CN109063284B - 煤矿综掘面风筒出风口参数变化下的粉尘浓度预测方法 - Google Patents

煤矿综掘面风筒出风口参数变化下的粉尘浓度预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种煤矿综掘面风筒出风口参数变化下的粉尘浓度预测方法，包括步骤一、建立综掘面粉尘场有限元模型；步骤二、采用Fluent软件对步骤一中建立的模型进行数值模拟分析；步骤三、获取粉尘浓度实测值；步骤四、验证建立的模型方案可行；步骤五、绘制巷道粉尘浓度表；步骤六、获取粉尘浓度值；步骤七、获得预测方程式(1)；步骤八、获得预测方程式(2)；步骤九、获得预测方程式(3)；步骤十、获得预测方程式(4)。本发明利用FLUENT软件获取关联数据；利用多元线性回归分析方法建立预测模型。利用该方法能够对煤矿综掘面的粉尘浓度进行定量化预测，为综掘面实现综掘面安全、高效、绿色通风提供可靠准确的依据。

Description

煤矿综掘面风筒出风口参数变化下的粉尘浓度预测方法
技术领域
本发明属于煤矿掘进通风技术领域，具体是涉及一种煤矿综掘面风筒出风口参数变化下的粉尘浓度预测方法。
背景技术
随着煤巷综掘面断面尺寸、掘进速度及巷道长度的不断突破，安全隐患及污染风险不断上升，传统粗放式的“通风总量”局部通风控制方式已不能满足人们对综掘面更加严苛的安全及环保要求。
综掘面是一个独头巷道，在煤矿掘进工作时的排尘通常主要是利用通风系统提供的新鲜风流来实现排尘工作的，矿井通风系统主要是由局部通风机和风筒组成。现在常用通风方式主要分为三种，压入式通风、抽出式通风和混合式通风。相比较而言，最常用的通风方式为压入式通风。在工作中它有着独特的优点：它在进风巷中装入了局部通风机，这样在新鲜风通过风机的过程中，安全性就会大大增加，并且有效射程长，这样就可以充分的稀释粉尘积聚和排出污染物质。与此同时，它也拥有一些不足：污风沿巷道内如果排出缓慢，对工作环境造成严重的污染持续时间长。采用传统通风方式，在通风量一定的情况下，由于风筒出风口直径、方向角度和距掘进端头距离不能随时变化，假使风量按照掘进巷道初期供风需求大小来进行配置，那么在工作时由于掘进距离的越来越远，随之风流在这一过程中遇到的阻力和风能损失也会越来越大。如果风量按照掘进巷道最大需求配置，在掘进初期风速会过大，超出最大值范围，也会造成井下二次扬尘以及环境舒适度低等问题。与此同时，对于风筒出风口的方向角度也不能发生变化，即使在工作中对风量进行加大，也无法对掘进端头死角区聚集粉尘进行有效地稀释。
因此，传统“通风总量”控制风流粉尘运移方式已不适合综掘面长距离大断面通风下的实际需求，了解出风口风流改变对粉尘运移分布影响，根据井下实际生产工况、粉尘积聚及安全隐患处粉尘浓度情况及时调整出风口参数，将粉尘浓度控制在合理、安全、规范的范围内，使工作人员所工作的地方粉尘浓度达到适合状态。所以，我们需要一种能够对煤矿综掘面的粉尘浓度进行定量化预测的方法，为实现综掘面安全、高效、绿色通风提供可靠准确的依据。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供了一种煤矿综掘面风筒出风口参数变化下的粉尘浓度预测方法，通过综掘面现场工作环境调查分析，建立粉尘场数值模拟方案并进行井下验证分析；利用FLUENT 软件对综掘面出风口参数变化下的粉尘浓度分布进行模拟计算，初步确定出风口参数调节范围，获取出风口参数变化与粉尘浓度分布关联数据；利用多元线性回归分析方法建立风筒出风口参数变化下的粉尘浓度预测模型。利用该方法能够对煤矿综掘面的粉尘浓度进行定量化预测，为实现综掘面安全、高效、绿色通风提供可靠准确的依据。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种煤矿综掘面风筒出风口参数变化下的粉尘浓度预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、根据煤矿综掘面现场工作情况，采用Creo2.0软件建立综掘面几何模型，并对所建立的综掘面几何模型中的综掘机几何模型进行简化，然后采用四面体网格类型对计算域划分非结构网格，壁面划分边界层网格，建立综掘面粉尘场有限元模型；
步骤二、采用Fluent软件对步骤一中所建立的综掘面粉尘场有限元模型进行数值模拟分析，获取步骤一中所建立的综掘面粉尘场有限元模型风筒出风口距掘进端头8m时的综掘面回风侧呼吸带高度沿程的粉尘浓度模拟值；
步骤三、利用测尘仪对煤矿综掘面风筒出风口距掘进端头8m时的综掘面回风侧呼吸带高度沿程的粉尘浓度分布进行测量，获取综掘面回风侧呼吸带高沿程的粉尘浓度实测值；
步骤四、将步骤二中获取的综掘面回风侧呼吸带高度沿程的粉尘浓度模拟值与步骤三中获取的综掘面回风侧呼吸带高度沿程的粉尘浓度实测值进行比较，并分别绘制回风侧呼吸带高度沿程粉尘浓度模拟值与距离巷道端头距离的坐标曲线和绘制回风侧呼吸带高度沿程粉尘浓度实测值与距离巷道端头距离的坐标曲线，如果粉尘浓度模拟值坐标曲线与粉尘浓度实测值坐标曲线结果趋势一致，则证实步骤一中建立的综掘面有限元模型方案可行；
步骤五、通过Fluent软件对综掘面风筒出风口单参数变化下粉尘浓度分布规律进行模拟计算，获取不同风筒出风口直径下呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度值、司机活动范围内的粉尘浓度值和回流侧沿程的粉尘浓度值，并绘制不同风筒出风口直径的巷道粉尘浓度表；
获取风筒出风口不同水平角度条件下呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度值、司机活动范围内的粉尘浓度值和回流侧沿程的粉尘浓度值，并绘制风筒出风口不同水平角度条件下的巷道粉尘浓度表；
获取风筒出风口不同垂直角度条件下呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度值、司机活动范围内的粉尘浓度值和回流侧沿程的粉尘浓度值，并绘制风筒出风口不同垂直角度条件下的巷道粉尘浓度表；
步骤六、根据步骤五中的不同风筒出风口直径的巷道粉尘浓度表、风筒出风口不同水平角度条件的巷道粉尘浓度表和风筒出风口不同垂直角度条件下的巷道粉尘浓度表，分析并制定多个风筒出风口参数综合变化模拟方案；然后通过Fluent软件对所制定的多个风筒出风口参数综合变化模拟方案进行模拟计算，获取各个方案呼吸带高度的巷道端头处的粉尘浓度值、司机活动范围内的粉尘浓度值和回流侧沿程的粉尘浓度值；
步骤七、利用Matlab软件对步骤六中多个风筒出风口参数综合变化模拟方案中综掘面风筒出风口距掘进端头5m时，呼吸带高度的司机活动范围内的粉尘浓度值数据进行回归分析，获得风筒出风口直径、水平偏转角度、垂直偏转角度对司机处粉尘浓度的预测方程式(1)，所述预测方程式(1)为：
Figure RE-GDA0001758776000000041
预测方程式(1)中：
Figure RE-GDA0001758776000000042
为综掘面风筒出风口距掘进端头5m时呼吸带高度司机活动范围内的粉尘浓度预测值，x1为风筒出风口直径，x2为风筒出风口水平偏转角度，x3为风筒出风口垂直偏转角度；
步骤八、利用Matlab软件对步骤六中多个风筒出风口参数综合变化模拟方案中综掘面风筒出风口距掘进端头5m时，呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度值数据进行回归分析，获得风筒出风口直径、水平偏转角度、垂直偏转角度对巷道端头处粉尘浓度的预测方程式(2)，所述预测方程式 (2)为：
Figure RE-GDA0001758776000000043
预测方程式(2)中：
Figure RE-GDA0001758776000000044
为综掘面风筒出风口距掘进端头5m时呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度预测值，x1为风筒出风口直径；
步骤九、利用Matlab软件对步骤六中多个风筒出风口参数综合变化模拟方案中综掘面风筒出风口距掘进端头10m时，呼吸带高度司机活动范围内的粉尘浓度值数据进行回归分析，获得风筒出风口直径、水平偏转角度、垂直偏转角度对司机处粉尘浓度的预测方程式(3)：所述预测方程式(3) 为：
Figure RE-GDA0001758776000000045
预测方程式(3)中：
Figure RE-GDA0001758776000000046
为综掘面风筒出风口距掘进端头10m时呼吸带高度司机活动范围内的粉尘浓度预测值，x1为风筒出风口直径；
步骤十、利用Matlab软件对步骤六中多个风筒出风口参数综合变化模拟方案中综掘面风筒出风口距掘进端头10m时，呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度值数据进行回归分析，获得风筒出风口直径、水平偏转角度、垂直偏转角度对巷道端头处粉尘浓度的预测方程式(4)，所述预测方程式 (4)为：
Figure RE-GDA0001758776000000047
预测方程式(4)中：
Figure RE-GDA0001758776000000048
为综掘面风筒出风口距掘进端头10m时呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度预测值，x1为风筒出风口直径。
上述的煤矿综掘面风筒出风口参数变化下的粉尘浓度预测方法，其特征在于：步骤六中所述的多个出风口参数综合变化模拟方案的数量为12 个，12个所述出风口参数综合变化模拟方案分别为：
方案1、风筒出风口参数为：风筒出风口距综掘面端头距离为5m，风筒出风口直径为1.1m，风筒出风口水平偏转角度为20°，风筒出风口垂直偏转角度为5°；
方案2、风筒出风口参数为：风筒出风口距综掘面端头距离为5m、风筒出风口直径为1.2m、风筒出风口水平偏转角度为15°、风筒出风口垂直偏转角度为2°；
方案3、风筒出风口参数为：风筒出风口距综掘面端头距离为6m、风筒出风口直径为1.1m、风筒出风口水平偏转角度为20°、风筒出风口垂直偏转角度为4°；
方案4、风筒出风口参数为：风筒出风口距综掘面端头距离为6m、风筒出风口直径为1.0m、风筒出风口水平偏转角度为15°、风筒出风口垂直偏转角度为5°；
方案5、风筒出风口参数为：风筒出风口距综掘面端头距离为7m、风筒出风口直径为1.1m、风筒出风口水平偏转角度为18°、风筒出风口垂直偏转角度为5°；
方案6、风筒出风口参数为：风筒出风口距综掘面端头距离为7m、风筒出风口直径为1.0m、风筒出风口水平偏转角度为15°、风筒出风口垂直偏转角度为4°；
方案7、风筒出风口参数为：风筒出风口距综掘面端头距离为8m、风筒出风口直径为0.8m、风筒出风口水平偏转角度为5°、风筒出风口垂直偏转角度为4°；
方案为8、风筒出风口参数为：风筒出风口距综掘面端头距离为8m、风筒出风口直径0.9m、风筒出风口水平偏转角度为10°、风筒出风口垂直偏转角度为2°；
方案9、风筒出风口参数为：风筒出风口距综掘面端头距离为9m、风筒出风口直径为0.8m、风筒出风口水平偏转角度为12°、风筒出风口垂直偏转角度为2°；
方案10、风筒出风口参数为：风筒出风口距综掘面端头距离为9m、风筒出风口直径为0.7m、风筒出风口水平偏转角度为15°、风筒出风口垂直偏转角度为4°；
方案11、风筒出风口参数为：风筒出风口距综掘面端头距离为10m、风筒出风口直径为0.7m、风筒出风口水平偏转角度为10°、风筒出风口垂直偏转角度为4°；
方案12、风筒出风口参数为：风筒出风口距综掘面端头距离为10m、风筒出风口直径为0.8m、风筒出风口水平偏转角度为5°、风筒出风口垂直偏转角度为3°。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、传统综掘面局部通风风筒出风口位置和风流状态无法实时改变，现有粉尘浓度预测模型无法对出风口位置和风流状态变化下的粉尘浓度值进行预测，本发明提出建立风筒出风口直径、方向角度及前后距离参数变化下的粉尘浓度预测模型，充分考虑风筒出风口位置、风流速度及方向角度变化对粉尘浓度分布规律的影响，弥补了传统通风方式下粉尘浓度预测方法的不足，为实现综掘面精细化管理提供可靠准确的依据。
2、本发明利用FLUENT软件对综掘面出风口参数变化下的粉尘浓度分布进行模拟计算，初步确定出风口参数调节范围，获取出风口参数变化与粉尘浓度分布关联数据；利用多元线性回归分析方法建立风筒出风口参数变化下的粉尘浓度预测模型。利用该方法能够对煤矿综掘面的粉尘浓度进行定量化预测，为综掘面实现综掘面安全、高效、绿色通风提供可靠准确的依据。
下面通过附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明回风侧呼吸带高度沿程粉尘浓度与距离巷道端头距离的坐标曲线图。
图2为本发明出风口不同直径粉尘浓度的分布云图。
图3为本发明出风口不同直径回流区人行处巷道沿程粉尘浓度的分布图。
图4为本发明出风口不同直径司机处巷道沿程粉尘浓度的分布图。
图5为本发明出风口不同水平角度粉尘浓度的分布云图。
图6为本发明出风口不同水平偏转角度司机处沿程粉尘浓度的分布图。
图7为本发明出风口不同水平偏转角度回流区人行处沿程粉尘浓度的分布图。
图8为本发明出风口不同垂直角度粉尘浓度的分布云图。
图9为本发明出风口不同垂直偏转角度回流区人行处沿程粉尘浓度的分布图。
图10为本发明出风口不同垂直偏转角度司机处沿程粉尘浓度的分布图。
图11为本发明风筒出风口参数为方案1至方案6时，巷道内司机活动处沿巷粉尘浓度分布图。
图12为本发明风筒出风口参数为方案7至方案12时，巷道内司机活动处沿巷粉尘浓度分布图。
图13为本发明风筒出风口参数为方案1至方案6时，巷道内回流区沿巷粉尘浓度分布图。
图14为本发明风筒出风口参数为方案7至方案12时，巷道内回流区沿巷粉尘浓度分布图。
具体实施方式
下面结合柠条矿S1200-III胶运综掘面现场情况，对本发明的具体实施方式作进一步描述，具体步骤如下：
步骤一、根据煤矿综掘面现场工作情况，采用Creo2.0软件建立综掘面几何模型，并对所建立的综掘面几何模型中的综掘机几何模型进行简化，然后采用四面体网格类型对计算域划分非结构网格，壁面划分边界层网格，建立综掘面有限元模型；即根据柠条矿S1200-III胶运综掘面现场工作情况，采用Creo2.0软件简化并建立长40m，宽6.25m，高3.75m的综掘面几何模型。综掘面通风方式为压入式通风，风筒直径为1米，风筒出风口距掘进端头8米，风筒中心距巷道底板3.55米，同时在充分考虑综掘机对模拟结果的影响的情况下，对综掘机进行适当简化。采用四面体网格类型对计算域划分非结构网格，壁面划分边界层网格，建立综掘面有限元模型。
步骤二、采用Fluent软件对步骤一中所建立的综掘面有限元模型的粉尘场进行数值模拟分析，获取步骤一中所建立的综掘面有限元模型风筒出风口距掘进端头8m时的综掘面回风侧呼吸带高度沿程的粉尘浓度模拟值；
步骤三、利用测尘仪对煤矿综掘面风筒出风口距掘进端头8m时的综掘面回风侧呼吸带高度沿程的粉尘浓度分布进行测量，获取综掘面回风侧呼吸带高沿程的粉尘浓度实测值；
具体实施方式为：利用CCGZ-1000型直读式测尘仪对煤矿综掘面风筒出风口距掘进端头8m时的综掘面回风侧呼吸带高度沿程的粉尘浓度分布进行测量，获取综掘面回风侧呼吸带高度沿程的粉尘浓度实测值；具体实测数据见表1。
表1回风侧呼吸带高度沿程粉尘浓度实测数据
Figure RE-GDA0001758776000000081
步骤四、将步骤二中获取的综掘面回风侧呼吸带高度沿程的粉尘浓度模拟值与步骤三中获取的综掘面回风侧呼吸带高度沿程的粉尘浓度实测值进行比较，并分别绘制回风侧呼吸带高度沿程粉尘浓度模拟值与距离巷道端头距离的坐标曲线和绘制回风侧呼吸带高度沿程粉尘浓度实测值与距离巷道端头距离的坐标曲线，如果粉尘浓度模拟值坐标曲线与粉尘浓度实测值坐标曲线结果趋势一致，则证实步骤一中建立的综掘面有限元模型方案可行；
回风侧呼吸带高度沿程粉尘浓度模拟值与距离巷道端头距离的坐标曲线和回风侧呼吸带高度沿程粉尘浓度实测值与距离巷道端头距离的坐标曲线如图1所述，并且由图1可知：
1、距掘进端头距离10m～40m范围内，回风侧沿程粉尘浓度逐渐下降后趋于平缓，数值模拟结果与现场实测结果趋势一致；
2、由于未考虑煤的运输产尘、人员、设备等多种原因的影响，数值模拟结果在具体数值上略低于实测结果，存在合理误差，可以证实数值模拟方案的可行性。
步骤五、通过Fluent软件对综掘面风筒出风口单参数变化下呼吸带高度沿程粉尘浓度分布规律进行模拟计算，获取不同风筒出风口直下呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度值、司机活动范围内的粉尘浓度值和回流侧沿程的粉尘浓度值，并绘制不同风筒出风口直径的巷道粉尘浓度表；具体方式是：通过Fluent软件对出风筒出风口直径为0.7m、0.8m、0.9m、1.0m、 1.1m、1.2m时粉尘浓度分布规律进行模拟计算，获取风筒出风口直径为 0.7m、0.8m、0.9m、1.0m、1.1m、1.2m时呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度值、司机活动范围内的粉尘浓度值和回流侧沿程的粉尘浓度值，具体各点浓度分布如表2所示。
表2出风口不同直径巷道粉尘浓度
Figure RE-GDA0001758776000000091
Figure RE-GDA0001758776000000101
表2为不同直径时巷道端头、司机活动范围内、回流侧沿程的粉尘浓度变化情况，由以上结果可知，风筒出风口直径的变化对人员活动范围沿程粉浓度分布有明显的影响，因为风筒出风口直径的设置，直接影响风筒出风口风流的大小，风筒出风口直径过大，会造成风筒出风口风流速度太小，不能有效稀释粉尘，风筒出风口直径太小，会导致巷道内风速过大，吹起底板沉降的粉尘，污染巷道环境。针对巷道粉尘积聚情况合理设置风筒出风口直径，会明显改善巷道内粉尘浓度的分布。
同时，通过Fluent软件对风筒出风口直径为0.7m、0.8m、0.9m、1.0m、 1.1m、1.2m时粉尘浓度分布规律进行模拟计算，分别截取人员呼吸带截面 (y＝1.5m)的粉尘浓度分布云图，如图2所示。从图2整体分布来看，粉尘主要集中在回流区、掘进端头附近。随着距掘进端头距离逐渐增加，巷道沿程中粉尘浓度呈降低趋势。
随着风筒出风口直径的增加，回流区粉尘浓度出现先升高再降低随后再升高的变化趋势。当直径从0.7m变化到0.9m时，掘进端头及回流区粉尘浓度逐渐增加，主要是因为风筒出风口口径偏小使得风速过大，造成巷道风流分布不合理，引起二次扬尘；当风筒出风口直径从0.9m变化到1.1m 时，掘进端头的粉尘浓度有明显降低，同时掘进机附近粉尘浓度也有明显降低，说明此时的风速分布合理，能够有效稀释掘进端头及掘进机附近粉尘浓度；当直径从1.1m增加到1.2m时，掘进机附近粉尘积聚严重，这是由于此时风筒出风口口径扩大使得风速过小，不足以稀释粉尘浓度。
通过获取风筒出风口直径为0.7m、0.8m、0.9m、1.0m、1.1m和1.2m 时呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度值、司机活动范围内的粉尘浓度值和回流侧沿程的粉尘浓度值，并绘制出风筒出风口不同直径时巷道沿程粉尘浓度分布图，如图3和图4所述，图3表示的是风筒出风口不同直径下回流区人行处巷道沿程粉尘浓度分布图，图4表示的是风筒出风口不同直径下司机处巷道沿程粉尘浓度分布图。分析图3、图4可以得出：
对巷道粉尘整体分布来说，巷道掘进端头0m～3m附近区域为高浓度粉尘积聚区，此处是巷道安全隐患重点监测区域，粉尘浓度过高会导致发生煤矿安全事故，5m以后沿巷粉尘浓度逐渐降低。
随风筒出风口直径的增加，回流区人行处沿程粉尘浓度出现先降低再升高随后再降低的变化规律，司机处沿程粉尘浓度出现先降低随后再升高的变化规律。风筒出风口的直径从1.0m变化到1.1m时，可以看出回流区及司机处粉尘浓度相对较低，保持在安全范围内。
获取风筒出风口不同水平角度条件下呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度值、司机活动范围内的粉尘浓度值和回流侧沿程的粉尘浓度值，并绘制风筒出风口不同水平角度条件下的巷道粉尘浓度表；具体方式是：通过 Fluent软件对风筒出风口水平角度为0°、5°、10°、15°、20°、25°时粉尘浓度分布规律进行模拟计算，获取风筒出风口水平角度为0°、5 °、10°、15°、20°、25°时呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度值、司机活动范围内的粉尘浓度值和回流侧沿程的粉尘浓度值，具体各点浓度分布如表3所示。
表3出风口不同水平角度巷道粉尘浓度
Figure RE-GDA0001758776000000111
表3为不同水平偏转角度时巷道端头、司机活动范围、回流侧的粉尘浓度变化情况，分析可知，合理设置出风口水平偏转角度能够有效降低粉尘浓度。
同时，过Fluent软件对出风口水平角度为0°、5°、10°、15°、20 °、25°时粉尘浓度分布规律进行模拟计算，分别截取人员呼吸带截面 (y＝1.5m)粉尘浓度分布云图，如图5所示。
从图5整体分布来看，在回流区域内，粉尘浓度相比来说比较高，浓度较高，与此同时掘进端头周围也有大量粉尘在此累积，但随着与掘进端头距离的不断扩大，在此沿巷粉尘浓度就会呈反比，就会越来越少，浓度会降低。
当风筒出风口水平偏转角度α＝0°时，回流区煤壁附近积聚了大量粉尘；α＝5°时，掘进机附近出现了高浓度粉尘，由于此处是司机工作场所，粉尘积聚会严重威胁司机的健康；α＝10°时，掘进机附近粉尘浓度得到了较好的改善，但掘进机右侧粉尘浓度偏高；α＝15°、α＝20°、α＝25°时，呼吸带截面粉尘浓度比较低，粉尘分布比较合理，对人员污染较小。
通过获取的风筒出风口水平角度为0°、5°、10°、15°、20°、25 °时呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度值、司机活动范围内的粉尘浓度值和回流侧沿程的粉尘浓度值，绘制风筒出风口水平角度变化时回流区人行处和司机处巷道沿程粉尘浓度变化图，如图6和图7所示，图6表示的是风筒出风口水平角度变化时回流区人行处巷道沿程粉尘浓度变化图，图7表示的是风筒出风口水平角度变化时司机处巷道沿程粉尘浓度变化图，分析图6和图7可以得出：在回流区人行处沿巷粉尘浓度随风筒出风口水平偏转角度的增加出现先升高后降低的变化规律。当水平偏转角度为25°时巷道安全隐患处粉尘浓度最低，有利于矿井安全生产，可能由于此时粉尘主要集中在掘进机右侧，吹来的风流就会吹散之前浓度比较高的积聚在一起的粉尘，这时就会改善粉尘运移分布的状态。说明此时出风口水平偏转角度加大，有利于改善巷道内粉尘浓度分布；对于司机处，水平偏转角度为5°、10°时，沿巷粉尘浓度比较高，司机的健康安全受到威胁。
获取风筒出风口不同垂直角度条件下呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度值、司机活动范围内的粉尘浓度值和回流侧沿程的粉尘浓度值，并绘制风筒出风口不同垂直角度条件下的巷道粉尘浓度表；具体方式是：通过 Fluent软件对风筒出风口垂直角度为0°、2°、4°、6°时粉尘浓度分布规律进行模拟计算，获取风筒出风口垂直角度为0°、2°、4°、6°时呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度值、司机活动范围内的粉尘浓度值和回流侧沿程的粉尘浓度值，具体各点浓度分布如表4所示。
表4出风口不同垂直角度巷道粉尘浓度
Figure RE-GDA0001758776000000131
由表4可知，风筒出风口垂直偏转角度对人员活动范围沿程粉浓度分布有明显的影响，因为风筒出风口垂直偏转角度的不同，会直接改变出风口风流分布，改变巷道内粉尘浓度分布。所以合理的风筒出风口垂直偏转角度的设定，会明显改善巷道内粉尘分布。
同时，通过Fluent软件对风筒出风口垂直角度为0°、2°、4°、6 °时粉尘浓度分布规律进行模拟计算，分别截取人员呼吸带截面(y＝1.5m) 粉尘浓度分布云图，如图8所示。风筒出风口垂直偏转角度从0°增加到6°时，巷道整体粉尘浓度分布先升高再降低。当垂直偏转角度从0°增加到2°时，回流区煤壁附近粉尘浓度增加，司机工作附近粉尘浓度得到较好的控制，当风筒出风口垂直偏转角度从2°增加到6°时，就可以得到回流区一侧的粉尘浓度会有明显的降低趋势，与此同时粉尘污染得到了有效的控制，确保工作人员的工作环境得到改善。
通过获取的风筒出风口垂直角度为0°、2°、4°、6°时呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度值、司机活动范围内的粉尘浓度值和回流侧沿程的粉尘浓度值，绘制风筒出风口不同垂直角度时回流区人行处和司机处巷道沿程粉尘浓度变化图，如图9和图10所示，图9表示的是风筒出风口不同垂直角度时回流区人行处巷道沿程粉尘浓度变化图，图10表示的是风筒出风口不同垂直角度时司机处巷道沿程粉尘浓度变化图，图9和图10 分别表示的是风筒出风口不同垂直角度时对巷道回流侧(x＝5.2m)和司机处(x＝2.65m)的沿程粉尘浓度。分析图9和图10可知：在巷道回流区内，风筒出风口垂直偏转角度和粉尘浓度会呈现特定的规律，偏转角度越来越大，沿巷粉尘浓度会有先增高再降低的变化趋势，而在距离掘进端头15m～20m范围内的区域内，垂直偏转角度为2°时沿程粉尘浓度相对较高，对人员健康造成威胁。偏转角度为2°～4°时，端头安全隐患处粉尘浓度明显降低；在司机处，随着风筒出风口垂直偏转角度的增加，沿程粉尘浓度有升高-降低-升高的趋势。其中，当风筒出风口垂直偏转角度为4°时司机处附近粉尘浓度得到较好改善，说明此时工作环境得到了改善相对较好。
步骤六、根据步骤五中的不同风筒出风口直径的巷道粉尘浓度表、风筒出风口不同水平角度条件的巷道粉尘浓度表和风筒出风口不同垂直角度条件下的巷道粉尘浓度表，分析并制定多个风筒出风口参数综合变化模拟方案；然后通过Fluent软件对所制定的多个风筒出风口参数综合变化模拟方案进行模拟计算，获取各个方案呼吸带高度的巷道端头处的粉尘浓度值、司机活动范围内的粉尘浓度值和回流侧沿程的粉尘浓度值；
通过对出风口单参数变化对粉尘运移分布的影响研究发现，风筒出风口参数单一改变对巷道粉尘积聚现象，掘进端头附近、人员活动处粉尘浓度都有一定程度的改善，但是针的那参数变化只能针对某一种情况进行改善，不能根据巷道内的安全污染问题进行综合改善。所以根据步骤五中的不同风筒出风口直径的巷道粉尘浓度表、风筒出风口不同水平角度条件下的巷道粉尘浓度表和风筒出风口不同垂直角度条件下的巷道粉尘浓度表分析并制定出风筒风口参数综合变化模拟方案，具体模拟方案如表5所示。
表5出风口参数综合变化模拟方案设计
距端头距离(m) 直(m) 水平偏转角度(°) 垂直偏转角度(°)
方案1 5 1.1 20 5
方案2 5 1.2 15 2
方案3 6 1.1 20 4
方案4 6 1.0 15 5
方案5 7 1.1 18 5
方案6 7 1.0 15 4
方案7 8 0.8 5 4
方案8 8 0.9 10 2
方案9 9 0.8 12 2
方案10 9 0.7 15 4
方案11 10 0.7 10 4
方案12 10 0.8 5 3
通过Fluent软件对多个风筒出风口参数综合变化模拟方案进行模拟计算，获取各个方案的呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度值、司机活动范围内的粉尘浓度值和回流侧沿程的粉尘浓度值；具体风筒出风口参数综合变化下巷道内各点粉尘浓度变化如表6所示。
表6出风口参数综合变化下粉尘浓度
Figure RE-GDA0001758776000000151
根据获取的各个方案的呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度值、司机活动范围内的粉尘浓度值和回流侧沿程的粉尘浓度值，绘制各个模拟方案回流区人行处和司机处巷道沿程粉尘浓度变化图，如图11至图14所示，图11和图12表示的是出风口距端头距离为5m～10m的工况下，风筒出风口参数综合变化下巷道内司机活动处沿巷粉尘浓度分布图。从图中可以看出，掘进端头附近粉尘浓度比较高，最高可达到1700mg/m3，并且巷道内高浓度粉尘主要积聚在距离掘进端头0m～10m附近。当远离进端头25m 以后，发现沿巷截面平均粉尘浓度都要低于150mg/m3。巷道司机处沿巷粉尘浓度有降低-升高-降低的变化趋势。风筒出风口距掘进端头5m～6m 时，这时风筒出风口与掘进端头之间的距离比较近，风筒出风口风速比较大，通过扩大风筒出风口直径，并且改变其水平偏转角度，发现水平偏转角度为15°～20°，垂直偏转角度为4°～5°时，距掘进端头0m～10m沿程粉尘浓度有所降低，说明此时积聚在巷道中部及顶部的粉尘被稀释。出风口距掘进端头7m～8m时，风筒出风口射流速度适中，巷道内风速分布均匀，粉尘合理分布，距掘进端头7m附近司机处粉尘浓度为500mg/m3。风筒出风口距掘进端头9m～10m时，这时候因为风筒出风口距掘进端面距离太远，致使风筒出风口射流到达端头速度过小，巷道内风速小。此时，通过缩小风筒出风口直径，改善巷道内粉尘运移分布，但是距掘进端头 5m～10m附近粉尘浓度仍达1400mg/m3。远远超过煤矿要求。当风筒出风口与掘进端头之间距离为9m，设定直径为0.7m，水平偏转为15°，垂直偏转为4°时，巷道内粉尘分布较为理想，司机活动处粉尘得到改善，能有效降低对工作人员的伤害。
图13和图14表示的是出风口距端头距离为5-10m工况下，风筒出风口参数综合变化下巷道内回流区沿巷粉尘浓度分布图。分析图13和图14 可以得知：巷道回流区沿巷粉尘浓度表现出先降低后升高随后再降低的变化规律，距掘进端头越远，沿巷方向上粉尘浓度越来越低。巷道高浓度粉尘积聚区域主要在距端头0m～7m附近，风筒出风口距掘进端头5m时，这时因为风筒出风口与端头距离近，风筒出风口风流大，致使巷道风速过大，引起粉尘二次扬尘。改变风筒出风口参数，当直径为1.2m，水平偏转 15°、垂直偏转2°，距离端头0m～5m范围内粉尘明显沉降，降低安全事故隐患；当风筒出风口距离端头6m时，直径为1.1m，水平偏转20°～25°、垂直偏转4°时，巷道内粉尘均匀分布，并且巷道安全隐患处粉尘浓度也得到较好的改善，降低了矿井安全事故的风险；当风筒出风口距离端头7m～ 8m时，风筒出风口射流速度合适，由于巷道回流区和顶部粉尘较为集中，只需调整出风口的水平转角度和垂直偏转角度能较为理想改善巷道粉尘分布，尤其是针对巷道内安全隐患处粉尘浓度；出风口距掘进端头9m～ 10m时，这时候由于风筒出风口与掘进端头之间距离较远，风筒出风口射流到达端头速度小，致使巷道内风速较小，此时扩大风筒出风口直径，粉尘浓度有明显改善，但是距掘进端头4m～7m处粉尘浓度仍然偏高，达 1200mg/m3。当风筒出风口距掘进端头9m时，直径为0.7m，水平偏转为 15°，垂直偏转为4°时，沿巷粉尘浓度分布均匀，更有利于创建良好井下工作环境。故分析得出，风筒出风口风流状态对综掘面粉尘运移分布有很大的影响。
步骤七、利用Matlab软件对步骤六中多个风筒出风口参数综合变化模拟方案中综掘面风筒出风口距掘进端头5m时，呼吸带高度的司机活动范围内的粉尘浓度值数据进行回归分析，获得风筒出风口直径、水平偏转角度、垂直偏转角度对司机处粉尘浓度的预测方程式(1)，所述预测方程式(1)为：
Figure RE-GDA0001758776000000171
预测方程式(1)中：
Figure RE-GDA0001758776000000172
为综掘面风筒出风口距掘进端头5m时呼吸带高度司机活动范围内的粉尘浓度预测值，x1为风筒出风口直径，x2为风筒出风口水平偏转角度，x3为风筒出风口垂直偏转角度；
各个风筒出风口参数综合变化模拟方案获中综掘面风筒出风距掘进端头5m时，呼吸带高度司机活动范围内的粉尘浓度值，具体如下表7所示：
表7距端头5m时出风口不同参数下司机处粉尘浓度
Figure RE-GDA0001758776000000173
Figure RE-GDA0001758776000000181
利用Matlab软件对数据进行回归分析，得到以下结果，如表8所示。
表8回归模型结果汇总表
Figure RE-GDA0001758776000000182
由回归结果汇总表8可以看出，模型的相关系数R为0.956，说明预测自变量出风口直径、水平偏转角度、垂直偏转角度对因变量司机处粉尘浓度影响的相关性较强。模型判定系数R2为0.924，调整后判定系数R2为 0.908，标准误差为59.917，由于预测值司机处粉尘浓度影响因素较多，并且粉尘浓度较高，本次只对其关键影响因素进行分析，故可能造成误差值偏大。从判定系数R2来看，该模型表现出很好拟合效果。
表9回归模型方差分析表
模型 平方和 d<sub>f</sub> 均方 F Sig.
回归 285595.5 3 95198.5 21.2 0.00133
残差 26821.3 6 4470.2
总计 312416.9 9
表中F检验的目的是用来判断方程是否显著有效，以及判断回归系数是不是为0。由表9可知，Sig.<0.05，则F检验通过，说明出风口直径、水平偏转角度及垂直偏转角度对司机处粉尘浓度影响的回归方程线性关系较为显著。
表10回归系数
Coefficients 标准误差 t Stat P-value
Intercept 1762.8 166.9 10.5 4.2E-05
x<sub>1</sub> -888.1 120 -7.4 3E-04
x<sub>2</sub> -2.9 5.5 -0.5 6.1E-04
x<sub>3</sub> 8.5 19.7 0.4 6.7E-04
根据表10可以看出x1的回归系数最显著，其P-value值最小，x2，x3的回归系数在显著水平为0.05的情况下较为显著，得出出风口直径、水平偏转角度、垂直偏转角度对司机处粉尘浓度的预测方程(1)：
Figure RE-GDA0001758776000000191
预测方程式(1)表明，风筒出风口直径、水平偏转角度、垂直偏转角度对司机处粉尘浓度都有较大影响，其中直径变化对司机处粉尘浓度影响最大，说明当风筒出风口距离掘进端头5m时，如果要明显改善司机处粉尘浓度，可以直接改变风筒出风口直径。因为当风筒出风口距离掘进端头5m时，由于风筒出风口与掘进端头之间的距离较近，风筒出风口射流到达掘进端面的速度比较大，但掘进机所占空间较大，阻挡了风流的正常回流，导致掘进机附近常产生涡流，粉尘积聚于此，对司机健康严重威胁。由预测方程式(1)可以看出，当风筒出风口水平偏转角度及垂直偏角度一定时，直径增大，司机处粉尘浓度明显降低；当风筒出风口直径一定时，水平偏转角度增大及垂直偏转角度减小，司机处粉尘浓度降低，与前面的数值模拟结果基本保持一致。在满足假定条件下，该回归方程具有一定的工程实用价值，可以通过改变风筒出风口参数改善司机作业出粉尘浓度，并对浓度进行预测，为司机创造健康的工作环境。
步骤八、利用Matlab软件对步骤六中多个风筒出风口参数综合变化模拟方案中综掘面风筒出风口距掘进端头5m时，呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度值数据进行回归分析，获得风筒出风口直径、水平偏转角度、垂直偏转角度对巷道端头处粉尘浓度的预测方程式(2)，所述预测方程式 (2)为：
Figure RE-GDA0001758776000000192
预测方程式(2)中：
Figure RE-GDA0001758776000000193
为综掘面风筒出风口距掘进端头5m时呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度预测值，x1为风筒出风口直径；
各个风筒出风口参数综合变化模拟方案获中综掘面风筒出风距掘进端头5m时，呼吸带高度巷道端头(距离掘进端头0-3m附近，粉尘浓度最高，此处也称为巷道安全隐患处)的粉尘浓度值，具体如下表11所示：
表11距端头5m时出风口不同参数下巷道安全隐患处粉尘浓度
直径(m) 水平偏转角度(°) 垂直偏转角度(°) 安全隐患处粉尘浓度(kg/m<sup>3</sup>)
0.7 20 4 2142
0.7 10 5 2287
0.8 12 5 1953
0.8 10 2 2044
0.9 15 5 1841
1 14 4 1667
1.1 20 5 1348
1.1 16 3 1436
1.2 8 4 1307
1.2 15 2 1217
利用Matlab软件对数值模拟获取数据进行回归分析，具体结果如下表 12所示。
表12回归模型结果汇总表
Figure RE-GDA0001758776000000201
由回归结果汇总表12可知，回归模型相关系数R为0.995，接近于1，说明预测自变量风筒出风口直径、水平偏转角度、垂直偏转角度对因变量巷道安全隐患处粉尘浓度影响的相关性很强。模型判定系数R2为0.991，调整后的判定系数R2为0.986，标准误差为44.742。从判定系数R2值来看，该模型有较好的拟合效果。
表13回归模型方差分析表
Figure RE-GDA0001758776000000202
Figure RE-GDA0001758776000000211
方差分析表13中F检验的目的是用来判断整体回归方程是不是显著有效，以及检验方程中回归的影响量系数是否为0。Sig.≈0，此回归方程显著有效，则F检验通过，说明风筒出风口直径、水平偏转角度及垂直偏转角度对安全隐患处粉尘浓度影响的回归方程线性关系较为显著。
表14回归系数
Coefficients 标准误差 t Stat P-value
Intercept 3703.7 111.7 33.1 5E-08
x<sub>1</sub> -1923.7 80.3 -23.9 3E-07
x<sub>2</sub> -10.8 3.6 -2.9 0.02
x<sub>3</sub> -0.08 13.2 -0.006 0.99
根据表14可以看出x1的回归系数最显著，其P-value值明显小于0.05， x2相对于x3的回归系数在显著水平为0.05时相对较为显著，x3的P-value 大于0.05，表明回归系数无显著影响，为了使回归方程的估计更准确，剔除多余自变量出风口水平偏转角度x2及垂直偏转角度x3后，再次回归分析，得到新的回归模型结果如表15所示。
表15回归模型结果汇总表
Figure RE-GDA0001758776000000212
由回归结果汇总表15可知，回归模型的相关系数R为0.989，十分接近于1，说明预测自变量风筒出风口直径对因变量巷道安全隐患处粉尘浓度影响的相关性很强。拟合模型判定系数R2为0.978，调整后的判定系数R2为0.975，标准误差为60.81。根据判定系数R2来看，模型具有很好拟合效果。
表16回归模型方差分析表
Figure RE-GDA0001758776000000213
Figure RE-GDA0001758776000000221
方差分析表16中F检验的目的是用来判断整体回归方程是否显著有效，以及检验方程中所有的回归影响系数是否为0。由表15可知，Sig.≈0，此回归方程显著有效，则F检验通过，说明风筒出风口直径对安全隐患处粉尘浓度影响的回归方程线性关系较为显著。
表17回归系数
Coefficients 标准误差 t Stat P-value
Intercept 3703.7 111.7 33.1 5E-08
x<sub>1</sub> -1923.7 80.3 -23.9 3E-07
根据回归系数表17可以看出x1的回归系数最显著，其P-value值明显小于0.05，则根据回归结果得出风筒出风口直径对巷道安全隐患处粉尘浓度的预测方程式：
Figure RE-GDA0001758776000000222
预测方程式(2)表明，在风筒出风口参数中，风筒出风口直径对巷道内安全隐患处粉尘浓度影响最大，说明当风筒出风口距离掘进端头5m 时，合理的风筒出风孔直径能明显改善巷道内安全隐患处粉尘浓度。当风筒出风口距离掘进端头5m时，风筒出风口与端头之间的距离小，致使风筒出口射流到达掘进端面的速度比较大，导致吹起已经沉降在底板的粉尘使粉尘浓度增加。由预测方程式(2)可以看出，当风筒出风口直径的增加，安全隐患处粉尘浓度降低，与前面的数值模拟结果一致，在满足其假定条件下，该回归预测方程具有一定的工程实用价值，可以及时根据巷道内安全隐患处粉尘积聚情况，改变风筒出风口直径，调整巷道内粉尘运移分布，兵可以对安全隐患处粉尘浓度进行实时预测，降低煤矿安全事故风险。
步骤九、利用Matlab软件对步骤六中多个风筒出风口参数综合变化模拟方案中综掘面风筒出风口距掘进端头10m时，呼吸带高度司机活动范围内的粉尘浓度值数据进行回归分析，获得风筒出风口直径、水平偏转角度、垂直偏转角度对司机处粉尘浓度的预测方程式(3)：所述预测方程式(3) 为：
Figure RE-GDA0001758776000000231
预测方程式(3)中：
Figure RE-GDA0001758776000000232
为综掘面风筒出风口距掘进端头10m时呼吸带高度司机活动范围内的粉尘浓度预测值，x1为风筒出风口直径；
各个风筒出风口参数综合变化模拟方案获中综掘面风筒出风距掘进端头10m时，呼吸带高度司机活动范围内的粉尘浓度值具体如下表18所示：
表18距端头10m时出风口不同参数下司机处粉尘浓度
直径(m) 水平偏转角度(°) 垂直偏转角度(°) 司机处粉尘浓度(kg/m<sup>3</sup>)
0.7 10 4 745
0.7 15 2 792
0.8 5 3 875
0.8 8 2 832
0.9 15 4 985
0.9 7 3 928
1.0 9 2 1024
1.0 10 5 1096
1.1 12 3 1187
1.2 8 4 1298
通过Matlab软件对表18中的数据进行回归分析，发现预测自变量风筒出风口直径、水平偏转角度、垂直偏转角度对因变量司机处粉尘浓度影响的相关性较强。通过R2值看出，拟合贴合实际。根据回归结果分析得出风筒出风口直径x1的回归系数最显著，其P-value值最小，风筒出风口水平偏转角度x2及垂直偏转角度x3的P-value大于0.05，表明回归系数无显著影响，为了使回归方程的估计更准确，剔除多余自变量，风筒出风口水平偏转角度x2及垂直偏转角度x3后，在对数据进行回归分析，风筒出风口直径对司机处粉尘浓度显著影响，回归系数如表19所示。
表19回归系数
Coefficients 标准误差 t Stat P-value
Intercept 14.7 56.6 0.2 0.8
x<sub>1</sub> 1056.5 61.3 17.2 1.3E-07
根据回归系数表19可以看出x1的回归系数最显著，其P-value值明显小于0.05，则根据回归结果得出出风口直径对司机处粉尘浓度的预测方程式：
Figure RE-GDA0001758776000000241
预测方程式(3)表明，风筒出风口距端头10m时，风筒出风口直径大小对巷道内司机处粉尘浓度影响最大，故在风筒出风口距离掘进端头 10m时，通过合理设定风筒出风口直径能明显改善巷道内司机处粉尘浓度。当风筒出风口距离掘进端头10m时，风筒出风口与端头之间的距离比较小，致使风筒出风口射流到达掘进端面的速度比较小，不能有效稀释粉尘。为了改善巷道内的粉尘分布，可以通过缩小风筒出风口直径的方法来增大风速。由预测方程式(3)可以看出，当风筒出风口直径减小时，司机处粉尘浓度降低，与前面的数值模拟结果一致。
步骤十、利用Matlab软件对步骤六中多个风筒出风口参数综合变化模拟方案中综掘面风筒出风口距掘进端头10m时，呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度值数据进行回归分析，获得风筒出风口直径、水平偏转角度、垂直偏转角度对巷道端头处粉尘浓度的预测方程式(4)，所述预测方程式 (4)为：
Figure RE-GDA0001758776000000242
预测方程式(4)中：
Figure RE-GDA0001758776000000243
为综掘面风筒出风口距掘进端头10m时呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度预测值，x1为风筒出风口直径。
各个风筒出风口参数综合变化模拟方案获中综掘面风筒出风距掘进端头10m时，呼吸带高度巷道端头(距离掘进端头0-3m附近，粉尘浓度最高，此处也称为巷道安全隐患处)的粉尘浓度值，具体如下表20所示：
表20出风口距掘进端头10m时安全隐患处粉尘浓度
Figure RE-GDA0001758776000000244
Figure RE-GDA0001758776000000251
通过Matlab软件对表20中的数据进行回归分析，发现预测自变量风筒出风口直径、水平偏转角度、垂直偏转角度对因变量司机处粉尘浓度影响的相关性较强。从R2值看出，拟合结果贴合实际。根据回归结果分析得出风筒出风口直径x1的回归系数显著，风筒出风口水平偏转角度x2及垂直偏转角度x3无显著影响，为了使回归方程的估计更准确，剔除多余自变量，风筒出风口水平偏转角度x2及垂直偏转角度x3后，在对数据进行回归分析，出风口直径对司机处粉尘浓度显著影响，且拟合效果好，回归系数如表21 所示。
表21回归系数
Coefficients 标准误差 t Stat P-value
Intercept 520.1 56.6 0.2 0.8
x1 1334.3 61.3 17.2 1.3E-07
根据回归系数表21可以看出x1的回归系数最显著，其P-value值明显小于0.05，由回归结果得出风筒出风口直径变化对安全隐患处粉尘浓度的预测方程式：
Figure RE-GDA0001758776000000252
预测方程式(4)表明，在出风口距端头10m时，直径对巷道内安全隐患处粉尘浓度影响最大，出风口与掘进端头之间距离10m时，由于距离比较远，致使出口射流到达掘进端面的速度比较小，不能有效稀释粉尘。此时为了有效缓解巷道内粉尘积聚，可以通过缩小出风口直径的方法来增大风速。由预测方程式(4)可以看出，当风筒出风口直径减小时，可以有效降低安全隐患处粉尘浓度，与前面的数值模拟结果一致，在其设定条件下，该回归方程具有一定的工程实用价值，可以有效控制巷道安全隐患处粉尘浓度，并进行预测。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (2)

1.一种煤矿综掘面风筒出风口参数变化下的粉尘浓度预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、根据煤矿综掘面现场工作情况，采用Creo2.0软件建立综掘面几何模型，并对所建立的综掘面几何模型中的综掘机几何模型进行简化，然后采用四面体网格类型对计算域划分非结构网格，壁面划分边界层网格，建立综掘面粉尘场有限元模型；
步骤二、采用Fluent软件对步骤一中所建立的综掘面粉尘场有限元模型进行数值模拟分析，获取步骤一中所建立的综掘面粉尘场有限元模型风筒出风口距掘进端头8m时的综掘面回风侧呼吸带高度沿程的粉尘浓度模拟值；
步骤三、利用测尘仪对煤矿综掘面风筒出风口距掘进端头8m时的综掘面回风侧呼吸带高度沿程的粉尘浓度分布进行测量，获取综掘面回风侧呼吸带高沿程的粉尘浓度实测值；
步骤四、将步骤二中获取的综掘面回风侧呼吸带高度沿程的粉尘浓度模拟值与步骤三中获取的综掘面回风侧呼吸带高度沿程的粉尘浓度实测值进行比较，并分别绘制回风侧呼吸带高度沿程粉尘浓度模拟值与距离巷道端头距离的坐标曲线和绘制回风侧呼吸带高度沿程粉尘浓度实测值与距离巷道端头距离的坐标曲线，如果粉尘浓度模拟值坐标曲线与粉尘浓度实测值坐标曲线结果趋势一致，则证实步骤一中建立的综掘面有限元模型方案可行；
步骤五、通过Fluent软件对综掘面风筒出风口单参数变化下粉尘浓度分布规律进行模拟计算，获取不同风筒出风口直径下呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度值、司机活动范围内的粉尘浓度值和回流侧沿程的粉尘浓度值，并绘制不同风筒出风口直径的巷道粉尘浓度表；
获取风筒出风口不同水平角度条件下呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度值、司机活动范围内的粉尘浓度值和回流侧沿程的粉尘浓度值，并绘制风筒出风口不同水平角度条件下的巷道粉尘浓度表；
获取风筒出风口不同垂直角度条件下呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度值、司机活动范围内的粉尘浓度值和回流侧沿程的粉尘浓度值，并绘制风筒出风口不同垂直角度条件下的巷道粉尘浓度表；
步骤六、根据步骤五中的不同风筒出风口直径的巷道粉尘浓度表、风筒出风口不同水平角度条件的巷道粉尘浓度表和风筒出风口不同垂直角度条件下的巷道粉尘浓度表，分析并制定多个风筒出风口参数综合变化模拟方案；然后通过Fluent软件对所制定的多个风筒出风口参数综合变化模拟方案进行模拟计算，获取各个方案呼吸带高度的巷道端头处的粉尘浓度值、司机活动范围内的粉尘浓度值和回流侧沿程的粉尘浓度值；
步骤七、利用Matlab软件对步骤六中多个风筒出风口参数综合变化模拟方案中综掘面风筒出风口距掘进端头5m时，呼吸带高度的司机活动范围内的粉尘浓度值数据进行回归分析，获得风筒出风口直径、水平偏转角度、垂直偏转角度对司机处粉尘浓度的预测方程式(1)，所述预测方程式(1)为：
Figure FDA0003851247970000021
预测方程式(1)中：
Figure FDA0003851247970000022
为综掘面风筒出风口距掘进端头5m时呼吸带高度司机活动范围内的粉尘浓度预测值，x1为风筒出风口直径，x2为风筒出风口水平偏转角度，x3为风筒出风口垂直偏转角度；
步骤八、利用Matlab软件对步骤六中多个风筒出风口参数综合变化模拟方案中综掘面风筒出风口距掘进端头5m时，呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度值数据进行回归分析，获得风筒出风口直径、水平偏转角度、垂直偏转角度对巷道端头处粉尘浓度的预测方程式(2)，所述预测方程式(2)为：
Figure FDA0003851247970000023
预测方程式(2)中：
Figure FDA0003851247970000024
为综掘面风筒出风口距掘进端头5m时呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度预测值，x1为风筒出风口直径；
步骤九、利用Matlab软件对步骤六中多个风筒出风口参数综合变化模拟方案中综掘面风筒出风口距掘进端头10m时，呼吸带高度司机活动范围内的粉尘浓度值数据进行回归分析，获得风筒出风口直径、水平偏转角度、垂直偏转角度对司机处粉尘浓度的预测方程式(3)：所述预测方程式(3)为：
Figure FDA0003851247970000031
预测方程式(3)中：
Figure FDA0003851247970000032
为综掘面风筒出风口距掘进端头10m时呼吸带高度司机活动范围内的粉尘浓度预测值，x1为风筒出风口直径；
步骤十、利用Matlab软件对步骤六中多个风筒出风口参数综合变化模拟方案中综掘面风筒出风口距掘进端头10m时，呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度值数据进行回归分析，获得风筒出风口直径、水平偏转角度、垂直偏转角度对巷道端头处粉尘浓度的预测方程式(4)，所述预测方程式(4)为：
Figure FDA0003851247970000033
预测方程式(4)中：
Figure FDA0003851247970000034
为综掘面风筒出风口距掘进端头10m时呼吸带高度巷道端头处的粉尘浓度预测值，x1为风筒出风口直径。
2.按照权利要求1所述的煤矿综掘面风筒出风口参数变化下的粉尘浓度预测方法，其特征在于：步骤六中所述的多个风筒出风口参数综合变化模拟方案的数量为12个，12个所述出风口参数综合变化模拟方案分别为：
方案1、风筒出风口参数为：风筒出风口距综掘面端头距离为5m，风筒出风口直径为1.1m，风筒出风口水平偏转角度为20°，风筒出风口垂直偏转角度为5°；
方案2、风筒出风口参数为：风筒出风口距综掘面端头距离为5m、风筒出风口直径为1.2m、风筒出风口水平偏转角度为15°、风筒出风口垂直偏转角度为2°；
方案3、风筒出风口参数为：风筒出风口距综掘面端头距离为6m、风筒出风口直径为1.1m、风筒出风口水平偏转角度为20°、风筒出风口垂直偏转角度为4°；
方案4、风筒出风口参数为：风筒出风口距综掘面端头距离为6m、风筒出风口直径为1.0m、风筒出风口水平偏转角度为15°、风筒出风口垂直偏转角度为5°；
方案5、风筒出风口参数为：风筒出风口距综掘面端头距离为7m、风筒出风口直径为1.1m、风筒出风口水平偏转角度为18°、风筒出风口垂直偏转角度为5°；
方案6、风筒出风口参数为：风筒出风口距综掘面端头距离为7m、风筒出风口直径为1.0m、风筒出风口水平偏转角度为15°、风筒出风口垂直偏转角度为4°；
方案7、风筒出风口参数为：风筒出风口距综掘面端头距离为8m、风筒出风口直径为0.8m、风筒出风口水平偏转角度为5°、风筒出风口垂直偏转角度为4°；
方案为8、风筒出风口参数为：风筒出风口距综掘面端头距离为8m、风筒出风口直径0.9m、风筒出风口水平偏转角度为10°、风筒出风口垂直偏转角度为2°；
方案9、风筒出风口参数为：风筒出风口距综掘面端头距离为9m、风筒出风口直径为0.8m、风筒出风口水平偏转角度为12°、风筒出风口垂直偏转角度为2°；
方案10、风筒出风口参数为：风筒出风口距综掘面端头距离为9m、风筒出风口直径为0.7m、风筒出风口水平偏转角度为15°、风筒出风口垂直偏转角度为4°；
方案11、风筒出风口参数为：风筒出风口距综掘面端头距离为10m、风筒出风口直径为0.7m、风筒出风口水平偏转角度为10°、风筒出风口垂直偏转角度为4°；
方案12、风筒出风口参数为：风筒出风口距综掘面端头距离为10m、风筒出风口直径为0.8m、风筒出风口水平偏转角度为5°、风筒出风口垂直偏转角度为3°。
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