引言
煤炭仍是中国的主要能源，全机械化采煤工作面是地下煤炭生产中产尘最密集的环境之一。如图1所示，2024年中国仍为世界最大煤炭生产国，煤炭产量达到47.8亿吨，占全球煤炭产量的51.7%（CEMRI, 2025, EI, 2025）。在地下开采过程中，割煤、运输和破碎过程持续产生悬浮煤尘（Cao et al., 2024, Liu and Liu, 2020）。地下工作场所的班时加权平均限值为总尘4 mg/m3和呼吸性粉尘2.5 mg/m3，但全机械化采煤工作面的浓度可大幅超过这些限值（MEM, 2022）。在某些情况下，总尘达到数千mg/m3，呼吸性粉尘达到数百mg/m3（Xiu et al., 2019）。在采煤机、液压支架和其他高度扰动区域附近的暴露尤为严重，粉尘在此处集中产生（Wang et al., 2021）。这种暴露会造成慢性呼吸危害，特别是煤工尘肺，悬浮或沉积的煤尘在有利点火条件下还可能引发爆炸风险（Hang et al., 2024, NHC, 2024, Wang et al., 2023, Yang et al., 2024）。因此，工作面可靠的粉尘控制至关重要。
在全机械化采煤工作面，粉尘控制通常依赖于通风、喷雾、水幕或气幕、负压集尘以及综合控制系统（Ma et al., 2020, Zhou et al., 2018）。除了这些物理控制措施外，还开发了交联泡沫抑尘剂用于露天煤矿建设（Qi et al., 2026）。通风控制着粉尘的输运和稀释，但在地下条件下，更高的气流并不总是按比例转化为更好的控制效果（Liu et al., 2019, Yang et al., 2022, Yu et al., 2025）。喷雾降尘系统的性能由液滴粒径、射流速度、喷雾覆盖率和液滴与粉尘之间的相互作用决定（Ren et al., 2014）。水幕系统及相关的全断面湿式拦截装置可以进一步抑制巷道和回风巷中的下游粉尘迁移（Zhang et al., 2021）。工作面的粉尘来自多个源，并随着运行和通风条件而变化，因此单一措施通常不足以独立发挥作用（Sun et al., 2019, Zhang et al., 2020, Zhou et al., 2023）。
基于喷雾的降尘技术已通过实验室实验、现场研究和数值模拟进行了广泛研究（Charinpanitkul and Tanthapanichakoon, 2011, Xie et al., 2025）。先前的研究主要涉及喷嘴参数、喷雾场组织、降尘设备和雾化行为。几项研究通过实验室测试、数值模拟和现场验证优化了喷嘴类型和操作参数（Nie et al., 2023, Nie et al., 2024, Peng et al., 2022b）。近期的喷嘴研究通过自激脉冲射流中的多尺度空化微雾耦合进一步增强了雾化效果（Qiao et al., 2026）。Song等（2024）分别建立喷雾场和粉尘场模型，并通过现场测量验证预测分布，开发了采煤工作面的降尘策略。Yin等（2021）开发了负压引射式集尘器，并评估了其雾化性能。Wang等（2022）量化了喷雾压力和液体表面张力对喷雾覆盖率、有效喷雾角度和喷雾浓度的影响。这些研究为喷嘴优化、喷雾组织和设备开发提供了大量基础，但喷雾场和粉尘场通常被分开分析，降尘效果主要通过粉尘浓度的变化来评估。
不同空间尺度的喷雾除尘CFD研究以及基于分布的公式已经得到开展，后者考虑多分散液滴和粉尘颗粒并预测整体去除效率（Charinpanitkul and Tanthapanichakoon, 2011）。在喷嘴和设备尺度上，数值模型能够提供雾化特性、引射、喷雾角度和喷雾覆盖率的详细预测，因此适用于优化单个喷雾和局部降尘设备（Nie et al., 2023, Nie et al., 2024, Peng et al., 2022b）。在矿井工作面尺度上，数值模型保留设备几何形状，并在更大的空间域内表征气流、粉尘输运和喷雾分布（Song et al., 2024, Yin et al., 2019, Zhang et al., 2020）。近期耦合模型进一步表征了气体、液滴和粉尘颗粒的联合输运（Qin et al., 2024, Wang et al., 2024, Ye et al., 2024）。总体而言，这些研究揭示了一个尺度依赖性限制。局部模型在近场喷雾行为方面保留了更多细节，但通常忽略完整的设备几何形状和多喷雾源之间的相互作用，而现场尺度模型保留了主要输运途径，但通常通过整体或概率性公式描述液滴-粉尘捕集。因此，在完整多源喷雾配置下，局部液滴和粉尘特性对捕获过程的影响仍未得到充分表征。
单个喷雾设备和全断面湿式拦截系统，如水幕，由于部署灵活和巷道覆盖效果良好，已广泛应用于地下煤矿控制悬浮粉尘（Li et al., 2020, Qiu et al., 2024）。现有研究已经阐明了喷雾间距、横向覆盖率、液滴特性和操作参数对降尘性能的影响，并通过数值模拟和现场试验证明了这些措施的有效性（Chen et al., 2018, Jing et al., 2022, Seaman et al., 2020）。然而，大多数模拟针对单个喷雾设备或空间有限的巷道区域，主要解决喷雾分布和参数优化问题（Peng et al., 2022a, Zhang et al., 2020）。在完整采煤工作面，割煤、液压支架推进和煤炭转运产生的粉尘形成重叠的输运途径，而采煤机、液压支架、转运点和水幕喷雾在通风气流和设备诱导流动扰动的共同影响下同时运行（Song et al., 2024, Xiu et al., 2019, Ye et al., 2024）。多粉尘源和喷雾系统的共存造成了空间不均匀的粉尘控制条件，这意味着整体降尘效率可能不足以代表局部粉尘暴露，特别是靠近工人呼吸区覆盖不足或再循环的区域。因此，全面评估需要考虑通风气流、多源粉尘排放和多个喷雾系统在工作面尺度的耦合输运。
为了解决上述在多源喷雾-粉尘耦合表征和呼吸高度局部粉尘评估方面的局限，本研究开发了一个针对现实全机械化采煤工作面的欧拉-拉格朗日CFD框架，该框架耦合了基于UDF的液滴-粉尘捕获模型。与预设平均收集效率不同，该判据根据每次液滴-粉尘碰撞事件的瞬时条件确定是否捕获。该框架耦合了多源喷雾下的气流再分配、液滴输运、粉尘扩散和液滴捕获。它被用于分析呼吸高度残余粉尘的形成，并量化粉尘浓度场对不同液压支架喷雾激活密度的响应。目标是确定粉尘持续存在的位置，并确定液滴覆盖率与粉尘羽流之间的空间重叠如何影响其去除。
