面向低矮快速掘进工作面的跨尺度耦合气流-粉尘演化及高效集成“源头抽吸与气流屏障”控制技术研究

《Scientific Reports》：Investigation on cross-scale coupled airflow-dust evolution and highly efficient integrated “source-suction and airflow-barrier” control technology for low-height rapid tunneling faces

　　

摘要

针对煤层高度低于 2.85 米的低矮煤层煤矿在快速掘进过程中，因空间受限、设备布局密集及产尘强度大导致的呼吸性粉尘危害，本研究探讨了低矮掘进巷道中气流与粉尘的跨尺度耦合演化机制。提出了一种结合“源头抽吸净化”与“气流扩散控制”的车载一体化防尘降尘技术。采用 CFD-DPM 方法建立了远旦滩煤矿 11,207 掘进工作面的足尺三维模型，并通过井下实测气流速度进行了验证，误差控制在 6% 以内。结果表明，在原有强制通风条件下，由于工作面射流反射和设备阻挡，在距掘进工作面 0–40 米范围内形成了明显的回流区和低速滞留区，而呼吸带内的粉尘浓度仍保持在 800 mg/m3 以上。引入车载一体化系统后，局部气流场得到了重构。优化结果表明，当抽排风量为 450 m3/min 时，系统在粉尘捕集效率与通风稳定性之间达到了平衡，将粉尘限制在距掘进工作面 2 米范围内。现场测试显示，近工作面处的粉尘浓度从 976.78 mg/m3 降至 58.05 mg/m3，平均降尘效率达 94.1%。本研究为低矮巷道快速掘进过程中的高效防尘提供了技术支持。