煤矿粉尘是煤矿在生产过程中产生的各类固体细微颗粒的总称。粉尘是煤矿五大灾害之一,不仅给井下安全生产带来极大的威胁,而且严重地危害井下工人的身体健康。井下工人长期吸入矿尘,极易引发尘肺病,同时粉尘会降低工作场所的能见度,增加工伤事故的发生;矿尘自身在一定条件下会发生爆炸,也会参与瓦斯爆炸,危害严重;粉尘还会加速机械磨损,缩短仪器的使用寿命。随着采煤工艺的机械化、集约化、高效化发展,粉尘防治成为煤矿安全生产的重要一环。煤尘一般有浮游和沉积两种状态,在一定条件下二种状态会发生转换。比如在自身重力作用下,一部分浮游粉尘会沉降变成沉积粉尘,而沉积粉尘也会在风速较大或冲击波作用下飞扬起来,变成浮游状态。矿井煤尘爆炸的上限浓度为15002000 g/m3,下限浓度为45 g/m3。空气中浮游态粉尘太多,致使粉尘浓度达到爆炸限度范围内,就会引起煤尘爆炸。矿井生产过程中产尘场所很多,基本所有作业都能产生粉尘,而采煤工作面又是煤矿井下产尘量最大的工作场所。在没有采取有效措施的情况下,采煤工作面的粉尘浓度可达500010000mg/m3。由于风流是从进风巷经过采煤工作面吹入回风巷,采煤工作面的粉尘必然会被风流大量带入回风巷。如此高浓度的浮游粉尘在回风巷内必然会逐渐沉降,这就成为煤尘爆炸的安全隐患。风速大小、粒径分布、粉尘浓度均是影响粉尘沉降的因素,因此有必要全面系统地给出这些影响因素之间的关系。因此,研究采煤工作面回风巷内粉尘的运移沉降规律和理论,对于研究除尘排尘风量计算、确定和布置采煤工作面测尘点、优化测尘方法以及科学进行粉尘防治和预防粉尘爆炸均具有重要的参考价值。通过阅读大量的国内外参考文献,发现虽然国内外学者围绕粉尘运移沉降问题做了大量的研究工作,取得了许多成果,但是往往针对采掘工作面研究较多,很少全面系统地对采煤工作面回风巷内不同风速情况下不同粒径粉尘在巷道沿程和高度方向浓度分布及粒径分布规律进行研究。另外,学者们基于欧拉坐标系对巷道风流中粉尘运移沉降过程进行数学建模的时候,往往将实际问题简化为一维或二维问题进行研究,与实际情况不符。数学模型也没有通过实验的验证,便无法知晓所建模型正确与否,更无法正确揭示粉尘运移沉降特征。目前国内外研究者们大多运用FLUENT商业软件进行粉尘运移沉降的数值模拟,FLUENT软件往往只能运用软件自带数学模型进行计算,但是软件中自带模型毕竟数量有限,不能涵盖和适应所有情况。所以有时选用的数学模型不能很好贴合现场实际情况,所得模拟结果就会有偏差。本文基于上述研究中存在的不足,展开了煤矿采煤工作面专用回风巷风流中粉尘运移沉降理论的研究。分析影响采煤工作面专用回风巷内粉尘运移沉降的影响因素,根据质量守恒定律,建立巷道内粉尘运移沉降的三维数学模型。对课题组前人提出的有限体积单元控制体圈化方案进行改进,提出一种新的四面体单元控制体圈化方案。基于新提出的有限体积单元控制体圈化方案对数学模型进行离散,自行编制软件对回风巷风流中粉尘运移沉降过程进行数值模拟。基于相似原理设计回风巷内粉尘运移沉降相似模拟实验,对不同风速情况下不同粒径粉尘的浓度分布、混合粉尘落尘质量分布和粒径分布进行实测。最后对比实验和模拟结果,验证粉尘运移沉降理论的正确性。通过上述研究本文得到如下几个结论:（1）建立了采煤工作面回风巷风流中粉尘运移沉降三维数学模型,揭示了回风巷风流中粉尘运移沉降的特征和规律在煤矿井巷内任选分析控制体,分析风流对流、重力沉降和粉尘扩散对井巷粉尘运移沉降的影响,根据质量守恒定律,建立粉尘运移沉降的普适性理论数学模型。并根据采煤工作面回风巷内实际情况进行分析,建立了回风巷内粉尘运移沉降三维数学模型,揭示了回风巷风流中粉尘的运移沉降特征和规律。（2）基于新提出的四面体单元控制体圈化方案对数学模型进行离散求解确定解算区域,利用四面体对解算区域进行网格划分,并对前人提出的边界过四面体重心且与底边平行的四面体单元控制体的圈化方案进行改进,提出了新的四面体单元控制体圈化方案。即随意选择四面体单元的一个顶点,将四面体的重心、过此顶点三个面的重心和三条边的中点连接起来,形成一个边界类似于钻石的凹凸面的四面体单元控制体。基于新提出的四面体单元控制体圈化方案对回风巷风流中粉尘运移沉降三维数学模型进行离散化处理,最终得到待求变量的节点方程组,为计算机程序编制奠定基础。（3）程序设计及软件编制在以上内容研究的基础上,设计解算程序的结构流程图,运用Visual Basic 6.0自主开发了采煤工作面“回风巷风流中粉尘运移沉降模拟软件”。（4）运用开发软件对数学模型进行数值解算运用自行编制的模拟软件对回风巷风流中粉尘运移沉降数学模型进行数值解算,得到不同风速情况下,不同粒径粉尘在巷道沿程不同断面不同高度处的粉尘浓度。运用后处理软件对解算结果进行图形化显示,得到了符合现场实际的粉尘浓度分布云图。（5）设计了粉尘运移沉降的实验室相似模拟实验基于相似理论,确定了回风巷内粉尘运移沉降的相似模拟实验内容及具体实施步骤。在实验室内进行实测,得到不同风速情况下,不同粒径粉尘在巷道沿程不同断面不同高度处的粉尘浓度、混合粉尘落尘质量及落尘粒径分布。（6）对比分析实验和数值模拟结果,验证了粉尘运移沉降理论的正确性分析了实验和数值模拟情况下回风巷内同种风速下不同粒径粉尘的浓度分布、不同风速下同一粒径粉尘的浓度分布、同一风速同一粒径粉尘高度方向的浓度分布。结果表明实验和数值模拟所得结论一致:即粉尘浓度在巷道沿程方向总是变得越来越小,高度方向由顶板至底板逐渐增大,但增幅越来越小,底板粉尘浓度总是大于顶板粉尘浓度。相同风速情况下,巷道内同一高度上,粉尘粒径越大,粉尘浓度越低。在巷道内同一断面同一高度处,风速越大,粉尘浓度越小。实验室对不同风速下各点混合粉尘落尘质量及粒径分布的测试和分析也得到了相同的结论。上述所得结果最终验证了粉尘运移沉降理论的正确性和合理性。本文的创新性主要有以下四点:（1）分析了采煤工作面回风巷内粉尘运移沉降的主要影响因素,建立了融合扩散、流动、重力沉降的粉尘运移沉降的三维数学模型,并进行数值解算和模拟研究,最后通过实验室实验进行了验证,最终揭示了回风巷风流中粉尘的运移沉降特征和规律。（2）由于选取的控制体积分方案不同,得到的有限体积离散方程的各项系数便不同,而这些系数又直接决定计算的精度。本文对课题组提出的有限体积算法中四面体单元控制体的圈化方案进行改进,提出了新的四面体单元控制体圈化方案,推导得到了粉尘运移的四面体有限体积算法理论公式。（3）基于新的有限体积控制体圈化方案,运用Visual Basic 6.0自主开发了采煤工作面“回风巷风流中粉尘运移沉降模拟软件”,并用其对回风巷内粉尘的运移沉降过程进行了数值模拟研究。（4）对粉尘运移模型分析得到了相似原理,并据此建立了相似模拟实验台,对采煤工作面回风巷内粉尘运移沉降过程进行了实验室相似模拟实验。