旋转截割头诱导气流下大断面掘进机隧道多台阶作业粉尘扩散特性

《Process Safety and Environmental Protection》：Dust dispersion characteristics in a large-section continuous-miner tunnel during multi-step operations under rotating-drum-induced airflow

　　

摘要 在大断面连续采煤机（CM）巷道中，由于槽式切割（Sc）和块式落煤（Bw）阶段的操作依赖性空间配置以及旋转滚筒（RD）产生的非稳态扰动，切削区流场呈非定常状态。瞬态滑移网格（SM）欧拉-拉格朗日模型解析了截齿组件运动学与时间依赖流场结构。通过对比静止滚筒（SD）和设定40 rpm旋转滚筒（RD）工况，量化了切削高度（Hs）和滚筒诱导扰动对横轴切削滚筒（TCD）近源区颗粒弥散、操作区颗粒积聚和浓度分布的影响。模拟结果表明，供风巷道射流、空间配置和滚筒诱导扰动共同塑造了CM巷道内的气流组织。滚筒旋转在巷道近场产生了更大的顺流向气速变化，而其在远场（Z > 40 m）的影响减弱。对于PM7.07，在Sc操作下，旋转使时间平均顺流向弥散距离增加约12%至32%，而在Bw操作下对应的响应较小且非单调。此外，模拟预测在RD条件下操作区的颗粒积聚较低，但在低Hs Bw条件下梭车操作站预测了相反的响应。在切削直径面上，在Sc操作下，旋转使环向浓度变异性降低约70%–83%，而在Bw操作下响应随Hs变化，中等Hs工况下预测局部变异性增加。总体而言，将切削滚筒视为静止会产生气流和气-固行为的显著差异，特别是在TCD近源区内。
章节片段
符号说明
通用变量。A0：可实现k-ε涡粘性模型中的模型常数（A0 = 4.04）；As：可实现k-ε涡粘性模型中的辅助系数（As = √6·cos φ）；A≥Cth：粉尘浓度大于或等于Cth的面积（m2）；A*≥Cth：高于粉尘浓度阈值Cth的归一化面积分数（%）；Atotal,surface：所评估截面的总面积（m2）；C：粉尘质量浓度（mg·m?3）；C1：耗散率方程中的可变系数；C1ε：模型常数在…
连续采煤机巷道中气流和颗粒运动的控制方程
与标准k-ε模型和RNG k-ε模型相比，可实现k-ε模型对湍流（涡）粘度（μt）的涡粘性模型进行了关键修正。系数Cμ不再取固定值，而是随局部应变和旋转特性变化，从而改善了其在巷道内复杂剪切和分离流中的适用性（Fan等，2025；H. Wang等，2024；Yu等，2017）。该模型中的湍流粘度可以
物理模型构建
在大断面CM巷道掘进过程中，CM设备必须依次执行两项关键操作：槽式切割（Sc）和块式落煤（Bw）。这确保了稳定循环推进并保证巷道持续掘进。为准确表征这些操作及其设备布局特征，本研究对陕西省某矿井的CM巷道进行了现场调查。该CM巷道的截面尺寸为6.1 m × 4.1 m。掘进
连续采煤机巷道中整体气流与颗粒弥散特征
上述结果表明，TCD旋转显著改变了TCD近源区内的流场和粉尘分布结构。为进一步阐明这些局部变化如何影响巷道尺度的气流和颗粒输运，本节分析了不同工况下的气流组织和颗粒输运模式。为避免不同空间尺度间的歧义，本研究将TCD近源区与巷道
研究局限与未来展望
本研究聚焦于切削阶段和滚筒旋转对连续采煤机巷道内气流组织和煤尘输运的影响。由于实验条件和计算资源的限制，未显式解析喷雾降尘、粉尘生成的时间变化、详细的颗粒-颗粒和颗粒-壁面相互作用以及再悬浮，而将煤尘颗粒表示为等效球体。因此，本研究的
结论
在本研究的参数空间内，包括一种设定的通风条件、六种不同切削高度（Hs）的槽式切割（Sc）和块式落煤（Bw）配置，以及两种滚筒状态，即静止滚筒（SD）和40 rpm旋转滚筒（RD），采用瞬态滑移网格（SM）欧拉-拉格朗日模型研究了大断面CM巷道中的气流组织和颗粒输运。主要结论如下：
1）供风巷道射流提供了…
未引用参考文献（ANSYS, Inc, 2022；Wang等，2024）
CRediT作者贡献声明
Jie Wang：正式分析。Haoyu Wang：撰写——初稿、可视化、软件、方法论、概念化。Lei Gan：可视化、数据管理。Yu Zhou：验证、调查。Haotian Zheng：验证、概念化。Bingyou Jiang：撰写——审阅与编辑、监督、获取资金。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能对本研究产生影响。
致谢
本项目获得国家自然科学基金（52574223、52505241）、青年师资科研创新能力支持项目（SRICSPYF-BS2025047）、安徽省自然科学基金（2308085J19）、安徽省高校杰出青年基金（2022AH020057）、安徽省学术和技术带头人后备人选学术科研活动资助（2022H301）资助。
Haoyu Wang | Bingyou Jiang | Haotian Zheng | Yu Zhou | Lei Gan | Jie Wang