《Advanced Powder Technology》：Study on multi-field coupling characteristics and regulation law of induced airflow-dust in stepped dust suppression technology at coal belt conveyor transfer points
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Jiaxin Chen|Yang Xu|Tian Zhang|Deji Jing辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，中国阜新123000摘要在带式输送机转运点，煤炭掉落产生的高强度诱导气流是可吸入粉尘长距离扩散的主要驱动力，这不仅严重污染了地下作业环境，还危及矿工的身体健康。传统
Jiaxin Chen|Yang Xu|Tian Zhang|Deji Jing
辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，中国阜新123000
摘要
在带式输送机转运点，煤炭掉落产生的高强度诱导气流是可吸入粉尘长距离扩散的主要驱动力，这不仅严重污染了地下作业环境，还危及矿工的身体健康。传统的喷雾抑尘方法不适用于水资源匮乏的矿区，而无动力除尘装置在强诱导风速下也无法发挥作用。本研究基于边界层分离和涡流消散理论，提出了一种主动式阶梯诱导涡流抑尘技术。通过CFD-DEM方法及标准k-ε湍流模型建立了三维气尘耦合数值模型，设计了四种阶梯结构，并通过数值模拟和物理实验对其进行了评估。模拟结果显示，方环型和弧型阶梯装置具有最佳的抑尘效果，可使出口平均风速分别降低54.7%和54.9%，8秒内最大粉尘扩散距离分别缩短57.2%和68.1%。实验表明，方环型装置在冲击点和出口处的可吸入粉尘抑制效率分别为77.68%和75.72%。这种无需水且节能的装置为水资源匮乏的煤矿粉尘控制提供了可靠的理论和技术支持。
引言
煤炭作为全球能源结构的核心支柱，在保障能源安全与推动经济发展方面发挥着不可替代的作用[1]、[2]、[3]。作为煤炭运输系统中的关键节点，带式输送机转运点在煤炭下落过程中容易因碰撞、摩擦以及气流扰动而产生大量粉尘。在这些污染物中，可吸入粉尘等细颗粒物具有很强的扩散性且在大气中停留时间较长，不仅会严重危害现场作业人员的呼吸健康，还可能引发设备磨损和粉尘爆炸等重大安全隐患，从而成为制约矿业绿色安全生产的全球性难题[4]、[5]、[6]。因此，开发高效且经济实用的转运点粉尘控制技术，对于提升矿山安全生产水平及保护生态环境具有重要意义。
国内外学者对转运点粉尘污染的机理进行了大量研究，发现这类污染主要由两种机制主导：其一，煤炭材料碰撞和摩擦产生的初始粉尘，其生成量与煤炭的动能及粒径分布密切相关[7]、[8]；其二，由高速落下的煤炭材料带动周围空气形成的诱导气流，这是粉尘长距离扩散的核心驱动力[9]、[10]。贾洪福等人[11]证实，诱导气流可使粉尘扩散距离增加3至5倍，细颗粒物的逃逸率提高40%以上。 Jing Deji等人[12]通过CFD模拟发现，煤矿转运点的诱导气流速度通常可达2–3米/秒，远高于粉尘悬浮的临界风速，导致细粉尘难以自然沉降。基于上述机制，现有的转运点抑尘技术主要分为喷雾抑尘和无动力除尘两类，但两者都存在明显局限性。
喷雾抑尘技术是通过水雾捕捉粉尘颗粒。尹某等人提出了一种结合采煤机外部多级雾化与除尘风扇的抑尘方法，以提高采煤机外部喷雾系统的除尘效率。他们将基于计算流体动力学的数值模拟与雾化实验相结合，分析了全机械化采煤工作面在气流扰动条件下切割粉尘及多级雾化场的迁移与分布特征[13]、[14]、[15]。王某等人针对全机械化采煤工作面在割煤和支护推进过程中出现的粉尘浓度高、扩散范围广的问题，设计了与液压支架配套的湿式除尘器。他们通过喷雾雾化试验优化选择了适合湿式除尘系统的喷嘴，并利用Fluent数值模拟系统研究了喷雾压力Pw和喷嘴倾角θ对滴径分布及雾场浓度分布的影响规律，为设备结构和喷雾参数的优化提供了理论依据[16]。胡某等人[17]基于流体力学和固液聚并机制设计了一种新型旋流核雾化喷嘴。该喷嘴产生的滴径范围与现场粉尘颗粒的粒径分布实现了最佳的滴粒聚并协同效应，但其对细颗粒的控制效率仍有限[18]、[19]，且单个设备的日均用水量高达5–8立方米，因此在水资源匮乏的矿区应用性较差[20]。
无动力除尘技术则是通过结构设计实现被动式粉尘滞留。吴某等人[21]设计了一种在低风速下表现优异的无动力装置，但它仅适用于风速低于1.5米/秒的场景，无法适应煤矿转运点2–3米/秒的诱导气流环境，因此应用范围较为有限[22]。近年来，诱导气流调控已成为粉尘控制领域的研究热点。与传统被动式粉尘捕集技术相比，削弱诱导气流的动能可从源头降低气流的携尘能力，显著提升细颗粒物的控制效率，且无需额外能耗或水资源，具备更强的工程适应性[23]、[24]。目前，张某等人[25]采用EDEM-Fluent耦合方法计算了煤炭流动产生的诱导气流，设计并优化了一套由回风管、挡板和防尘帘组成的被动式除尘系统，以平衡系统上下部分的静压差，抑制粉尘溢出。不过该系统结构复杂，建造成本高昂；贾某等人[11]仅通过数值模拟提出了初步的结构优化建议，但仍存在调控机制单一、抑尘效果有限的问题，无法满足实际工程应用的需求。
煤带式输送机转运点的粉尘排放机制十分复杂：落料冲击形成的扰动气流与颗粒碰撞摩擦产生的二次粉尘，会与井下通风气流相互耦合，形成多场协同作用的粉尘扩散场[26]。在阶梯式输送场景中，现有的无动力除尘装置难以适应不同高度和速度的诱导气流，因此整体抑尘效率较低。尽管喷雾抑尘技术已被广泛应用，但其对可吸入粉尘的控制效果仍无法达到预期要求[27]，无法满足现代煤矿的绿色生产需求[28]、[29]、[30]。
为解决现有转运点抑尘技术无法有效控制诱导气流这一核心问题，本研究提出了一种全新的阶梯诱导涡流抑尘机制，并设计了相应的阶梯式诱导气流抑制装置，以实现诱导气流的主动衰减。该研究构建了基于边界层分离和涡流消散的主动抑尘机制，优化了装置的结构参数，并通过数值模拟和物理实验验证了其抑尘性能。研究人员设计了包括直角型、方环型、折线型和弧型在内的四种不同结构的阶梯装置，涵盖了刚性阻挡、涡流利用、梯度优化和流线引导四种设计思路。他们使用COMSOL软件建立了1:1的物理模型，通过气流与粉尘的多场耦合模拟筛选出了最优方案。此外还搭建了实验平台，进行气流场测试和物料坠落实验，量化了该装置衰减诱导气流的能力及其抑尘效率，同时验证了模拟结果的准确性。这项研究为转运点的粉尘控制提供了新的方法和思路。
章节节选
设计原理与机制
煤带式输送机转运点处阶梯结构的抑尘机制主要取决于诱导气流与粉尘颗粒之间的相互作用，这一过程可分为三个关键阶段：气流衰减、颗粒捕获和粉尘沉降。为直观展示其中的物理过程，图1给出了多场耦合机制的示意图。
当气流穿过阶梯结构时，其运动轨迹
物理模型
为数值研究所提设计的抑尘性能，研究人员使用COMSOL Multiphysics建立了四种不同的阶梯结构模型以及一种常规的非阶梯型基准模型。鉴于散装物料转运过程中粉尘扩散的复杂性，他们设计了一个简化但具有物理代表性的几何模型，以便进行精确的多物理场模拟。该计算域的详细配置包括关键
流场模拟结果分析
图11展示了气流场的模拟结果，直观反映了不同设计方案下气流速度分布的差异以及出口表面低速区的形成情况。
从整体气流场及装置内部流场的速度等值线可以看出，非阶梯型控制组的气流在进入进料口后呈垂直向下流动，形成了连续且平滑的主流通道
结论
为解决煤矿带式输送机转运点因气流导致的粉尘扩散问题，本研究提出了一种名为“阶梯诱导涡流”效应的新颖抑尘机制，并设计了四种不同结构的阶梯式诱导气流抑制装置。通过多物理场耦合模拟与实验验证，明确了这些装置的流场调控规律及抑尘性能。主要结论如下：
CRediT作者贡献说明
Jiaxin Chen：软件操作。Yang Xu：概念构思。Tian Zhang：数据整理。Deji Jing：方法设计。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益关系或个人关系。
