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高于10⁶，因此，选择一个恰当的风流湍流模型至关重要。而Realizable k-ε模型被多次验证能够准确的描述复杂流场，广泛应用于各种流动中，因此，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) [13] ：

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 [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，得到粉尘弥散结果。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。

利用ICEM-CFD对于已构建的几何模型进行非结构化网格划分 [16] 。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 。

新方法的原理如下：当新鲜风流通过进风巷道流向综采工作面时，遇到隔尘板的阻挡，大部分风流会改变原本的路径，提前涌入人行道区域，从而减少了直接流向采煤机滚筒的风量。有效限制了滚筒附近粉尘的弥散，使得粉尘主要集中在滚筒附近区域。与此同时，人行道内因大量风流的涌入导致风速加快，高速风流形成了一道屏障，有效阻止了滚筒附近携带粉尘的气流侵入人行道，保持了人行道的相对清洁。通过采煤机滚筒上方设置吸风口，利用负压原理，通过吸风口产生的强大吸力，将滚筒截割过程中产生的高浓度粉尘迅速吸入并排出，从而显著降低了作业区域的粉尘浓度，提升了整体的除尘效率。

在局部负压作用下，通过综采面风流流线图以及在采煤机下风侧10 m、20 m、30 m、40 m、50 m处共设5处截面，得到综采面内风流具体分布情况，如 图2(a) 所示，通过在采煤机前方设置隔尘板，可有效促使大部分新鲜风流运移至人行道，在采煤机下风侧10 m处，人行道内风速为1.71 m/s，而煤壁一侧风速仅为0.53 m/s，在距采煤机30 m处人行道内风速为1.57 m/s，而煤壁空间内风速为0.60 m/s。人行道内高速风流形成了一道屏障，有效阻止了滚筒附近携带粉尘的气流侵入人行道，保持了人行道的相对清洁。

如 图2(b) 所示，通过在采煤机滚筒上方对应设置两个吸风口以及抽尘管道，滚筒处的大量携尘风流被吸入吸风口，使采煤机附近负压效果显著，与人行道内产生压力差，携尘风流无法弥散运移至人行道内，粉尘污染降低。

本文通过对于粒径为1 μm、5 μm、15 μm、25 μm、35 μm和45 μm的综采工作面粉尘颗粒进行研究，在采煤机下风侧20 m、距地面高度1.5 m处设置测点，不同粒径的粉尘浓度分布情况如 图3 所示，在局部负压作用下，通过设置隔尘板以及吸风口，大量风流提前运移至人行道，且在负压的作用下，粉尘难以弥散至人行道内，采煤机下风侧15 m处人行道内粉尘各粒径的浓度均处于15.0 mg/m³以下。

在煤壁侧粉尘浓度较高，但随着距离的增加，大粒径粉尘逐渐沉降，而小粒径粉尘仍悬浮在空中，浓度较高，当粉尘粒径为1 μm时，煤壁侧的粉尘浓度为41.67 mg/m³，而随着粉尘粒径的增大，采煤机下风侧20 m处的粉尘浓度逐渐降低，在粉尘粒径为45 μm时，粉尘浓度为35.72 mg/m³。因此进行综采面控尘时，针对中小粒径的粉尘问题，建议采用湿式捕尘等除尘方式对粉尘颗粒进行捕捉，进一步控制粉尘污染问题。

为进一步研究局部负压对综采面内粉尘弥散的影响，本文对45 μm粒径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、90 s和100 s十个时间点的粉尘浓度，如 图4 所示。

在局部负压作用下，在T = 10 s时，由于人行道内的风速高以及吸风口产生的负压，大部分粉尘被限制在采煤机滚筒处，导致采煤机滚筒周围区域内粉尘浓度高，而人行道粉尘浓度较低。随着携尘风流的运移，在T = 30 s时，由于粉尘数量的增多，部分携尘风流脱离负压的影响，向采煤机下风侧运移，随着距离的增加，控尘效率开始下降，部分携尘风流开始渗透至人行道。当T = 100 s时，工作面内的粉尘弥散完全，随着距离的增加，粉尘逐渐沉降，45 μm粒径的粉尘浓度呈下降趋势，在回风巷道内粉尘浓度极低。

为得到局部负压作用下煤壁侧与人行道侧沿程粉尘浓度的分布状况，在距回风巷道5 m、煤壁1.5 m、地面1.5 m处的煤壁侧空间内以及在距回风巷道5 m、煤壁1.5 m、地面1.5 m处的人行道侧空间内，沿逆风方向每隔1 m各设置一个测点，每侧空间内设置60个测点，且第60个测点位于采煤机下风侧一米处。两侧空间内各测点粉尘浓度对比如 图5 所示。

通过分析不同粒径粉尘在煤壁侧和人行道侧的沿程粉尘浓度，在局部负压的作用下，煤壁侧各粒径粉尘浓度均高于人行道侧。如 图5(a) 和 图5(b) 所示，在采煤机下风侧30 m范围内，小粒径粉尘悬浮在空中，粉尘浓度较高。如 图5(c)~(f) 所示，在采煤机下风侧10 m范围内，由于进风风流的影响，粉尘漂浮在空中，浓度较高，但随着弥散距离的增加，大粒径粉尘逐渐沉降，粉尘浓度降低，粒径为45 μm的粉尘在靠近回风巷道处平均浓度低于10.0 mg/m³。