东北大学常德强团队：溜井卸矿冲击气流与诱导粉尘控制研究现状及展望

溜井在矿山生产中有着广泛应用，随着矿山开采深度的增加，部分主溜井深度已达到数百米，在高深溜井卸矿时，高速下落的矿石会在下部卸矿口形成高速冲击气流，携带大量粉尘进入放矿硐室和相连巷道，导致作业环境严重污染。粒径小于10 μm粉尘会通过呼吸道进入作业人员体内，长期暴露可能引发尘肺病等职业健康问题。此外，粉尘的弥散还会加速设备零件的磨损，导致喷嘴堵塞等问题，从而影响设备的正常运行，增加维护成本和生产中断风险。溜井卸矿产生的粉尘问题伴随溜井使用存在已久，因其冲击风速高、产尘浓度大、扩散速度快以及间断产生等特点，成为了金属矿山开采过程中的一大难题。

国内外的研究者在冲击气流和诱导粉尘控制领域开展了广泛研究，并取得了阶段性的进展和富有成效的研究成果。在充分总结前人研究成果的基础之上，东北大学常德强副教授团队冲击气流形成与粉尘运动机理、冲击气流与粉尘控制技术以及降尘技术应用存在的问题3个方面，系统梳理与总结了溜井卸矿冲击气流与粉尘控制研究现状与发展历程。在此基础上，凝练了溜井粉尘的成因机理及现有污染控制技术在实际应用中的效果和问题，对其未来发展趋势和研究方向进行了探讨，旨在为提升矿山粉尘治理效能、保障井下作业人员职业健康提供有益的参考。

冲击气流形成与粉尘运动机理

溜井粉尘的产生与矿石下落过程中产生冲击气流密切相关，诱导产生的粉尘量与冲击气流的强度成正比。矿石下落过程中，其重力势能转换为动能，并传递给溜井及相邻硐室、巷道内的空气，从而形成冲击气流。矿石在下落过程中受到的阻力转化为气流的能量，并沿矿石向上运动。由于压强的变化，溜井内矿石上部原本静止的空气会向矿石运动路径移动，两者相遇时在矿石上部形成涡流，形成的负压带动矿石后方支岔溜井口气流由巷道内流入溜井。矿石运动挤压底部空气，使其从下方支岔溜井口冲出。随着矿石下落速度的不断增加，所产生的风流速度也逐渐增强。当矿石下落至底部时，其动能转化为气流的能量。气流获得的能量释放后形成冲击气流，并向上运动，从最近的支岔溜井口冲出。这一过程揭示了矿石下落与气流运动之间的耦合关系，为理解溜井卸矿过程中粉尘和气流的扩散机制提供了依据。

图1 溜井内矿石下落风流运动过程示意

溜井卸矿过程中冲击风速与粉尘生成及扩散机制涉及多维度影响因素。其中卸矿冲击风速的主要影响因素包括卸矿量、矿石直径、下落高度、溜井断面及阻力系数等。而影响粉尘产生的主要因素有矿石下落高度、矿石碰撞情况、溜井壁面粉尘残留等。另外，粉尘扩散迁移路径受矿石粉尘粒径、矿石密度以及气流与粉尘之间相互作用的共同控制。

溜井卸矿冲击气流与粉尘的模拟与试验研究

由于溜井位于地下深处，直接在井下进行试验研究存在诸多困难，因此国内外学者广泛采用计算流体力学（CFD）软件，对溜井卸矿过程中风流与粉尘运动规律进行分析和研究。常用的CFD软件包括Ansys Fluent、Star CCM+等，这些工具为溜井卸矿过程的模拟提供了高效的技术支持。其中矿石流模型包括简化的圆柱体以研究卸矿过程中风流的运动情况，以及使用离散相模型生成的矿石颗粒流同时研究风流与粉尘的运动。

由于仿真模拟与实际工况存在一定偏差，将试验研究与数值模拟相结合能够显著提高研究的准确性和可靠性。试验研究主要分为直接试验和间接试验两类。直接试验通过在各中段巷道内布置风速与粉尘浓度测量装置，获取不同卸矿流量、卸矿位置相应的冲击风速与粉尘浓度数据。然而，直接试验的研究范围有限，无法观测到溜井内部的详细情况，并且会对矿区正常卸矿作业造成干扰，因此实际应用较少。相比之下，间接试验基于相似理论，通过搭建等比例缩小溜井模型进行试验研究，能够更全面地模拟卸矿过程中的风流和粉尘运动。

冲击气流与粉尘控制技术研究现状

溜井卸矿产生的粉尘控制主要集中在两个方面，一是对冲击风流的控制，通过限制风流的运动间接控制粉尘的扩散；二是直接对粉尘进行处理，采取措施降低粉尘产生量或者捕获粉尘。

冲击风流的控制常用的技术手段包括密闭和泄压井分压，同时配合必要的组织管理。

（1）密闭。通过将卸矿口密闭，形成独头巷道，使含尘气流仅在溜井内运动，从而减少粉尘扩散。常见的溜井密闭形式包括在卸矿口安装封闭门、密闭罩，在溜井内安装挡风板，以及在巷道内安装隔尘帘等。

（2）泄压井分压。在主溜井旁构建平行泄压井，并通过水平联络通道将两者连通，可以对冲击风流进行分流，使其在泄压井与主溜井之间循环，从而削弱风流强度。

（3）组织管理措施。主要包括：①减少单次卸矿量，②延长卸矿间隔，③降低卸矿高度等。

溜井降尘技术应用存在的问题

（1）溜井的特殊空间结构限制了部分降尘手段的应用。井内空间狭小，使许多除尘设备难以直接安装和运行。虽然粉尘源于溜井内部，却无法采用直接洒水等简易方式进行抑尘。尽管泡沫除尘技术可直接作用于井内尘源，但其所需的发泡与压力供给系统在矿井环境中安装和维护复杂度较高。

（2）有效的风流控制措施实施难度大。频繁的风流冲击导致密闭装置易失效漏风。卸矿口处的封闭设施需经常启闭，不仅操作不便，部件也易因磨损而缩短寿命。开凿泄压井等工程措施工程量巨大、耗时较长，难以快速解决粉尘问题。

（3）喷雾降尘效果不稳定，且喷嘴易发生损坏。高浓度、高速度的粉尘导致雾滴与粉尘接触时间不足，除尘效率下降。此外，因风流和粉尘浓度变化，固定喷雾参数难以适应动态工况，易造成粉尘逃逸。井下高湿环境还会使喷嘴表面形成水膜，加速锈蚀，增加维护频次。

（4）湿式除尘器污水处理困难，干式除尘器易发生堵塞。高效除尘器通常体积较大，井下巷道安装条件受限。除尘设备运行产生的噪声也会干扰作业人员，并可能造成健康损害。湿法除尘耗水量大，产生的污水在井下难以有效处理；袋式除尘器在高湿条件下清灰效果差，滤料易粘附堵塞，增大通风阻力，影响除尘效果。现有清灰技术及其效果仍有待提升。

下一步研究方向

喷雾降尘方面，未来需融合传感技术与机器学习算法，实现喷雾参数根据风流速度、粉尘浓度进行动态调节，以实现低耗水与高效降尘的平衡；研发高效抑尘添加剂，结合超细雾化技术、电荷调控技术，增强雾滴对疏水性粉尘的吸附和团聚能力；开发抗锈蚀喷嘴材料，解决喷嘴堵塞与腐蚀问题。

湿式除尘技术需通过对除尘器结构的优化，综合利用惯性、离心力等多种捕尘机制以及超声空化等辅助作用，增强对PM2.5的捕集效率；通过对污水的净化回用，减少耗水量和二次污染。

干式除尘技术需突破高湿环境下滤料黏结的问题，采用梯度结构设计、表面超疏水拒水处理等技术，提高过滤材料的疏水耐湿性能；结合声波松动、高频动态脉冲等技术实现含湿粉尘层的高效清灰；特别关注高效矿用滤筒式除尘器研发，采用紧凑型模块化设计，满足井下狭窄空间使用要求。构建“气流控制—封闭隔离—粉尘净化”的多元协同控制体系，提高溜井粉尘控制的可靠性与效率。

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作者简介

常德强

东北大学副教授，博士，博士研究生导师，美国明尼苏达大学颗粒物试验室与过滤研究中心访问学者，中国产业用纺织品行业协会过滤与分离用纺织品分会副秘书长，中国职业安全与健康协会工业防尘委员会委员，全国非煤矿山安全生产专家，辽宁省职业健康专家，主要从事颗粒物控制理论与材料、工业通风与除尘、矿井通风与深井热害控制等方面的教学科研工作。主持国家自然科学基金、工信部绿色制造集成、辽宁省科技计划、山东省科技计划、辽宁省教育厅基本科研项目等纵向项目5项，承担并参与国家“863”、科技支撑计划、重点研发计划项目及省部级计划项目十余项、企业委托课题百余项。获中国有色金属工业科学技术奖、中国纺织工业联合会科学技术奖等科技奖励2项，起草国家、行业及团体标准5项，授权发明专利7项，在《Aerosol and Air Quality Research》《Separation and Purification Technology》《Aerosol Science and Technology》《安全与环境学报》《金属矿山》等国内外期刊/会议上发表学术论文30余篇。

《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。

供稿：曾文旭

编排：余思晨

审核：王小兵

利用提供参考依据。

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