中国是世界上最大的煤炭生产国，2023年国内煤炭产量47.1亿t，其中地下井工煤矿开采量约占80%[1]。煤炭地下开采最重要的是掘进巷道并形成采煤工作面，巷道掘进是中国规模最大的地下工程，每年新掘进巷道总长超过12 000 km[2]。采掘工作面是煤矿井下的主要尘源点[3-5]，产尘量占全矿井85%以上。随着煤矿采掘工作面机械化和自动化水平不断提高，煤炭开采效率得到较大提升，但也造成了严重的粉尘污染。粉尘是中国最严重的职业危害因素之一，截至2023年年底，全国累计报告职业性尘肺病例超过93万人，其中大部分为煤矿从业人员[6-9]。1949年以来约有2 500人在煤尘/瓦斯煤尘爆炸事故中丧生[10-11]，由于煤尘/瓦斯煤尘爆炸事故危害极大，因此进行地下井工煤矿粉尘防治是保障煤矿企业生产安全的基础，对推进健康中国战略实施和绿色矿山建设具有重要意义。

采掘机械截割煤岩体是采掘工作面最主要的产尘源头，为高效治理粉尘危害，国内外学者研究了多种粉尘治理技术(如喷雾降尘、泡沫抑尘、通风排尘、除尘器除尘、空气幕隔尘、煤层注水减尘等)[12]，并取得了大量成果。然而，不同采掘工作面的产尘特性差异较大，如山西某煤矿掘进工作面全尘浓度高达1 200 mg/m3[13]，安徽某煤矿掘进工作面全尘浓度超过900 mg/m3[14]，贵州某煤矿掘进工作面全尘浓度约600 mg/m3，山东某煤矿掘进工作面全尘浓度约350 mg/m3[15]。国内外学者在研究和应用降尘技术时，通常未充分考虑不同采掘工作面产尘特性的差异，制定和实施粉尘治理方案时缺少针对性和科学依据，使不同工作面采用相近的降尘技术参数，导致降尘能力与产尘强度不匹配，严重制约了粉尘治理效果。以掘进机喷雾降尘为例，由于根据掘进机割煤产尘强度调整喷雾用水量或抑尘剂添加量，可提升粉尘治理效果和技术经济性；根据煤岩体壁面破碎产尘区形态调整水雾喷射流型，可实现精准喷射，提高水和抑尘剂的利用率；根据产尘影响因素优化截割工况参数，可从源头减少产尘量。因此，研究产尘机理是实现粉尘源头高效治理的基础和前提[7]。

本文围绕煤矿井下采掘机械截割产尘机理，研究了国内外大量经典案例，系统梳理了采掘机械截割产尘领域的主要研究进展，并针对现存难点探讨了可能的研究思路和发展方向。

1 截割产尘机理

产生粉尘是煤岩体破碎过程的固有特性，采掘机械的滚筒/截割头带动截齿高速旋转，截齿碰撞和摩擦煤岩体壁面，使煤岩体受力破碎产生大量粉尘。

1.1 截割理论

煤岩体破碎产尘的前提是受截齿截割的外力作用。Bepoh等[16]提出了刀形截齿直线截割密实核假说，认为煤岩体与刀形截齿接触部分先被压碎形成密实核，随着截齿继续截割，密实核周围煤岩体破裂，高速喷出粉尘，如图 1a所示。文[17-18]分别提出了刀形截齿水平截割和镐形截齿垂直侵入煤岩体的截割力计算模型，认为煤岩体宏观破裂前主要受截齿的压破坏作用，断裂破碎时主要受截齿的拉破坏作用，如图 1b所示。其中：d为截割厚度；θ为截齿半锥角；O为锥形孔的顶点。峰值截割力FM表示如下：

$

F_{\mathrm{M}}=\frac{16 \pi}{\cos ^2 \theta}\left(\frac{\sigma_{\mathrm{t}}}{\sigma_{\mathrm{c}}}\right) \sigma_{\mathrm{t}} d^2 .

$

(1)

其中：σt为抗拉强度；σc为单轴抗压强度。

文[17-18]所提截割力计算模型虽然应用较广泛，但存在以下弊端：侵入力与煤岩体抗压强度成反比，实际上这种现象并不常见；当θ=0°时，侵入力未降为0；忽略了截齿侵入煤岩体时产生的孔洞直径，未考虑截齿与煤岩体之间的摩擦力和煤岩体脆性对崩落角的影响。

Nishimatsu[19]构建了刀形截齿直线截割力学模型，如图 1c所示。其中：θ0为截割方向与直线A0B0的夹角；ϕ为合力切削方向与刀具前刀面法线的夹角；τs和σn分别为合应力切向分量和法向分量；α为截割倾角。该模型假设煤岩体在破裂过程中不发生侧向扩展和塑性流动，破裂面自刀刃以特定角度延伸至自由面。然而，该模型未考虑煤岩体断裂前期的弹塑性变形。Nishimatsu[19]提出的截割力F表示如下：

$

F=\frac{2 \tau d}{n+1} \cdot \frac{\cos \varphi}{1-\sin \left(\varphi-\alpha+\varphi_r\right)}.

$

(2)

图 1 截齿截割理论模型

图选项

其中：τ为剪切强度；n为应力分布系数；φ为煤岩体内摩擦角；φr为截齿与煤岩体的摩擦角。

牛东民[20]在文[17-19]理论基础上综合考虑煤岩体固有的层理和节理等特征对截割过程的影响，揭示了F与d之间的非线性关系，表示如下：

$

F=T d^{\frac{3}{2}} V \frac{2 \cos \alpha}{1+\sin \alpha}.

$

(3)

其中：T为截割阻抗；V为煤岩体宽度。

为提高文[17-18]所提模型的准确性，Roxborough等[21]考虑了截割孔洞直径和截齿与煤岩体之间摩擦角f对截割过程的影响，并利用比例因子S进行修正，表示如下：

$

F=\frac{16 \pi S \sigma_{\mathrm{c}} \sigma_{\mathrm{t}}^2 d^2}{\left[2 \sigma_{\mathrm{t}}+\sigma_{\mathrm{c}} \frac{1+\tan f}{\tan \theta} \cos \theta\right]^2}.

$

(4)

但由于S需根据不同截齿和煤岩体进行调整，因此该模型适用性较低。

Goktan[22]利用f修正了文[17-18]所提模型，表示如下：

$

F=\frac{4 \pi \sigma_{\mathrm{t}} d^2 \sin ^2(\theta+f)}{\cos (\theta+f)}.

$

(5)

但该模型仅考虑了材料的σt，无法反映煤岩体脆性对F的影响。

Goktan等[23]发现可能由于模型的对称切割假设，使计算的F明显低于全尺寸实验室中实验所测结果。为估算全尺寸实验的F，Goktan等[23]又提出了半经验公式，表示如下：

$

F=\frac{12 \pi \sigma_{\mathrm{t}} d^2 \sin ^2\left[\left(90^{\circ}-\alpha\right) / 2+f\right]}{\cos \left[\left(90^{\circ}-\alpha\right) / 2+f\right]} .

$

(6)

粉化核是截割过程的首要尘源，计算出粉化核的体积，便可直观地评价产尘量。文[24-25]提出的空腔扩展模型(见图 1d)描述了煤岩体在截齿齿尖侵入过程中破碎区尺寸和截齿受力的变化趋势；文[15]在此基础上进一步推导了塑性区半径和F的计算模型。

李晓豁等[26]提出了连续采煤机截割简单煤层时单齿平均载荷和随机载荷，以及截割复杂煤层时截齿载荷数学模型。文[27-28]提出了非对称截槽的F分析模型，如图 1e所示。其中：A和B分别为非对称截槽两侧的初始楔入点；C和D分别为煤岩体断裂形成的破裂面与圆锥面的交点；F2和F3分别为非对称截槽两侧沿半径方向的爆破力；ϕ1和ϕ2分别为非对称截槽两侧破裂面与垂直面的夹角；h1和h2分别为非对称截槽两侧的截深；β0为侵入角；q为作用在圆孔边界的崩落压应力；r2为破裂面半径。文[27-28]基于单截齿截割阻力实验谱、截齿截割规律和工作参数，确定了滚筒瞬时截割阻力，建立了滚筒截割阻力实验-理论综合模型，并提出3种截割阻力模型算法。

文[29-32]建立了采煤机滚筒截割截齿三向受力模型和截割扭矩模型，并提出了基于弹性断裂力学的FM预测模型，表示如下：

$

F_{\mathrm{M}}=2\left[\frac{\tan \theta}{\pi E\left(1-\mu^2\right)}\right]^{\frac{1}{3}}\left(\frac{3 K_{\mathrm{I}, \mathrm{c}}^2 \tan \omega}{k \cos \beta}\right)^{\frac{2}{3}} d^{\frac{4}{3}} .

$

(7)

其中：E为弹性模量；μ为Poisson比；KI, c为Ⅰ型断裂的韧度；ω为垂直断裂角；k为与截齿形状和α有关的系数；β为水平断裂角。该模型由于仅使用了Griffith断裂力学理论的能量准则，未考虑应力准则，并且k需由岩石切割实验确定，因此应用受到限制。

王立平等[33]将煤岩体脆性指数引入文[17-18]所提模型，表示如下：

$

F_{\mathrm{M}}=8 \sigma_{\mathrm{t}} \pi \frac{1+f / \tan \theta}{\cos \theta} \frac{\frac{\sigma_{\mathrm{c}}}{\sigma_{\mathrm{t}}} \cos \theta+1}{\left(\frac{\sigma_{\mathrm{c}}}{\sigma_{\mathrm{t}}} \cos \theta+2\right)^2} d^2 .

$

(8)

实测结果表明：该模型能更好地预测平面截割截槽对称条件下镐形截齿的FM。

刘晋霞等[34]在文[17-18]所提模型的基础上，提出了采煤机滚筒旋转截割受力模型，表示如下：

$

F_{\mathrm{M}}=\frac{4 \pi \sigma_{\mathrm{t}}^2 d^2[\cos \theta+\cos (\theta+\gamma)]^2}{\sigma_{\mathrm{c}} \cos ^4 \theta \cos ^2 \gamma} .

$

(9)

其中γ为截齿轴线与齿尖处瞬时截割速度的夹角。

Li等[35]基于Griffith断裂力学理论的能量准则和应力准则，提出了FM模型，表示如下：

$

F_{\mathrm{M}}=\frac{\lambda^{\frac{5}{6}} K_{\mathrm{l}, \mathrm{c}} d^{\frac{5}{3}}}{3 \times \sqrt[6]{\frac{\pi^2}{12 \cos \alpha_1}\left[\frac{1}{3}\left(\frac{\sin \theta}{\cos \alpha_1}-1\right)^2+1\right]}} .

$

(10)

其中：α1为截割前倾角；λ为与截齿齿尖锥角和α1有关的函数。

王鑫[36]分析了镐形截齿垂直和倾斜截割条件下，煤岩体处于弹性变形、塑性变形和断裂失稳阶段的截齿截割力学模型；文[37-38]考虑截齿与煤岩体的摩擦作用，研究了含夹矸煤岩体旋转截割理论，并提出了镐形截齿旋转截割力学模型，表示如下：

$

F=\frac{8 \pi d^2(\sin \theta+f \cos \theta)}{(\cos \theta-f \sin \theta)^2 \cos \gamma}\left(\frac{t_{\mathrm{q}}^2}{\sigma_{\mathrm{c}}}\right)\left[\frac{\cos \theta+\cos (\theta+\gamma)}{\sin 2 \theta}\right] .

$

(11)

其中tq为煤岩体张应力。

张强等[39]提出了采煤机滚筒冲击与截割协同破煤技术，以提高对硬煤层的截割破碎效果，并分析了截齿辅助冲击作用下碎块产生率和滚筒受力特征。

1.2 截割产尘过程

煤岩体受截齿外加作用力超过其强度极限时，破碎产生粉尘。当前，关于煤岩体截割破碎的研究较多，如Bieniawski[40]提出的岩石拉碎模型认为岩石首先经历线弹性变形阶段；其次，裂纹萌生并逐渐稳定扩展，达到临界能量释放点时裂纹失稳扩展，导致岩石强度失效；最后，引发岩石崩裂。Lindqvist等[41]利用扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)深入研究了岩石破裂的全过程，发现岩石在裂纹萌生前存在局部接触变形区，裂纹萌生位置通常位于加载刀具下方的应力集中区。随着刀具持续加载，岩石逐渐形成主裂纹并失稳扩展，最终崩落形成碎片。Su等[42]利用离散元法建立了镐形截齿截割三维模型，模拟的平均FM与实验结果吻合。周游等[43]采用显式有限元法研究了截齿切削角对截割阻力的影响，以及切削厚度与比能耗的关系。文[44-45]通过建立三维有限元模型，研究了镐形截齿截割岩石的破裂过程、侵入力和碎块形状，并模拟了岩石破碎带、微观径向裂纹、宏观主裂纹和碎块的形成过程。上述研究从实验和数值模拟等多方面研究了煤岩体的破裂过程和特征，深化了人们对采掘机械截割煤岩体破碎机制的理解，但缺乏煤岩体破碎时产尘过程的研究。

文[15]将煤岩体受镐形截齿侵入后的破碎产尘过程分为压碎区形成、粉化核形成、裂纹萌生与扩展、自由面形成、粉化核应力解除5个步骤，如图 2a所示。其中，粉化核密度大和积蓄能量高，是截割过程的首要尘源[46]。当宏观裂隙扩展形成新自由面时，粉化核的应力约束状态解除，聚集的能量释放，被抛至空中形成粉尘。同时，文[15]通过实验室物理实验和数值模拟证实了存在粉化核，如图 2b所示。

图 2 煤岩体破碎产尘过程及粉化核验证[15]

图选项

截齿向煤岩体施加外载荷使煤岩体破碎产尘过程可视为能量转化过程，如图 3所示[47]。外部输入煤岩体的能量主要为截齿侵入的机械能和外部环境热能，由于井工煤矿采掘工作面为常温环境，因此环境热能可忽略；煤岩体为脆性材料，将接收的能量少量存储为弹性形变能，此阶段为可逆过程；随着截齿侵入的机械能持续增加，煤岩体经历短暂的弹性形变后，以塑性形变能和损伤能形式消耗能量，形成粉化核和塑性区，同时截齿与煤岩体摩擦产生热能，此阶段为不可逆过程；当输入能量超过煤岩体存储极限时，煤岩体发生宏观破坏，释放动能、表面能和摩擦热能。能量存储对应截齿侵入初期的煤岩体弹性形变阶段；能量耗散对应压碎区形成、粉化核形成和裂纹萌生与发展阶段；能量释放对应粉化核应力解除阶段。

图 3 煤岩体被侵入时的能量转化过程[47]

图选项

综上所述，尽管国内外学者目前在截割理论和产尘过程方面取得了显著成果，但仍不能忽视截割破碎产尘过程的复杂性。由于该过程受截齿几何形状、工况参数、煤岩体物理化学性质及赋存条件等多种因素的共同影响，因此构建可靠准确的理论模型仍面临较大挑战。大多数现有理论模型基于对实际截割过程的假设或简化条件建立，煤岩体被简化为均一性质材料，然而，实际中煤岩体具有显著的各向异性，导致基于此类假设的模型计算结果与实验观测结果差异显著。此外，不同模型采用的假设条件不同，加剧了计算结果的不一致性。

2 截割产尘研究方法

采掘机械对煤岩体的作用过程是截割煤岩体产尘的核心研究对象。目前，学者们主要通过实验室实验和数值模拟开展研究。

2.1 截割产尘实验

1980年左右，文[48-49]采用哈氏可磨仪进行截割产尘实验。将预先破碎且具有一定粒度的煤样放入研磨碗，转动研磨碗使内部钢球碰撞和研磨煤样，煤样被多次破碎，产生粉尘，如图 4所示。

图 4 哈氏可磨仪产尘实验系统

图选项

文[50-51]采用辊式破碎机进行截割产尘实验。煤岩体从进料口进入2个辊子之间，逐渐被压碎产生粉尘，调整2个辊子的间隙可控制碎块和粉尘的最大粒度，如图 5所示。

图 5 辊式破碎机产尘实验系统[51]

图选项

采掘机械主要依靠截齿截割破碎煤岩体，由于哈氏可磨仪和辊式破碎机与截齿截割产尘原理明显不同，因此文[52-53]自行研制了镐形截齿截割实验机(见图 6)，并开展了不同截割深度和间距的直线截割煤岩体实验，获取了截齿的三向截割力。

图 6 直线截割实验机[52]

图选项

中国学者早期主要采用落锤实验机[54-56]进行破碎产尘实验。如图 7所示。测试时先将规定尺寸的试样放至支承台；然后将重锤提升一定高度，释放重锤使其自由落体撞击煤岩体试块，产生粉尘。

1—传动装置；2—释放和捕捉装置；3—护管；4—落锤；5—电控制盒；6—调零装置；7—试样夹具；8—工作台；9—防护装置；10—试样；11—防2次冲击构件

图 7 落锤冲击实验机

图选项

近年来，为更准确和便捷地研究采掘机械截割产尘机理，中国学者建立了实验室物理模拟实验平台。文[57-58]根据相似理论自行研制了采煤机滚筒旋转截割实验台(见图 8)，并采用滚筒旋转和煤壁移动的方式模拟井下采煤机滚筒割煤过程；文[15, 59]研制了单截齿垂直截割和旋转截割产尘实验系统，分别如图 9和10所示。这2套实验系统均可模拟多煤岩体种类、截割参数和供风条件下的煤岩体截割破碎产尘过程，并可观测煤岩体表面宏观裂纹的扩展过程。徐向宇[60]搭建了小尺寸受载煤岩体截割产尘模拟实验装置，如图 11所示。

图 8 采煤机滚筒旋转截割实验台[57-58]

图选项

图 9 单截齿垂直截割产尘实验系统[15]

图选项

图 10 旋转截割产尘实验系统[59]

图选项

图 11 小尺寸受载煤岩体截割产尘模拟实验装置[60]

图选项

综上所述，国内外研究者主要采用相似产尘和真实截齿截割产尘实验装置。相似产尘实验装置可提高煤岩体的破碎程度，更直观地反映煤岩体固有的产尘潜能。然而，此类装置的产尘方式(如钢球碰撞研磨碎块和落锤冲击煤块)与采掘过程中截齿旋转截割煤岩体的动力学特征差异显著，导致实验结果难以准确反映采掘工作面的产尘特性。真实截齿截割产尘实验装置能更真实地复现采掘机械的截割作业方式，实验结果更准确和具有代表性，但实验系统的设计和研制更复杂，成本更高，尤其是大尺寸实验装置所需的大块原煤较难获取，实验样品的复用性较低。然而，真实截齿截割产尘实验对深入理解实际采掘作业的产尘机理的作用不可替代。

2.2 截割数值模拟

虽然实验室全尺寸实验能更真实地模拟现场截割条件，但实验平台搭建成本高和周期长，且性质完全相同的煤岩体样品获取难度大[61]。近年来，学者们广泛使用基于有限元和离散元的数值模拟法研究截齿截割煤岩体的破碎过程。

2.2.1 有限元法

Kang等[53]利用ABAQUS软件建立了镐形截齿截割模型，认为该模型得到的F与实验室实验结果吻合，如图 12所示。其中：Fd为拖曳力；Fn为法向力；FS为侧向力。LS-DYNA软件也常用于研究截割过程，如周游等[43]利用该软件模拟了不同切削角对截齿截割阻力的影响，以及切削厚度与比能耗的关系；曹治[62]利用该软件研究了齿尖夹角、齿身锥角和截齿速度等截割参数对截齿应变响应特性的影响；文[63-64]利用该软件研究了水平截割速度、深度、β0和f对F的影响；Zhon等[65]利用该软件研究了F在不同β0条件下的变化，如图 13所示。

图 12 镐形截齿有限元模型[53]

图选项

图 13 不同β0条件下F随时间的变化[65]

图选项

2.2.2 离散元法

离散元法[66]将煤岩体视为由不连续体(断层、节理和裂隙等)分离而成的刚性单元集合，使各刚性单元均满足运动方程，同时允许刚性单元相对滑移和旋转，并用显式中心差分法进行迭代求解，获得不连续体的整体运动状态。离散元法能克服传统连续介质模型理论的局限，模拟材料失效的损伤过程和破坏模式，同时可从细观力学角度解释材料的损伤破坏机理[67]。Su等[42]发现利用PFC3D软件模拟镐形截齿直线截割得到的F与实验室实测结果和理论计算结果均较吻合，如图 14所示；Rojek[68]分别利用离散元2D和3D模型模拟了镐形截齿截割岩石的破碎过程，并指出离散元3D模型模拟结果与实验结果匹配度较高，能较准确地预测切割应力的变化情况；高魁东[29]建立了采煤机滚筒多截齿旋转截割模型(见图 15)，并研究了滚筒相对位置对装运性能的影响；文[65]模拟了镐形截齿垂直侵入煤岩体时，裂纹扩展及F的变化过程，如图 16所示。

图 14 PFC3D软件模拟镐形截齿直线截割[42]

图选项

图 15 采煤机滚筒旋转截割煤壁离散元数值模型[29]

图选项

图 16 镐形截齿侵入煤岩体及裂纹扩展数值模拟[65]

图选项

综上所述，当前研究广泛关注截齿直线切削和垂直侵入截割方式。实际上，采煤机滚筒和综掘机截割头在截割作业过程中，同时包含旋转和横/竖向摆动运动，这种复合运动使截齿呈现倾斜侵入煤岩体内部的运动轨迹，如图 17所示。实际中旋转截割的产尘量与截割参数的相关性更显著[69]，而直线切削或垂直侵入截割方式难以准确反映截齿的运动轨迹。

图 17 采煤机滚筒平移-旋转截割过程

图选项

3 截割产尘影响机制

截割产尘特性主要受以下2方面因素影响：内在因素为煤岩体固有的机械性能和理化性质；外在因素涵盖截齿的几何参数、截割速度和截割深度等工艺条件。本文综合考虑内在和外在因素，更全面地研究了采掘机械截割煤岩体破碎产尘的机制和规律，研究结果可为煤矿企业防治粉尘和提高生产效率提供理论依据和实践指导。

3.1 煤岩体性质

为深入理解煤岩体的机械性能和理化性质(如变质程度、强度、脆性和可磨性等)对产尘特性的影响，国内外学者开展了大量的实验室实验和现场实测研究。

3.1.1 煤阶

Bennett等[70]研究发现高阶煤(变质程度较高的煤)破碎过程中会产生更多的粉尘，导致更高的尘肺病发病率；文[50-51]利用辊式破碎机开展的产尘实验也得出类似结论，随着煤阶的提高，粒径小于250.00 μm的粉尘量显著增加，但全尘和呼吸性粉尘量在总粉尘量中的占比呈下降趋势；Srikanth等[71]通过单次破碎实验发现，呼吸性粉尘产生率与镜质体反射率呈正相关，可认为与煤阶呈正相关；黄声树等[72]利用自行研制的产尘实验系统测试了不同煤样，发现煤的变质程度与产尘能力呈正相关。然而，文[48-49]使用哈氏可磨仪测试了不同煤样的哈氏可磨指数，发现中低阶煤的产尘量和哈氏可磨指数均高于高阶煤。同时，该研究还强调现场环境复杂，不能仅凭单一的实验室研究结果断定中低阶煤产生的粉尘量多于高阶煤。

3.1.2 煤岩水分含量

水分主要通过改变煤岩体的力学性质和润湿原生粉尘影响产尘[73]，Srikanth等[71]通过单次破碎实验发现，呼吸性粉尘产生率与煤中水分和挥发物含量呈负相关。黄声树等[72]通过实验证实了煤的水分含量与产尘能力呈负相关。文[5, 15, 58]研究结果表明：煤体中的水分能降低呼吸性粉尘和细颗粒物的累计占比。

3.1.3 煤岩体孔隙特征

煤岩体内复杂的孔裂隙结构[74]对产尘特性有以下2方面影响：1) 孔裂隙生成过程中表面会附着粉尘(原生粉尘)[75]，孔裂隙越发育，原生粉尘越多，原生粉尘也是煤层注水技术的首要作用对象[76]；2) 由于孔裂隙结构对煤岩体的力学性质影响很大[77-82]，而煤岩体破碎产尘过程本质上是物理形态的宏观变化过程，因此孔裂隙结构通过改变煤岩体的力学性质影响产尘特性。文[83]研究结果表明：孔隙率与细微粒径粉尘累积占比呈负相关，与全尘产尘率呈正相关，对呼吸性粉尘和PM2.5产尘率几乎无影响；孔隙结构分形维数与全尘产尘率呈负相关，与细微粒径粉尘累计占比呈很弱的正相关。孙海松[84]则发现煤岩体的孔隙率与产尘量无明显关系。

3.1.4 煤岩体强度

刘送永等[58]利用自制截割实验平台研究了煤岩体的抗压强度与破碎产尘和碎块粒度分布的关系，认为煤岩体的抗压强度越高，截割产生的小尺寸碎块越少；然而，徐向宇[60]针对无烟煤、烟煤和褐煤的截割实验结果表明，σc较高的无烟煤产尘量最多。

3.1.5 煤岩体脆性

煤岩体脆性是研究割煤、掘进和钻进过程的综合性指标[85-87]，当前技术手段仍难以直接测定煤岩体脆性，需先获取煤岩体的其他性质参数，然后间接计算煤岩体脆性值Bi(i=1, 2，…，25)[88-89]，如表 1所示[87, 90-93]。目前，对于煤岩体脆性与截割效果的关系已有较多研究。Abioye[94]研究了岩石脆性与单轴压缩实验产生碎块粒径的关系，发现岩石脆性越大，产生的碎块粒径越小；文[95-96]分别采用通用离散元程序(universal distinct element code，UDEC)和颗粒流程序(particle flow code，PFC)模拟研究了岩石脆性对盾构刀具破岩过程和钻进速率的影响；Li等[97]利用PFC2D模型模拟了镐形截齿水平截割时，岩石脆性对F、比能耗和岩石破碎过程的影响；Singh[85]强调了煤的脆性和强度对采煤过程的影响，并指出脆性高的煤产尘量较少，该观点与文[98]通过单截齿截割实验得出的结论相似。

3.1.6 煤岩体坚固性系数

孙海松[84]通过实验发现煤的坚固性系数越高，产尘量越低，但随着煤的坚固性系数增加, 0.01~1.00 μm粒径的煤尘颗粒质量和数量占比增加。这与文[99-100]的研究结果相似，但文[99-100]研究结果表明：煤的坚固性系数越高，粉尘累计占比越低。

表 1 煤岩体脆性计算公式

计算公式

变量定义

测定方法

B1=εel/εtot

εel和εtot分别为煤岩体被破坏时的弹性应变和总应变

测定应力应变

B2=εli×100%

εli为煤岩体被破坏时的绝对不可逆纵向应变

测定应力应变

B3=(τp-τr)/τp

τp和τr分别为峰值剪切强度和残余剪切强度

测定应力应变

$B_4=\frac{\varepsilon_{\mathrm{f}}^{\mathrm{p}}-\varepsilon_{\mathrm{c}}^{\mathrm{p}}}{\varepsilon_{\mathrm{c}}^{\mathrm{p}}}$

εfp和εcp分别为摩擦强度完全占主导时和黏结强度降低至残余值时的塑性应变

测定应力应变

B5=(En+μn)/2

En为归一化弹性模量；μn为归一化Poisson比

测定应力应变

B6=E/μ

—

测定应力应变

B7=Eρ/μ

ρ为煤岩体密度

测定应力应变

B8=(M－Eu)/M

M为峰后弹性模量；Eu为卸载弹性模量

测定应力应变

B9=Eu/M

—

测定应力应变

$B_{10}=\frac{\sigma_{\mathrm{p}}-\sigma_{\mathrm{r}}}{\sigma_{\mathrm{p}}} \log \left|k_1\right| / 10$

σp和σr分别为峰后强度和残余强度；k1为从起始屈服点至残余强度起始点连线的斜率

测定应力应变

$B_{11}=\frac{\sigma_{\mathrm{p}}-\sigma_{\mathrm{r}}}{\varepsilon_{\mathrm{r}}-\varepsilon_{\mathrm{p}}}+\frac{\left(\sigma_{\mathrm{p}}-\sigma_{\mathrm{r}}\right)\left(\varepsilon_{\mathrm{r}}-\varepsilon_{\mathrm{p}}\right)}{\sigma_{\mathrm{p}} \varepsilon_{\mathrm{p}}}$

εp和εr分别为峰值应变和残余应变

测定应力应变

B12=σc/σt

—

单轴压缩和巴西劈裂实验

B13=(σc－σt)/(σc+σt)

—

单轴压缩和巴西劈裂实验

B14=σcσt/2

—

单轴压缩和巴西劈裂实验

B15=(σc+σt)/2

—

单轴压缩和巴西劈裂实验

B16=0.198σc－2.174σt+0.913ρ－3.807

—

单轴压缩和巴西劈裂实验

B17=Fmax/P

Fmax为最大外加力；P为Fmax对应的侵入深度

冲击侵入实验

B18=qaσc

qa为粒径小于600.00 μm颗粒的百分比

Protodyakonov冲击实验

B19=(Hμ－H)/K

Hμ和H分别为微观和宏观侵入硬度；K为块体模量

测定侵入硬度

B20=H·E/KI，c2

—

测定硬度、应力应变和断裂韧性

B21=Wqtz/WTot

Wqtz为石英质量；WTot为矿物质总质量

测量矿物成分或X射线衍射

$B_{22}=\frac{W_{\mathrm{qtz}}+W_{\mathrm{Dol}}}{W_{\mathrm{Tot}}}$

WDol为白云石质量

测量矿物成分或X射线衍射

$B_{23}=\frac{W_{\mathrm{QFM}}+W_{\mathrm{Carb}}}{W_{\mathrm{Tot}}}$

WQFM为石英、长石和云母的质量；WCarb为碳酸盐矿物质质量(包含白云石、方解石和其他碳酸盐矿物质)

测量矿物成分或X射线衍射

B24=-1.874 8Φ0+0.967 9

Φ0为孔隙率

测定Φ0

B25=sinφ0

φ0为内摩擦角

测定φ0

注：—表示该公式中无首次出现的物理量符号。

表选项

中国学者利用落锤实验机进行的煤样破碎实验表明：随着落锤能量和次数的增加，煤岩体产生的粉尘量(尤其是呼吸性粉尘量)显著上升[55-56]；煤的产尘能力为岩石的2~5倍，但岩石产生的呼吸性粉尘浓度更高[54]。文[101]研究发现焦煤的抗压强度与产尘量呈负相关。

综上所述，对于煤岩体性质与产尘特性的关系，已有较丰富且结论不同的研究结果，说明在实际操作中有必要考虑煤岩体特性和现场环境条件。从整体来看，仍存在以下亟须解决的问题：1) 由于煤阶是煤炭变质程度的关键指标，在煤种分类上发挥着重要作用，然而，即使煤阶相同，煤的水分和固定碳等含量也可能差异较大，因此仅选用煤阶作为产尘强度的评价指标局限较大；2) 现有研究采用的产尘方法与采掘机械的平移-旋转截割过程差异较大，且这些实验条件与采掘工作面的复杂环境和多变因素相比过于简化；3) 大多数对截割破碎特征的研究主要关注F和截割能耗等性能参数，针对产尘特性的研究较少。尽管文[58, 94]分析了实验碎块的粒径分布，但关注的最小粒径范围远大于粉尘粒径(小于100.00 μm[75])，在一定程度上限制了人们深入理解产尘特性。

3.2 机械工况参数

采掘机械截割工况参数是影响产尘特征的首要外在因素。李晓豁[102]通过假设采煤机截割产尘量与截割比能耗呈线性关系，建立了采煤机截割产尘量与截齿排列、滚筒结构和采煤机运动参数之间的数学模型，表示如下：

$

\begin{aligned}

Q= & 560.828+60612.009 / D_{\mathrm{r}}-12.181(z-2.85)^2- \\

& 973.479 t+67.513 m+1.26 w m / v .

\end{aligned}

$

(12)

其中：Q为粉尘浓度；Dr为滚筒直径；z为叶片头数；t为截线间距；m为每线齿数；w为滚筒转速；v为牵引速度。

3.2.1 截割深度

Strebig等[103]研究发现，截割深度能显著影响碎块的粒径分布，截割深度越小，产尘量越大；文[69, 104]通过实验发现呼吸性粉尘产生量与截割深度呈负相关；赵益芳等[105]研究发现增加采煤机滚筒截割深度可有效降低产尘量。

3.2.2 截割速度

文[105-108]数值模拟和实验结果均表明v越大，产尘浓度越低；文[104, 109]则发现产尘量与v呈正相关；张艳娇[110]研究发现，随着v增大，产尘量呈先下降后上升的趋势；李雪峰[111]则发现v对产尘量的影响较小。

3.2.3 滚筒转速

文[106-107]数值模拟结果表明w越大，产尘量越大；赵益芳等[105]认为降低w能有效降低采煤机截割产尘量；张艳娇[110]结合数值模拟结果与实验研究发现，w与产尘量呈正相关；李雪峰[111]利用全尺寸实验机测试了围压、布置参数和进给参数等对截齿F的影响，结果表明w对碎屑粒径分布的影响很弱；文[112]也发现截齿侵入速度对产尘特性几乎无影响。

3.2.4 截齿形貌

截齿与煤岩体长时间高强度碰撞极易产生磨损和齿尖脱落等问题，磨损截齿与完好截齿截割煤岩体形成的截割槽(见图 18[113])和产尘特性差异显著。文[59, 110, 112]发现产尘量与齿尖角呈正相关。

图 18 镐形截齿磨损宏观形貌[113]

图选项

3.2.5 截齿布置参数

赵益芳等[105]认为减少截齿数量能降低采煤机截割产尘量；文[108, 114]通过实验研究发现截齿的t越大，产尘量越小；李雪峰[111]通过研究也得到类似结论，同时还指出截齿安装的冲击角度与产尘量呈负相关；Liu等[108]认为截齿的螺旋升角对碎块尺寸几乎无影响。

综上所述，国内外学者在机械工况参数对产尘的影响方面已取得丰富的研究结果，但依然存在以下问题：1) 关于w和v对产尘的作用结论不统一，不同学者得出的结论不同，甚至相互矛盾。2) 大多数截割研究是为了提升生产效率，而非明晰产尘特性，虽然部分研究收集了碎块，但最小尺寸范围远大于粉尘粒径，所得结论难以直接阐明产尘特性，如Liu等[108]

将截割后的碎块按照[0, 10 000.00)、[10 000.00, 15 000.00)、[15 000.00, 20 000.00)、[20 000.00, 25 000.00)、[25 000.00, 30 000.00)和不小于30 000.00 μm的范围划分为6个等级；文[68, 114]以5 000.00 μm为间隔划分截割产生的碎块，文[114]对尺寸小于5 000.00 μm的碎块又以1 500.00 μm为间隔划分为2个等级；李雪峰[111]收集的碎块最小尺寸范围为0~1 430.00 μm。3) 缺乏对截割作用下煤岩体裂纹演化机制的深入研究，难以确定破碎产尘区形态。

4 结论

本文首先针对采掘机械截割产尘行为，综述了截割理论模型和产尘过程，为阐明产尘机理奠定了基础；其次，综述了截割产尘实验和数值模拟研究方法；最后，综述了煤岩体性质和机械工况参数对产尘的影响机制。本文通过上述研究得出如下结论：

1) 尽管国内外学者对截割理论和产尘过程的研究取得了显著进展，但仍不能忽视截割煤岩体破碎产尘的复杂性。截割煤岩体破碎过程受截齿形状、工况参数和煤岩体性质等多种因素影响，构建精准的截割产尘理论模型面临较大挑战。现有理论模型大多基于简化假设，忽略了煤岩体的各向异性和现场截割条件，导致计算结果与实验观测结果差异较大。

2) 国内外学者针对截齿水平切削和垂直侵入模式下的数值模拟和实验探索，积累了较丰富的研究结果。然而，由于采煤机滚筒和掘进机截割头的旋转截割伴随着横/竖向摆动，截齿运动轨迹更复杂，因此现有研究采用的实验装置和数值模拟方法难以准确反映采掘机械截割作业时截齿的运动状态。

3) 国内外学者对煤岩体性质与产尘特性关系的研究结果虽丰富，但部分结论相互矛盾，且存在采用煤阶作为评价指标不够准确，产尘实验方法与采掘机械实际截割状态差异显著和缺少对产尘特性的专门研究等关键问题。

4) 国内外学者对机械工况参数影响产尘的研究较多，但对于牵引速度和旋转速度对产尘的作用结论不统一，且大多数研究是为了提升生产效率，而非明晰产尘特性，机械工况参数对产尘特性的影响机制仍不清晰。

综上所述，深入研究采掘机械截割产尘机理可从以下几方面考虑：

1) 构建全尺寸实验平台，利用真实煤岩体进行截割实验，深入研究煤岩体的各向异性，并综合考虑截割工况参数对产尘和截割效率的影响，研究产尘危害相对较低和截割效率相对较高的最优截割参数。

2) 实验结果监测手段需具备全场、高精度、大测量范围和实时动态等特征，以揭示截割作用下煤岩体瞬时宏观破碎产尘过程，并结合声发射等实时无损监测技术，研究煤岩体内部的裂纹演化机制。

3) 目前，中国复杂坚硬煤层(如半煤岩煤层、夹矸煤层和硬包裹体煤层)储量约占煤炭可采储量的30%，且随着煤炭开采深度的增加，煤岩体地质赋存条件更复杂，开采地下深部煤层需进一步研究煤岩体在高瓦斯、高地压、高地温和复杂赋存条件下的产尘特性。

4) 由于煤岩体初次截割破碎后，内部会产生大量裂纹，导致剩余煤岩体的力学性质与初始状态差异显著，因此对剩余煤岩体开展2次截割实验前，应充分考虑煤岩体内部裂纹变化情况，建立基于断裂力学的理论模型。

5) 能量转化是物质物理特征变化过程的内在本质。由于采掘机械截割煤岩体时，能量主要用于煤岩体内部裂纹的萌生和扩展，因此需进一步量化煤岩体截割的能量转化过程。

6) 应进一步研究采掘机械截割产尘机理，并建立产尘强度预测模型。进一步研究基于产尘强度预测值的治理方案，根据粉尘浓度及时调整降尘介质的用量，为研究智能高效降尘技术提供参考。