双进风下行式通风条件下综采工作面风流汇合诱导横截面粉尘扩散的机理与调控研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Study on the Mechanism and Regulation of Airflow Convergence-Induced Cross-Sectional Dust Dispersion in a Fully Mechanized Mining Face under Dual-Intake Downward Ventilation

　　

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  气流汇聚促进了双进风下行通风下的尘粒截面弥散。
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  在中间风道下游，尘粒由沿壁面输运转变为截面弥散。
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  采煤机位置对汇聚效应引发的尘粒弥散进入行人呼吸区具有显著影响。
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  风风量比调节使呼吸区粉尘浓度降低了49.91%。

引言

煤炭仍然是中国的主要一次能源，而综采工作面是高效地下采煤的核心生产单元（Du等，2020a；Xie等，2025；Xue等，2025；Zhang等，2021a）。在煤炭切割作业过程中，会产生大量粉尘，带来严重的职业健康风险，并增加煤尘爆炸等次生灾害的潜在风险（Hou等，2025；Zhou等，2024b；Zhou等，2021）。近年来，煤工尘肺病发病率不断上升，地下职业暴露问题日益引起关注，使粉尘防治成为矿山安全与环境保护的关键问题（Wang等，2023；Zhou等，2026；Zhou等，2023）。因此，阐明综采工作面的风流组织与粉尘迁移机制，对于改善井下作业环境、实现精准降尘具有重要意义。

针对地下煤矿中的风流—粉尘耦合作用行为，已开展了大量研究（Fan等，2025；Song等，2021；Zhang等，2021b；Zhang等，2024）。Chen等（Chen等，2022）研究了8 m特高采高工作面中风流与呼吸性粉尘的空间演化特征，揭示了采高增加对粉尘扩散范围及主要污染源的影响。Xie等（Xie等，2021）建立了风流—液滴耦合模型，优化了液压支架喷雾参数，并验证了改进方案显著提高了降尘效率。Gui等（Gui等，2022）分析了风幕条件下的粉尘输运情况，揭示了射流速度与倾角对采煤机司机附近细颗粒物（PM2.5）控制的影响。Zhao等（Zhao等，2024）提出了一种"屏障封闭"降尘方法，阐明了挡风板和透风挡尘板如何改变含尘气流的流向并降低行人侧空间的粉尘浓度。Yin等（Yin等，2021）优化了综采工作面用负压引射式除尘器，并验证了其在液压支架区域具有较高的除尘效率。这些研究表明，在地下环境中，风流组织、湍流演化与颗粒迁移之间强耦合，局部湍流结构会显著影响呼吸性粉尘的暴露程度及粉尘的截面弥散。

随着开采深度增加，地下煤矿越来越多地面临高瓦斯涌出、热害以及复杂通风条件等挑战，对矿井通风系统提出了更高要求（Xin等，2024；Xu等，2022）。例如，Niu等（Niu等，2025）研究了综采工作面中的热源与冷却系统优化问题，以提高深部煤矿热害的防控效果。Zhu等（Zhu等，2020）通过分析围岩热调节圈，研究了深部煤矿的热害防控问题，并提出了一种基于季节温差的风流冷却方法。Cheng等（Cheng等，2016）采用CFD模拟研究了高瓦斯含量且存在自燃风险的长壁工作面的通风参数优化问题。Xie等（Xie等，2023）对比了高瓦斯综采工作面中"两进一回"与"一进两回"通风系统的风流与瓦斯分布特征，结果表明优化通风结合瓦斯抽采可有效抑制回风流上隅角的瓦斯积聚。

为有效控制深部综采工作面中的瓦斯与热害，中国部分煤矿采用了双进风单回风的风路布置方式（Du等，2020b；Wang等，2022）。与传统的单进单回风路布置相比，通过中间风道引入的额外风量可提供充足且稳定的供风、降低通风阻力、抑制上隅角瓦斯积聚、减少向采空区的漏风、降低煤炭自燃风险并改善工作面冷却条件。此外，部分矿井在双进风通风布置下采用了下行通风，以进一步强化瓦斯与热害的防控。然而，这种通风方式的重大改变不可避免地会改变工作面内的风流结构、湍流分布以及粉尘迁移路径（Zhang等，2020；Zhang等，2023）。现有研究主要集中于传统通风布置、局部喷雾/风幕控制以及设备降尘（Cai等，2020；Chen等，2022；Nie等，2023）。然而，通过中间风道引入的额外进风所形成的独特气流汇聚结构，与传统单进单回通风存在本质区别。这种汇聚效应如何改变沿壁面的粉尘输运并促进截面弥散，以及通过风量重新分配对这种弥散进行调控的机制，目前尚未完全明确。这一知识空白限制了现场降尘设计的科学依据，阻碍了有效降尘策略的发展。

因此，本研究选取平煤六矿32020综采工作面，研究双进风下行通风下粉尘截面弥散的机制与调控方法。通过现场实测与全尺寸CFD模拟，刻画了下行主风流与中间风道进风之间的气流汇聚特征，阐明了其在粉尘由沿壁面输运向截面弥散转变过程中的作用，并评估了采煤机位置对该过程的影响。此外，还考察了不同进风与中间风道的风量比，以阐明风量重新分配如何调控粉尘的截面弥散与职业暴露。研究成果可为双进风下行通风条件下综采工作面的通风调节与精准降尘提供理论依据。

章节摘要

模拟假设

鉴于综采煤面作业环境的复杂性，在数值模拟中很难完全复现实际工况。因此，为降低计算复杂度并提高计算效率，采用以下假设（Chen等，2026；Nie等，2024；Zhou等，2024a）：(1)将采煤机切割区域简化为一个连续的单一样源；(2)将气流视为

综采工作面的工程背景

平煤六矿32020长壁工作面走向长度为1872.5 m，倾斜长度为300–303.7 m，平均煤层厚度为2.80 m，平均倾角为6°。煤层属于1/3焦煤，工作面采用走向长壁后退式开采，配备MG500/1180-WD型采煤机和ZY6800-20/40D型液压支架。开采过程中，正常采煤时的瓦斯涌出量为9.13–10.90 m³/min。该工作面采用双进风下行通风系统，风量为

采煤机位置对整体风流组织的影响

图6、图7、图8给出了32020工作面在不同采煤机位置、实际风量比条件下的整体风流分布情况，表明双进风下行通风下的风场与传统单进单回上行通风系统存在显著差异。在Y方向上，风流速度总体上呈现中部高、两侧低的分布特征。受

结论

(1)在双进风下行通风条件下，风场呈现出沿壁面高速输运以及中后部汇聚扰动加强的典型特征。下行主风流沿煤壁侧集中分布，而其与中间风道进风的相互作用在中间风道与回风道之间形成了高风速、高湍流区，该区风速普遍超过3 m/s且

CRediT作者贡献声明

胡文峰： 可视化、软件。李腾飞： 可视化、方法论、形式化分析。罗忠正： 方法论、形式化分析。张鹏程： 验证、方法论。杨毅： 软件、形式化分析。周邦浩： 写作—初稿、调查研究、形式化分析、数据整理、概念构思。秦波涛： 写作—审阅与编辑、监督、项目管理。周群： 写作—审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能被认为影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（52004275）资助

Banghao Zhou|Botao Qin|Qun Zhou|Tengfei Li|Zhongzheng Luo|Pengcheng Zhang|Yi Yang|Wenfeng Hu