基于CFD与人工神经网络的倾斜巷道掘进工作面掘进机操作人员呼吸区粉尘浓度预测与分析

《Powder Technology》：Prediction and analysis of dust concentration in the roadheader operator's breathing zone at an inclined tunnel excavation face based on CFD and ANN methods

　　

**摘要**

• 提出了一种CFD-正交设计-BPNN框架，用于预测巷道掘进工作面粉尘浓度。• 分析了在强制通风条件下，倾斜巷道掘进工作面中的风-尘耦合机制。• 通风风量为影响操作人员呼吸区粉尘浓度的主导因素。• BPNN模型的预测精度高于传统回归方法。• 所提出的模型可支持地下巷道粉尘预测与通风参数优化。

**引言**

在地下煤矿开采过程中，掘进工作面是粉尘产生的主要来源之一[1]。粉尘污染不仅降低能见度和作业效率，还对井下工人的健康构成严重威胁[2]，[3]，[4]。由于截煤机操作人员在粉尘源附近具有固定工作位置，其呼吸区内的粉尘浓度往往较高，职业健康风险随之上升。长期暴露于高浓度粉尘环境中可损害呼吸系统，导致尘肺病等职业病。图1展示了2012至2024年中国新诊断职业病和尘肺病例的统计数据。尽管近年来随着《国家职业病防治规划（2021-2025年）》的实施，新报告的职业病病例数量显著下降，但尘肺病仍占职业病病例的最大比例[5]，[6]。2024年，中国报告了11,289例新职业病病例，其中职业性尘肺病为7,251例，表明与粉尘相关的职业危害仍然是职业健康防护面临的主要挑战。因此，地下煤矿掘进环境中的有效粉尘控制仍是一个关键问题[7]，[8]。

目前，粉尘控制技术主要包括喷雾降尘、通风控制和化学抑尘[9]。其中，通风参数直接影响巷道内粉尘的迁移与扩散。因此，大量研究致力于基于通风的粉尘控制技术以及地下煤矿掘进工作面处粉尘的扩散特性。Li等人[10]利用CFD模拟系统评估了排风系统中风管出口位置、风量及除尘罩配置对粉尘迁移与除尘效率的影响。Liu等人[8]优化了长压短排通风系统中强制风筒与掘进工作面之间的距离，有效抑制了高浓度粉尘的扩散。Wang等人[11]结合CFD模拟与现场实测，证明空气放大原理可实现全机械化掘进工作面高效远距离降尘。Sun等人[12]报道，对于配备一体化锚杆支护机的掘进工作面，300 m3/min的除尘风量为粉尘扩散距离最短且粉尘浓度下降最为稳定的通风量。Tora?o等人[13]发现，采用底部排风混合通风系统的通风效率达39.9%，远高于传统系统（10%），同时显著降低了掘进工作面处的粉尘浓度。Hu等人[14]揭示，掘进工作面处存在三个通风诱导涡旋，促进了粉尘在截煤机操作员后方区域的回流与积聚，该处粉尘浓度可达掘进工作面附近的三倍。

鉴于地下煤矿掘进工作面粉尘浓度较高，理解颗粒输运特性对于揭示粉尘迁移机制和制定有效控制策略至关重要。Qiao等人[15]结合CFD模拟与现场实测，证明增加风量或缩短通风距离可有效抑制粉尘扩散，而车载通风系统可使呼吸区内粉尘浓度降低约43.6%。Cheng等人[16]采用CFD-DEM模拟，报道粉尘沉积主要发生在巷道0–8 m和25–35 m区段，且较大颗粒的沉降速度高于较小颗粒。Hua等人[17]发现多径向涡旋通风系统产生的封闭流场可有效限制粉尘扩散，缩短高浓度粉尘的扩散距离。Guo等人[18]证明巷道内粉尘输运受分段流场结构控制，形成了明显的高、低浓度区域，且扩散距离随时间呈二次方增长。Cai等人[19]报道，粉尘扩散距离随排风量增大而减小，当强制风筒距底板2 m时降尘效果最佳。Lu等人[20]采用CFD动态网格方法，揭示截煤机截割位置的变化显著影响巷道回风侧的粉尘积聚。此外，粉尘扩散特性与涡场分布密切相关，截割中位操作时粉尘包络体积最小且稳定时间最短。

与水平巷道相比，倾斜巷道掘进环境中的粉尘迁移特性更为复杂，这是重力与气流耦合效应的结果[15]。在传统水平巷道中，粉尘颗粒主要由通风气流输运，重力沉降主要在垂直方向起作用。然而，在倾斜巷道中，巷道倾角引入了沿巷道轴方向的额外重力分量，改变了气动拖曳力、重力和颗粒惯性之间的平衡。这一效应可能导致不同的颗粒输运轨迹、停留时间和沉积行为，尤其是对于相对粗颗粒[16]。此外，巷道倾角还可改变气流分布和湍流特征，导致粉尘扩散和积聚不对称[14]。因此，倾斜巷道掘进中的粉尘迁移受巷道几何形态、气流场和颗粒特性的共同作用，需要进一步研究以优化通风策略并改善职业粉尘控制。

上述研究为地下掘进环境中的粉尘控制提供了宝贵的理论依据和实际指导，但仍存在若干局限性。现有针对煤矿截煤机掘进的研究主要集中于水平巷道，而关于倾斜巷道掘进工作面气流特性及粉尘输运的调查仍然稀少。此外，目前尚未建立适用于倾斜掘进条件下截煤机操作员呼吸区粉尘浓度的预测模型。

为弥补上述研究空白，本研究基于龙兴公司运营的塔什特克矿工程条件开展。采用现场实测与CFD模拟相结合的方法，研究强制通风条件下倾斜巷道中风场与粉尘输运的耦合机制。采用正交试验设计，评估巷道倾角（α）、通风风量（Q）和通风距离（L）对截煤机操作员呼吸区内粉尘浓度的影响。基于模拟结果，分别利用多元线性回归和反向传播神经网络（BPNN）方法建立了定量预测模型。研究结果为倾斜巷道掘进工作面粉尘浓度预测和通风参数优化提供了科学依据，同时为改善井下作业环境和降低粉尘暴露相关职业健康风险提供了实际指导。

**数学模型**

数学模型旨在以可计算的 governing 方程形式表征复杂的物理过程，包括气-固两相流、湍流输运和粉尘沉积。气-固流模型广泛应用于地下煤矿掘进工作面研究，以表征强制通风条件下的粉尘输运并预测粉尘浓度分布[21]，[22]。本研究采用基于离散相模型（DPM）的方法模拟巷道内的粉尘迁移。

**测点布置**

为验证CFD模型，进行了缩尺物理实验，考察巷道内风速衰减特性和流场特征。考虑到实际掘进巷道尺寸较大且通风能力高，采用8.75:1的几何相似比以提高实验可操作性并降低测试成本。缩尺巷道模型如图4(a)所示。为保持动力相似性，通风风量进行了相应调整。

**气流场数值模拟**

为研究强制通风条件下倾斜巷道掘进工作面的气流场特征，进行了稳态CFD模拟。根据模拟结果，巷道流场可根据其流动特征划分为四个特征区域：回流区、涡旋区、多向流区和平流区，如图7所示。

**(1) 回流区。** 回流区主要分布在掘进工作面附近及周边区域。

**正交试验设计因素与水平选择**

倾斜巷道掘进工作面截煤机操作员呼吸区的粉尘浓度受多种因素影响，包括巷道倾角、通风风量和通风距离。为定量评估各因素的影响并确定其相对重要性，采用正交试验设计方法。

基于气流和粉尘分布分析结果，选取三个关键因素：巷道倾角（α）、通风风量（Q）……

**结论**

本研究调查了强制通风条件下倾斜巷道掘进工作面截煤机操作员呼吸区内的粉尘输运特性和粉尘浓度预测。综合计算流体力学（CFD）模拟、正交试验设计、回归分析和反向传播神经网络（BPNN）建模，分析了风-尘交互机制并建立了粉尘浓度预测模型。主要结论如下：

**CRediT作者贡献声明**

王宇波：论文撰写—初稿，可视化，方法论，调查研究，正式分析，数据管理，概念设计。王鹏飞：论文撰写—审阅与编辑，验证，指导，软件，经费获取。李永军：论文撰写—审阅与编辑，指导，项目管理，经费获取，正式分析。谢永哲：可视化，验证，数据管理。赵金：验证，调查研究，数据管理。

**生成式AI及AI辅助技术在写作过程中的声明**

在准备本稿件过程中，作者使用ChatGPT辅助进行语言润色和语法改进。作者已对所有AI辅助内容进行了仔细审阅和修订，并对稿件最终内容承担全部责任。

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本论文工作的已知经济利益冲突或个人关系。

**致谢**

本研究得到国家自然科学基金（编号：52274197、52474220和52504217）、湖南省自然科学基金（编号：2024JJ2032）、教育部工业粉尘防控与职业健康安全重点实验室开放基金（编号：EK20242001）以及湖南科技大学博士科研启动基金（编号：E52578）的资助。

王宇波 | 王鹏飞 | 李永军 | 谢永哲 | 赵金