基于双目标正交优化的综合机械化掘进工作面通风参数控制研究

《Powder Technology》：Study on ventilation parameter control in a fully mechanized excavation face based on dual-objective orthogonal optimization

　　通风参数对风流-粉尘耦合的影响。以PWAEC和S为指标的双目标粉尘控制优化。各参数在双目标下的敏感性排序确定。煤矿动态通风控制的分时策略。引言随着全球一次能源消费的持续增长，考虑到我国石油和天然气资源有限，煤炭在我国能源结构中仍占主导地位[1], [2], [3]。尽管综掘技术的快速进步大大提高了掘进效率，但也产生大量粉尘于掘进工作面[4], [5]。煤尘不仅降低了井下作业人员的能见度，增加了安全风险，还会导致煤矿工人罹患肺部疾病[6], [7], [8]。我国在职业病新发病例、累计病例及死亡病例方面均居世界首位，主要为煤工尘肺[9], [10]。因此，研究隧道内有效粉尘控制对于确保作业安全和改善工人健康具有重要意义[11], [12]。主要的粉尘控制方法有通风和喷雾洒水[13]。通风因其不增加隧道湿度、运行稳定且维护成本低而被广泛应用[14]。研究人员应用气固两相流理论和数值模拟分析隧道内风流和粉尘的扩散，取得了显著进展[15], [16]。Li等人采用欧拉-拉格朗日方法确定了采场内的风流分布和多源粉尘浓度[17]。Liu等人提出了一种横向风幕控尘技术，在负压吸尘和风幕密封的协同作用下，粉尘浓度降低了75%，有效减轻了煤尘污染[18]。Gao等人开发了一种新型轴向-径向分流通风系统，将瓦斯浓度降至1%以下，并将工作面粉尘浓度降低了99.5%[19]。Sun等人提出了一种用于大断面的全封闭风幕控制技术。通过风幕阻挡粉尘和风机净化的联合作用，建立了全域风幕，显著抑制了粉尘的扩散速度、扩散距离和质量浓度[20]。Zhao等人利用CFD研究了通风距离对粉尘迁移的影响，建议将风幕与除尘风机结合，以在常规掘进过程中有效控制粉尘[21]。Xiao等人研究了三种通风模式下风流和粉尘的时空变化，阐述了粉尘控制机制和粉尘粒径分布。他们得出结论，最佳模式是压抽式通风与分流控尘相结合，可将粉尘浓度降低90%[22]。Liu等人改变压入式通风系统中压风筒出风口至工作面的距离，考察其对风流-粉尘耦合的影响，并研发了一种纵向扇形风幕发生器，有效降低了呼吸带区域的粉尘浓度[23]。Nie等人研究了单进风通风下风流和粉尘的时空演化，基于除尘原理设计了一种新型负压双抽风系统，并确定了最优抽风筒位置，在司机位置实现了86.55%的除尘效率[24]。Lu等人研究了不同截割位置下截割头旋转时的粉尘迁移，提出了适应掘进过程中不同污染程度的动态控尘措施[25]。Yu等人利用CFD揭示了现场粉尘和瓦斯的扩散规律，提出了一种前向分流技术，该技术在控制瓦斯浓度的同时有效降低粉尘污染，尤其对呼吸性粉尘有效，并使瓦斯浓度保持在低位[26]。尽管已有研究系统地探讨了通风控尘技术，但仍存在两个不足。首先，很少有研究关注掘进过程中工人实际所在区域的粉尘浓度。其次，以往大多数工作通过分析粉尘扩散过程来评估粉尘输送能力。然而，扩散距离仅反映粉尘云前锋的迁移，无法表征整个隧道内粉尘的动态输送能力。因此，本研究采用计算流体力学，重点研究射流控制的四个关键维度。采用正交试验设计，分析风筒偏转角、风筒至迎头距离、风筒至回风侧壁距离及风量对隧道内局部控尘和动态粉尘输送的影响。基于不同作业区域的粉尘浓度，计算人员加权平均暴露浓度（PWAEC）。根据隧道出口粉尘浓度与隧道内平均粉尘浓度之间的时间依赖关系，构建一个综合输送评价指标（S）。然后对四个通风参数进行敏感性分析，得出两个试验指标的最优参数组合。基于这些结果，提出分时通风策略，为整个隧道掘进过程中的通风参数控制提供工程指导。章节片段连续相流场模型综掘工作面的粉尘扩散行为主要受隧道内风流分布控制。风流被视为连续相，其运动采用欧拉方法描述[27]。根据质量守恒定律，控制方程可写为：[28]?/?x_i (ρ u_i) = 0其中，x_i 和 x_j 分别表示沿 x 轴和 y 轴的位移；ρ 是流体密度；u_i 和 u_j 是 x 轴方向的速度分量。几何模型构建本研究基于王庄煤矿9103综掘工作面。隧道为矩形断面（长100 m，宽5.6 m，高3.9 m），采用压入式通风系统，风筒（直径0.8 m）沿侧壁悬挂，风筒中心线距壁面1.2 m，出风口距迎头4 m。供风量为900 m3/min。掘进机位于隧道中心，转载机和带式输送机...隧道内流场分布特征综掘隧道内粉尘颗粒细小且惯性低，其扩散主要受风流控制[46]。因此，在研究粉尘扩散之前，应先分析掘进工作面处的风流迁移特性。利用Fluent获得流场数据，采用CFD-POST后处理模块对模拟结果进行可视化。图5显示了综掘...职业健康风险评估根据GBZ 2.1–2019，总煤尘（游离SiO?含量<10%）的时间加权平均容许浓度（PC-TWA）为4 mg/m3。我们的测量结果对应于总粉尘浓度，使用CCZ-1000A粉尘采样器获得。对比显示，原始方案下的PWAEC（397.1 mg/m3）超出国家限值约99倍，即使在空间最优通风参数下（149.6 mg/m3），仍超出限值约37倍。结论本研究采用计算流体力学分析隧道掘进过程中的风流迁移特性和粉尘时空演化。通过正交试验和极差分析，确定了通风参数对局部控尘和动态输送的敏感性，并确定了不同目标下的最优参数组合。基于实际生产条件，提出了分时通风策略。...CRediT作者贡献声明Yuxuan Guo：写作——审阅与编辑，写作——原稿，方法学，形式分析，数据管理。Hongbao Zhao：监督，项目管理，概念化。Baoyu Wei：调查，数据管理。Xuebing Wang：验证，数据管理。Zhiwei Xu：调查，数据管理。未引用文献[40]利益冲突声明作者声明，他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。致谢本研究由深地探测与矿产资源勘探-国家科技重大专项（2024ZD1004503）资助。Yuxuan Guo|Hongbao Zhao|Baoyu Wei|Xuebing Wang|Zhiwei Xu