山东科技大学聂文教授：基于综掘面粉尘污染扩散的抽尘参数设计对策

由于机械化掘进速度快、粉尘产生量大，粉尘污染极为严重，未采取防尘措施时，综掘面局部总尘、呼吸性粉尘浓度可超过1000 mg/m和300 mg/m，远超国家规定标准，尤其是岩巷综掘面，在掘进过程中产生大量含有游离SO的岩尘，极易引发工人尘肺病，是矿工尘肺病的主要来源区域，对职业健康构成了极大威胁，成为矿井职业危害领域亟待解决的重大难题之一。

据国家卫健委数据显示，截至2023年底，我国累计报告职业病约103.4万例，其中职业性尘肺病约93.1万例，占比近90%。职业性尘肺病是我国数量最多、危害最严重的职业病，矿山行业是其最主要高发区，仅煤矿作业工人尘肺病例数量约占全国职业病例总数的50%。中共中央、国务院提出的“十四五”时期《国家职业病防治规划》《尘肺病防治攻坚行动方案》与《“健康中国2030”规划纲要》中将粉尘污染防治列入国家战略与重大需求。

为有效降低矿井综掘面粉尘浓度，相关学者针对综掘面粉尘防治开展了大量富有成效的研究工作，其中，通风除尘是目前应用最普遍、治理效果较好的防治方法，配合其他控除尘技术如喷雾降尘、化学抑尘等可实现较好的粉尘防治效果。山东科技大学聂文教授团队在综掘面粉尘防治领域已开展了较多研究，发明了综掘面多向旋流风幕控尘方法，发展了针对不同巷道类型的全断面风幕控除尘关键技术；研发了由轻质多向旋流风幕装置、高效湿式除尘风机等构成的高效小型化综掘面多向旋流风幕阻隔式抽尘净化成套装备。但目前关于长压短抽通风方式的研究中，缺少了对抽尘参数影响综掘面粉尘污染扩散的研究，根据理论分析及现场经验，合适的抽尘位置和抽风量对综掘面粉尘的抽除有着至关重要的作用，适宜抽风量的选取更是决定了所选除尘风机的功耗大小，对节能减排工作有着重要意义。

图1 综掘面多向旋流风幕阻隔式抽尘净化成套技术装备

在“十四五”国家重点研发计划课题（023YFC250930），国家高层次人才特殊支持计划青年拔尖人才支持计划（Q2022QB01009），国家自然科学基金项目（52174191、52374213、52304243），山东省自然科学基金杰出青年基金项目（ZR2022JQ26）与泰山学者青年专家项目（tsqn202211155）资助下，山东科技大学聂文教授团队以综掘面通风控尘参数为研究对象，以实现高效、精准的粉尘污染防治，保障工人职业安全健康与矿井安全生产为目标，对综掘面抽尘参数影响粉尘扩散与抽尘参数设计开展了相关研究，通过数值模拟与仿真实验相结合的研究方法，对不同抽尘位置与抽风量影响岩巷综掘面粉尘污染扩散状况进行分析，确定出了有效控尘的最优抽尘位置和抽风量，以期为综掘面粉尘污染防治提供科学基础，从而净化巷道环境，保护作业人员的职业安全健康，保障煤矿掘进现场的安全生产。研究成果对于地下矿山综掘面粉尘污染精准防治具有指导意义，具有良好的理论意义和工程应用前景。

图2 综掘面粉尘污染扩散仿真实验系统

本项研究主要成果包括：

（1）抽尘位置分别为_1/41/23/4时，粉尘污染经风流运载最终均扩散至整个巷道。从迎头往巷道出口方向，粉尘浓度呈逐渐降低的规律。巷道整体平均粉尘浓度随n值的增大而降低，即风流的控尘效果随n值的增大而提升。650 mg/m以上的高浓度粉尘污染，基本均被稳定控制在巷道前部距迎头45 m范围以内的区域。

（2）抽尘位置为时，来自压风口的高速射流在流至距迎头16 m左右时发生分流，导致一部分粉尘跟随风流被吸入抽尘口及附近，一部分粉尘从抽风筒上方经过后沿抽风筒侧往巷道后方扩散，另有部分粉尘被卷吸进压风射流场及一侧的涡型风流场。抽尘位置为_1/4时，粉尘主要经掘进机上部风流运载向巷道后方扩散，抽尘位置为_1/2时，粉尘污染主要跟随掘进机上部风流及抽风筒侧风流扩散向后方，650 mg/m以上的高浓度粉尘污染主要分布在迎头附近至沿抽风筒侧一带区域。抽尘位置为_3/4时，受抽风筒右侧风幕影响，较多粉尘被风幕阻挡而被抽除，使得掘进机附近区域粉尘浓度大多在460 mg/m以下，掘进机后方涡型风流场的中心区域形成570 mg/m以上的高浓度粉尘聚集区域。

（3）抽尘位置为时，在抽风与压风的协同作用下，在距迎头4.6~6 m的范围内形成了有效控尘风幕，粉尘被控制在掘进机司机所在5.5 m断面与迎头之间的封闭空间内，在风幕后方的巷道空间内，粉尘浓度大多在10 mg/m以下，从而有效净化了巷道空气环境，保护了司机安全。

图3 不同抽尘位置物理模型与网格划分情况

（4）抽风量较小时，不足以协同压风作用将风流变为指向迎头的控尘风幕，巷道内风流较为紊乱，粉尘污染扩散至整个巷道。随着抽风量逐渐增大，可在掘进机司机附近区域形成有效控尘风幕，将粉尘封闭在掘进机司机所在5.5 m巷道断面之前的无人工作区，从而成功保护司机及其他区域作业人员免受粉尘污染的危害。

（5）抽风量在300~320 m/min范围内时，来自压风口的风流较大一部分未被吸入抽尘口，风流携带粉尘扩散至巷道出口。随着增大，对粉尘的抽吸能力增强，巷道内平均粉尘浓度大体呈逐渐降低的趋势，600 mg/m以上高浓度粉尘大部分被控制在巷道前部，并且有逐渐被控制在迎头附近区域的趋势。当为320 m/min时，抽尘口附近的部分风流朝向迎头方向流动，600 mg/m以上高浓度粉尘主要聚集于迎头附近，该部分风流起到了一定作用。

（6）为330~350 m/min时，整个巷道内风流的运移状态差别不大。在掘进机司机处均形成了风向指向迎头、流动均匀且覆盖巷道全断面的有效控尘风幕，风速在0.9~1.25 m/s，均将粉尘控制在了司机之前。考虑在控制住粉尘污染扩散的前提下，尽可能降低除尘风机能耗的问题，因此，选用该范围内的最小值，即330 m/min为最优控尘抽风量，此时除尘风机耗能最小，既可有效控尘又有利于节能减排。

（a）煤巷综掘面

（b）岩巷综掘面

图4 某煤巷和岩巷综掘面现场应用前后效果图

作者简介

聂文

山东科技大学安全与环境工程学院教授、博士、博士研究生导师、副院长，国家“万人计划”青年拔尖人才，山东省杰出青年基金获得者，泰山学者青年专家，全国煤炭青年五四奖章获得者，青岛拔尖人才，全球前2%顶尖科学家终身与年度科学影响力排行榜入选者、全球顶尖前10万科学家排名”榜单入选者、Elsevier中国高被引学者。团队成员主要有刘强、华贇、彭慧天3名青年教师，郭立典、许长炜、牛文进、刘承艺、田起凡、刘飞、李若曦等研究生，团队长期从事粉尘危害防治教学、科研工作。聂文教授共主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金（4项）、重大央企委托科研项目等76项教研项目；首位获山东省自然科学二等奖、山西省科技进步二等奖、中国职业安全健康协会科技一等奖、中国安全生产科学技术奖一等奖等省部级奖励；唯一通讯或首位作者发表SCI大类一/二区TOP、中文EI正刊论文138篇，首位授权中国、美国发明专利32项，获国家教学成果二等奖2项。首位或独立指导学生获“挑战杯”全国一等奖“全国百名研究生党员标兵”“全国煤炭行业优秀共青团员”等45项全国或省部级荣誉，培养事迹入选“山东省高校教师创新创业教育人物典型案例”。兼任《金属矿山》青年专家学术委员。

主要学术成果如下：

（1）揭示了煤岩尘微观理化特性与润湿性关联机制，精准构建了不同煤种煤尘的三维大分子模型，实现了煤尘微观润湿机理认识在分子层面的突破；研发了适于不同变质程度呼吸性煤尘的新型高效环保增润剂及智能自动连续定量添加装置，并研制了新型泡沫除尘方法及装备，解决了煤尘润湿性与增润降尘剂间匹配性差的难题，攻克了高瓦斯煤巷综掘面风速大、喷雾难以有效包裹掘进机截割产尘的难题。

图5 煤尘微观润湿机理及新型增润促凝喷雾降尘方法

（2）揭示了矿山主要产尘区域与全断面掘进隧道不同通风方式下宏观粉尘团及细观颗粒群时空演化规律，确定了人员呼吸带重点粉尘污染防治区域，阐明了产尘区域的粉尘污染机制；研发了高效小型化综掘面多向旋流风幕阻隔式抽尘净化成套技术装备，揭示了可吸入粉尘在呼吸系统内"迁移—黏附—沉积"的时空演化规律，突破了针对不同巷道类型的全断面风幕控除尘关键难题，攻克了传统装备体积庞大、能耗高、适应性差的难题。

图6 综掘面多向旋流风幕全断面控尘方法原理与控尘效果分析图

（3）研发了基于激光多普勒测粒技术（PDI）的气—固—液三相多场耦合实验系统，实验揭示了喷嘴雾化粒度、速度分布及尘雾耦合规律，结合LES-VOF（大涡模拟-流体体积法）多尺度联合仿真方法建立了粉尘—雾滴碰撞计算模型，提出了细观喷雾降尘机制，研制了适于不同煤矿产尘区域的新型高效单水与风水雾化喷嘴；发明了由采煤机摇臂喷雾组、新型湿式除尘风机、液压支架负压卷吸除尘器等构成的综采面局部区域封闭式雾化除尘方法及装备；研制了新型掘进机外喷雾负压雾幕降尘方法及装置，进而研发了综掘面风雾双幕协同增效控除尘方法及装备。

图7 喷嘴雾化特性与细观尘雾动态碰撞润湿煤尘机制

（4）针对综采工作面尘源多、隔吸粉尘效果差、润凝性能弱的技术难题，提出了采煤机司机作业区域“扇形封闭清洁空间”防尘理念。利用防砸型采煤机扇形风幕隔尘发生装置将含尘风流吸收净化后径向吹出，可形成3.0~4.2 m的全断面阻隔粉尘强力风幕。利用支架风助式负压吸尘净除雾幕装置和机体外喷雾负压除尘器，可形成3.0~4.8 m的垂直净尘雾幕和滚筒附近的高浓度雾场，将风幕外围阻隔的粉尘集中润凝、沉降，最终形成了综采工作面“阻隔—净除”协同控除尘方法。

图8 综采工作面“阻隔—净除”协同控除尘方法原理及模拟结果图

成果来源

聂文，刘强，华贇，等.岩巷综掘面抽尘参数影响粉尘污染扩散规律研究[J].金属矿山，2024（5）：110-117.

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《金属矿山》简介

《金属矿山》由中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司和中国金属学会主办，主编为中国工程院王运敏院士，现为北大中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）、中国精品科技期刊（F5000顶尖学术论文来源期刊）、中国百强报刊、RCCSE中国核心学术期刊（A）、中国期刊方阵双百期刊、国家百种重点期刊、华东地区优秀期刊，被美国化学文摘（CA）、美国剑桥科学文摘（CSA）、波兰哥白尼索引（IC）、日本科学技术振兴机构数据库（JST）等世界著名数据库收录。主要刊登金属矿山采矿、矿物加工、机电与自动化、安全环保、矿山测量、地质勘探等领域具有重大学术价值或工程推广价值的研究成果，优先报道受到国家重大科研项目资助的高水平研究成果。根据科技部中国科技信息研究所发布的《2024中国科技期刊引证报告（核心版）》，《金属矿山》核心总被引频次位列26种矿业工程技术学科核心期刊第1位；根据中国知网发布的《中国学术期刊影响因子年报》（2024版），《金属矿山》学科影响力位居73种矿业期刊第9位。

编排：余思晨

审核：王小兵

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