综述：煤矿粉尘运移规律及基于数值模拟的抑尘方法研究

《Processes》：A Review of Dust Movement Laws and Numerical Simulation-Based Dust Suppression Methods in Coal Mines Shanshan Tang, Chaokun Wei, Wei Zhang, Mohd Danial Ibrahim and Andrew R. H. Rigit

　　

煤炭开采与运输过程中产生的粉尘严重威胁矿工健康、作业安全及周边环境。当前针对煤矿粉尘防治的系统性综述仍较匮乏，尤其缺乏将粉尘运移规律与数值模拟方法相结合的研究成果。本综述对煤矿粉尘控制方法开展了系统性、可复现的分析，重点聚焦数值模拟技术的应用，从抑尘装置结构优化、运行工况调控及通风系统设计三个维度梳理了研究进展与发展趋势。现有研究表明，结构改进主要集中于喷嘴几何参数、直径、安装位置及喷雾距离，运行工况优化则以压力调控为核心。受全尺寸实验平台构建复杂性与高成本限制，通风系统优化主要依托数值模拟开展，辅以现场实测验证。单纯依赖数值模拟开展除尘器化学改性相关研究的数量仍然有限，但随着分子动力学技术的发展，该方向有望成为未来的研究热点。

1. 引言

中国煤炭资源储量丰富，截至2020年已探明储量达1875.5亿吨，是全球最大的煤炭存储国与生产国，同年全国煤炭产量38.4亿吨，占全球总产量近半数。煤炭开采过程中产生的大量粉尘会严重恶化作业环境，诱发职业病，尤其是煤工尘肺。中国现存约百万例职业病案例中，超90%为煤工尘肺，其中80%的患者来自煤矿行业，2017至2024年中国每年新增职业性煤工尘肺病例数仍处于较高水平。

煤矿除尘技术可追溯至19世纪末，早期设备以水洗器、湿式沉降装置为主，依靠水捕获煤尘，但存在效率低、成本高、维护复杂等问题。20世纪初机械沉降装置出现，利用旋转筛网或滚筒捕集粉尘；20世纪中期电子技术发展推动静电除尘器应用，后续逐步发展出超声除尘、磁除尘、静电除尘、表面活性剂除尘等多类技术。

现有综述存在一定局限性：部分研究仅聚焦单一抑尘方法，如2018年Xu等、2021年Li等系统梳理了表面活性剂辅助煤尘抑制技术的表面活性剂化学结构、类型、吸附机理、效率评价方法及关键影响因素，但覆盖范围有限；2021年Liu等对煤工尘肺与矿井粉尘控制的研究进展进行了综述，但内容针对性不足；2021年Zhang等总结了中国煤矿粉尘灾害防控技术发展现状，涵盖尘肺流行情况、粉尘危害、粉尘扩散规律、煤尘润湿理论、通风除尘、湿式抑尘及个体防护等内容，但对除尘器的讨论较为简略；以水基方法为研究对象的相关综述虽内容系统，但未涉及通风类或干式除尘方法。总体而言，现有综述普遍存在聚焦单一方法、覆盖不全面、遗漏通风与干式除尘等重要方向的问题。

随着技术发展，数值模拟已成为研究与优化煤矿除尘过程的高效手段，可对气流场、粉尘运动、颗粒捕集等复杂物理过程进行模拟分析，为除尘技术的设计与改进提供理论指导与工程优化依据。近年已有研究将数值模拟与分子动力学结合探究表面活性剂对煤尘的润湿团聚行为，利用计算流体动力学（CFD）仿真优化掘进机风水联动喷雾装置流场，以及结合实验室与现场试验评估连采工作面泡沫与除尘风机的累计抑尘效果。本文旨在综述数值模拟在煤矿除尘研究中的应用，总结现有成果并展望未来发展方向。

2. 系统性文献收集

本综述以“煤矿”“综采工作面”“除尘”“抑尘”为核心关键词，采用系统性文献收集方法，检索范围为2016年至今的英文文献，共使用四个科学索引引擎，各引擎检索策略均围绕主题词组合与发表时间限定设置，确保文献收集的全面性与可复现性。

3. 粉尘运移规律

粉尘运移规律是粉尘控制的核心基础，大量学者采用Fluent 12.0软件模拟煤矿粉尘扩散规律，并将模拟结果与现场实测对比验证。相关研究涵盖隧道爆破后粉尘弥散、大采高综采工作面人行道呼吸带粉尘空间分布、掘进面除尘风机下方气流-粉尘相互作用、综采面多源粉尘扩散与粒径分布、呼吸性粉尘输运与湍流气流关联、掘进机司机周围气固两相流、液压支架推进与粉尘弥散模式关联、采煤过程粉尘顺逆风运移、不同空气湿度下粉尘扩散特征、新安煤矿3401综采面高浓度粉尘空间分布、长壁工作面粉尘颗粒运移与安全区域识别、瓦斯与粉尘耦合分布高危区判定、多尘源综采面粉尘浓度分布与扩散特征、上行与下行通风条件下粉尘迁移规律等多个场景。

研究发现，呼吸性粉尘沿巷道呈疏密交替相分布，粒径大于5μm的粗颗粒易在近底板区域沉降堆积；采煤机割煤与液压支架推进产生的粉尘会在采煤机下风向形成长度约36m的高浓度带，峰值浓度超过2850 mg/m³，垂直方向上0–1.55 m与5.55–6.80 m区间浓度更高；掘进面割煤作业时，采煤机下风向0–20 m范围内会形成浓度大于1000 mg/m³的粉尘羽流，沿人行道向作业区扩散；滚筒前方会形成长度约2 m的高浓度区，峰值浓度可达3000 mg/m³，70μm以上的粗颗粒大部分在出风口40 m范围内沉降；呼吸带高度呼吸性粉尘浓度与进风速度呈负相关，湍流强度升高会使高浓度区域逐渐缩小，但当进风速度超过2.5 m/s时，通风控尘效果会减弱；相对空气湿度升高会削弱粉尘扩散能力，煤矿相对湿度维持在75%~85%更有利于矿工健康。

多数研究同时关注总粉尘与呼吸性粉尘，前者用于解析生产环境中粉尘的输运与沉积过程，后者是职业健康评估的核心指标。综采工作面因气流场与粉尘动力学特征复杂，高浓度粉尘频发，是最具代表性的模拟研究场景。研究普遍采用κ-ε模型与离散相模型（DPM）开展模拟，部分研究使用κ-ω模型。未来该方向应进一步夯实理论基础，选用更贴合实际的数学模型以提升模拟精度，持续聚焦呼吸性粉尘防控，并以综采工作面为核心研究场景。

4. 基于数值模拟的除尘效率提升

数值模拟通过构建数学模型、设定边界与初始条件、开展仿真计算，可预测设备效能、优化控尘策略、解析粉尘扩散特征，核心模拟内容包括气流场（速度、方向、压力）、粉尘扩散（浓度、粒径、输运路径）与设备性能（过滤阻力、喷嘴设计、布置位置），ANSYS Fluent 2022 R1是该领域的主流模拟平台。

4.1 煤矿除尘器改进

除尘器效能提升主要通过结构改进、介质化学改性与运行环境优化实现，其中化学改性以实验研究为主，因此本部分聚焦结构改进与运行环境优化的数值模拟研究。

4.1.1 除尘器结构改进

喷嘴直径、安装位置、喷雾角度、吸风口布置等参数对除尘效率影响显著：2.4 mm喷嘴直径与双侧吸风口布置的抑尘效果最优；湿式捕尘网应用于7 m大采高综采面可实现69.6%的除尘效率；外喷雾负压雾幕抑尘装置与负压喷射除尘水幕技术可通过优化锥形罩角度、长度、喷嘴类型及喷嘴开口与吸风口距离进一步提升性能；优化液压支架喷雾开启方式可显著提升总粉尘与呼吸性粉尘去除效率。当入口压力达到0.1 MPa时，拉瓦尔喷嘴内部气流可达到音速，是未来重要的研究方向。

4.1.2 除尘器运行环境优化

喷雾压力是运行环境优化的核心参数，多数研究表明5–8 MPa的喷雾压力可实现最优雾化与抑尘效果，另有研究指出气液两相喷嘴可在0.1 MPa较低水压下实现高效抑尘，兼具节能与提升作业安全性的优势；此外，煤层注水时长10 h、钻孔直径80 mm、孔隙率4%的参数组合，以及75%~85%的相对湿度环境，均有利于提升控尘效果。

4.2 通风系统优化

受实验平台构建难度限制，通风系统优化主要依托数值模拟开展，辅以现场实测验证。研究围绕压入式通风、长短压短抽（LCSS）通风、远压近抽（FPNA）通风、多径向旋流通风、控尘风幕系统、混合通风、风幕系统等多种模式展开，优化对象包括结构布局与气流参数两类：结构上重点关注压风出口与掘进端距离、多径向旋流发生器与掘进面距离、风幕系统吸尘位置、风幕发生器与切割面距离、压风开口与切割面距离、压风管距底板高度、风筒中心距煤壁距离、除尘风机排气量等；气流参数则聚焦压入风量、流入流出比、排气速率、吹吸比等。

研究表明，FPNA通风模式下压入风量230–400 m³/min效果最优，多径向旋流系统流入流出比0.75时性能最佳，风幕系统排气速率330 m³/min为宜；风幕系统是应用最广泛的通风控尘技术，可通过形成局部高速气流屏障，高效、灵活、低能耗地降低作业区粉尘浓度。但通风模拟结果具有强场地依赖性，受地质条件、巷道几何形态与作业参数差异影响显著，必须通过现场验证保障可靠性。未来需开发更具通用性的建模框架，提升模拟结果在不同采矿条件下的普适性与可迁移性。

5. 讨论

数值模拟已成为煤矿粉尘防控研究的核心工具，在除尘器结构优化、运行参数调控与通风系统设计三类场景中均发挥了关键作用。但现有研究仍存在局限：除尘器结构优化多仅探索有限参数范围，难以覆盖完整设计空间；运行参数优化结果场地依赖性极强，最优压力值在不同研究中差异明显，需多场景验证与针对性校准；通风系统模拟的实验验证难度大，结果普适性不足。随着分子动力学技术发展，单纯依赖数值模拟开展除尘器化学改性的研究将逐步增多，进一步拓展粉尘控制研究的广度与精度。

6. 结论

本综述系统总结了数值模拟在煤矿粉尘控制中的应用，核心结论包括：第一，喷嘴几何参数、直径、位置与间距是除尘器结构优化的核心，数值模拟可突破小规模实验的参数探索限制，实现更广维度的优化；第二，压力参数是运行环境的核心影响因素，但现有研究覆盖的压力区间有限，最优值随采矿条件变化波动显著；第三，通风系统的气流与结构参数是调控粉尘浓度与分布的关键，但优化结果强依赖于具体矿山条件，必须依托现场实测保障可靠性。未来研究需开发统一、可扩展、物理机制嵌入的模拟框架，提升结果在不同采矿环境中的普适性，通过先进计算模型与多场景验证的结合，设计鲁棒性更强的粉尘控制系统，最终提升煤矿作业安全与生产效率。