我国西南高原地区蕴含着丰富的矿产资源，随着对西南地区的大力开发与建设，大量矿产资源也被逐步开采;但高原地区特殊的气候环境会对资源的高效开采产生一定影响，其中井下工作面粉尘的高效防治就是问题之一。
国内外对于气流-颗粒的气固两相流研究目前主要采用现场测定、实验室分析和数值模拟等方法。对于矿井掘进工作面，现场测定的数据更加真实可靠，但受限于实际环境及生产条件，难以对各种条件下的粉尘弥散进行详细测定。而实验室相似实验[1-3]和数值模拟[4-7]可以模拟实际环境，进一步对粉尘的产生和扩散进行分析，弥补现场测定难以完成的任务。HARGREAVES等[8]构建了一系列稳态CFD模型，复制切割和锚固周期的各个阶段中钻头前端的流场形态。TORANO等[9]对2种辅助通风系统的粉尘扩散进行研究，验证了CFD模型可用于优化辅助通风系统，避免了使用常规设计计算方法的缺点。随着西南地区交通的日益发展，建设了大量高原铁路、公路隧道，如正在修建的川藏铁路，高原隧道掘进通风及控尘技术也有了一定研究[10]。但西南高原地区的资源开采还处于初级阶段，目前对高原矿井的研究还相对较少。龚剑等[11-12]对高原矿井掘进工作面粉尘运移及长压短抽通风控尘系统进行了分析。张国梁等[13-14]研究了高原环境下矿井通风机性能及最低排尘风速的变化。根据矿井综掘工作面的测定数据，不安装除尘设施时掘进工作面质量浓度最大能达到1 g/m3以上，对人员呼吸系统会产生严重影响。目前国内外关于掘进工作面的除尘技术有通风排尘、机载外喷雾除尘、确定最佳截割参数和注水降尘等。对于通风排尘技术，压抽结合的方式虽然与单一的压入式通风相比，能将含尘气流大量吸入除尘器并净化[15-16];但由于在掘进工作面附近存在大量向出口方向流动的气流，仍然有许多粉尘会扩散到掘进机后方的工作区。经过实践验证，压风分流技术形成的风幕能对粉尘的扩散起到一定的阻隔效果，是一种可行的控尘措施[17-18];因此，关于附壁风筒和径向风幕的风流参数逐渐成为了研究的重点[19-21]。
笔者就高原环境对粉尘运移特性的影响进行分析，采用数值模拟的方法研究了高原矿井动态截割过程掘进工作面粉尘的扩散情况，并确定了合理的掘进工作面通风控尘参数。
1 高原矿井掘进工作面粉尘质量浓度测定分析
1.1 井下环境参数和粉尘质量浓度测定
青藏高原某矿山目前井下开采海拔在4 300～4 700 m，属于典型的高原高寒矿井。为分析高原矿井粉尘扩散性质的变化，对该矿区的环境特性和粉尘质量浓度进行测定。采用CZC5精密气压计、TSI通风多参数仪和Drager Pac5500气体检测仪对矿井整体环境参数和氧体积分数进行测定，在井下共布置320个测点，统计结果见表1。由表1可知，大气压力和密度都降低到标准值的50%～60%，氧气体积分数最低为19.1%，出现低于规定值(20%)的现象;实测环境中气压、空气密度、氧气体积分数与标准状态环境的比值分别为:0.51～0.55，0.58～0.61，0.91～1.00。
表1 某高原矿井环境参数测定
Table 1 Measurement of environmental parameters
in plateau mines
环境参数气压/Pa空气密度/(kg·m-3)氧气体积分数/%实测范围52 165～55 7400.710～0.75019.1～20.9标准值101 3251.22520.9
针对该矿井的实际情况，对海拔4 420 m的某掘进工作面截割粉尘质量浓度进行测定，其中呼吸带高度测点布置如图1所示。考虑到安全性，靠近掘进工作面位置测点需在掘进机截割前安装并打开采样仪，但在后续计算时需将提前打开仪器产生的误差消除。测得不同位置的粉尘质量浓度如图1所示，其中水平轴的正负表示掘进工作面的回风侧和进风侧。
图1 掘进工作面测点布置及粉尘质量浓度
Fig.1 Arrangement of measuring points and dust concentration
at the digging face
由图1可知:
(1)回风侧粉尘质量浓度在距掘进工作面10 m范围内达到峰值，之后快速下降逐渐达到稳定值。进风侧粉尘质量浓度也随着距掘进工作面距离的增加逐渐降低，但在靠近掘进工作面位置，由于风筒射流的影响，在10 m位置存在一个极小值，粉尘质量浓度较低。
(2)截割岩体时，掘进工作面进风侧和回风侧粉尘质量浓度变化趋势相同，但回风侧整体粉尘质量浓度要略大于进风侧，特别是在靠近掘进工作面20 m范围。同时，越靠近掘进工作面出口方向，流场越均匀，风流越稳定，20 m之后的区域粉尘质量浓度均降低在100 mg/m3以下，且此时粉尘充满断面，颗粒沉降量减少，粉尘质量浓度变化幅度变小。
1.2 高原环境对颗粒运动方程的影响
根据前面的测定以及查阅文献可知，海拔升高后，环境气压、气体密度和温度等物理性质会发生显著变化。在高海拔地区作业，特别是矿山开采、隧道掘进等劳动强度较大的作业现场，必须考虑空气物理性质的变化所带来的影响。在对流层气温不恒定，根据气体多状态方程和玻尔兹曼分布得到大气压随海拔高度的变化如式(1)所示。由于大气中氧气的体积分数始终保持在20.9%，不随海拔变化，氧分压也始终为0.209p0。大气压力p随海拔升高而降低后，氧分压也相应降低，氧气质量浓度下降，影响人员呼吸和设备运转。
(1)
式中，p0为标准大气压，101 325 Pa;地学基本数据手册中n=1.234 962;Mair为空气的摩尔质量，29 g/mol;g为重力加速度，9.8 m/s2;H为海拔高度，km;R0为通用气体常数，8.314 kJ/(kmol·K);T为空气的绝对温度，K。
在常温低压条件下，气体可近似看作理想气体，符合克拉伯龙方程。根据pV=R0Tm/M(V为气体体积;m为气体质量)，得到空气密度为ρair=pMair/R0T;又因为Mair和R0不变，所以空气密度的近似计算公式为
(2)
式中，ρ为某环境下空气密度;ρ0，T0分别为标准状况下空气密度和温度。
分析海拔高度对粉尘颗粒运动扩散的影响。首先，掘进工作面粉尘颗粒在空间中受重力Fg、浮力Ff、空气阻力Fd、压力梯度力Fp、Saffman升力Fs和其他力Fq作用的运动微分方程为
(3)
式中，mp，vp，t分别为粒子的质量(kg)，速度(m/s)和时间(s)。
颗粒运动时，将其等效为球形粒子，由于粒子密度ρp远大于空气，作用于颗粒的重力远大于浮力，所以Ff可忽略;同时Fp,Fs和Fq量级较小，对颗粒运动影响小，也可忽略。因此粒子运动微分方程可转化为
(4)
式中，dp为颗粒粒径，m;ρp为颗粒密度，kg/m3;ρg为流体密度，kg/m3;vp为颗粒运动速度，m/s;Cs为阻力系数;vg为气流速度，m/s。
颗粒运动可分解为水平和竖直2个方向，分别对其进行分析。颗粒在水平方向主要受空气阻力作用，来流的拖曳力使颗粒得以运动扩散，因此最初的气流阻力即为动力，直到颗粒速度与气流速度相同。竖直方向粒子受到的浮力可忽略，且在水平气流中，当竖直方向的气流速度为0时，水平和竖直方向的受力方程分别为
(5)
(6)
式中，vpx为粒子水平方向速度，m/s;vpy为粒子竖直方向速度，m/s。
可以看到粒子运动方程与空气密度ρg和阻力系数Cs相关。ρg会随海拔的上升而降低;而Cs根据实验研究发现与dp,vg和气体运动黏度ν有关。用雷诺数Rep表示，Cs即为Rep的函数，如式(7)所示;在不同的Rep范围内，Cs具有不同的性质和数值，函数表达式也不同。
Cs=f(Rep)
(7)
dp和vg为气固两相的特性，不随海拔高度变化;而ν是流体动力黏度μ与密度ρg的比值。μ是每种流体的特性，其变化与温度和压强有关，其中压强对μ的影响相对较小。气体的μ会随温度降低而降低，因此，在高海拔地区，空气密度和温度降低，μ也会随之下降;当温度小于2 000 K时，气体动力黏度变化如式(8)所示;而ν在μ与ρ的共同作用下呈上升趋势，如图2所示。因此，根据前面分析可以看出，高原环境会影响气固两相流动。
图2 动力黏度和运动黏度随海拔高度的变化
Fig.2 Dynamic viscosity and kinematic viscosity vary
with altitude
(8)
式中，μ0为基准状态下的流体动力黏度系数，Pa·s;T为绝对温度，T0=288.15 K;B为气体种类常数，空气为110.4 K。
2 几何模型建立与求解参数设置
2.1 物理模型与网格划分
根据该矿山井下掘进工作面的实际情况，构建物理模型。采用Soildworks建立同比例掘进工作面施工模型，并导入Workbench中进行网格划分，如图3所示。其中巷道长80 m，断面为3心圆拱，高3.6 m，宽4.6 m。掘进工作面施工模型内部主要由4个部分组成，包括掘进机、压风筒、第2输送机、主带式输送机。掘进机总长10.5 m，包括截割臂、铲板、星轮、第1输送机和机体，机体后方为第2输送机，用于与主带式输送机搭接。压风管道直径为0.6 m，悬挂于巷道右侧，其中出口距掘进工作面10 m，轴线距地面2.5 m。
图3 掘进工作面几何模型与网格划分
Fig.3 Geometric model and meshing diagram of digging face
2.2 边界条件和离散相参数
根据数值模拟中湍流和颗粒运动的基本原理，结合该掘进工作面的实际情况，对模型的边界条件和基本求解参数进行设置，见表2。将模拟结果采用CFD-post和Origin进行处理分析，从而得出掘进工作面不同截割参数下颗粒运移情况，并分析高原环境对其运动扩散的影响。
表2 计算模型参数设定
Table 2 Calculate model parameter setting
项目参数参数设定求解器压力基求解器湍流模型Realizable k-ε模型边界条件入口边界类型Velocity inlet出口边界类型Pressure outlet求解方法Coupled离散格式二阶迎风密度/(kg·m-3)4 200粒径分布R-R分布离散型参数喷射源质量流率/(kg·s-1)0.02R-R分布指数n2.5R-R特征粒径De/μm50湍流扩散模型随机轨道模型
3 高原环境下掘进工作面粉尘污染效应的分析
3.1 截割粉尘的动态扩散过程分析
针对施工现场实际情况，在环境参数测定的基础上，对高原环境下掘进工作面气流和截割粉尘形成的耦合流场进行模拟。其中大气压54.7 kPa，空气密度0.73 kg/m3，动力黏度1.65 Pa·s，风筒风量为215 m3/min。粉尘产生于截割头与岩壁接触位置，截割粉尘颗粒满足R-R分布，粒径1～120 μm，De为50 μm，n为2.5。模拟得到不同时刻风流和颗粒的耦合扩散过程、沿程粉尘质量浓度以及扩散距离变化如图4所示，可以看出:
图4 掘进工作面粉尘扩散分析
Fig.4 Analysis of dust dispersion at the digging face
(1)由于风流在掘进工作面附近存在折返流动，会发生冲击、掺混等，使掘进工作面附近存在涡流区，在该区域粉尘粒子扩散的规律性较差。但风流在继续向前流动的过程会逐渐稳定，在该区域，粒子扩散规律性较强，大颗粒在下，小颗粒在上，且粉尘质量浓度值变化幅度减小。
(2)在风筒射流冲击作用下，截割头与岩壁接触位置产生的粉尘会迅速扩散到整个掘进机周围，并进一步充满整个断面。15 s时，粉尘扩散到掘进工作面司机工作位置的涡流区;40 s后，颗粒从流场过渡区扩散到稳定区，并继续在横向气流的作用下向出口方向稳定扩散;200 s后，粉尘扩散到出口位置，此时，颗粒整体运动达到一个相对稳定的状态。由于掘进工作面附近风速的极差值较大，粉尘扩散速度要大于掘进机后方的稳定区。
(3)截割产生的大颗粒在重力作用下，会在距掘进工作面较近位置沉降，并被地面吸附而停止运动;但小颗粒，特别是粒径在10 μm以下的颗粒，会在湍流脉动风流作用下，悬浮于空气中，最终随风流排出掘进工作面。
由前面分析可知，不同粒径颗粒扩散存在较大的差异性，沉降区域不同，因此对掘进工作面不同位置的粒径分布占比进行统计，如图5所示。
图5 掘进工作面不同位置颗粒粒径分布
Fig.5 Particle size distribution at different locations in the
digging face
可以看到:距离掘进工作面较近位置，颗粒粒径分布范围较广，且整体粒径较大;但在风流的携带作用下，颗粒向出口方向扩散，大颗粒逐渐沉降到巷道底部，而小颗粒很难在自身重力的作用下沉降，所以越靠近出口位置，整体颗粒粒径越小，分布范围越窄。在出口位置，颗粒最大粒径仅为16 μm。
3.2 截割头运动过程对工作区粉尘分布影响
掘进机截割煤岩时，截割头以一定路线在壁面移动。由于不同位置流场的差异，导致截割粉尘的扩散轨迹不同，从而对司机工作区域的污染效应差异性较大。设置截割头在岩壁的运动路线如图6所示，编写Profile文件导入Fluent中，采用Smoothing和Remeshing的动网格模型分析截割头运动一个循环过程中，到达A，B，C，D，E和F六个位置时，截割粉尘对司机工作区域(X=5 m)的污染情况，其中扩散光顺参数diffusion parameter为1.5，重构网格最大扭曲度为0.9。结果如图7所示。
图6 截割头运动轨迹
Fig.6 Motion trajectory of cutting head
图7 截割头处于不同位置时工作区的粉尘质量浓度分布
Fig.7 Dust concentration distribution in the working area when the cutting head is in different positions
从图7可以看出:
(1)截割头运动到不同位置时，在周围风流的裹挟作用下，产生的颗粒会向不同区域扩散，特别是粒径较小的颗粒。在掘进工作面前段，截割头位置对粉尘扩散影响较大;随着粉尘继续向出口运动，粉尘逐渐充满巷道，产尘源位置对其分布的影响减弱。(2)当掘进机截割左边岩体时(A，E)，此时截割头处于回风侧，产生的粉尘直接被风流携带经巷道左侧向出口扩散，涌向司机工作区;而截割右边岩体时(B，C)，截割头处于右侧风筒射流区，产生的粉尘不会直接涌向司机工作区域。因此截割左半区岩体时，司机工作区的颗粒浓度要明显高于截割右侧岩体。
(3)截割上部岩体(F)时，由于距地面较高，颗粒的沉降时间增加，在风流的携带下，整体扩散距离变长，扩散到司机工作区的粉尘也增多。因此，在截割壁面左上方岩体时，产生的粉尘对工作区的影响要大于截割右下方岩体。
3.3 高原环境对掘进工作面粉尘质量浓度分布影响
海拔上升环境参数的变化，会导致掘进机截割粉尘颗粒的运动方程改变。为研究不同海拔环境对掘进工作面颗粒运动情况的影响，改变环境参数，模拟掘进工作面粉尘质量浓度达到稳定后，掘进工作面沿程断面平均粉尘质量浓度的变化趋势。其中，各海拔的环境参数设置见表3。模拟得到在最小压风量215 m3/min条件下，海拔0，2，4和6 km环境下的掘进工作面粉尘质量浓度分布图和沿程质量浓度变化曲线如图8所示。
表3 不同海拔的环境参数
Table 3 Environmental parameters at different elevations
海拔/m气压/Pa密度/(kg·m-3)温度/K 动力黏度/(10-5 Pa·s)运动黏度/(10-5 m2·s-1)0101 3251.225288.151.791.462 00078 5550.995275.151.731.744 00058 5000.778262.151.662.146 00041 3900.579249.151.602.76
图8 不同海拔环境下掘进工作面粉尘质量浓度变化
Fig.8 Variation of dust concentration in digging face under
different altitude
由图8可以看出:
(1)掘进工作面截割产生的粉尘在向出口方向扩散的过程中，前30 m内粉尘质量浓度快速下降，在距掘进工作面5～10 m的司机工作区域粉尘最高质量浓度能达600 mg/m3;但30 m以后的区域，由于大量颗粒在扩散过程中沉降到巷道底部，粉尘质量浓度稳定在100 mg/m3以下，并缓慢降低。
(2)随着海拔的升高，大气压和空气密度发生变化，风流对粉尘颗粒的携带能力降低，导致掘进工作面沿程粉尘的沉降量增大，粉尘质量浓度降低。但由于大量颗粒未被携带出工作面，直接沉降到巷道底部，当再次遇到扰动气流时，粉尘二次飞扬的可能性增加。
为详细分析颗粒在掘进工作面的沉降过程，对通过各个断面的粒径分布进行统计。不同海拔环境下，掘进工作面沿程断面颗粒累积分布D10,D50和D90(D10，D50和D90分别为筛下累积为10%，50%和90%时的粒径)的变化如图9所示，同时对司机工作区域(5～10 m)的粒径分布情况进行测定，可以看出:
图9 不同海拔高度下颗粒粒径分布
Fig.9 Particle size distribution at different altitudes
(1)扩散到司机工作区的粉尘粒径在1～40 μm，粒径在40 μm以上的颗粒在掘进工作面附近沉降。随着海拔从0上升到6 km，该区域颗粒的分布范围变小，质量流率下降，但下降幅度较小。
(2)由于大颗粒沿途逐渐沉降，越靠近出口方向，粒径范围越窄，导致R-R分布的特征粒径De减小、特征数n增大。出口位置颗粒D90下降到10 μm以下，粒径在10 μm以上的颗粒大部分沉降到巷道底部。
(3)不同海拔环境下，虽然掘进工作面沿程的粒径分布(D10，D50和D90)变化趋势相同，都在降低;但随着海拔上升，空气密度和气压的降低，颗粒累积粒径分布D10，D50和D90的数值都在缓慢下降。
3.4 高原环境对不同粒径颗粒沉降效果影响
由3.3节分析可知，不同粒径颗粒在流场中的运动差异性较大。在压风量为215 m3/min条件下，粒径大于40 μm的颗粒在掘进工作面附近会快速沉降，继续随风流向前运动的主要以粒径为1～40 μm的小颗粒为主。选取2.5，5.0，10.0，15.0，20.0和30.0 μm六种单一粒径，对其扩散与沉降情况进行分析，其中沿程颗粒质量浓度变化如图10所示，可以看出:
图10 单一粒径颗粒的沉降规律变化
Fig.10 Variation of settling pattern of single particle size
(1)海拔上升对单一粒径颗粒运动的影响与R-R分布粒径颗粒的趋势相似，都随海拔的上升，沉降量增大，质量浓度下降;但海拔对粒径为2.5 μm的细微颗粒影响相对较小，对粒径5 μm以上颗粒影响区分度较大。
(2)在距掘进工作面10 m范围内，由于截割粉尘初步产生，大部分未沉降到巷道底部，所以海拔高度对该区域断面的平均粉尘质量浓度影响较小;但受重力影响，颗粒在风流的作用下，除了向前扩散还在向下沉降，因此10 m之后的区域，颗粒沉降量逐渐增加，海拔变化对其的影响也更加明显。
(3)随着粒径的增大，颗粒沉降距离发生明显改变。粒径为2.5 μm和5 μm的颗粒在掘进工作面沉降量较少;但10 μm及以上的颗粒在掘进工作面内会完全沉降到巷道底部，且随着粒径增大，沉降距离逐渐缩小，由70 m逐渐减小到8 m。
4 高原矿井掘进工作面通风控尘系统参数确定
4.1 附壁风筒与除尘器结合的控尘系统流场分析
由前文的分析可知，高原环境下，掘进工作面的粉尘颗粒沉降加快，风流对其携带能力降低，巷道平均粉尘质量浓度会下降一定幅度;但大量细微颗粒沉降到地面，并没有被携带出掘进工作面，当遇到扰动气流时，再次飞扬的可能性增大，会造成二次污染。所以对于高原矿井掘进工作面应尽可能将粉尘控制在掘进工作面位置，并将其有效收集，减少在巷道中的沉降。而附壁风筒加除尘器的控尘方法可有效的将粉尘控制在掘进工作面，在高原矿井掘进工作面除尘方面具有较大的应用价值。
分析安装附壁风筒和除尘器后，局部通风系统对高原矿井掘进工作面粉尘的控制效果。压风筒出口安装附壁风筒后，进风风流一部分会沿附壁风筒轴向流出，形成轴向射流;一部分从附壁风筒侧边的狭缝流出，沿壁面流动形成旋转气流风幕，如图11所示。通过调节附壁风筒前段出风口的截面积大小可控制径轴风量比，其中轴向出口面积可通过绳子调整，直径最大为0.6 m;径向狭缝宽1.5 m，高0.1 m，当不需要径向旋转气幕时，可将附壁风筒的狭缝关闭。另一侧与除尘器相连接的抽风筒入口距掘进工作面5 m，直径0.6 m。
对附壁风筒与除尘器结合的长压短抽控尘系统形成的流场进行分析，整个掘进工作面的流场体图、不同截面的风流矢量图和流线图如图11所示，可以看出:
图11 掘进工作面控尘系统流场形态
Fig.11 Flow field pattern of dust control system at the
digging face
(1)附壁风筒锥形出风口的轴向射流会在掘进工作面附近发生折返流动，形成逆时针旋转涡流;而径向风流会沿壁面向两侧旋转流动，形成空气幕，且在断面右半区风流较大，方向性明显，可用于阻隔粉尘向出口方向扩散。
(2)由于除尘风机运转，在抽风筒入口截面会形成汇流，大量风流被吸入风筒后经除尘器排出，并在除尘器后方形成二次射流;同时入口位置由于靠近掘进工作面，存在射流和回流，风流方向差异性较大，左上方指向掘进工作面⊗，右下方指向出口⊙。
4.2 不同风流参数下的控尘效果对比
针对高原矿井掘进工作面粉尘沉降量增加、排出效率低的现象，分析在附壁风筒不同径轴风量比m和压抽比n条件下的控尘效果。当固定压风筒总风量为215 m3/min，除尘器处理风量为270 m3/min，即压抽比n=0.8，分析m=0.5，0.6，0.7，0.8和0.9时，局部通风系统的控尘效果，详细设置见表4，其中，Qy为压风筒风量;Qc为除尘器处理风量;Qj为附壁风筒径向风量;Qz为附壁风筒轴向风量。模拟得到掘进工作面粉尘质量浓度分布体图和断面平均质量浓度曲线图如图12所示，可以看出:
图12 不同m值下的控尘效果
Fig.12 Dust control effect at different m values
表4 不同通风参数设置
Table 4 Different ventilation parameter settings
模拟实验组编号Qy/(m3·min-1)Qc/(m3·min-1)mnQj/(m3·min-1)Qz/(m3·min-1)2152700.50.8107.5107.52152700.60.8129.086.012152700.70.8150.564.52152700.80.8172.043.02152700.90.8193.521.51622700.70.6113.448.62152700.70.8151.262.822702700.71.0189.081.03242700.71.2226.897.23782700.71.4264.6113.4
(1)在径向空气幕和除尘器的共同作用下，大部分粉尘被控制到附壁风筒径向出风口前段，并被吸入到除尘器中经净化后重新排出，只有较少的粉尘扩散到距掘进工作面20 m之外的区域。与不安装附壁风筒和除尘器相比，粉尘扩散范围大幅减小，距掘进工作面20 m之后的区域粉尘质量浓度会降低70%以上。
(2)断面平均粉尘质量浓度在截割头位置最高，之后快速降低，在距掘进工作面20 m处下降达到极小值;在距掘进工作面40 m范围内颗粒全部沉降到巷道底部或被除尘器吸收，粉尘质量浓度下降为0。
(3)固定Qy不变，随着m的增大，整个空间粉尘质量浓度在降低。当m≥0.7时，附壁风筒对粉尘的阻隔效果明显优于m<0.7时的情况，掘进工作面附近断面的平均粉尘质量浓度也大大降低。
对压抽比n进行分析，固定除尘器处理风量为270 m3/min，m=0.7，改变n=0.6，0.8，1.0，1.2和1.4，详细设置见表4，观察局部通风系统的控尘效果，结果如图13所示，由图13可知:
图13 不同n值下的控尘效果
Fig.13 Dust control effect at different n values
(1)固定Qc不变，随着n的增大，附壁风筒轴向射流和径向附壁风流风速增加，但由于掘进工作面射流效果较强，掘进工作面附近流场分布不均匀，粉尘在风流的携带作用下，会冲出隔尘气幕，导致粉尘的扩散范围变大，控尘效果减弱。
(2)压抽比n<1时的控尘效果要优于n>1;但n<1时，压风量小于抽风量，除尘器流出的风流会再次进入到掘进工作面位置，存在风流复用的现象，需保证除尘器的净化效果满足要求。
5 结 论
(1)截割产生的大颗粒在重力作用下会快速沉降而停止运动，而小颗粒(粒径≤40 μm)在风流作用下会悬浮于巷道空间，继续向前扩散。在距掘进工作面较近位置，颗粒的粒径分布范围较广，整体粒径较大;越靠近出口位置，颗粒粒径越小。
(2)截割头在掘进工作面不同位置时，由于周围气流的裹挟作用，产生的颗粒会向不同区域扩散，特别是小颗粒。截割上部岩体时，颗粒沉降时间增加，扩散距离变长，到达工作区的颗粒增多;且截割左侧时，工作区的颗粒浓度明显高于截割右侧。
(3)海拔升高，风流对粉尘的携带能力降低，导致掘进工作面沿程颗粒的沉降量增大，浓度下降，存在二次飞扬的隐患。扩散到工作区的粉尘粒径为1～40 μm，随着海拔从0上升到6 km，该区域颗粒分布范围和质量流率都会下降;但海拔高度对不同粒径颗粒的影响不同，对粒径为2.5 μm的细微颗粒的影响较小，对粒径在5 μm以上的颗粒的影响区分度较大。
(4)掘进工作面安装附壁风筒和除尘器后，距掘进工作面20 m之后的区域粉尘质量浓度会降低70%以上。当附壁风筒径轴风量比m≥0.7时，形成的风幕对掘进工作面截割粉尘的阻隔效果较好;当压抽比n<1时，掘进工作面附近流场相对稳定，有利于除尘器对含尘气流的净化。
[1] BHASKAR R,RAMANI R V,JANKOWSKI R A.Experimental studies on dust dispersion in mine airways[J].Mining Engineering,1988,40(3):191-194.
[2] BHASKAR R,RAMANI R V.Behavior of dust clouds in mine airways[J].SME Transactions,1986,280:2051-2059.
[3] KOLLIPARA V K,CHUGH Y P,MONDAL K.Physical,mineralogical and wetting characteristics of dusts from Interior Basin coal mines[J].International Journal of Coal Geology,2014,127:75-87.
[4] NAZIF H R,BASIRAT T.Development of boundary transfer method in simulation of gas-solid turbulent flow of a riser[J].Applied Mathematical Modeling,2013,37(4):2445-2459.
[5] 龚晓燕,韩郑,薛河,等.综掘面不同截割方式下的最佳风场调控规则研究[J].煤炭学报,2021,46(3):973-983.
GONG Xiaoyan,HAN Zheng,XUE He,et al.Research on optimal wind field regulation rules under different cutting methods in fully mechanized face[J].Journal of China Coal Society,2021,46(3):973-983.
[6] 胡胜勇,廖奇,王和堂,等.高瓦斯煤层综掘工作面风流-粉尘两相流动特性[J].煤炭学报,2019,44(12):3921-3930.
HU Shengyong,LIAO Qi,WANG Hetang,et al.Gas-solid two-phase flow at high-gassy fully mechanized within high gassy coal seam[J].Journal of China Coal Society,2019,44 (12):3921-3930.
[7] CANDRA K J,PULUNG S A,SADASHIV M A.Dust dispersion and management in underground mining faces[J].International Journal of Mining Science and Technology,2014,24(1):39-44.
[8] HARGREAVES D M,LOWNDES I S.The computational modeling of the ventilation flows within a rapid development drivage[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2007,22(2):150-160.
[9] TORANO J,TORNO S,MENENDEZ M,et al.Auxiliary ventilation in mining roadways driven with roadheaders:Validated CFD modelling of dust behaviour[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2011,26(1):201-210.
[10] 曹正卯,刘晓,牛柏川.高海拔公路隧道施工期粉尘运移特性研究[J].地下空间与工程学报,2019,15(3):927-935.
CAO Zhengmao,LIU Xiao,NIU Baichuan.Migration characteristics of dust during construction stage in highway tunnels at high altitude areas[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2019,15(3):927-935.
[11] 龚剑,胡乃联,林荣汉,等.高海拔矿山掘进工作面长压短抽式通风粉尘分布数值模拟[J].金属矿山,2014(12):203-208.
GONG Jian,HU Nailian,LIN Ronghan,et al.Numerical simulation of dust distribution with dar-pressing-near-absorption ventilation in an excavation roadway of high-altitude mine[J].Metal Mine,2014(12):203-208.
[12] 龚剑.高海拔矿山掘进工作面粉尘运移规律及通风除尘系统优化[D].北京:北京科技大学,2016.
GONG Jian.Research on the movement regularities of dust and ventilation system optimization in excavation face of high-altitude mine[D].Beijing:University of Science and Technology Beijing,2016.
[13] 张国梁,蒋仲安,姚尚辉,等.高原环境下的矿井通风机性能变化与修正[J].矿业研究与开发,2020,40(7):100-105.
ZHANG Guoliang,JIANG Zhong’an,YAO Shanghui,et al.Performance change and correction of mine ventilator based on plateau environment[J].Mining Research and Development,2020,40(7):100-105.
[14] 张国梁,蒋仲安,杨斌,等.高原环境下矿井最低排尘风速的数值模拟研究[J].煤炭学报,2021,46(7):2294-2303.
ZHANG Guoliang,JIANG Zhongan,YANG Bin,et al.Numerical simulation of the minimum mine dust exhausting wind speed under high altitude environment[J].Journal of China Coal Society,2021,46(7):2294-2303.
[15] HUA Yun,NIE Wen,CAI Peng,et al.Pattern characterization concerning spatial and temporal evolution of dust pollution associated with two typical ventilation methods at fully mechanized excavation faces in rock tunnels[J].Powder Technology,2018,334:117-131.
[16] LIU Qiang,NIE Wen,YUN Hua,et al.Long-duct forced and short-duct exhaust ventilation system in tunnels:Formation and dust control analysis of pressure ventilation air curtain[J].Process Safety and Environmental Protection,2019,132:367-377.
[17] 陈芳,张设计,马威,等.综掘工作面压风分流控除尘技术研究与应用[J].煤炭学报,2018,43(S2):483-489.
CHEN Fang,ZHANG Sheji,MA Wei,et al.Research and application of the technology of forced ventilation diversion to control and reduce dust in fully mechanized excavation face[J].Journal of China Coal Society,2018,43(S2):483-489.
[18] 陈举师,蒋仲安,谭聪.岩巷综掘工作面通风除尘系统的数值模拟[J].哈尔滨工业大学学报,2015,47(2):98-103.
CHEN Jushi,JIANG Zhong’an,TAN Cong.Numerical simulation of dust removal and ventilation system in the rock comprehensive tunneling face[J].Journal of Harbin Institute of Technology,2015,47(2):98-103.
[19] 程卫民,王昊,孙彪,等.综掘面径向分风与压风配比对风幕阻尘的影响[J].中国矿业大学学报,2017,46(5):1014-1023.
CHENG Weimin,WANG Hao,SUN Biao,et al.Effects of ratio of radial partial air volume to pressure air volume on air curtain dust control at fully mechanized working face[J].Journal of China University of Mining and Technology,2017,46(5):1014-1023.
[20] 蒋仲安,王露露,张中意.掘进巷道中长压短抽条件下附壁风筒的实验研究[J].现代矿业,2015,31(3):129-133.
JIANG Zhong’an,WANG Lulu,ZHANG Zhongyi.Experimental research on wall attaching chimney under the long-press short extraction in excavation roadways[J].Modern Mining,2015,31(3):129-133.
[21] 张小涛,曹树刚,李德文.基于附壁射流的控、除尘一体化技术研究[J].中国矿业大学学报,2019,48(3):495-502.
ZHANG Xiaotao,CAO Shugang,LI Dewen.Study of integrated dust control and dust removal technology based on wall-attached jet theory[J].Journal of China University of Mining and Technology,2019,48(3):495-502.
