低瓦斯隧道能源开采过程中气尘耦合危害机制与环保方案优化研究

本研究针对低瓦斯隧道开采过程中粉尘与瓦斯耦合危害这一重大安全问题，采用CFD数值模拟技术，系统研究了单一抽采通风模式下气流-瓦斯-粉尘耦合场的时空演化规律。通过对比不同抽采口距工作面距离(L)，发现L=1?m时工作面附近瓦斯和粉尘平均浓度最低(0.33%和226.1?mg/m3)，提出最佳风管布置方案为距工作面3?m，当L≥5?m时需调整风管位置。该研究为保障能源开采安全与环境保护提供了重要技术支撑。

　　

煤炭资源仍是全球重要能源，但在开采过程中产生的粉尘和瓦斯严重威胁安全生产。中国作为煤炭消费大国，职业性尘肺病和瓦斯爆炸事故频发，仅2020年前就发生484起瓦斯突出事故。北欧-波罗的海地区因冻土地质条件，传统通风除尘系统效率低下。如何实现低瓦斯隧道清洁高效开采，成为亟待解决的世界性难题。

山东科技大学的研究团队在《Powder Technology》发表论文，通过CFD(计算流体力学)数值模拟，首次系统揭示了单一抽采通风模式下气流-瓦斯-粉尘耦合场的时空演化规律。研究采用Realizable?κ-ε湍流模型和离散相模型(DPM)，基于实际隧道尺寸建立三维物理模型，模拟不同抽采口位置(L=1-5?m)下的污染物扩散特征。

构建物理模型
建立与实际隧道1:1对应的三维模型，主要设备参数严格参照现场布置，初始设定抽采口距工作面5?m。

气尘耦合场时空演化
研究发现隧道气流场可分为紊乱区(0-4?m)、涡流区(4-8?m)、过渡区(8-10?m)和稳定区(>10?m)。粉尘和瓦斯浓度在10?m范围内最高，超过10?m后对作业环境影响可忽略。

最优参数确定
数值模拟显示：当L=1?m时，工作面附近瓦斯和粉尘浓度达到最低值(0.33%和226.1?mg/m³)；当L<5?m时污染物对工人危害显著降低。结合施工难度，最终确定风管最佳位置为距工作面3?m，并建议L≥5?m时需调整风管位置。

该研究创新性地提出了适用于低瓦斯隧道的动态风管布置方案，既保障了开采安全，又实现了环境保护。研究结果对全球类似地质条件下的煤炭开采具有重要指导意义，特别是为高寒地区隧道工程提供了可借鉴的污染控制范式。论文由Wen?Nie团队完成，获国家自然科学基金等多项资助支持。