双风筒双掘巷道–联络巷系统中的甲烷积聚与粉尘暴露：基于CFD的参数化分析与经验建模

《Process Safety and Environmental Protection》：Methane Accumulation and Dust Exposure in a Dual-Duct Double-Heading Roadway–Crosscut System: CFD-Based Parametric Analysis and Empirical Modelling

　　

## 摘要

由联络巷道连接的双掘进巷道中，甲烷积聚与粉尘暴露受双风筒射流、联络巷交换流及下游输运的耦合控制，但各主导机制尚未得到充分量化。本研究以榆吾煤矿双风筒双掘进巷道—联络巷系统为对象，建立了CFD模型并利用现场实测风速进行了验证。采用组分输运模型与离散相模型，研究了100秒瞬态时间窗内甲烷与粉尘的时空输运特征。通过变化风筒出口距迎头距离L?、迎头至联络巷距离L?、风筒风速差Δv及入口H?O质量分数H，设计了十六组正交工况。建立了用于表征持续甲烷积聚与持续粉尘暴露的响应指标。结果表明，污染物遵循从近源积聚→联络巷转移→下游迁移的输运路径。甲烷在100秒内持续积聚，而粉尘在源项停止后仍产生了超过限值的累积下游暴露。L?主导了甲烷积聚，而综合的L?/输运距离项与下游粉尘暴露的关联最强。多响应评价确定O12为优选工况。相对于现场基准O3，O12使Y?、Y?、Y?和Y?分别降低了76.89%、46.66%、67.68%和37.35%；相对于正交实验中最不利的O1工况，对应的降幅分别为74.66%、51.83%、74.13%和53.19%。100秒窗口用于表征污染物释放后的短期通风响应，而非整个掘进循环，所提出的经验关系适用于所研究的巷道几何、风筒布置、污染物源强及通风参数范围内。这些发现为双掘进巷道系统中局部通风优化和甲烷—粉尘协同防控提供了依据。

## 引言

随着中国矿山机械化的推进和能源需求的持续增长（Zhang等, 2020），煤炭产量逐年攀升（Khan等, 2022）。巷道掘进面的甲烷—粉尘复合污染仍是突出问题（Nie等, 2024a, Nie等, 2024b, Yu等, 2025, Song等, 2021）。其迁移、扩散与局部积聚受通风方式（Xiao等, 2024）、通风参数（Li等, 2025, Liu等, 2019, Luo等, 2026a）、环境条件（Zhou等, 2021, Hua等, 2018）以及巷道间空间关系（Yang等, 2023, Wang等, 2020, Wang等, 2023）的显著影响，进一步加剧了地下有限空间内污染物输运的复杂性（Nie等, 2017, Qin等, 2024）。煤尘会加速设备磨损并诱发井下作业人员的职业病（Nie等, 2022a, Assaad等, 2020, Liu等, 2021），而甲烷控制不当可能导致瓦斯爆炸事故（Gao等, 2025, Lu等, 2017, Mishra等, 2018, Li等, 2026）。因此，理解掘进巷道中甲烷与粉尘的耦合输运行为，对于提升地下作业安全和职业健康具有重要意义。

揭示平行巷道通风条件下甲烷与粉尘的迁移扩散机制，对于优化局部通风参数、识别污染物易积聚区域以及制定针对性的协同控制措施具有重要的理论和工程意义（Kurnia等, 2014）。目前，数值模拟和物理实验是研究掘进面通风方式和巷道参数最常用的方法（Tora?o等, 2011, Joseph等, 2018, Xiu等, 2020, Wang等, 2019, Liu等, 2022a, Luo等, 2026b）。通过研究粉尘浓度（Wang等, 2024, Nie等, 2022a）、甲烷浓度（Nie等, 2024c, Nie等, 2022b）、风速（Yang等, 2024, Liu等, 2022b）及相关迎头附近流场特征，已有研究定量刻画了不同通风方式的效果，加深了对掘进面附近参数依赖输运特征的理解，为防止甲烷超限和粉尘污染提供了重要支撑。该领域已取得显著进展：Gao等研究了不同压排比下壁面附着旋流通风下的粉尘浓度分布，发现压排比为0.8时除尘效果最佳（Gao等, 2021）；Junlei等建立了物理模型研究长压短排通风的匹配关系并确定了合理的除尘参数（Yang, 2021）；Zhou等对掘进面气—尘—气场进行了数值模拟，在保证甲烷有效排放的前提下确定了最优风量范围800–900 m3/min（Zhou等, 2023）；Sasmito等建立了地下煤矿通风系统CFD模型，发现右切式方案在作业区域产生的甲烷积聚更低（Sasmito等, 2013）；Hasheminasab等通过数值方法获得了不同辅助通风系统下的气体分布特征，以最大化甲烷排出效率并将甲烷导入回风巷（Hasheminasab等, 2019）；Zhang等通过数值模拟研究了不同风量下巷道通风的冷却效果（Wang等, 2021）；Chang等考虑了风筒位置、风筒出口至迎头距离、风筒风速和巷道断面对通风效率的影响，基于不同CFD模型生成的数据集推导了CO浓度分布函数，可据此计算污染物达到安全浓度所需的通风时间（Chang等, 2020）；Wang等探索了射流风机与通风风筒组合通风系统，表明合理布置的风机可加速巷道内气流并促进有害气体排出（Wang等, 2022）；Xiao等系统比较了单风筒压入式通风、长压短排通风及附加风幕对粉尘扩散的影响，其综述还指出近期研究开始关注湿度场、煤岩混合巷道、装载位置、压入风筒位置和压排比对粉尘迁移行为的影响（Geng等, 2019）。

尽管上述研究为掘进面通风条件下甲烷与粉尘的迁移提供了有价值的见解，但多数研究聚焦于单巷道系统或常规局部通风场景。双掘进巷道—联络巷系统中污染物的跨区域输运以及湿度和迎头至联络巷距离的影响尚不充分。为填补这一空白，本研究以榆吾煤矿双掘进巷道为工程背景，结合现场实测和CFD模拟，开展了涉及风筒出口至迎头距离、双风筒风速组合、湿度条件和迎头至联络巷距离的正交参数研究。根据100秒瞬态通风响应窗口内持续甲烷积聚和持续粉尘暴露的不同行为特征建立了响应指标，并利用相关性分析、响应面分析和多响应经验建模识别了控制甲烷—粉尘输运的主导参数并阐明了其物理机制。研究结果有望为复杂掘进巷道系统中局部通风优化、危险区域识别和复合危害协同控制提供依据。

## 节选片段

### 气流模型

本研究将气流视为连续相，在Euler框架下进行模拟。全机械掘进面的气流主要由风筒诱导射流和湍流输运构成，可视为连续流体介质（Xie等, 2023）。控制方程如下。

质量守恒方程为：

?ρ/?t + ?(ρu)/?x + ?(ρv)/?y + ?(ρw)/?z = 0

其中 ρ为气体密度，kg/m3；t为时间，s；u、v和w分别为速度分量。

### 气流组织与流场分区特征

图5、图6、图7分别展示了基准工况O3下双掘进巷道—联络巷系统中气流组织、流线结构和典型断面风速分布。如图5所示，两通风风筒出口处产生了高速射流。气流进入掘进巷道后沿轴向发展至掘进面，随后在巷道边界和……的复合约束作用下发生偏转、卷吸和再分配。

### 参数效应与优化分析

为定量揭示通风参数对双掘进巷道—联络巷—回风系统中持续甲烷积聚和持续粉尘暴露的影响，基于16组正交工况下13个监测断面的时序数据构建了四个核心响应变量，随后进行了主效应分析、相关性分析、经验建模和综合响应评价以识别关键控制参数。近源……

### 讨论

基于现场风速验证和CFD模拟，本研究系统研究了双风筒双掘进巷道—联络巷条件下甲烷与粉尘的时空输运特征、参数效应和经验响应关系。关于通风参数的影响，已有研究（Kurnia等, 2015, Geng等, 2017, Gong等, 2019）主要聚焦于单巷道系统或常规掘进面，而……

### 结论

本研究以榆吾煤矿双掘进巷道为工程背景，建立了双风筒双掘进巷道—联络巷条件下甲烷与粉尘输运的CFD模型，基于16组正交工况分析了通风参数对污染物时空响应的影响及经验建模结果。主要结论如下：

（1）在双掘进巷道—联络巷系统中形成了复杂的对流组织……

### CRediT作者贡献声明

张亮：调查研究、经费获取、形式分析、数据整理、概念构思。卓雪菲：经费获取、形式分析、数据整理、概念构思。王子昌：调查研究、经费获取、形式分析、数据整理、概念构思。李祥春：调查研究、经费获取、形式分析、数据整理、概念构思。宋昊男：调查研究、经费获取、形式分析、数据整理、概念构思。王引清：……

### 利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

### 竞争性利益声明

作者声明不存在任何已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所报告工作的客观性。

李祥春 | 张耳韬 | 陈昕洋 | 王引清 | 宋昊男 | 王子昌 | 卓雪菲 | 张亮