多尘源耦合扩散规律主要研究成果及存在的问题*

王素云，夏 润

(华北科技学院 安全工程学院，北京 101601)

0 引言

煤尘防治工作始终是煤矿“一通三防”管理中最为重要的内容之一。近年来，随着矿井采煤工艺智能化、机械化、自动化水平的日益提升，粉尘的产生量日益增大，造成了严重的矿井粉尘污染，严重影响了企业的安全生产、威胁工人的职业卫生健康[1]。此外，在有限空间内粉尘浓度过高会增加粉尘爆炸的风险，严重影响生命健康和财产安全。针对粉尘防治管理，国家已经出台了一系列的法律法规，如《中华人民共和国安全生产法》《煤矿安全监察条例》《中华人民共和国职业病防治法》等。按照源头治理、科学防治、严格管理、依法监督的要求，职业病危害防治工作早已经在各行各业全面展开，加强煤矿生产过程中粉尘危害的认识与防治，对确保从业人员生命健康和预防事故的发生尤为重要。

目前，国内学者基于单一尘源的两相流对煤矿生产作业时粉尘扩散、运移的规律进行了大量的研究，取得了一定的研究成果。例如，佟林全等[2]利用COMSOL软件建立三维数值模型，分析转载点处风流紊乱原因以及不同粒径的三维时空分布规律；任志峰等[3]以综采工作面开展了采煤机割煤产尘运移分布规律的数值模拟分析研究；王明等[4]建立相似模型研究不同影响因素条件下综放工作面移架粉尘分布规律。然而，对于多尘源点耦合共同作用下粉尘的分布规律研究较少，并且矿井内结构复杂，不同矿井地质条件和控尘技术差异较大导致粉尘来源较为复杂。因此，缺乏针对性的研究很难达到理想的粉尘治理效果。基于此，一些学者开展了多尘源耦合条件下粉尘污染规律的研究并提出了适合的治理方案。

1 多尘源耦合扩散的主要研究内容

多尘源耦合扩散是2个或2个以上粉尘起源处协同在一起产生扩散运动的现象。在多尘源粉尘扩散机理中，学者根据煤矿现场的实际情况，考虑井下空气湿度、风速、煤层的坚固性系数以及浸润性等要素，根据构建耦合扩散模型，即可进行研究混合尘源的粉尘运移规律。

对于多尘源耦合扩散规律的研究包含了确定尘源浓度、设计相似实验、建立耦合模型、数值模拟及可靠性验证等几个阶段。例如，陈雅[5]采用Matlab编制仿真模拟系统观测粉尘聚集区域，建立用相似理论求解的综采工作面移架和割煤双尘源耦合模型，选取极大似然法、梯度下降法和线性回归法求解耦合系数，并运用拉格朗日插值法和平均相对误差处理实验数据，验证了耦合模型具有可靠性。上述模型提出的双尘源耦合系数求解法为多个尘源同时产尘的浓度模拟提供了思路，强化了防尘降尘的理论依据。

在对多尘源耦合时的粉尘浓度分析方面，以理论计算与现场实测相结合的手段为主。例如，蒋仲安等[6]采用理论计算的方法，运用大气紊流扩散模型，考虑焊接车间作业点多且产尘复杂的情况，将焊接车间划分为单区域、相邻区域、对角区域、共同作用区域，并在这些区域设置粉尘浓度测点，通过对比理论计算得到的实测多尘源粉尘分布与现场实测值粉尘分布，验证理论计算方法的可行性以及不同区域作业时的粉尘浓度值；王洪胜等[7]采用FLUENT数值模拟软件对井下工作面多尘源的粉尘扩散进行分开和综合数值模拟和实测，对割煤、移架、放顶煤、转载4大尘源点单独及共同作用下粉尘分布规律及降尘措施提出了针对性建议，为工作面防尘提供了有效技术支持。测量粉尘质量浓度时采取合适的检测方法能够使检测结果更加精确。李德文等[8]设计光散射法、电荷感应法和振荡天平法3种不同方案测量粉尘浓度，为煤矿不同粉尘浓度提供了不同的粉尘测量方法，实现了粉尘质量浓度的精确测量，为粉尘的相关研究奠定了基础。

2 相似实验在多尘源耦合问题求解中的应用

相似实验是实验流体力学的重要方法之一，也可称为模型试验。即根据相似原理，将需要进行试验的实际流动区域制作成比例相似的小比例模型，能对流体力学问题中非线性方程组离散化过程和各种数值方法进行补充、验证，广泛应用于工程、气象问题。其中，相似实验常与相似准则、量纲分析结合使用。

2.1 相似准则

在相似实验中，流体要实现在模拟域和实际流动域受到的作用力比尺满足一定的约束关系，这种约束关系即相似准则。王冕等[9]利用相似原理构建掘进巷道压入式通风的相似实验模型,在使用FLUENT数值模拟软件和满足相似准则的情况下，分析通风条件下流场特征对粉尘脱离工作面后的运动轨迹和沉降堆积特点的影响；谭聪等[10]运用相似理论和气固两相流方程,导出了综放工作面相似准则数,设计出相似实验模型,模拟研究多工序尘源在不同风速和不同含水率下粉尘浓度变化，由图1可看出多尘源与单一尘源相比粉尘浓度分布的叠加效应十分明显。实验和模拟相结合的方法在实际防尘中采取单点防降尘和多点防降尘相结合，提高了粉尘防治的精准性，降低了大水漫灌式降尘造成的资源浪费。

图1 单尘源与多尘源叠加对比Fig.1 Superposition comparison of single dust source and multiple dust sources

JIANG W等[11]基于相似理论和气固两相流理论，采用数值模拟和相似实验相结合的方法，研究了强制通风条件下变尘源综采工作面粉尘浓度分布和粉尘扩散特性。该研究发现由于撞击射流附着区的风速不同，不同尘源释放的粉尘的初始速度和方向有明显差异；道路上的粉尘多来自于在初始气流的影响下，上方来源的灰尘向上移动的结果；在粉尘源较低的情况下，大部分粉尘沿巷道底部移动或停留在巷道底板上的粉尘是由于较低来源的粉尘随着气流向下移动，在一定程度上阻碍了粉尘的飞行，粉尘扩散范围降低，从而大量聚集在巷道底部。蒋仲安等[12]考虑综放工作面四面煤壁对粉尘扩散的约束因素，假设与煤壁接触的粉尘全部二次飞扬，采用镜面法处理二次飞扬的粉尘源，以比例3∶1搭建相似模拟试验场地，通过采集检测点风速与粉尘浓度的相似实验数据，用线性回归方法确定双尘源的耦合关系，求得2个单尘源的耦合系数为a=1,b=1，并根据梯度下降法求解紊流系数验证双尘源粉尘扩散模型的可靠性。

2.2 量纲分析

量纲分析法能够将影响因变量的有关变量之间建立起函数关系式，对物理现象进行数值表达，具有包括性强的特点[13]。在进行流体力学的数学建模过程中，有大量复杂的力学模型和数学模型，通过量纲分析法能够很好解决模型表达式复杂的问题。

在量纲和谐原理基础上发展卡里的量纲分析法有2种。一种是瑞利法，适用比较简单的问题；另一种成π定理或布金汉定理，是一种较为普遍的方法。王明[14]在进行高溜井卸矿冲击气流及粉尘时空分布的相似模型实验设计过程中，选用空气粘度μ，空气密度ρg，卸矿高度H3个相互独立的因素作为基本物理量，根据量纲和谐∏定理对粉尘控制方程进行处理，将其简化为无量纲π项的表达式。张兴华等[15]利用量纲分析法搭建转载点诱导气流计算模型，通过研究转载过程中给料量、落料高度差、下料管倾斜度和皮带运行速度等不同因素对产生诱导气流的影响，根据π定理处理转载点诱导风量与影响因素的函数关系式，并以该模型估算转载点诱导风量大小,为现场的粉尘治理及生产实践提供了参考依据。

3 粉尘浓度预测

粉尘浓度预测的作用在于防范粉尘浓度过高，并预先设定采取合适措施，以避免经济损失和灾害事故发生。LAL B等[16]开发了一个基于人工神经网络的模型来预测贾坎德州露天煤矿的粉尘浓度，结果表明，基于人工神经网络的含气象参数、扩散系数和地理参数的沙尘预测模型在试验数据上表现出最好的性能，发现神经模型预测值与观测值相差不大，然而由高斯羽流方程计算的数值和某些点的观测值存在很大差异。ANSART R等[17]重点研究了自由落体射流的落差高度对颗粒尺寸、颗粒速度、颗粒浓度变化和粉尘羽流中夹带空气的偏析的影响，对自由落体过程中排放的粉尘的重要参数和浓度进行了量化，改进了基于测量夹带空气的Cooper实验，通过测量颗粒浓度、颗粒尺寸分布和气流中的颗粒速度来估算粉尘排放率，证明了细颗粒在该边界层中的偏析，并获得了堆芯中的浓度分布。

周旭等[18]将时间序列处理时序型数据的能力与神经网络的预测特点相融合，提出了一种非线性自回归的矿井粉尘浓度预测模型，该模型大幅降低了普通神经网络算法的预测误差率。霍文等[19]考虑环境因素影响下，建立了以随机森林算法为基础的粉尘质量浓度预测模型，研究得到对粉尘浓度数据降噪处理能提高预测模型精确度，空气中相对湿度对浓度预测影响较大。

以上关于粉尘浓度预测的模型，作者选取了煤矿上影响粉尘浓度的一些参数和因素，与神经网络算法结合提高了模型的精度。

4 存在的问题

经过多年的研究，我国在粉尘治理以及粉尘规律的研究得到了充分的发展，已经能够科学的对粉尘浓度进行预测，使用多种方法探究粉尘的移动扩散规律。然而随着我国对于矿井工作相关的职业病越来越重视以及开采技术的发展，在粉尘规律研究上仍然存在瓶颈。

现有学者关于粉尘运移规律的数值模拟研究中，通常是假设粉尘颗粒在理想条件下运动，过于简化工作面的实际情况，导致模拟出现的结果与现场差异过大。对于后续采取的喷雾降尘等措施会造成一定的影响。其次，对于模拟通常假设风流和粉尘颗粒是稳定状态，即不随时间变化发生改变，但是根据粉尘自身的特性以及粉尘颗粒的粒径不同会在运动过程中跟随时间的变化悬浮在空气中或者发生沉降。除此之外，对于大质量煤块下降时粉尘在诱导气流的作用下，诱导气流和粉尘运动组成的非稳态系统也缺乏相应的研究，更多的是在稳态系统中研究粉尘运移规律，结果会造成较大的误差。

根据相似实验方法，虽然从一定方面弥补了数值模拟模型中对煤矿井下产尘条件的理想化假设，但是由于煤尘产生原因的复杂多样性，煤岩的产尘量会受到煤层注水效果的影响，在相似实验中无法全真构造煤层的实际情况。在实验室无法对实际矿井中由于移架、割煤等工序造成的突发性、瞬时性片帮进行规律分析。实验室也不能完全构建煤层的地质条件和赋存条件对煤层开采的影响。此外，相似实验由于是按照一定比例进行搭建，这也决定它不能像数值模拟一样简便设置不同参数就能获得不同条件下粉尘数据，同时相似实验也会造成大量的实验材料浪费。综上，相似实验仍然存在一定的局限性，如何通过设计更好的实验探究粉尘流动规律性研究仍需在现有的基础上取得突破。

对于粉尘浓度预测的研究多数集中在构建相应的预测模型上，常见的预测模型一般使用灰色关联分析、层次分析法等作为主要研究方法，在预测模型中对部分参数的确定一般是根据经验值获取，因此预测结果也会造成一定的误差。我国幅员辽阔，不同地区地势差距较大，在构建预测模型时相关参数和影响因素选择的差异性也是研究的重点之一。

5 结语

通过总结多尘源耦合扩散规律的主要研究成果，讨论了多尘源粉尘分布在多相性、模型建立，粉尘浓度预测等方面的最新研究成果以及分析了关于粉尘扩散研究中存在的一些问题。多尘源耦合扩散规律在未来的研究趋势主要集中在提高多尘源耦合浓度测量的精准性和搭建粉尘浓度及粉尘分布区域的井上实时可视化系统方面。首先，开发高精度的粉尘检测仪器，在粉尘采样阶段较少有数据误差；其次，设计更加贴合矿井的实验平台，根据粉尘实际的扩散运移提高多尘源粉尘浓度的精确度，能够为粉尘精准防治做好准备工作。井上实时可视化系统应该达到粉尘分布区域能够覆盖，并且将粉尘浓度以动态云图和数字两方面显示，其次需具有普适性，并且粉尘浓度相关参数的数据库需足够大，能够实现系统使用者根据自身矿井的条件自行参数选择。