Study on airflow-coal dust dispersion pattern and control technology in fully mechanized mining face
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摘要:
综采工作面采煤机在截割煤体时会产生明显的湍流风，使得采煤区风速发生变化，诱导煤尘颗粒向人行道区域横向扩散。为探究截割湍流风对截割煤尘横向扩散规律的影响，采用多重参考系（MRF）模型对滚筒旋转割煤进行仿真，对不同割煤状态下综采工作面风流−煤尘耦合运移规律进行数值模拟，得到工作面风流分布与煤尘浓度分布的关系。为降低截割湍流风对煤尘横向扩散的影响，提出一种采煤机尘源跟踪喷雾降尘系统，通过安装在支架顶梁或前探梁上的喷雾装置在采煤机滚筒与人行道间形成雾幕，削弱截割湍流风的扰动作用，阻隔煤尘颗粒横向扩散，实现对滚筒截割尘源的动态跟踪。仿真结果表明，不同割煤状态下滚筒转动产生的截割湍流风使风流向人行道区域发生偏移，当滚筒转速为29.29 r/min、系统风速为1.40 m/s时，其横向偏移分速度可超过0.54 m/s，并使煤尘颗粒向人行道区域扩散，出现浓度超过300 mg/m3的煤尘团，尤其是顺风割煤时煤尘横向扩散更为明显，人行道处煤尘浓度达385.12 mg/m3。现场测试结果表明，采煤机尘源跟踪喷雾降尘技术的降尘率达83.68%，且单个喷洒点的待机能耗低于10 W。
Abstract:The shearer in a fully mechanized mining face generates significant turbulent airflow during coal cutting, resulting in changes in airflow velocity in the mining area and causing the lateral dispersion of coal dust particles toward pavements. To investigate the effect of cutting-induced turbulent airflow on the lateral dispersion of coal dust, the Multiple Reference Frame (MRF) model was applied to simulate drum rotation during coal cutting. Numerical simulations were conducted to analyze the coupled transport patterns of airflow and coal dust under different coal cutting conditions, revealing the relationship between airflow distribution and coal dust concentration distribution in the mining face. To reduce the impact of cutting-induced turbulent airflow on the lateral dispersion of coal dust, a dust source tracking and spray dust suppression system for the shearer was proposed. The system formed a mist curtain between the shearer drum and the pavements using spray devices installed on the canopy or the front cantilever beam of the support. It effectively mitigated the disturbance caused by turbulent airflow, prevented the lateral dispersion of coal dust particles, and enabled dynamic tracking of the dust source generated by drum cutting. The simulation results showed that the turbulent airflow generated by drum rotation under different cutting conditions caused airflow to shift laterally toward the pavements. When the drum rotation speed reached 29.29 r/min and the system airflow velocity was 1.40 m/s, the lateral velocity shift exceeded 0.54 m/s, causing coal dust particles to diffuse into the pavements and resulting in coal dust concentrations exceeding 300 mg/m3. This phenomenon was particularly pronounced during downwind coal cutting, where the coal dust concentration in the pedestrian area reached 385.12 mg/m3. Field test results indicated that the dust source tracking and spray dust suppression technology for the shearer achieved a dust suppression efficiency of 83.68%, while the standby power consumption of a single spray point remained below 10 W.
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0. 引言
我国是煤炭生产和消费的主要国家之一，随着煤炭开采自动化和智能化技术的不断进步，开采强度相应增加，导致产尘量显著上升[1-3]。在当前开采环境下，综采工作面的总粉尘浓度和呼吸性粉尘浓度分别可达4 000 mg/m3和1 100 mg/m3[4]。综采工作面煤尘团浓度过高一方面污染环境，危害一线作业人员健康；另一方面，由于其具有爆炸性，对煤矿安全生产造成了严重影响。因此，需对综采工作面煤尘污染进行治理，其首要任务是准确掌握煤尘的运移扩散规律。
采煤机截割过程中产生的煤尘是主要产尘源，学者们对截割煤尘扩散规律进行了大量研究。陈芳[5]指出由于采煤设备的阻挡，采煤区风流发生明显变化，风速呈现“M”形变化趋势。张辛亥等[6]研究了大采高综采工作面在多尘源情况下呼吸带范围粉尘浓度分布，得出采煤机下风侧附近产生3 m/s的湍流，致使人行道区域粉尘浓度迅速升高。赵卫强等[7]分析了综采工作面截割粉尘运动规律，指出采煤机滚筒后方10 m范围内是主要的防尘区域。在不同割煤状态下的粉尘运移规律表现出一定差异性。姚锡文等[8]对比了不同通风条件下风流−粉尘耦合扩散规律，得到不同割煤状态下的降尘机理与大倾角综采工作面最优排尘风速。刘晴等[9]研究了采煤机截割粉尘和工作面沿程粉尘的分布情况，指出顺风割煤时，风流扰动使粉尘迅速向作业空间扩散，而逆风割煤时，滚筒牵连产尘对工作面粉尘污染起主导作用。
滚筒截割煤体时产生的湍流风使采煤区风流发生横向偏移，诱使煤尘颗粒向人行道区域扩散[10-11]。周刚等[12]研究了大采高综采工作面风流−呼尘耦合运移规律，明晰了风流对呼尘分布的影响。王存飞[13]与左冬元[14]指出大尺寸采煤机滚筒截割煤体时会产生较为强劲的湍流风，风流的横向偏移更显著。孙彪等[15]指出截割湍流风对煤尘的诱导作用是由于采煤机滚筒叶片运转时在采煤机滚筒附近产生一定强度的涡流扰动。综采工作面采煤机截割煤体时会产生明显的湍流风，使得采煤区风速发生变化，诱导煤尘颗粒向人行道区域横向扩散。然而对截割湍流风的描述多采用平均值法，即在滚筒附近取多个测点，取平均测量值作为截割湍流风的风速。由于滚筒旋转截割煤体所产生的湍流风是紊乱的，平均值法不能准确反映截割湍流风的方向性。
多重参考系（Multiple Reference Frame，MRF）模型支持在同一流体域中定义多个参考系，每个参考系可以独立设置旋转速度和方向，适应复杂的多旋转部件场景，如综采工作面采煤机截割煤体运动。同时作为稳态方法，MRF模型避免了瞬态模拟中可能出现的数值振荡问题，提高了模拟的稳定性。为明晰不同割煤状态下滚筒截割煤体产生的截割湍流风对煤尘横向逸散的影响，本文采用MRF模型描述滚筒旋转截割煤体状态，以期更加贴近现场实际情况，探究不同采煤状态下截割湍流风对采煤区风流−煤尘扩散运移的影响作用，并提出采煤机尘源跟踪喷雾降尘技术，为综采工作面截割煤尘防治工作提供借鉴。
1. 基于MRF的综采工作面风流−煤尘逸散模型
根据是否存在旋转或移动，将流场分为旋转域和静止域，再将不同的旋转和平移速度分配到各个区域，在区域交界面上通过将速度换算成绝对速度的形式进行流场信息交换[16]。
综采工作面采煤机截割煤体时，旋转的滚筒在割煤的同时产生一定强度的湍流风，对滚筒附近的风流场产生扰动影响。为进一步明晰截割湍流风对综采工作面风流−煤尘逸散规律的影响，采用MRF对采煤机滚筒旋转进行仿真分析。设置采煤机滚筒为旋转域，综采工作面其余区域为静止域。与常规流动问题不同，因旋转域涉及流体旋转流动，MRF模型中静止域与旋转域分别对应不同的连续性方程与动量方程。
假设气流为不可压缩流体，则静止域内气流的连续性方程和动量方程分别为[17-18]
$$ \frac{\partial }{{\partial {x_i}}}\left( {\rho {u_i}} \right) = 0 $$ (1) $$ \frac{\partial }{{\partial t}} \left( {\rho {u_i}} \right) + \frac{\partial }{{\partial {x_j}}} \left( {\rho {u_i}{u_j}} \right) = \frac{\partial }{{\partial {x_j}}} \left[ {\left( {\mu + {\mu _t}} \right)\left( {\frac{{\partial {u_i}}}{{\partial {x_j}}} + \frac{{\partial {u_j}}}{{\partial {x_i}}}} \right)} \right] - \frac{{\partial p}}{{\partial {x_i}}} $$ (2) 式中：xi和xj分别为x轴和y轴的坐标，m；ρ为空气密度，kg/m3；ui和uj分别为x轴和y轴上的速度分量，m/s；t为时间，s；μ为流体黏性系数，Pa·s；μt为湍流黏性系数，Pa·s；$ {p} $为压强，Pa。
旋转域内气流的连续性方程和动量方程分别为
$$ \frac{\partial}{\partial t}\left(\alpha\rho\right)+\frac{\partial}{\partial x_i}\left(\alpha\rho u_{ri}\right)=0 $$ (3) $$ \begin{split}\frac{\partial}{\partial t}\left(\alpha\rho u_{\mathrm{r}i}\right)+\frac{\partial}{\partial x_j}\left(\alpha\rho u_{\mathrm{r}i}u_{rj}\right)=-\alpha\frac{\partial p}{\partial x_i}+\frac{\partial\tau_{ij}}{\partial x_j}+ \\ \alpha\rho g_i-M_{\mathrm{d}}-\boldsymbol{a}_{\mathrm{k}}-\boldsymbol{a}_{\mathrm{c}}\qquad\qquad \\ \end{split} $$ (4) 式中：$\alpha $为气体体积分数；$ {u}_{{\mathrm{r}}i} $和$ {u}_{{\mathrm{r}}{j} }$分别为x轴和y轴上的相对速度（基于旋转域的速度）分量，m/s；$ {\tau}_{{ij}} $为气体应力张量，Pa；$ {g}_{{i}} $为重力加速度，m/s2；$ {M}_{{\mathrm{d}}} $为气流和煤尘颗粒间的界面动量传递[11]，kg∙m/s；$ {{{\boldsymbol{a}}}}_{{\mathrm{k}}} $和$ {{{\boldsymbol{a}}}}_{{\mathrm{c}}} $分别为由于气流角速度和线速度的不稳定变化引起的科里奥利加速度和离心加速度，m/s2。
本文研究基于稳态，故$ \partial \left(\alpha \rho \right)/{\partial }_{\text{t}} $为0。在欧拉−拉格朗日坐标系中，根据牛顿第二定律得出煤尘颗粒受力平衡方程为[19-21]
$$ \dfrac{\text{d}{{{{\boldsymbol{u}}}}_{{{p}}}}}{{{\mathrm{d}}t}}\text={{{\boldsymbol{F}}}}_{g}+{{{\boldsymbol{F}}}}_{{\mathrm{d}}}\text+{{{\boldsymbol{F}}}} $$ (5) 式中：$ {{{{\boldsymbol{u}}}}_{\text{p}}} $为粉尘颗粒速度矢量，m/s；$ {{{{{\boldsymbol{F}}}}}}_{g} $为单位质量粉尘颗粒所受的重力和浮力之和，N；$ {{{\boldsymbol{F}}}}_{{\mathrm{d}}} $为单位质量粉尘颗粒所受的阻力，N；$ {{{\boldsymbol{F}}}} $为单位质量尘粒受到的包括虚拟质量力、压力梯度力、萨夫曼升力、马格努斯升力等在内的附加力，N。
2. 综采工作面几何模型构建及边界条件设置
2.1 综采工作面几何模型构建
三道沟煤矿85219工作面煤层厚度为4.49～7.01 m，平均煤厚为6.2 m；回风巷净高为4 m，净宽为5.4 m；运输巷净高为4 m，净宽为6 m。工作面沿煤层走向推进，采用走向长壁一次采全高综合机械化采煤法。根据三道沟煤矿85219工作面实际工况，使用SolidWorks软件建立几何模型，如图1所示。生产设备主要包括采煤机、液压支架、刮板输送机、破碎机及带式输送机。为计算简便，将工作面近似为180 m×6.2 m×3.8 m的长方体，设采空区尺寸为180 m×8.3 m×6.8 m，进风巷与回风巷的尺寸为4.8 m×3.8 m×70 m。X轴正方向为系统风流运动方向，Y轴正方向为工作面底板至顶板的方向，Z轴正方向为煤层推进方向。
85219综采工作面选用的采煤机型号为MG750−1860−WD，采高为3.8 m，滚筒直径为2.24 m，截深为0.865 m，叶片数为4，每一叶片上布置9个截齿，安装角度为0，采煤机端盘上共22个截齿，一一交错布置。采煤机滚筒如图2所示，为更精确模拟滚筒转动，设包裹旋转体（采煤机滚筒）的圆柱体为旋转域，在Fluent中通过MRF设置旋转域的转速，实现对采煤机滚筒旋转的仿真。圆柱体的轮廓为旋转域与静止域的边界层，其余区域为包含非旋转体的静止域。
2.2 网格划分
采用ANSYS Meshing软件对几何模型进行网格划分。通过调整偏斜度、捕获邻近度和最小曲率等参数，进行高质量网格划分，如图3所示。旋转域中滚筒边界层、滚筒截齿和叶片是产生截割湍流风的重点，而且气流流经这些区域时流动特性复杂多变，因此需要使用足够精细的网格来确保模拟结果的准确性和可靠性。设置静止域网格单元尺寸为0.4 m，最小曲率和邻近度为0.1 m；旋转域网格单元尺寸为0.4 m，最小曲率和邻近度为0.02 m。网格质量参数见表1。
表 1 网格质量参数Table 1. Mesh quality parameters参数 数值 偏斜度 最大值 0.797 46 平均值 0.230 52 最小值 2.342 2×10−5 单元质量 最大值 0.999 99 平均值 0.835 91 最小值 0.204 47 网格数 9 397 802 2.3 边界条件设置
按照MG750−1860−WD型采煤机实际转速，设置MRF模型中前后滚筒的旋转速度分别为29.29，−29.29 r/min，顺时针方向为正。其他边界条件参照综采工作面实际情况设置，入口风速按照进风巷断面平均风速设置为1.40 m/s，根据进风巷尺寸求得水力直径为4.24 m，结合进风巷风速得出湍流强度为3.17 %，见表2。
表 2 风流模拟边界条件设置Table 2. Setting of boundary conditions for wind flow simulation参数 设置 参数 设置 入口边界类型 速度入口 入口风速/（ m∙s−1） 1.40 水力直径/m 4.24 湍流强度/% 3.17 出口边界类型 压力出口 求解器 Pressure-based 湍流模型 可实现
k-epsilon计算步数 1 000 后滚筒转速/
（ r∙min−1）29.29 前滚筒转速/
（ r∙min−1）−29.29 根据三道沟煤矿85219工作面的实际工况，设置采煤机截割煤体产尘的离散项模型参数，见表3。
表 3 煤尘模拟参数设置Table 3. Parameter settings for coal dust simulation参数 前滚筒 后滚筒 粒径分布 Rosin-Rammler Rosin-Rammler 最小粒径/µm 0.29 0.45 最大粒径/µm 7.07 7.07 中粒径/µm 3.44 4.27 质量流率/（g∙s−1） 18.00 7.00 分散系数 3.38 3.38 对综采工作面风流场进行稳态计算，待风流场解收敛后，进一步开展煤尘瞬态模拟分析。为保证模拟精度，设置仿真计算时间步长为0.01 s，总计算步数为1 000步。在瞬态计算过程中，各时间步的模拟结果均满足预设的残差收敛要求。为评估煤尘浓度模拟结果的稳定性，监测采煤区内煤尘浓度变化，结果表明，当模拟时间超过35 s时，煤尘浓度基本趋于稳定，最终浓度为1.522 958×10−4 kg/m3。这一结果表明煤尘模拟数据已达到稳定状态，验证了模型的收敛性与可靠性。
3. 基于MRF的采煤机滚筒旋转仿真
通过MRF模型得到综采工作面风流−煤尘运移扩散结果，为验证MRF模型仿真截割湍流的准确性，同时检验边界条件及参数设置的合理性，对三道沟煤矿85219工作面进行现场煤尘浓度测定。采煤作业开始10 min后，利用煤尘浓度采样器对采煤区人行道呼吸带高度处的煤尘浓度进行采样，等距离选取采煤区内的5个采样点，同一测点测量3次并取平均值。
模拟结果与现场测量结果对比如图4所示。采用MRF模型描述截割湍流风时，煤尘浓度的相对误差为8.74 %～10.40 %，考虑到现场采煤作业的复杂性及测量过程存在的人为误差，认为该误差在可接受范围内。该结果说明使用MRF模型能够精确描述采煤机滚筒截割煤体时产生的截割湍流风对工作面风流场的扰动作用，同时验证了边界条件选取及其参数设置的合理性。
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图 4 模拟结果与现场测量结果对比Figure 4. Comparison between simulation results and on-site measurement results3.1 风流横向偏移分速度分布
煤尘颗粒逸散规律除受重力作用外，主要受综采工作面风流扰动影响，滚筒截割煤体时产生的截割扰流风诱使煤尘颗粒向人行道发生横向扩散。为进一步分析不同割煤状态下截割湍流风对采煤区风流−煤尘扩散运移的影响，通过MRF模型将前滚筒转速设置为−29.29 r/min，后滚筒转速设置为29.29 r/min，对比分析系统风流速度为1.4 m/s时不同割煤状态下的风流运移规律，结果如图5与图6所示。由煤壁指向人行道区域为风流横向偏移分速度的正方向，其与Z轴的正方向相反，因此当横向偏移分速度为正时，风流向煤壁侧偏移；当横向偏移分速度为负时，风流向人行道区域偏移，且数值越大，风流偏移越明显。
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图 5 顺风割煤下风流横向偏移分速度分布云图Figure 5. Cloud map of lateral offset and velocity distribution of downwind flow during downwind coal cutting![]()
图 6 逆风割煤下风流横向偏移分速度分布云图Figure 6. Cloud map of lateral offset and velocity distribution of downwind flow during coal cutting against the wind不同割煤状态下滚筒转动产生的截割湍流风使风流向人行道区域发生偏移。在下滚筒处产生横向偏移分速度约为0.62 m/s的“风流偏移区”，风流贴附底板流经刮板输送机向人行道处运移，并从液压支架底座区域进入采空区，从而产生采空区漏风现象。上滚筒处产生横向偏移分速度约为0.54 m/s的“风流偏移区”，截割湍流风向上运移与液压支架顶梁发生碰撞后产生附壁效应，贴附着顶梁向人行道区域运移。相较于逆风割煤，顺风割煤时产生的截割湍流风对风流产生的横向偏移作用更明显。
滚筒截割煤体过程中会卷吸周围风流，使其向滚筒煤壁侧发生偏移，其原因为滚筒叶片的螺旋结构致使其在截割煤体时对周围空气产生强烈挤压，在滚筒后侧产生低压区，卷吸周围气流向滚筒侧偏移。相较于顺风割煤，逆风割煤时风流向滚筒侧的偏移更明显，在滚筒周围风流的横向偏移分速度超过0.50 m/s。同时，截割湍流风会对采煤区风流分布产生影响，尤其是使上下滚筒周围的气流分布变得更加紊乱。
3.2 不同截割高度处煤尘分布对比
为更深入地研究综采工作面截割湍流风对截割煤尘逸散规律的影响作用，研究顺风割煤和逆风割煤的不同截割高度处煤尘分布对比，如图7与图8所示。
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图 7 顺风割煤下不同截割高度处煤尘分布对比Figure 7. Comparison of coal dust distribution at different cutting heights under downwind coal cutting![]()
图 8 逆风割煤下不同截割高度处煤尘分布对比Figure 8. Comparison of coal dust distribution at different cutting heights under windward coal cutting顺风割煤时，截割煤尘在重力作用下整体表现出沉降行为，随后在系统风流推移过程中持续沉降。因此，距工作面底板越近，煤尘逸散面积越大。截割煤尘在截割湍流风的作用下，在近底板区域形成2条主要扩散路径。大部分煤尘颗粒随风流沿着煤壁及采煤机机身区域向下风侧扩散，另一部分煤尘颗粒在截割湍流风的作用下向人行道扩散。其中，一部分煤尘颗粒受液压支架支柱和掩护梁的阻挡作用，随风流在人行道内扩散，致使人行道煤尘浓度增加，出现浓度约为385.12 mg/m3的煤尘团。另一部分煤尘颗粒则随风流穿过液压支架空隙进入采空区。
对于顺风割煤，不同高度处人行道测点的煤尘浓度变化趋势大体一致，均呈现“增−减−增”的趋势。其原因如下：在截割湍流风作用下，截割煤尘逸散至人行道区域，使得人行道区域煤尘浓度升高；人行道区域风流速度趋于稳定，煤尘沉降现象越来越显著，人行道煤尘浓度开始降低；最后因采空区风流回流，采空区内煤尘与人行道内煤尘在人行道区域汇集，导致煤尘浓度再次升高。
逆风割煤时截割煤尘受重力影响更加明显。重力作用下在尘源处已出现煤尘颗粒沉降行为，随后在风流推移过程中持续沉降。由于逆风割煤移架工序滞后于采煤工序，煤尘整体路径有所变化。由于逆风割煤时截割湍流风的横向偏移特征较弱，少部分煤尘逸散至采空区；另一部分煤尘颗粒受采煤机的阻挡作用，在煤壁与采煤机机身间扩散，而后在上滚筒截割湍流风的影响下，在采煤机下风侧煤尘颗粒向人行道区域横向扩散，使该区域出现浓度约为344.57 mg/m3的煤尘团。
4. 采煤机尘源跟踪喷雾降尘技术及应用
4.1 采煤机尘源跟踪喷雾降尘技术
采煤机作业时滚筒割煤产生的截割湍流风诱导高浓度煤尘团向工作面采煤空间及人行区域扩散，严重污染了工作面作业环境。为降低截割湍流风对煤尘横向扩散的影响作用，研发了采煤机尘源跟踪喷雾降尘系统，通过跟踪滚筒割煤过程，在采煤机与人行道间实施沿程喷雾，以抑制煤尘向人行道区域扩散，达到有效治理采煤面煤尘污染的目的。
采煤机尘源跟踪自动喷雾降尘系统主要由主控制箱、分控制箱、红外发射器及其电源箱、红外接收器、电磁阀、喷雾装置、电源电缆、通信电缆及高压胶管等组成，如图9（a）所示。该系统通过实时感知采煤机运行位置，精确对滚筒及其下风侧进行喷雾，显著削弱截割湍流风的扰动作用，有效阻隔煤尘颗粒的横向扩散。同时，能够大幅减少煤尘生成量，降低采煤机下风侧的煤尘浓度，从而改善工作面环境，提升井下作业的安全性与舒适性。尘源跟踪自动喷雾效果如图9（b）所示。
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图 9 采煤机尘源跟踪自动喷雾降尘系统Figure 9. Shearer dust source tracking and automatic spray dust removal system当采煤机移动至支架上的红外接收器所在位置时，红外接收传感器实时捕获采煤机上红外发射器发射的红外信号，并将信号传输至主控制箱，主控制箱据此确定采煤机滚筒的具体位置和运动方向，同时触发电磁阀开启。随后，安装在支架顶梁或前探梁上的喷雾装置在采煤机滚筒的上下风侧根据预设程序自动启用喷雾系统，在滚筒与人行道之间形成雾幕。该系统中单个喷洒点的待机功耗小于10 W。
顺风割煤时，截割煤尘在近底板区域形成2条扩散路径：一部分随风流沿煤壁及采煤机机身扩散至下风侧；另一部分受截割湍流风作用向人行道扩散，并因液压支架的阻挡作用形成高浓度煤尘团（约385.12 mg/m3）。在顺风割煤条件下，喷雾系统的动态跟踪主要表现为对滚筒下风侧及近底板区域煤尘的重点覆盖。通过实时捕捉滚筒位置，喷雾装置沿滚筒运动轨迹喷射雾幕，精准抑制煤尘扩散。
逆风割煤时，煤尘在尘源处已发生显著沉降，扩散路径较顺风割煤有所变化：一部分煤尘进入采空区，另一部分集中于煤壁与采煤机之间，并向人行道方向形成煤尘团（约344.57 mg/m3）。对于逆风割煤，动态跟踪喷雾的重点是应对煤尘的初始沉降及煤壁附近的高浓度区域。系统会根据滚筒周围的煤尘分布实时调整喷雾位置，增强对采煤机后侧及煤壁区域的覆盖，同时维持人行道区域的适当喷雾，以应对少量煤尘的扩散。
4.2 煤尘浓度实测与降尘技术应用效果
为验证采煤机尘源跟踪喷雾降尘技术的除尘效果，在三道沟煤矿85219工作面的采煤区内等距选取5个测点进行现场煤尘浓度测定，对比降尘技术应用前后人行道区域煤尘浓度的变化情况，如图10所示。应用采煤机尘源跟踪喷雾降尘技术后煤尘浓度数值发生明显降低，降尘率达83.68%以上，验证了采煤机尘源跟踪喷雾降尘技术的有效性。
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图 10 采煤机尘源跟踪喷雾降尘技术应用前后对比Figure 10. Comparison before and after application of shearer dust source tracking and automatic spray dust removal technology5. 结论
1） 使用MRF模型能够精确描述采煤机滚筒截割煤体时产生的截割湍流风特征。将采煤机滚筒区域设置为旋转域，综采工作面其他区域设置为静止域，通过MRF模型设置旋转域的转速，可更精确地仿真采煤机滚筒旋转运动。采用MRF模型描述截割湍流风时，煤尘浓度相对误差为8.74%～10.40%。
2） 不同割煤状态下滚筒转动产生的截割湍流风使风流向人行道区域发生偏移，在煤壁与人行道之间产生横向偏移分速度超过0.54 m/s的“风流偏移区”。相较于逆风割煤，顺风割煤时产生的截割湍流风对风流产生的横向偏移作用更为明显。煤尘颗粒在截割湍流风的影响下向人行道区域扩散，使该区域出现浓度超过300 mg/m3的煤尘团。逆风割煤时截割煤尘受重力影响更加明显，重力作用下在滚筒处已出现煤尘颗粒沉降行为，随后在风流推移过程中煤尘颗粒持续沉降。
3） 提出了一种采煤机尘源跟踪喷雾降尘技术，通过采煤机与液压支架间的信息交互，实现对滚筒截割尘源的动态跟踪。在采煤机滚筒与人行道间形成雾幕，削弱截割湍流风的扰动作用，阻隔煤尘颗粒的横向扩散。现场测试结果表明，采煤机尘源跟踪喷雾降尘技术的降尘率达83.68%。
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图 4 模拟结果与现场测量结果对比
Figure 4. Comparison between simulation results and on-site measurement results
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图 5 顺风割煤下风流横向偏移分速度分布云图
Figure 5. Cloud map of lateral offset and velocity distribution of downwind flow during downwind coal cutting
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图 6 逆风割煤下风流横向偏移分速度分布云图
Figure 6. Cloud map of lateral offset and velocity distribution of downwind flow during coal cutting against the wind
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图 7 顺风割煤下不同截割高度处煤尘分布对比
Figure 7. Comparison of coal dust distribution at different cutting heights under downwind coal cutting
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图 8 逆风割煤下不同截割高度处煤尘分布对比
Figure 8. Comparison of coal dust distribution at different cutting heights under windward coal cutting
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图 9 采煤机尘源跟踪自动喷雾降尘系统
Figure 9. Shearer dust source tracking and automatic spray dust removal system
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图 10 采煤机尘源跟踪喷雾降尘技术应用前后对比
Figure 10. Comparison before and after application of shearer dust source tracking and automatic spray dust removal technology
表 1 网格质量参数
Table 1 Mesh quality parameters
参数 数值 偏斜度 最大值 0.797 46 平均值 0.230 52 最小值 2.342 2×10−5 单元质量 最大值 0.999 99 平均值 0.835 91 最小值 0.204 47 网格数 9 397 802 
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表 2 风流模拟边界条件设置
Table 2 Setting of boundary conditions for wind flow simulation
参数 设置 参数 设置 入口边界类型 速度入口 入口风速/（ m∙s−1） 1.40 水力直径/m 4.24 湍流强度/% 3.17 出口边界类型 压力出口 求解器 Pressure-based 湍流模型 可实现
k-epsilon计算步数 1 000 后滚筒转速/
（ r∙min−1）29.29 前滚筒转速/
（ r∙min−1）−29.29
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表 3 煤尘模拟参数设置
Table 3 Parameter settings for coal dust simulation
参数 前滚筒 后滚筒 粒径分布 Rosin-Rammler Rosin-Rammler 最小粒径/µm 0.29 0.45 最大粒径/µm 7.07 7.07 中粒径/µm 3.44 4.27 质量流率/（g∙s−1） 18.00 7.00 分散系数 3.38 3.38
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