾病等[4-6]。2023年我国新增职业病
12087 例，其中尘肺病8 051例，占比近67%[7]。据统计，煤矿尘肺病致亡人数远大于生产事故致亡人数[8]。因此，研究煤炭开采过程中粉尘运移及分布规律对于保护矿工职业健康安全至关重要。目前，大量学者通过实验室实验、现场测试及数值模拟的方法对粉尘运移及分布规律进行了研究[9-11]。冯恒原等[12]运用现场测试、理论分析和数值模拟方法对综掘工作面粉尘运移规律及不同粒径粉尘富集特征进行了研究，给出了涡流区的控降尘建议。周全超等[13]模拟了综掘工作面不同通风条件下的降尘效果，并通过现场测试检验了数值模拟的可靠性。宋淑郑等[14]运用Fluent软件对综采工作面风流场和粉尘浓度逸散规律进行了模拟。Nie Wen等[15]通过数值模拟研究了不同风量下综采工作面风流运移及粉尘运移规律，发现风量为90 m3/min的风幕能有效控制工作面粉尘。Hao Tianxuan等[16]结合数值模拟和现场测试方法，对综采工作面呼吸区的粉尘运移分布规律进行了研究。Zhang Wei等[17]基于数值模拟和现场测试，得出距离尘源越远，粉尘浓度越低，落尘颗粒粒径越小的结论。
目前对综采工作面、综掘工作面粉尘运移及分布规律的研究较多，但对通风扰动下连采工作面截割粉尘运移及分布规律的研究较少。本文以陕煤集团神木红柳林矿业有限公司15218连采工作面为研究对象，采用SolidWorks构建连采工作面物理模型，基于欧拉−拉格朗日方法，利用CFD软件对通风扰动下连采工作面截割粉尘运移及分布规律进行数值模拟研究，研究结果可为连采工作面粉尘治理提供一定的指导。
1. 工作面概况
15218连采工作面由主运巷、辅运巷、切眼、调车硐室及回风巷构成。主运巷长2 733 m，用于运输矿石及其他物料；辅运巷长2 815 m，用于运输人员及设备。该工作面东边为15217备采掘进工作面，西边为实体煤区，北边为5−2煤南辅运巷，南边为拦截斜巷。该工作面通风量为385～6 148.8 m3/min。
2. 数值模型
2.1 物理模型
取15218连采工作面前30 m巷道为研究区域，根据实际情况，对连续采煤机、风筒、梭车等进行简化，使用SolidWorks软件建立连采工作面物理模型，如图1所示。巷道断面为宽6.1 m、高4.2 m的矩形，连续采煤机总长为7.6 m，风筒（直径为1 m）布置在巷道右上方，风筒中心距离巷道顶板和右侧巷道壁面均为0.6 m、距离巷道底板3.6 m，风筒风流出口距离采煤壁面5 m。
2.2 数学模型
2.2.1 基本假设
结合现场情况与气固两相流理论，将空气看作连续相，粉尘看作离散相，利用CFD模拟风流场及粉尘分布情况，并做出如下合理假设[18-19]：① 在采煤过程中，将产尘过程视为一种匀速喷射的理想状态过程，且假定煤体在采煤过程中保持相对一致的含水率，排除因水分变化而导致的复杂因素。② 将粉尘颗粒假设为规则球体，粉尘属性定义为高挥发性煤粉。③ 假设工作面空气密度基本相同且不可压缩，风筒风流洁净无污染。
2.2.2 模型方程
在气固两相流模拟方法中，欧拉−欧拉方法对颗粒级的模拟精度有所欠缺，而欧拉−拉格朗日方法的模型较为简单，计算精度能达到规律分析要求[20]。因此本文采用欧拉−拉格朗日方法对风流场、粉尘运移及分布进行模拟，涉及的相关方程如下。
连续性方程：
$$ \frac{{\partial \rho }}{{\partial t}} + \frac{{\partial (\rho {u_i})}}{{\partial {x_i}}} = 0 $$ (1) 式中：$\rho $为流体密度，kg/m3；$ t $为时间，s；$u_i$为笛卡尔坐标系下i方向的流体速度，m/s；$ {x_i} $为笛卡尔坐标系下i方向的流体位移，m。
动量方程：
$$ \begin{split} \frac{{\partial \left( {\rho {u_i}} \right)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {\rho {u_i}{u_j}} \right)}}{{\partial {x_j}}} =\;& - \frac{{\partial p}}{{\partial {x_i}}} + \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left[ {\left( {\mu + {\mu _t}} \right)\left( {\frac{{\partial {u_j}}}{{\partial {x_i}}} + \frac{{\partial {u_i}}}{{\partial {x_j}}}} \right)} \right]- \\ & \frac{2}{3}\left( {\mu + {\mu _t}} \right)\frac{{\partial {u_j}}}{{\partial {x_j}}}{{\boldsymbol{\delta}} _{ij}} + \rho {g_i} + {F_i} \end{split} $$ (2) 式中：uj为笛卡尔坐标系下j方向的流体速度，m/s；xj为笛卡尔坐标系下j方向的流体位移，m；$p$为流体静压，Pa；$\mu $，$ {\mu }_{{\mathrm{t}}} $分别为层流、湍流动力黏度，Pa·s；${{\boldsymbol{\delta}} _{ij}}$为单位张量；${g_i}$为笛卡尔坐标系下i方向的重力加速度，m/s2；${F_i}$为笛卡尔坐标系下i方向的同离散相相互作用而产生的外力，N。
湍流动能方程：
$$ \frac{{\partial (\rho k)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial (\rho k{u_i})}}{{\partial {x_i}}} = \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left[(\mu + \frac{{{\mu _t}}}{{{\sigma _k}}})\frac{{\partial k}}{{\partial {x_j}}}\right] + {G_k} - \rho \varepsilon $$ (3) 式中：$k$为湍流动能，m2/s2；$ {\sigma _k} $为湍流动能方程的紊流普朗特数；$G_k$为平均速度梯度引起的湍流动能的产生项，kg/（m·s3）；$ \varepsilon $为湍流耗散率，m2/s3。
湍流耗散率方程：
$$ \frac{{\partial (\rho \varepsilon )}}{{\partial t}} + \frac{{\partial (\rho \varepsilon {u_i})}}{{\partial {x_i}}} = \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left[\left(\mu + \frac{{{\mu _t}}}{{{\sigma _\varepsilon }}}\right)\frac{{\partial \varepsilon }}{{\partial {x_j}}}\right] + \frac{{{C_{1\varepsilon }}\varepsilon }}{k}{G_k} - {C_{2\varepsilon }}\rho \frac{{{\varepsilon ^2}}}{k} $$ (4) 式中：$ {\sigma _\varepsilon } $为湍流耗散率方程的紊流普朗特数；$ {C_{1\varepsilon }} $，$ {C_{2\varepsilon }} $为经验常数。
粉尘运动轨迹方程：
$$ \frac{\text{d}u_{\mathrm{p}}}{\text{d}t}=\frac{u-u_{\mathrm{p}}}{\tau }+\frac{g\left({\rho } _{{\mathrm{p}}}-\rho \right)}{{\rho }_{ {\mathrm{p}}}}+B $$ (5) $$ \tau=\frac{\rho_{\text{p}}d_{\mathrm{p}}^2}{18\mu}\frac{24}{C_{\text{d}}Re} $$ (6) $$ C_{\mathrm{d}} = {a_1} + \frac{{{a_2}}}{{Re}} + \frac{{{a_3}}}{{R{e^2}}} $$ (7) $$ Re = \frac{{\rho d_{\mathrm{p}}\mid u_{\mathrm{p}} - u\mid }}{\mu } $$ (8) 式中：$u_{\mathrm{p}}$为粒子速度，m/s；$\tau $为粒子的弛豫时间，s；$ {\rho }_{{{\mathrm{p}}}} $为粒子密度，kg/m3；$B$为附加加速度项，N/kg；$d_{\mathrm{p}}$为粒子直径，m；$C_{\mathrm{d}}$为阻力系数；$Re$为相对雷诺数；$a_1$−$a_3$为适用于多个$Re$范围的常数。
2.2.3 参数设置
为确保数值模拟的准确性，基于连采工作面作业空间内的粉尘浓度和粉尘粒径分布的测定数据，对模拟参数进行设置，见表1。
表 1 模拟参数设置Table 1. Simulation parameters setting参数 设置 参数 设置 入口边界类型 速度入口 粉尘类型 高挥发性煤 出口边界类型 自由出流 粒径分布 罗森−拉姆勒
分布函数入口速度/（m·s−1） 16.3 最小粒径/mm 0.001 壁面边界 反射 中位粒径/mm 0.032 壁面剪切条件 无滑移 最大粒径/mm 0.100 壁面运动 静止 分布指数 3.5 喷射源类型 面喷射 质量流率/（kg·s−1） 0.003 发尘时间/min 10 湍流扩散模型 随机轨道模型 2.3 网格划分
以全局四面体网格的划分方法对物理模型进行网格划分，在23×104，31×104，42×104，52×104，63×104，73×104个网格数量下进行网格独立性验证，对应网格数量的单元尺寸依次为300，240，200，180，165，155 mm。
在模型出口断面风筒正下方1.5 m处设置速度监测点，记录各网格数量下该监测点的风速，如图2所示。
由图2可知，当网格数量达到63×104个时，风速变化较小，趋于稳定，说明网格具有独立性。考虑计算精度及计算速度需求，选择单元尺寸为165 mm、数量为63×104个的网格进行数值模拟计算。
2.4 模型验证
结合现场实际情况、尘源地点和工作面人员位置，现场巷道粉尘浓度测定共布置3个测点（编号为A，B，C），如图3所示。
以滤膜称重法进行粉尘浓度测定。先使用CCZ−20A采样器采集粉尘，再使用电子天平称量粉尘滤膜。粉尘浓度计算公式为
$$ {{c}} = \frac{m}{V} $$ (9) 式中：c为粉尘浓度，mg/m³；$m$为粉尘质量，mg；$V$为气体体积，m³。
根据现场测点位置布置粉尘采样器，待连续采煤机截割5 min后开始取样，每次取样2.5 min，取样3次。根据式（9）计算得到各测点的粉尘浓度，现场实测数据与模拟数据对比如图4所示。
由图4可知，实测数据与模拟数据相近，且相对误差在5%以内。考虑到现场因素（如连续采煤机位置变化、人员走动等）对粉尘浓度的影响，相对误差在可接受范围内，表明数值模型较为准确。
3. 数值模拟结果及分析
3.1 粉尘运移及分布
3.1.1 风流场中的粉尘运移及分布
粉尘运移及分布规律受多种因素影响，其中以风流场的影响最为显著。因此，通过分析风流场分布规律来解释粉尘运移及分布特征[21]。连采工作面风流场如图5所示。
由图5可知：风筒出口风速达16.3 m/s；风流向采煤壁面运移的过程中，随着射流长度增加，风速逐渐减小，与采煤壁面接触时风速减至8 m/s，此时风流受到采煤壁面阻碍，不能保持原来的风流方向，因此形成冲击射流区；冲击射流撞向采煤壁面时，风流因受阻碍沿采煤壁面向各个方向运移，其中向进风侧运移的风流受到进风侧巷道壁面、巷道底板和巷道顶板的阻碍后运移方向发生改变，又因为高速射流对运移受限风流的卷吸，风流在连续采煤机截割臂附近形成涡流区；风流流经梭车时，因巷道断面面积的急剧变大而形成尾流区，流入尾流区的风流撞击到巷道底板后运移方向发生改变，所以部分风流在此处呈凹形流动。
基于连采工作面风流场的规律分析，利用Tecplot软件与CFD自带的后处理功能，从粉尘浓度分布、粉尘滞留时间分布和粉尘颗粒流指数分布3个方面研究风流场中粉尘的运移及分布规律，如图6−图8所示。
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图 7 连采工作面粉尘滞留时间分布Figure 7. Dust residence time distribution of continuous mining face![]()
图 8 连采工作面粉尘颗粒流指数分布Figure 8. Dust particle flow index distribution of continuous mining face由图6可知，风流经风筒进入巷道，连采工作面产生的大部分粉尘被风流裹挟由回风侧向巷道出口运移，回风侧整体粉尘浓度大于进风侧。在风流影响下巷道内形成2处粉尘富集区域：① 连续采煤机截割工作面产生的粉尘受冲击射流的裹挟向回风侧运移，含尘风流受回风侧巷道壁面的阻碍，其裹挟粉尘的作用减弱，粉尘在回风侧截割滚筒三角区形成富集区。② 含尘风流向巷道出口运移的过程中，因断面面积增大，风速衰减，粉尘在回风侧的连续采煤机尾部至巷道中部形成了带状富集区。含尘风流向巷道出口运移的整个过程中，涡流区并没有形成明显的粉尘富集区，这是由于连采工作面截割产尘面靠近回风侧，大部分粉尘被风流裹挟向回风侧运移，受涡流影响较小。
由图7可知，滞留时间较短的粉尘主要分布于回风侧截割滚筒三角区和连续采煤机尾部至巷道中部区域，这是由于对应区域含尘风流风速较大形成的；另外还有部分滞留时间较短的粉尘分布于连续采煤机尾部与梭车头部的上方区域，这是由于该区域位于涡流区域外部与紊乱风流附近，使得粉尘滞留时间较短。滞留时间较长的粉尘主要分布在巷道中后部区域的上层空间，这是由于该区域含尘风流较少且风速较低。
由图8可知，在回风侧截割滚筒三角区和连续采煤机尾部至巷道中部区域的粉尘颗粒流指数较大，与粉尘滞留时间较小的区域高度重合。
综合图5−图8可知，涡流区域内粉尘浓度较低，粉尘富集不明显。粉尘运移分布主要受冲击射流的影响，风流将粉尘裹挟向回风侧运移，进而回风侧粉尘富集较多，粉尘浓度较大。回风侧截割滚筒三角区和连续采煤机尾部至巷道中部区域的粉尘富集较多。在回风侧风速较大区域内，粉尘滞留时间较短，粉尘颗粒流指数较大，粉尘浓度较高，且粉尘滞留时间较短区域与粉尘颗粒流指数较大区域高度重合。
3.1.2 巷道截面中的粉尘运移及分布
沿连采工作面的巷道走向（Z方向）、巷道高度方向（Y方向）及巷道宽度方向（X方向）截取相应截面，研究连采工作面粉尘运移及分布规律。
距离采煤壁面0，0.5，5，10，20，30 m处粉尘浓度分布如图9所示。
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图 9 距采煤壁面不同距离处粉尘浓度分布Figure 9. Dust concentration distribution at different distances from coal wall由图9可知，在Z=0截面，高浓度粉尘分布在连续采煤机截割工作面的产尘区域，受冲击射流的裹挟及粉尘自身重力作用，粉尘云团由矩形产尘面向回风侧和巷道底板运移，综合作用下粉尘云团浓度呈由中心向周围降低的倒梯形分布。由于大部分含尘风流受连续采煤机机身的阻挡，沿巷道空隙向巷道出口运移，在Z=0.5 m截面，高浓度粉尘云团分布在巷道回风侧截割滚筒三角区。当含尘风流运移到连续采煤机机身中部时，向巷道出口运移的含尘风流并不是完全沿着巷道运移的，且随着运移距离的增加，风流对粉尘的裹挟作用减弱，大粒径粉尘在运移过程中发生沉降，因此在Z=5 m截面，回风侧截割滚筒三角区的粉尘浓度相应降低，粉尘云团的区域面积相应减小。小粒径粉尘在涡流区内发生富集，在Z=5 m截面，粉尘在连续采煤机上方区域形成浓度为100～200 mg/m3的粉尘富集云团。当含尘风流进一步运移时，因巷道底板和顶板阻碍而改变方向的含尘风流在梭车区域聚拢，在Z=10 m截面，回风侧底部三角区的粉尘云团位置略有上移，且凹槽形状的梭车及其中倾斜的箱板截留了部分粉尘。当粉尘运移到Z=20 m截面处时，由于截面面积扩大，风流运移空间相对自由，风速随之降低，风流对粉尘的裹挟作用减弱，粒径较大粉尘发生沉降，粒径较小粉尘发生扩散，所以综合体现为粉尘云团浓度降低与面积扩大。含尘风流继续向巷道出口运移，风流对粉尘的裹挟作用进一步减弱，粒径更小的粉尘进一步发生扩散，当粉尘最终运移到出口位置（Z=30 m截面）时，粉尘云团的浓度进一步降低，粉尘云团的形成位置在空间内更具自由性。
距离巷道底板0，0.5，1，2，3.5 m处粉尘浓度分布如图10所示。
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图 10 距巷道底板不同距离处粉尘浓度分布Figure 10. Dust concentration distribution at different distances from roadway floor由图10可知，在巷道底板（Y=0截面），高浓度粉尘云团主要分布于回风侧连续采煤机与梭车区域。在Y=0.5 m截面，分布于回风侧连续采煤机与梭车区域的粉尘云团浓度虽然降低，但粉尘云团分布呈更完整的条带状，粉尘运移受梭车的截留作用，粉尘在梭车内发生富集。在Y=1 m截面，高浓度粉尘主要分布于梭车区域，矩形产尘区域内粉尘受风流的裹挟作用，在该截面中部形成较高浓度的粉尘云团。在Y=2 m截面，粉尘受涡流区风流的富集作用，部分粉尘分布于连续采煤机上方，因风流对粉尘的裹挟作用减弱与粉尘自身的扩散作用，粉尘在截面中后部富集。在Y=3.5 m截面，粉尘因涡流区的富集作用，在连续采煤机与风筒间形成了较高浓度的粉尘云团。
距离回风侧巷道壁面1，2，3，4，5，6 m处粉尘浓度分布如图11所示。
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图 11 距回风侧巷道壁面不同距离处粉尘浓度分布Figure 11. Dust concentration distribution at different distances from roadway wall of return air side由图11可知，在X=1 m截面，风流经过梭车后，由于断面面积急剧扩大而形成尾流区，含尘风流流经尾流区撞击到巷道底板后运移方向发生改变，所以粉尘在截面中后部区域呈凹形条带分布。由于粉尘主要沿巷道回风侧向巷道出口运移，所以仅在X=1 m截面有较明显的粉尘云团。由于部分含尘风流撞击到巷道底板导致运移方向发生改变，变向的含尘风流流经连续采煤机上方区域，所以在X=2 m截面，连续采煤机上方区域有较明显的粉尘云团，又因梭车对含尘风流的截留作用，梭车内有较明显的粉尘云团。由于涡流区的形成位置靠近进风侧，且粉尘运移主要受冲击射流的影响，涡流区内粉尘富集不明显，仅在巷道宽度方向的中间位置（X=3，4 m截面）有较明显的粉尘云团。大部分含尘风流向巷道出口运移的过程中，有部分含尘风流流经风筒并形成了圆柱绕流，所以在X=5 m截面，后段风筒附近有较明显的粉尘云团。在X=6 m截面，因含尘风流在巷道中后部裹挟粉尘的能力降低，粉尘云团形成更自由，粉尘云团浓度也进一步降低。
3.2 不同粒径粉尘运移及分布
距离采煤壁面0.5，5，10，20，30 m处粉尘粒径分布如图12所示。
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图 12 距采煤壁面不同距离处粉尘粒径分布Figure 12. Dust particle size distribution at different distances from coal wall由图12（a）可知：微尘（粒径∈（0.25，10] μm）、细尘（粒径∈（10，40] μm）和粗尘（粒径∈（40，85] μm）数量均随着距采煤壁面距离的增大而减少，说明含尘风流向巷道出口运移的过程中，微尘、细尘、粗尘都发生了沉降；含尘风流运移到巷道出口位置时，粗尘沉降最多，细尘次之，微尘沉降最少；在Z∈[0.5，20）m区域粗尘沉降最多，细尘次之，微尘沉降最少，但在Z∈[20，30） m区域细尘与微尘的沉降量相近，这主要是由于风流向巷道出口运移的过程中，随着风速的衰减，风流对粉尘的裹挟作用减弱。
由图12（b）可知：在Z=0.5，5m截面，粗尘占比最大；在Z=10，20，30 m截面，细尘占比最大；微尘、细尘占比均随着距采煤壁面距离的增大而增大，粗尘占比随着距采煤壁面距离的增大而减小。
距离巷道底板0，0.5，1，2，3.5 m处粉尘粒径分布如图13所示。
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图 13 距巷道底板不同距离处粉尘粒径分布Figure 13. Dust particle size distribution at different distances from roadway floor由图13（a）可知，微尘、细尘、粗尘数量随着距巷道底板距离的增大均呈先增多后减少的变化趋势，这是由于矩形产尘面位于Z=0截面的中部及冲击射流的作用。
由图13（b）可知：在Y=0，0.5，1 m截面，粗尘占比最大，微尘占比最小；在Y=2，3.5 m截面，细尘占比最大，微尘占比最小，粗尘占比急剧减小，其中在Y=3.5 m截面，细尘占比过半，粗尘、微尘的占比相近；微尘、细尘占比随着距巷道底板距离的增大而增大，粗尘占比随着距离巷道底板距离的增大而减小。
距离回风侧巷道壁面1，2，3，4，5，6 m处粉尘粒径分布如图14所示。
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图 14 距回风侧巷道壁面不同距离处粉尘粒径分布Figure 14. Dust particle size distribution at different distances from roadway wall of return air side由图14可知：微尘、细尘、粗尘数量均随着距回风侧巷道壁面距离的增大而减小；沿巷道宽度方向各截面中细尘占比最大，微尘占比最小；粗尘占比随着距回风侧巷道壁面距离的增大而减小，细尘、微尘占比总体随着距回风侧巷道壁面距离的增大而增大。
综合图9−图14可知：① 梭车截留粉尘于梭车内富集形成高浓度粉尘云团；涡流区将部分粉尘富集于连续采煤机上方区域；富集在尾流区域的高浓度粉尘云团呈凹形条带状。② 微尘、细尘、粗尘向出口运移的过程中均发生沉降，其中粗尘沉降最多，微尘沉降最少；微尘、细尘、粗尘的数量随着距巷道底板距离的增大均呈先增多后减少的变化规律；微尘、细尘、粗尘的数量随着距采煤壁面距离、回风侧巷道壁面距离的增大而减少。
3.3 不同风速下粉尘运移及分布
在风流场、粉尘浓度及粉尘粒径分布规律分析的基础上，截取呼吸带高度（Y=1.5 m）截面，从粉尘浓度与粉尘粒径分布2个方面研究不同风速下连采工作面粉尘运移及分布规律。
3.3.1 不同风速下粉尘浓度分布
不同风速下呼吸带粉尘浓度分布如图15所示。
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图 15 不同风速下呼吸带粉尘浓度分布Figure 15. Dust concentration distribution in respiratory zone under different wind speeds由图15可知，大部分含尘风流沿采煤壁面向回风侧运移，高浓度粉尘云团主要分布于回风侧截割滚筒三角区及回风侧连续采煤机尾部至巷道中部区域。风速较低时，风流对粉尘的裹挟作用较弱，粉尘较易富集形成浓度较高、面积较大的粉尘云团。随着风速增大，风流裹挟更多粉尘更快地向巷道出口运移，所以粉尘云团的面积和浓度均随着风速的增大而减小。根据粉尘云团面积与浓度减小幅度可初步得出1.6 m/s的排尘风速较为合理。
在进风侧风筒正下方与回风侧未受连续采煤机阻碍处，每间隔2 m在呼吸带高度（Y=1.5 m）位置设置粉尘浓度监测点，15个监测点的粉尘浓度均值如图16所示。
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图 16 呼吸带进回风侧粉尘浓度分布Figure 16. Dust concentration distribution in inlet and return air sides of respiratory zone由图16（a）可知，呼吸带进风侧粉尘浓度相对较小，在120 mg/m3以下，且随着距采煤壁面距离的增加，粉尘浓度呈波动变化趋势。进风风速为0.5 m/s时，距采煤壁面20 m处粉尘浓度最高，距采煤壁面4 m处粉尘浓度最低。相邻风速下的粉尘浓度差值随着风速增大而减小，且风速在1.6 m/s以上时粉尘浓度差值减小不明显，进一步得出1.6 m/s的排尘风速较为合理。
由图16（b）可知，呼吸带回风侧粉尘浓度随着距采煤壁面距离的增加也呈波动变化趋势，但与呼吸带进风侧相比波动幅度更大，粉尘浓度更高，最高粉尘浓度近800 mg/m3。呼吸带回风侧相邻风速下的粉尘浓度差值也随着风速增大而减小，因为回风侧粉尘浓度总体偏高，所以相邻风速下的粉尘浓度差值总体偏大，回风侧也同样表现出风速在1.6 m/s以上时粉尘浓度差值减小不明显，再次说明1.6 m/s的排尘风速较为合理。
由上述分析可知，粉尘主要在巷道回风侧运移，因此以0.5 m/s风速下回风侧15个监测点的粉尘浓度为初始浓度，以1.0 m/s风速下回风侧15个监测点的粉尘浓度为最终浓度，计算1.0 m/s风速相对于0.5 m/s风速的排尘率，然后再以1.0 m/s风速下15个监测点的粉尘浓度为初始浓度，以1.6 m/s风速下15个监测点的粉尘浓度为最终浓度，计算1.6 m/s风速相对于1.0 m/s风速的排尘率，以此类推，计算不同风速下的排尘率，结果如图17所示。
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图 17 呼吸带回风侧不同风速排尘率Figure 17. Dust removal rate under different wind speeds on return air side of respiratory zone由图17可知，各风速下的排尘率均有为负的情况，说明风速的增大并不能对回风侧所有区域的粉尘进行排除，会使回风侧某些区域的粉尘发生富集现象，但风速增大有利于排除大部分区域的粉尘。1.0，1.6，2.3，3.1，4.0 m/s风速下的最低排尘率分别为−447.7%，−95.5%，−139.9%，−255.5%，−433.3%，最高排尘率分别为85.4%，88.9%，95.1%，71.1%，85.1%。1.6 m/s风速下的最低排尘率最大，2.3 m/s次之；2.3 m/s风速下的最高排尘率最大，1.6 m/s次之。考虑到风速持续增大对连采工作面安全生产的不利影响，最终确认1.6 m/s的排尘风速较为合理。
综合图15−图17可知：粉尘主要分布在呼吸带回风侧一带的连续采煤机、梭车和巷道中部区域；随着风速增加，较大浓度的粉尘云团面积减小，但减小程度递减；进风侧、回风侧粉尘浓度随着风速增加而减小，风速增大有利于排除大部分区域的粉尘，但不能对回风侧所有区域的粉尘进行排除；1.6 m/s的排尘风速较为合理。
3.3.2 不同风速下粉尘粒径分布
在风流场计算稳定后，开启离散相，通过Fluent自带的采样功能，得到呼吸带粉尘随风速变化的分布情况，如图18所示。
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图 18 不同风速下呼吸带粉尘粒径分布Figure 18. Dust particle size distribution in respiratory zone under different wind speeds由图18可知：微尘、细尘、粗尘数量随风速增加均呈先增多后减少的变化规律，其中风速由0.5 m/s增加到1.0 m/s时，微尘、细尘、粗尘的数量增加最明显，这说明随着风速增加，有更多粉尘进入到呼吸带高度平面，但随着风速继续增加，一些粉尘离开了呼吸带高度平面；细尘占比最大，微尘占比最小；微尘、细尘、粗尘占比分别为15%，54%，31%左右，基本不受风速变化的影响。
4. 连采工作面控降尘建议
由上述分析可知，虽然适当增大连采工作面风速（1.6 m/s）可有效改善呼吸带高度平面粉尘在局部区域的富集问题，但风速的提升也会扬起更多粉尘分布在呼吸带高度平面。相较于局部区域聚集的高浓度粉尘云团，离散的粉尘分布更广，危害更大，另外风速增大对采煤工艺、采煤效率及巷道支护影响也较大。鉴于此，对连采工作面的控降尘给出以下建议：
1） 以不影响安全生产、保护井下作业人员身心健康为前提，适当增大连采工作面的风速进行全局排尘。
2） 工作面的粉尘治理应优先对煤层进行注水开采，即从粉尘产生的源头控制，通过煤层注水润湿降低产尘量。
3） 针对微尘、细尘难以沉降的问题，在连续采煤机截割滚筒附近安装雾化效果良好的高压喷雾装置进行粉尘治理。
4） 在回风侧连续采煤机处安装局部电动除尘器进一步提升粉尘治理效果。
5. 结论
1） 连采工作面内粉尘运移主要受冲击射流区的影响向回风侧运移。大部分粉尘分布于回风侧截割滚筒三角区及连续采煤机尾部至巷道中部区域，且高浓度粉尘的富集与风速、滞留时间及颗粒流指数密切相关。涡流区内粉尘富集较少，部分粉尘富集于梭车内，尾流区内粉尘云团呈凹形条带状。
2） 含尘风流向巷道出口运移的过程中，粗尘沉降最多，微尘沉降最少；微尘、细尘、粗尘的数量随着距巷道底板距离的增大均呈先增多后减少的变化规律；微尘、细尘、粗尘的数量随着距采煤壁面距离、回风侧巷道壁面距离的增大而减少。
3） 在呼吸带高度处粉尘云团浓度和面积均随着风速增加而减小，且减小幅度逐渐降低。粉尘浓度随着距采煤壁面距离的增大呈波动变化，微尘、细尘、粗尘占比分别为15%，54%，31%左右，基本不受风速变化的影响。1.6 m/s的风速虽有利于高浓度粉尘区域的排尘，但会扬起更多粉尘进入呼吸带高度平面。因此既要合理增大风速进行全局排尘，也要采取针对性措施进行局部重点控降尘。
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图 7 连采工作面粉尘滞留时间分布
Figure 7. Dust residence time distribution of continuous mining face
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图 8 连采工作面粉尘颗粒流指数分布
Figure 8. Dust particle flow index distribution of continuous mining face
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图 9 距采煤壁面不同距离处粉尘浓度分布
Figure 9. Dust concentration distribution at different distances from coal wall
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图 10 距巷道底板不同距离处粉尘浓度分布
Figure 10. Dust concentration distribution at different distances from roadway floor
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图 11 距回风侧巷道壁面不同距离处粉尘浓度分布
Figure 11. Dust concentration distribution at different distances from roadway wall of return air side
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图 12 距采煤壁面不同距离处粉尘粒径分布
Figure 12. Dust particle size distribution at different distances from coal wall
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图 13 距巷道底板不同距离处粉尘粒径分布
Figure 13. Dust particle size distribution at different distances from roadway floor
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图 14 距回风侧巷道壁面不同距离处粉尘粒径分布
Figure 14. Dust particle size distribution at different distances from roadway wall of return air side
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图 15 不同风速下呼吸带粉尘浓度分布
Figure 15. Dust concentration distribution in respiratory zone under different wind speeds
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图 16 呼吸带进回风侧粉尘浓度分布
Figure 16. Dust concentration distribution in inlet and return air sides of respiratory zone
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图 17 呼吸带回风侧不同风速排尘率
Figure 17. Dust removal rate under different wind speeds on return air side of respiratory zone
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图 18 不同风速下呼吸带粉尘粒径分布
Figure 18. Dust particle size distribution in respiratory zone under different wind speeds
表 1 模拟参数设置
Table 1 Simulation parameters setting
参数 设置 参数 设置 入口边界类型 速度入口 粉尘类型 高挥发性煤 出口边界类型 自由出流 粒径分布 罗森−拉姆勒
分布函数入口速度/（m·s−1） 16.3 最小粒径/mm 0.001 壁面边界 反射 中位粒径/mm 0.032 壁面剪切条件 无滑移 最大粒径/mm 0.100 壁面运动 静止 分布指数 3.5 喷射源类型 面喷射 质量流率/（kg·s−1） 0.003 发尘时间/min 10 湍流扩散模型 随机轨道模型 
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