《Journal of Hazardous Materials Advances》：Influence of Air Quantity on Dust Migration and Distribution During Coal Cutting Operations at a Longwall Face: An Experimental Study
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为提高长壁工作面割煤期间粉尘控制效率，本研究通过实验方法系统考察了粉尘空间分布特征及通风量对粉尘迁移的影响规律。首先，基于相似理论建立了粉尘输运的相似判据体系；以陕西省某煤矿为原型，构建了具备完整进回风系统的缩比实验平台（缩尺比为5:1）。在此基础上，模拟长壁
为提高长壁工作面割煤期间粉尘控制效率，本研究通过实验方法系统考察了粉尘空间分布特征及通风量对粉尘迁移的影响规律。首先，基于相似理论建立了粉尘输运的相似判据体系；以陕西省某煤矿为原型，构建了具备完整进回风系统的缩比实验平台（缩尺比为5:1）。在此基础上，模拟长壁工作面割煤作业过程中的粉尘产生，分析了不同通风条件下的粉尘浓度分布及粒度演化规律。研究结果表明：粉尘输运满足两个相似判据，即Π1=vg2/gl与Π2=dp/l。采煤机割煤后，作业面侧操作区及长壁人行道区域的悬浮粉尘浓度与粉尘沉积速率均呈指数衰减规律。受风流场特性影响，同一截面内作业面侧操作区的粉尘浓度始终高于长壁人行道区域，且其衰减速率更为缓慢。粉尘沉积主要发生在作业面侧操作区采煤机下风侧10 m范围内及长壁人行道区域20 m范围内，且作业面侧操作区的沉积速率更高。悬浮粉尘与沉积粉尘的平均粒径均随距离增加呈幂律增大趋势。作业面侧操作区悬浮粉尘粒径略大于长壁人行道区域，但两者在稳态阶段均维持在10–15 μm范围内。在同一截面处，沉积粉尘的平均粒径通常为悬浮粉尘的两倍以上，且该差异随距粉尘源距离减小而更为显著。通风量对巷道内粉尘空间分布具有显著调控作用：随通风量增加，作业面侧操作区的粉尘浓度与沉积速率显著降低，而长壁人行道区域因卷吸效应导致粉尘浓度升高。悬浮粉尘与沉积粉尘的粒径均与通风量呈正相关，表明较高的风速增强了对粗颗粒的输运与卷携能力。上述发现为优化长壁工作面通风与除尘参数提供了理论支撑与实验依据。
## 研究背景与问题
粉尘是在煤炭开采与巷道掘进过程中产生的细颗粒物，其危害主要体现在两个方面：一是长期吸入高浓度粉尘可导致作业人员罹患尘肺病；二是悬浮粉尘在一定浓度下遇明火可引发燃烧，甚至在特定条件下参与瓦斯爆炸引发的二次爆炸。此外，粉尘还会降低井下能见度并造成严重的工作场所环境污染。中国目前是全球最大的煤炭生产国和消费国，井工煤矿占总矿井数的92.6%，贡献全国煤炭产量的75%。在地下开采中，粉尘主要来源于采煤机割煤和巷道掘进，其中割煤活动产生超过60%的总粉尘量。随着煤炭生产向中西部地区转移，长壁工作面采高持续增大，最高已达8.8 m，虽然显著提升了产能，但也加剧了工作面粉尘污染问题。现行《煤矿安全规程》对井下作业场所粉尘浓度有严格限制，要求总粉尘低于4 mg/m3、呼吸性粉尘低于2.5 mg/m3，但现场实测表明，即使采取现有降尘措施，长壁工作面等关键区域的粉尘浓度仍然超标，表明现有粉尘扩散理论与精准控制技术仍存在不足，急需进一步研究粉尘输运机理。
## 实验方法与平台构建
研究人员基于量纲分析建立了矿井粉尘输运相似判据体系，以陕西省某煤矿长壁工作面为原型，开发了缩尺比为5:1的相似模拟实验平台。该平台完整复现了井下巷道几何形态与采煤设备，包括长壁工作面巷道、采煤设备、粉尘发生系统、监测系统、控制平台及回风净化单元。实验采用全负压通风系统，进风通过带式输送机巷和辅助运输巷进入，回风经回风巷排出。根据弗劳德数（Fr=vg2/gl）相似准则推导，原型与模型的风速相似比为1:0.447；结合《煤矿安全规程》对回风巷风速不超过6 m/s、工作面风速不超过4 m/s的限制，确定实验系统最大通风量为2.75 m3/s，并据此设计了六组不同通风量的实验工况，分别为0.46、0.92、1.37、1.83、2.29和2.75 m3/s。实验用煤样直接来自原型煤矿长壁工作面，经颚式破碎机、磨粉机及分级筛分处理，获得0–100 μm、100–150 μm和150–180 μm三个粒级区间的煤尘样品，其中最大粒径依据相似比设定为180 μm。实验采用CCZ-20A型粉尘采样器测定悬浮粉尘浓度，利用激光粒度分析仪（Winner 2308）进行粒度分析，通过称量法测定粉尘沉积速率。
## 研究结果
### 粉尘浓度的空间变化特征
**悬浮粉尘浓度变化**：在作业面侧操作区，悬浮粉尘浓度表现出显著的时空演化特征。空间上，单一通风量下粉尘浓度随测点距离增加呈明显非线性衰减趋势；时间上，各固定测点浓度与通风量呈负相关，通风量对浓度的调控作用在距源1–4 m处最为显著。实验数据显示最大浓度始终出现在1 m测点，当通风量增至2.29 m3/s时，回风巷末端（17 m测点）浓度可降至100 mg/m3以下。在10–13 m过渡区（工作面进入回风巷处），浓度变化趋于平缓，尤其在低通风量（0.92和0.46 m3/s）条件下出现局部反弹现象，推测与该区域涡流形成或气流组织受限有关。在长壁人行道区域，粉尘浓度整体低于同一截面的作业面侧操作区，体现了支护结构对粉尘扩散的物理屏蔽效应。与作业面侧操作区不同的是，长壁人行道区域粉尘浓度随通风量增加而升高，表明高通风量虽能增强作业区粉尘排出，但也会诱发压差卷吸更多粉尘进入人行道区域。
**粉尘沉积速率变化**：作业面侧操作区粉尘沉积速率高于长壁人行道区域，原因在于前者邻近采煤机粉尘源，高浓度粉尘团在扩散初期即大量沉降。沿程分布上，各区域均呈现明显的梯度衰减特征：峰值始终出现在距源1 m处，最小值位于17 m远端。这种"近源沉积效应"表明，在源后0–2 m范围内，粉尘颗粒在重力与惯性冲击共同作用下发生大规模集中沉降。通风量的变化显著重塑了粉尘纵向沉积剖面：以作业面侧操作区1 m测点为例，随着通风量从0.46 m3/s递增至2.75 m3/s，粉尘沉积率从1.710急剧增至16.903 g/(m2·min)。在恒定产尘强度与粒径分布条件下，这一现象阐明了气流对粉尘的携带与导向作用——低风速时粉尘动能不足，主要在源附近有限范围内静力沉降；通风量增加后，增强的风流场作为高效迁移载体，将更多粉尘输送至更远的下风区域。
### 粉尘粒度的空间分布特征
**悬浮粉尘粒度分布**：在作业面侧操作区，粒径在源附近（1–4 m）保持较高水平且波动较小，向巷道末端迁移过程中大颗粒比例逐渐降低，整体粒本会减小。所有实验通风量下，长壁人行道区域的D10、D50和D90值均显著低于作业面侧操作区相应值，说明进入人行道区域的粉尘以细颗粒为主，粗颗粒比例极低。随通风量从0.46 m3/s增至2.75 m3/s，同一测点特征粒径呈整体上升趋势：以作业面侧操作区1 m处为例，D50和D90分别从8.04 μm和29.27 μm增至26.61 μm和58.51 μm，表明高风速条件下流场对大粒径粉尘颗粒的输运能力显著增强。平均粒径的进—步分析表明，悬浮粉尘平均粒径随距源距离增加而减小，高通风量条件下的绝对衰减幅度更大；长壁人行道区域的变化趋势与作业面侧操作区一致，但稳态阶段两者平均粒径均处于10–15 μm范围内，分布特征无明显差异。
**沉积粉尘粒度分布**：沉积粉尘的特征粒径（D10、D50和D90）随迁移距离增加呈总体mining 减小趋势，表现出与悬浮粉尘一致的分级沉降特征。通风量与沉积粉尘粒径呈正相关：随通风量从0.46 m3/s增至2.75 m3/s，长壁人行道区域峰值D10从5.58 μm升至38.50 μm，峰值D50从17.76 μm升至104.98 μm，峰值D90从38.67 μm升至162.11 μm，表明增风显著促进了人行道区域粗颗粒的沉积。同一截面位置，长壁人行道区域沉积粉尘特征粒径通常低于作业面侧操作区，反映了液压支架结构对粗颗粒的显著空间屏蔽与拦截效应。
### 现场验证结果
为验证实验结果对现场的适用性，研究人员采用 gravimetric 法（重量法）对原型长壁工作面割煤过程中长壁人行道区域的悬浮粉尘浓度进行了现场测量。结果显示：采煤机处浓度最高达283 mg/m3，在采煤机下风侧30 m范围内浓度迅速降至65 mg/m3，降幅达77%；30 m至100 m区间浓度下降趋缓，降幅为27.7%。根据实验采用的相似比，现场10 m对应实验2 m，50 m对应实验10 m；结合现场巷道平均风速1 m/s，由量纲分析确定对应实验风速为0.447 m/s（即Experiment 1）。以长壁人行道区域首测点（采煤机后1 m）浓度为基准，现场50 m下风侧浓度相对变化率为0.293，对应实验位置的相对变化率为0.263，两者偏差较小。总体而言，现场测量与实验结果具有高度一致性，确认了该实验系统能够合理复现长壁工作面粉尘迁移与分布规律。
### 粉尘输运与沉降机理分析
以基准实验组为例，采煤机下风侧悬浮粉尘浓度呈指数分布，作业面侧操作区和长壁人行道区域的具体拟合方程分别为y=535.58e
?x/3.02+157.54和y=443.94e
?x/9.19?55.74。各截面内作业面侧操作区浓度始终高于长壁人行道区域，且其下降趋势随距源距离增加而渐趋平缓。根据相关文献，作业面侧操作区风流场稳定、风速基本保持不变，而长壁人行道区域风流场减弱、风速逐渐降低。随着粉尘持续沉降，巷道内悬浮颗粒粒径逐渐减小；在稳定流场中，颗粒沉降速率随时间减弱，从而削弱了粉尘浓度的整体下降趋势，这解释了作业面侧操作区悬浮粉尘浓度的特定演化规律。相比之下，长壁人行道区域虽经迁移后仅细颗粒留存于风流中，但流场减弱导致这些小颗粒沉降更为显著，致使该区域粉尘浓度下降速率快于作业面侧操作区。
粉尘沉积速率变化亦遵循指数分布，作业面侧操作区和长壁人行道区域的具体拟合方程为y=82.95e
?x/0.42+2.52和y=8.23e
?x/1.24+2.35。沉积速率显著波动的区域分别集中于源后2 m（作业面侧操作区）和4 m（长壁人行道区域），之外沉积速率趋于稳定；对应原型工作面即分别为采煤机下风侧10 m和20 m处。长距离趋势上，作业面侧操作区沉积速率略高于长壁人行道区域，原因在于前者较强的流场使气流能携带更多粉尘向出口运动，同时导致沉降沉积量增加。
粉尘浓度分布与区域内粉尘粒径存在直接关联。悬浮粉尘平均粒径随割煤作业的演化遵循幂函数y=ax
b，作业面侧操作区和长壁人行道区域的具体表达式分别为y=31.38x
?0.39和y=24.28x
?0.34。同一截面内长壁人行道区域悬浮粉尘平均粒径略小于作业面侧操作区，两者变化趋势高度一致。在采煤机源处，大直径颗粒因自重超过流体作用力而快速沉降至巷道底板，导致源附近悬浮粒径急剧减小；随距离增加，空气中残留的极细颗粒可在风流中长期悬浮，但仍随距离增加而逐渐沉降；稳态下降阶段两区域平均粒径处于10–15 μm范围内。
沉积粉尘平均粒径随源距变化亦遵循幂函数规律，两区域表达式分别为y=85.63x
?0.39和y=59.64x
?0.29。源后1 m（对应现场5 m）处，人行道区域沉积粒径约为作业面侧操作区的一半；研究表明，垂直于气流方向的横向粉尘输运速度因气动阻力迅速降至零，说明切割源产生的大多数颗粒无法迁移至长壁人行道区域，限制了该区域粗颗粒的沉积。随源距增加，两区域沉积粉尘平均粒径逐渐收敛，但作业面侧操作区通常仍大于人行道区域，这与气流分布直接相关——采煤区较强的流场和较高风速导致较大的悬浮粒径，进而形成较大的沉积粒径。同一位置处，沉积粉尘平均粒径通常为悬浮粉尘的两倍以上，且该比值随距粉尘源距离减小而更为显著。
## 研究结论
本研究以陕西省某煤矿长壁工作面为原型，基于相似判据开发了粉尘输运实验平台，系统研究了割煤作业后巷道空间内粉尘浓度与粒度分布的演化规律，以及不同通风量对粉尘迁移的影响效应。主要结论如下：
第一，割煤作业后，悬浮粉尘浓度与沉积速率沿巷道的空间分布均呈指数衰减规律。同一截面内，作业面侧操作区粉尘浓度始终高于长壁人行道区域；由于气流稳定性差异，支架前粉尘浓度的衰减速率较支架间更为平缓。粉尘沉积主要发生在粉尘源下风侧近源区域（对应原型作业面侧操作区10 m、长壁人行道区域20 m范围内），其后沉积速率趋于稳定，且作业面侧操作区沉积强度略高于长壁人行道区域。
第二，悬浮粉尘与沉积粉尘的平均粒径均随输运距离增加呈幂律分布。空间上，长壁人行道区域悬浮粉尘粒径略小于作业面侧操作区，两区域演化趋势高度一致；在远场稳态阶段，平均粒径稳定在10–15 μm。随输运距离增加，两区域沉积粉尘粒径差异逐渐收敛。定量分析表明，同一位置处沉积粉尘平均粒径通常为悬浮粉尘的两倍以上，且该比值随距粉尘源距离减小而增大。
第三，增加通风量对巷道粉尘空间分布具有显著调控效应。作业面侧操作区粉尘浓度随通风量增加而降低，而长壁人行道区域因横向卷吸效应导致浓度升高；两区域粉尘沉积速率均与通风量呈反比。同时，悬浮粉尘与沉积粉尘的平均粒径均与通风量呈正相关，表明高风速气流增强了对粗颗粒的卷携与输运能力。
从工程应用角度，本研究结果对长壁工作面粉尘防治具有重要理论与实践支撑价值。所揭示的粉尘空间衰减规律与通风响应特征，可用于指导通风系统设计优化、不同作业区风流调节及针对性抑尘策略制定，有助于识别高粉尘暴露风险区域，对改善井下作业人员职业健康防护具有重要意义。然而受实验条件限制，本研究仍存在不足：一是粉尘发生方式简化了割煤过程中的多源多尺度产尘过程；二是实验巷道尺度有限，未能完全复现现场大尺度流场结构与湍流演化；三是未考虑真实采掘环境中漏风影响。未来工作应纳入更多影响因素，建立更完善的相似判据，构建更可靠的实验平台，以更好支撑煤矿粉尘防治工程。
