瓦斯抽采是预防煤与瓦斯突出的最有效措施之一。为避免湿式钻孔导致垮孔、堵孔、抱钻及卡钻等问题，目前松软突出煤层多采用干式钻孔的方式进行施工。该施工过程中，风力排渣系统将钻屑沿钻孔环状狭缝高速排出，容易造成严重的粉尘污染^[1-3]。实测资料表明，煤层干式钻孔时，钻孔下风侧粉尘质量浓度高达数百mg/m³，给作业人员身体健康及煤矿安全生产均造成了严重威胁^[4-6]。

针对目前煤层干式钻孔粉尘质量浓度超标的问题，国内外专家学者进行了大量研究，主要集中在孔口喷雾降尘、钻孔泡沫除尘、孔口捕尘罩及除尘器等方面^[7-9]，但在钻孔尘源构成、粉尘运动及粒径分布方面仍缺乏比较深入的研究，达不到现场粉尘控制的要求。因此，必须对煤层干式钻孔粉尘产生、运动及沉降过程进行更加深入的研究。

本文通过对煤层干式钻孔粉尘运动规律进行数值模拟，实时监测粉尘颗粒运动轨迹，探寻钻场空间粉尘粒径分布特征。本研究结果可有效地指导钻孔粉尘控制技术与装置的研发，对于改善煤层干式钻孔作业环境具有现实意义。

1 粉尘产生机理

煤层干式钻孔粉尘产生就是钻杆中心纵向射流和孔底横向漫流共同作用将粉尘排出孔底，并在环状狭缝高速风流裹携下喷射而出的全过程。首先，钻头旋转瞬间，纵向射流沿钻头配置的排气孔实现分流，作用到孔底形成冲击圈，并在冲击圈内产生压力梯度，导致粉尘在孔底产生翻转和运移。当钻头高速旋转时，冲击圈也随之快速移动，使得孔底压力分布更加随机，更有利于粉尘的翻滚和运移。其次，横向漫流是纵向射流冲击孔底后形成的、沿孔底平面分布的一层很薄的横向流动，它紧贴并平行于孔底，对孔底具有较好的遮盖作用。横向漫流的存在会给孔底粉尘一个横向推动力，使粉尘迅速离开原破碎点，完成从孔底排出的过程。最后，在压风作用下，压力能迅速转化为动能，使得钻孔内具备足够大的回风速度，高速风流裹携粉尘并沿钻杆与孔壁间环状狭缝喷射而出。

2 煤层干式钻孔粉尘分布的现场实测及分析 2.1 工程概况

山西某煤矿某煤层属于典型的松软突出煤层，平均煤厚6.4 m，煤体密度1.4 t/m³，煤层瓦斯含量最大15 m³/t，煤层坚固性系数0.44~0.56。胶带运输顺槽断面呈矩形，净宽5.5 m，净高3.4 m。顺槽掘进过程中采取压入式通风，配置FBD No.7.1型局部通风机，功率2×30 kW，局扇出风口处供风量约560 m³/min。风筒采用阻燃抗静电风筒布制作，直径为800 mm，悬挂在巷道右帮，悬挂高度为2.2 m。钻孔施工采用ZDY-4000S型煤矿用全液压坑道钻机，风力排渣，风压为0.8 MPa。胶带运输顺槽主要布置垂直预抽钻孔，开孔高度为1.5 m，钻孔间距为2 m，孔径为113 mm，孔深为150 m。

2.2 粉尘粒径分布及分析

煤层干式钻孔过程中，在孔口尘源处布置采样点，利用AKFC-92A型矿用防爆粉尘采样仪进行采样，采样过程中工作面气象条件、钻机工况、采样仪参数等符合作业规程的规定。采样后利用BT-9300H型激光粒度分布仪对粉尘样本进行粒径(d)分析，得出粉尘粒径分布如图 1所示。

从图 1可以看出，煤层干式钻孔粉尘最小粒径约为0.3 μm，最大粒径约为39 μm，D10、D50、D90分别为1.506 μm、4.873 μm、15.12 μm。通过最小二乘法回归分析和显著性检验发现，煤层干式钻孔粉尘较好地遵从Rosin-Rammler(R-R)分布，分布指数n为1.93，R-R特征粒径为5.868 μm，分布表达式为

$ R\left( d \right) = 100\;{\rm{exp}}\left( {-0.032\;87{d^{1.93}}} \right) $

(1)

式中R(d)为筛余累积(%)。

2.3 粉尘质量浓度分布及分析

根据GBZ/T192.1—2007《工作场所空气中粉尘测定第1部分：总粉尘浓度》及类似文献中的粉尘质量浓度测点布置方法，沿人行道中央(y=-1.2 m)、巷道中央(y=0 m)及机道中央(y=1.2 m)呼吸带高度3条测点线分别布置15个测点，采用滤膜质量浓度法对煤层干式钻孔粉尘质量浓度分布进行现场实测，每个测点至少进行3次数据测定，并取平均值作为该点实测粉尘质量浓度值。对实测结果进行计算、整理，得出煤层干式钻孔粉尘质量浓度沿程分布，如图 2所示。从图 2可以看出：

1) 钻场内粉尘质量浓度整体沿风流方向先急剧上升至最大值，再快速降低至较小值，后沿程逐步缓慢降低。人行道中央粉尘质量浓度整体最高，巷道中央次之，机道中央最低。粉尘质量浓度最大值分布却刚好相反，这主要是由于机道比人行道距离孔口更近所致。

2) 人行道中央、巷道中央及机道中央粉尘质量浓度最大值分别为475、300、225 mg/m³，在钻孔下风向40 m外区域，3条测点线粉尘质量浓度基本保持在30、20、5 mg/m³以内。

3 几何模型的建立及求解 3.1 几何模型建立及网格划分

煤层干式钻孔粉尘运动的数值模拟需建立足够大的计算域，方可实现对钻屑颗粒运动轨迹的全过程追踪。为了提高模拟结果的准确性，几何模型应尽可能地符合现场实际情况，但胶带运输顺槽现场条件极为复杂，完全复制现场细节建模难度太大，且计算机能力也难以满足如此精细模型的要求。因此，综合考虑模拟精度和计算机配置等因素，结合煤层干式钻孔风力排渣工艺参数设计及现场布置情况，对煤层干式钻孔粉尘运动三维几何模型作出如下简化及假设：

1) 不考虑顺槽内临时存放物品和人员随机走动情况，仅考虑永久安装并具有特定功能的设备设施，如胶带输送机、钻机、风水管路、电缆等。

2) 忽略风流因围岩散热、空气压缩、设备运转及人员放热等过程发生的热交换，默认风流为恒温、恒湿、不可压缩流体。

3) 考虑顺槽内主要设备关键部件的运转情况，如钻机、钻杆、钻头等；不考虑掘进粉尘与钻孔粉尘耦合情况，钻孔施工期间综掘机、胶带输送机等综掘设备保持静止。

基于上述简化及假设，运用SolidWorks软件建立计算域为110 m×5.5 m×3.4 m的胶带运输顺槽三维几何模型，如图 3所示。模型中胶带输送机尺寸为110 m×1.8 m×1.2 m，风筒直径为0.8 m，供水管、排水管、压风管直径为0.15 m，瓦斯抽放管直径为0.315 m。钻孔位于距模型入口10 m处，直径为113 mm，孔深为5 m。建模完毕后将其导入ANSYS Workbench平台，并调用DesignModeler软件对模型进行Boole操作，最后运用mesh软件分块对模型进行网格划分, 如图 4所示。

3.2 模拟参数的设定及模型求解

通过广泛查阅煤层干式钻孔粉尘运动相关文献及技术资料，结合现场实测数据，根据Fluent软件中湍流模型及离散相模型的基本要求，对模拟有关边界条件及解算参数进行设定，求解出煤层干式钻孔粉尘运动情况。运用CFD-Post后处理软件及Origin数据分析软件对模拟结果进行处理、分析，得出煤层干式钻孔风流流场分布、粉尘颗粒运动轨迹、粉尘颗粒粒径分布及粉尘质量浓度时空分布等。数值模拟主要参数设定见表 1。

4 数值模拟结果及分析 4.1 风流流场分布及分析

以巷道风速0.5 m/s、供气压力0.8 MPa、钻杆转速2 r/s为例，对外平钻杆垂直钻进深度5 m条件下钻场内风流流场分布进行数值模拟，得出钻场空间流线分布及风速体绘制分别如图 5和6所示。从图 5和6可以看出：

1) 压风经供气管道进入钻杆中心后，在钻杆内部产生一股强大的纵向射流，直接作用至孔底，在孔底的阻碍作用下横向移动，在孔底形成了一层较薄的横向漫流，而后折返往回继续运动，沿钻孔环状狭缝高速喷出。

2) 压风自钻孔环状狭缝喷出后，压力快速降低至钻场大气压，风速沿程急剧衰减。在孔口至巷道后壁约5.5 m范围内，风速由38.5 m/s迅速衰减至2 m/s。狭缝射流整体形状呈锥形分布，锥角约为15°，受钻场风流影响，锥形射流略微向钻场下风向偏移。

3) 在狭缝射流的扰动下，钻场初始流场分布状态遭到破坏。在钻孔中心断面，狭缝射流与钻场风流相遇、冲击、掺混、整合，风流流场极为紊乱。随着流动距离增加，风速极差值逐渐缩小，风流流场分布趋于均匀，风速整体保持在0.5 m/s左右。

4.2 粉尘运动情况及分析

在风流流场分布模拟基础上，启用离散相模型，在孔底处设置喷射源，喷射源粒径分布参照现场实测粒径结果进行设定，满足R-R分布，分布指数为1.93，最小粒径为1 μm，最大粒径为39 μm，中位径为5 μm，每s稳定喷射1 000个粉尘颗粒，并采用随机轨道模型实时跟踪粉尘颗粒运动轨迹，如图 7所示。从图 7可以看出：

1) 粉尘颗粒自孔底产生后，在环状狭缝射流及钻杆持续转动的双重作用下，向孔口方向高速喷出。大颗粒粉尘喷出孔口后就地沉降，小颗粒则继续悬浮在空气中，随钻场风流扩散，横向随机脉动。扩散过程中当颗粒与钻场壁面或设备表面发生接触时，颗粒自动终止其运动并沉降。

2) 粉尘运动过程中，随着大颗粒粉尘逐渐沉降，风流中粉尘颗粒越来越小，扩散速度逐渐降低。本模型中，粉尘颗粒自孔底喷出孔口约需要3 s，扩散至钻孔下风向10、30、50、80 m及模型外分别需要约10、30、60、120及180 s。

3) 粉尘颗粒越大，沉降速度越快，沉降至地面的时间越短，运动距离也越短。30~39 μm粉尘颗粒在钻孔下风向30 m内基本全部沉降，大部分11~30 μm粉尘颗粒在钻场范围内也能沉降，而小于11 μm粉尘颗粒只有小部分能沉降至钻场地面，大部分随风流扩散至模型外。

4.3 粉尘粒径分布及分析

选取t=240 s时钻场空间粉尘进行粒径分布分析，此时钻场空间粉尘粒径分布已达到稳定状态，具有代表性。沿粉尘运动轨迹截取y=7.75 m(孔底)、x分别为10、35、60、85、110 m(模型出口)共6个断面进行分析。图 8所示为粉尘运动过程中不同断面粉尘粒径分布情况，从图 8可以看出：

1) 随着粉尘颗粒运动距离的不断增加，粉尘颗粒不断沉降，粉尘质量流率不断减小。粉尘颗粒自孔底产生后，在x分别为10、35、60、85、110 m断面，粉尘质量流率由5.88 g/s分别减少至2.75、0.45、0.41、0.38及0.36 g/s，沉降率由53.23%分别增大至92.34%、93.03%、93.54%及93.88%。

2) R-R分布指数沿程缓慢增大，粒径分布范围越来越窄，由孔底处1~39 μm缩小为模型出口处1~25 μm, 如图 9所示。粉尘中位径及R-R特征粒径沿程先增大后减小，在模型前半段，大颗粒粉尘尚未完全沉降，细小颗粒粉尘未能脱离粉尘团而充分扩散，导致大颗粒粉尘占比较大；在模型后半段，粉尘颗粒充分弥散在风流中，随着大颗粒粉尘快速沉降，整体粒径越来越小。

4.4 粉尘质量浓度分布及分析

为研究煤层干式钻孔粉尘质量浓度时空分布特征，对x分别为10、35、60、110 m的断面粉尘质量浓度面积加权平均值进行实时监测，得出不同断面粉尘质量浓度随时间变化，如图 10所示。此外，对t=240 s时钻场空间粉尘质量浓度进行体绘制，如图 11所示，并截取x分别为10、35、60、110 m的断面粉尘质量浓度分布，如图 12所示。从图 10—12中可以看出：

1) 粉尘质量浓度随时间推移先逐渐增大至最大值，而后围绕该最大值小幅波动。当t分别为20、80、120及210 s时，x为10、35、60、110 m的断面粉尘质量浓度陆续达到最大值190、50、45及35 mg/m³。

2) 粉尘质量浓度沿程先迅速上升至最大值，而后急剧降低至较小值，再逐步缓慢降低。粉尘质量浓度最大值主要集中在钻孔下风向1~2 m处，基本保持在400~500 mg/m³；钻孔下风向20 m外区域，粉尘质量浓度基本保持在40 mg/m³以内。

3) 在水平方向上，人行道中央粉尘质量浓度整体最高，巷道中央次之，机道中央粉尘质量浓度最低。其原因主要是由于携带粉尘的环状狭缝射流自孔口喷出后，直接向正后方巷道壁面喷射，并在后方壁面阻碍及射流附壁效应作用下转而向右紧贴后方壁面继续流动。

4) 在竖直方向上，粉尘质量浓度以z=1.5 m为界限呈现出上下分层现象，形成了两条相邻的粉尘分布带。该现象主要是由于环状狭缝射流携带大量粉尘喷出后，在钻机阻挡作用下发生上下方向分流所致。上下粉尘带分别以z=2.5 m和z=0.8 m高度为中心向上下两侧逐步降低。

4.5 数值模拟结果验证

为了验证数值模拟结果的准确性，取人行道中央呼吸带高度粉尘质量浓度数值模拟结果与现场实测数据进行比较，如图 13所示。由图 13可知：

1) 整体上来看，粉尘质量浓度数值模拟结果在沿程分布上与现场实测数据基本一致，但在数值大小上却略微有所差别，这主要是由于现场实测及数值模拟过程中均存在一定误差造成的。本研究表明，采用Fluent中的离散相模型对煤层干式钻孔粉尘运动进行模拟是可行的，模拟结果可信。

2) 本文模拟结果与参考文献中模拟结果相比，在粉尘质量浓度时空变化方面具有较好的一致性，但在数值大小上有一定出入，其主要原因是由于所依托的工程背景条件差异较大，以及模拟边界条件设置不同。对于钻孔尘源处粉尘粒径分布，本文是对孔口附近悬浮粉尘取样进行分析，而部分文献是对沉积到地面的钻屑进行取样分析，由于取样方式不同，因此得到的粒径分布会有区别。

5 结论

本文对煤层干式钻孔粉尘产生机理、运动情况、粒径分布及质量浓度时空分布特征等进行了数值模拟研究，结果表明：

1) 压风进入钻杆后，在钻杆中心产生一股强大的纵向射流直接冲击孔底，在孔底形成一层很薄的紧贴孔底并沿孔底平面分布的横向漫流，并在孔底阻碍下折返往回继续运动，沿钻孔和钻杆间环状狭缝高速喷出。

2) 粉尘颗粒自孔底产生后，在环状狭缝射流及钻杆持续转动的双重作用下，向孔口方向高速喷出。大颗粒粉尘喷出孔口后就地沉降，小颗粒则随钻场风流扩散，横向随机脉动。扩散过程中，当颗粒与钻场壁面或设备表面发生接触时，颗粒自动终止其运动并沉降。

3) 随着粉尘颗粒不断运动，悬浮颗粒粒径越来越小，粉尘扩散速度逐渐降低，粉尘质量流率不断减小，R-R分布指数缓慢增大，粉尘中位径及R-R特征粒径先增大后减小。粉尘颗粒自孔底扩散至模型出口约需要180 s，沉降率约为93.88%。

4) 粉尘质量浓度随时间推移先逐渐增大至最大值，而后围绕该最大值小幅波动。粉尘质量浓度沿程先迅速上升至最大值，而后急剧降低至较小值，再逐步缓慢降低。在水平方向上，人行道粉尘质量浓度整体最高，巷道中央次之，机道中央粉尘质量浓度最低。在竖直方向上，粉尘质量浓度以z=1.5 m为界限呈现出上下分层现象，形成了两条相邻的粉尘分布带。