基于数值模拟的煤转运点诱导气流特性与粉尘扩散控制机制研究

为解决煤矿转运点因煤炭下落诱导气流导致的粉尘扩散难题，研究人员通过EDEM-Fluent耦合模拟结合现场试验，揭示了气流-煤流-粉尘三相耦合作用规律，发现粒径<50 μm粉尘易被气流裹挟逃逸，提出1 m冲击点下游+0.2 m出口上游的双喷雾抑尘方案，抑尘效率达71.76%，为智能矿山粉尘防控提供关键技术支撑。

　　

在智能化矿山建设的浪潮中，粉尘污染如同隐形杀手潜伏在煤炭运输环节。煤矿转运点作为产尘重灾区，煤炭自由下落时产生的诱导气流会裹挟大量微纳米级粉尘逃逸，不仅威胁矿工呼吸健康（尘肺病风险增加37%），还会引发"粉尘云"爆炸（最低爆炸浓度50 g/m³），更会干扰5G设备毫米波传输（信号衰减达15 dB）。传统研究多假设煤炭垂直自由落体，但实际转运系统中煤块与溜槽壁的碰撞、煤流分层等现象，使得诱导气流呈现复杂涡旋结构，现有模型难以准确预测粉尘扩散规律。

针对这一难题，北京粉尘危害工程控制重点实验室的Jiangshi Zhang团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表研究，首次构建了包含表面粗糙度参数的煤块-气流耦合模型。通过理论推导发现：单个煤块下落时诱导气流速度呈"线性-非线性"双阶段增长，当煤流速率超过8 kg/s时，诱导气流雷诺数Re突破2.3×10⁴，引发强烈湍流。采用EDEM(离散元法)模拟2.5-15 cm不规则煤块的运动轨迹，同时用Fluent计算气相场，双向耦合时间步长设为5×10^-5 s。山西某矿实际转运系统被建模为4个特征区域：加速区（气流速度梯度达18 s^-1）、平衡区（涡量强度0.45 m²/s）、减速区和扩散区。

关键发现包括：

1. 诱导气流特性：煤流速率每增加1 kg/s，出口气流速度提升0.28 m/s，影响程度是煤块粒径的3.2倍。在溜槽拐角处出现马鞍形压力分布，负压极值达-65 Pa。
2. 粉尘迁移规律：50 μm以下粉尘在加速区即被气流捕获，呈现"羽流跟随效应"，其扩散通量符合Fick第二定律，出口浓度较系统内部高47%。
3. 抑尘优化：双喷嘴布置方案使7 μm雾滴与粉尘的碰撞概率提升至0.82，对PM_2.5的捕集效率达68.3%，且喷雾角度60°时覆盖均匀性最佳。

这项研究创新性地揭示了实际转运工况下气固耦合机制，提出的"分区靶向抑尘"策略已在山西潞安集团应用，使作业面粉尘浓度从540 mg/m³降至152 mg/m³。未来结合LES(大涡模拟)优化喷嘴阵列，有望将抑尘效率提升至85%以上，为矿山粉尘防控提供了从理论到实践的完整解决方案。