《Process Safety and Environmental Protection》：Advancing support dust evolution mechanism in fully mechanized coal mining face and three-dimensional spraying shield synergistic dust control-removal technology
编辑推荐：
粉尘污染控制；CFD-DPM模型；三维雾化除尘系统；喷雾角优化；粉尘浓度降低
周刚|郭汉旭|孙浩天|倪平|刘永伟|于海明|孙彪|姚建军
山东科技大学安全与环境工程学院，中国青岛266590
摘要
为了解决全机械化采煤工作面中矿工作业区的粉尘污染问题，使用CFD-DPM模型进行了数值模拟，以分析在气流作用下的粉尘传输模式。基于分析结果，开发了一种空间三维雾化除尘系统。通过使用TAB破碎模型和雾化实验平台，研究了该系统的雾化效果和除尘效率。研究表明，顶板支护移位过程中产生的粉尘是走道区域粉尘污染的主要原因。在Z=15–34米处的走道区域，平均粉尘浓度为438.2毫克/立方米。专为工作面设计的空间三维雾化除尘系统能够将顶板支护安装过程中产生的粉尘限制在呼吸区高度1.6米以上。该系统实现了工作面的分区及模块化管理。研究发现，45°喷射角度结合AAB配置（两组负压捕尘器和一个雾幕捕尘器）能有效解决粉尘污染问题。单个空间单元内的最大喷射浓度达到0.192千克/立方米，喷射浓度曲线符合ExpAssoc函数模型。该系统在现场应用后，总粉尘浓度降低了90.3%。这一应用为后续工作面的粉尘抑制工作提供了理论和实践指导。
引言
根据国际能源署（IEA）的报告，2024年全球煤炭产量首次超过90亿吨，其中中国产量达到47.59亿吨，成为世界上最大的煤炭生产国（“Coal 2024 – Analysis - IEA”，无日期）。随着煤炭产量的增加，矿工面临的职业健康风险不容忽视（曹等人，2024；方等人，2020；田等人，2023）。在全机械化采煤工作面中，移动顶板支护过程中产生的粉尘是第二大粉尘来源，约占总粉尘产量的30%。这些粉尘主要集中在人行通道的上部区域，其中大部分可吸入粉尘会在空气中悬浮较长时间。高浓度的粉尘不仅会导致职业病，还会引发粉尘爆炸，对煤矿安全构成严重威胁（聂等人，2024c；赵等人，2025；周等人，2025c）。2024年，中国报告了7,312例新发职业性尘肺病病例，占全国新发职业病病例的约65%（秦等人，2024；张S等人，2021；周等人，2025b）。图1显示了新发病例的数量及其比例。由于电气设备故障、摩擦和冲击火花等因素引起的粉尘点燃曾导致爆炸事件。2020年，中国山东省梁包寺煤矿发生了一起爆炸事故，原因是剪切机的火花引发了粉尘爆炸，造成7人死亡和9人受伤（徐等人，2019；周等人，2025a）。因此，降低粉尘浓度可以有效控制煤矿隧道内的粉尘污染，改善矿内空气质量，并预防和减少职业危害（王等人，2022；张等人，2022；张等人，2023）。雾状粉尘抑制技术利用高压雾化水颗粒吸附粉尘，有效降低作业区的粉尘浓度。由于其高效性、适应性和改善工作环境的能力，该技术被广泛应用于煤矿粉尘抑制（贾等人，2016；聂等人，2024a）。
目前，数值模拟与实验相结合的研究方法在喷嘴优化相关研究中得到广泛应用。这种方法有效提高了工作效率并增强了结果的可靠性。张等人（田等人，2024）利用数值模拟和实验验证方法研究了超音速同轴雾化技术，发现该技术产生的高速细雾区能有效捕捉可吸入粉尘，尤其是PM0.5颗粒，分类效率达到90%。随着气动压力的增加，高速细雾区的范围扩大，有助于捕捉细小颗粒。聂等人（聂等人，2024b）对不同类型的喷嘴进行了实验和数值模拟，并优化了喷嘴，使得在6兆帕水压和10°喷嘴倾斜角度下，雾场覆盖了隧道截面的88.9%。当这种喷嘴应用于湿式除尘网时，矿工位置的粉尘降低率达到86.2%。通过测试喷雾系统的不同参数，找到了最佳的雾化参数，以确保喷雾系统的应用效果并提高除尘效率。贝克等人（贝克等人，2018）在不同喷嘴方向和水压下测试了不同喷雾系统的性能，发现浮煤粉尘的捕捉效率与喷雾压力、诱导气流、喷雾功率和水消耗呈正相关，与液滴直径呈负相关。克里马等人（克里马等人，2021）使用全尺寸模拟实验室测试了下护盾喷雾的主要参数，如距离、角度和压力，发现水压对所有区域的粉尘降低都有显著影响，而在关键采样点角度和距离也具有重要意义。新型雾化系统的开发可以有效解决现有设备无法满足粉尘抑制要求的问题，实现定向喷雾以降低粉尘浓度。侯等人（侯等人，2023）开发了一种自供电的感应雾化除尘系统，将动能转化为电能。该系统在大约10米的距离内效果最佳。通过应用多个系统，可吸入粉尘浓度从6.33毫克/立方米降低到2.48毫克/立方米。乔利亚等人（乔利亚等人，2021）开发了一种自动干雾除尘系统（DFDSS），结合了混合喷嘴、超声波喷嘴和雾化喷嘴。该系统对环境湿度影响较小，在低风速的封闭空间内可将粉尘浓度降低到1200微克/立方米以下，实现有效的粉尘抑制。
为实现降低粉尘浓度的目标，上述研究探索了优化喷嘴、确定喷雾设备安装参数和开发新型喷雾系统等方法。然而，这些努力仍然局限于一维研究，新喷雾系统的开发难以解决复杂工作环境中的粉尘污染问题。鉴于全机械化采煤工作面存在众多粉尘来源，且粉尘扩散受多种因素影响，一维研究方法难以达到理想的粉尘降低效果。因此，为精确解决公伍苏煤矿021601全机械化采煤工作面的粉尘污染问题，实施了基于雾的封闭式除尘系统，用于顶板支护移位过程中产生的粉尘。该系统实现了整个采煤工作面的全面雾状粉尘抑制，提供了三维空间雾状粉尘抑制效果。本研究建立了全尺寸比例模型，并利用CFD-DPM数学模型进行了风载粉尘传输模式的数值模拟。通过分析风载粉尘传输模式，开发了一种空间三维雾化除尘系统。使用TAB破碎模型探索了系统的最佳喷射角度和设备组合。通过将工作面划分为不同区域和单元，分析了喷雾场的喷雾浓度和覆盖范围。最后，将空间三维雾化除尘系统应用于现场工程，验证了系统的除尘效果。为了实现更好的雾化效果和粉尘抑制效果，本研究对喷雾设备进行了集成和改进，提高了其抗风扰动能力，同时提供了更高质量的雾化场。
部分摘录
雾化除尘机制
雾化除尘依靠水雾增加粉尘颗粒的质量和粒径，显著提高其重力沉降速度，使其能够迅速从空气中沉降。因此，润湿和粘附是实现雾化除尘的最基本机制，而惯性碰撞是液滴捕捉粉尘颗粒的主要机制。如果将粉尘颗粒视为球形，并且其运动遵循斯托克斯阻力定律，
计算域构建
确保计算几何形状真实反映实际挖掘布局对于验证数值预测至关重要。因此，构建了021601全机械化采煤工作面的1:1复制品，如图2所示。以进风口角为原点，工作面沿X轴划分为行人通道、护盾 canopy区和剪切机轨道。Y轴与
风载粉尘传输模式分析
为了揭示全机械化采煤工作面中的气流场分布特征，分析了整个隧道内的风速。气流分布如图6所示，不同颜色代表不同的风速，流线代表气流方向。分析结果如下：
(1)气流以大约1米/秒的初始速度进入进风口。遇到前进支护后，主流
工程应用
为了评估空间三维雾化除尘系统的抑制效果，在021601采煤工作面进行了现场试验；结果如图14所示。使用AKFC-92A本质安全型粉尘采样器在以下两种操作条件下测量粉尘浓度：
A：未采取任何除尘措施。
B：应用并启动了空间三维雾化除尘系统。
采样在
结论
基于021601综合采煤工作面风载粉尘传输的数值模拟结果，设计了一种三维雾化除尘系统，以精确控制顶板支护移位过程中产生的粉尘，并解决整个采煤工作面的粉尘污染问题。通过对雾化场的数值模拟结果进行分析，并结合实验验证和现场应用，得出结论该系统可以
作者贡献声明
倪平：数据整理。刘永伟：资源提供。于海明：软件开发。孙彪：可视化处理。姚建军：验证与调查。周刚：监督、项目管理、资金获取、概念构思。郭汉旭：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法论制定、概念构思。孙浩天：形式分析。
利益冲突声明
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致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2025YFE0219700）、国家自然科学基金（项目编号52274215、52574255）、山东省高校青创科技项目（项目编号2024KJH057）以及山东科技大学优秀青年人才项目（项目编号SKR22-5-01）的财政支持。
