通过对综采面风流场特性研究，发现其内部某些局部区域，雷诺数超过10⁶，因此，选择一个恰当的风流湍流模型至关重要 [10] 。Realizable k-ε模型能够维持雷诺应力的真实性，因此，考虑到实际工程问题的复杂性和计算资源的限制，本文选择了Realizable k-ε模型来描述综采工作面中的气体流动。具体过程如式(1)、式(2) [11] [12] ：

k方程——湍流动能方程

$\frac{\partial }{\partial t}\left(\rho k\right)+\frac{\partial }{\partial x_i}\left(\rho k{u}_j\right)=\frac{\partial }{\partial x_i}\left[\left(\mu +\frac{{\mu }_t}{{\sigma }_k}\right)\frac{\partial k}{\partial x_j}\right]+G_k+G_b-\rho \epsilon -Y_M+S_k$(1)

ε方程——湍流能量耗散率方程

$\frac{\partial }{\partial t}\left(\rho \epsilon \right)+\frac{\partial }{\partial x_i}\left(\rho \epsilon u_j\right)=\frac{\partial }{\partial x_j}\left[\left(\mu +\frac{{\mu }_t}{{\sigma }_{\epsilon }}\right)\frac{\partial \epsilon }{\partial x_j}\right]+\rho C_{1}S\epsilon -\rho C_2\frac{{\epsilon }^2}{k+\sqrt{v\epsilon }}+C_{1\epsilon }\frac{\epsilon }{k}{C}_{3\epsilon }{G}_b+S_{\epsilon }$(2)

式中，k为湍流动能，单位为J；ε为湍流动能耗散率，单位为W/m³；G_k为由平均运动速度梯度引起的紊流动能生成项，G_b为由于浮力引起的湍动能k的产生项，单位为J；Y_M为可压湍流中脉动扩张的影响，C_1ε，C_2ε和C_3ε为经验常数，S_k和S_ε为用户定义的源项，σ_k和σ_ε分别是湍动能k和湍动耗散率ε对应的普朗特数，C₁为 $\max \left[0.43,\frac{\eta }{\eta +5}\right]$， $\eta =E\frac{k}{\epsilon }$；C₂为常数。上述方程实际计算过程中取C₂= 1.9，σ_k= 1.0，σ_ε= 1.2。

为了模拟粉尘颗粒在风流中的运移状况，本文选择了DPM (Discrete Phase Model)模型 [13] [14] ，DPM模型利用拉格朗日参考系中的力学原理，对颗粒所受力的综合效应进行计算，从而实现对离散相颗粒运动轨迹的精准模拟，得到粉尘扩散结果。公式为：

$m_p\frac{\text{d}{\stackrel{\to }{u}}_p}{\text{d}{t}_p}=G+F_f+F_p+F_d+F_M+F_{Vm}$(3)

$F_p=m_p\frac{\stackrel{\to }{u}-{\stackrel{\to }{u}}_p}{{\tau }_r}$(4)

式中，m_p为颗粒质量； $\stackrel{\to }{u}$为空气瞬时速度； ${\stackrel{\to }{u}}_p$为颗粒速度；t_p为颗粒运动时间；G为重力；F_f为浮力；F_p为曳力；F_d为压力梯度力；F_M为Magnus升力；F_Vm为虚假质量力； ${\tau }_t$为雾滴粒子的松弛时间，计算方法为 [15] ：

${\tau }_r=\frac{{\rho }_p{d}_p^2}{18\mu }\frac{24}{C_{d}Re}$(5)

式中，d_p为颗粒直径； ${\rho }_p$为颗粒密度；C_d为曳力系数； $\mu$为气体的粘度系数；Re为相对雷诺数：

$Re=\frac{\rho d_p\left|{\stackrel{\to }{u}}_p-\stackrel{\to }{u}\right|}{\mu }$(6)

某煤矿综采面现场采用U型通风，为了降低计算负担，同时确保模拟结果的可靠性，对模型进行适当的简化，着重对采煤机滚筒截齿、液压支架梁与梁之间的连接构造、刮板输送机、张紧装置以及钢丝绳等关键部件进行了适度的简化处理。建立了几何模型，如 图1 所示。工作面尺寸为109.3 m × 5.0 m × 4.5 m，支架移动区25.8 m × 5.0 m × 4.5 m，进风、回风巷道为23.4 m × 4.4 m × 4.5 m。采煤机机身为6 m × 1.2 m × 1.4 m，摇臂长3.1 m，滚筒简化为直径2.20 m，高0.8 m的圆柱，位于进风隅角下风侧25.8 m处。布设了液压支架86台，液压支架宽度1.33 m，超前支架8台。

使用ICEM-CFD将已构建的三维模型进行非结构化网格划分。将数据导入FLUENT软件，根据某煤矿综采工作面的现场状况设置边界条件：进风口的边界类型设置为Velocity-inlet，出风口的边界类型设置为Pressure-outlet，采煤机滚筒设置为发尘面，粉尘发射类型设置为Surface，粉尘排放总量设定为0.003 kg/s，具体参数如 表1 。

新型局部负压控尘方法的原理如下：当新鲜空气通过进风巷道进入综采工作面，在接近隔尘板的位置，风流遭遇阻碍，大量风流改变路径，提前进入人行道。经过采煤机滚筒的风流大幅减少，粉尘污染无法大面积扩散。此时人行道的风流速度较大，阻止滚筒附近的携尘风流侵入人行道，实现人行道的清洁化。同时，在采煤机滚筒上方对应设置吸风口，在吸风口的作用下，产生的负压的作用更加明显，有效的减少截割时产生的高浓度粉尘，显著提升了除尘效率。

在综采工作面设置6个截面，如 图2 所示，在原始通风条件下，现场的风流运移状况如 图2(a) 所示，进风风流运移至采煤机作业位置，由于受到采煤机的阻碍，部分风流运移至人行道，但是效果并不明显，人行道部分区域风速超过2.0 m/s，而煤壁一侧采煤机部分区域风速超过1.5 m/s，导致在采煤机的下风处人行道的风速与煤壁一侧的风速没有较大差异，受到上风方向采煤机截割煤体的影响，携尘风流会运移至人行道，粉尘污染严重。

在新型局部负压控尘方法条件下，如 图2(b) 所示，增设了隔尘板以及两个吸风口。通过在采煤机前方设置隔尘板，可有效的阻挡进风风流，促使绝大部分进风风流运移至人行道，人行道的部分区域风速超过2.0 m/s，而煤壁一侧采煤机附近区域风速低于1.0 m/s，配合吸风口，该区域的负压效果显著，煤壁一侧的风速降低，在采煤机下风侧，煤壁一侧部分区域风速低于0.5 m/s，与人行道内出现压力差，运移至人行道的携尘风流减少，粉尘污染降低。

综采工作面粉尘颗粒的分布情况如 图3 所示，在传统通风条件下，如 图3(a) 所示，煤壁一侧部分区域粉尘浓度超过300.0 mg/m³，向人行道扩散，随着扩散距离的增加，部分粉尘逐渐沉降，但在距采煤机20 m的下风方向处，部分区域粉尘浓度仍超过200.0 mg/m³，人行道的部分区域粉尘浓度甚至超过240.0 mg/m³，严重影响工作人员的作业安全。

在新型局部负压控尘方法的条件下，如 图3(b) 所示，通过增设隔尘板以及吸风口，大量风流运移至人行道，且在吸风口负压的影响下，人行道内风速远大于煤壁一侧，粉尘难以扩散至人行道，而且在吸风口的作用下，大量粉尘被吸入抽尘管道，极大的降低作业面的粉尘浓度，采煤机下风方向煤壁一侧的部分区域粉尘浓度低于100.0 mg/m³，而人行道部分区域粉尘浓度低于25.0 mg/m³，与传统通风方式相比，粉尘污染得到控制。

为进一步研究新型局部负压控尘方法对综采工作面内粉尘扩散行为的影响，本文对粉尘场的动态变化进行研究。现截取10 s、20 s、30 s、40 s、50 s、60 s、70 s、80 s和90 s九个时间点的粉尘浓度，如 图4 所示。

在新型局部负压控尘方法的作用下，在T = 20 s时，由于人行道方向的风流与吸风口的共同影响，大部分粉尘被限制在煤壁一侧，导致采煤机滚筒周围区域内粉尘浓度显著增高，而人行道粉尘浓度较低。随着时间的推移，在T = 60 s时，粉尘的扩散范围由采煤机滚筒向下风侧扩大，此时，随着扩散距离的增加，新型局部负压控尘方法的隔尘效率开始下降，部分高浓度粉尘开始渗透至人行道。当T = 90 s时，工作面内的粉尘扩散完全，煤壁一侧的粉尘浓度明显高于人行道。由于重力的作用，大量粉尘沉积在巷道底部，人行道的粉尘浓度随着巷道距离的增加而呈现出逐步上升的趋势。

为得到新型局部负压控尘方法作用下人行道沿程粉尘浓度的分布状况，在距回风巷道5 m、煤壁3.5 m、地面1.5 m处，沿逆风方向每隔1 m设置一个测点，共设置76个测点。各测点粉尘浓度如 图5 所示。

通过分析不同时间段下新型局部负压控尘方法和传统通风技术的粉尘浓度，如 图5(a)~(i) 所示，新型局部负压控尘方法作用下，在前60 s沿程粉尘浓度均控制在25.0 mg/m³以下，在60 s~90 s时间段内，随着时间的推移，新型局部负压控尘方法的控尘效率下降，但仍明显低于传统通风技术下的粉尘浓度。其中在T = 60 s时，新型局部负压控尘方法作用下，沿程范围内几乎无粉尘分布，而在T = 80 s，尽管部分区域新型局部负压控尘方法下的粉尘浓度较高，但平均粉尘浓度仍低于传统通风技术下的粉尘浓度。