由于機械化掘進速度快、粉塵產(chǎn)生量大，粉塵污染極為嚴重，未采取防塵措施時，綜掘面局部總塵、呼吸性粉塵濃度可超過1000 mg/m和300 mg/m，遠超國家規(guī)定標準，尤其是巖巷綜掘面，在掘進過程中產(chǎn)生大量含有游離SO的巖塵，極易引發(fā)工人塵肺病，是礦工塵肺病的主要來源區(qū)域，對職業(yè)健康構成了極大威脅，成為礦井職業(yè)危害領域亟待解決的重大難題之一。

據(jù)國家衛(wèi)健委數(shù)據(jù)顯示，截至2023年底，我國累計報告職業(yè)病約103.4萬例，其中職業(yè)性塵肺病約93.1萬例，占比近90%。職業(yè)性塵肺病是我國數(shù)量最多、危害最嚴重的職業(yè)病，礦山行業(yè)是其最主要高發(fā)區(qū)，僅煤礦作業(yè)工人塵肺病例數(shù)量約占全國職業(yè)病例總數(shù)的50%。中共中央、國務院提出的“十四五”時期《國家職業(yè)病防治規(guī)劃》《塵肺病防治攻堅行動方案》與《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》中將粉塵污染防治列入國家戰(zhàn)略與重大需求。

為有效降低礦井綜掘面粉塵濃度，相關學者針對綜掘面粉塵防治開展了大量富有成效的研究工作，其中，通風除塵是目前應用最普遍、治理效果較好的防治方法，配合其他控除塵技術如噴霧降塵、化學抑塵等可實現(xiàn)較好的粉塵防治效果。山東科技大學聶文教授團隊在綜掘面粉塵防治領域已開展了較多研究，發(fā)明了綜掘面多向旋流風幕控塵方法，發(fā)展了針對不同巷道類型的全斷面風幕控除塵關鍵技術；研發(fā)了由輕質多向旋流風幕裝置、高效濕式除塵風機等構成的高效小型化綜掘面多向旋流風幕阻隔式抽塵凈化成套裝備。但目前關于長壓短抽通風方式的研究中，缺少了對抽塵參數(shù)影響綜掘面粉塵污染擴散的研究，根據(jù)理論分析及現(xiàn)場經(jīng)驗，合適的抽塵位置和抽風量對綜掘面粉塵的抽除有著至關重要的作用，適宜抽風量的選取更是決定了所選除塵風機的功耗大小，對節(jié)能減排工作有著重要意義。

圖1 綜掘面多向旋流風幕阻隔式抽塵凈化成套技術裝備

在“十四五”國家重點研發(fā)計劃課題（023YFC250930），國家高層次人才特殊支持計劃青年拔尖人才支持計劃（Q2022QB01009），國家自然科學基金項目（52174191、52374213、52304243），山東省自然科學基金杰出青年基金項目（ZR2022JQ26）與泰山學者青年專家項目（tsqn202211155）資助下，山東科技大學聶文教授團隊以綜掘面通風控塵參數(shù)為研究對象，以實現(xiàn)高效、精準的粉塵污染防治，保障工人職業(yè)安全健康與礦井安全生產(chǎn)為目標，對綜掘面抽塵參數(shù)影響粉塵擴散與抽塵參數(shù)設計開展了相關研究，通過數(shù)值模擬與仿真實驗相結合的研究方法，對不同抽塵位置與抽風量影響巖巷綜掘面粉塵污染擴散狀況進行分析，確定出了有效控塵的最優(yōu)抽塵位置和抽風量，以期為綜掘面粉塵污染防治提供科學基礎，從而凈化巷道環(huán)境，保護作業(yè)人員的職業(yè)安全健康，保障煤礦掘進現(xiàn)場的安全生產(chǎn)。研究成果對于地下礦山綜掘面粉塵污染精準防治具有指導意義，具有良好的理論意義和工程應用前景。

圖2 綜掘面粉塵污染擴散仿真實驗系統(tǒng)

本項研究主要成果包括：

（1）抽塵位置分別為_1/41/23/4時，粉塵污染經(jīng)風流運載最終均擴散至整個巷道。從迎頭往巷道出口方向，粉塵濃度呈逐漸降低的規(guī)律。巷道整體平均粉塵濃度隨n值的增大而降低，即風流的控塵效果隨n值的增大而提升。650 mg/m以上的高濃度粉塵污染，基本均被穩(wěn)定控制在巷道前部距迎頭45 m范圍以內的區(qū)域。

（2）抽塵位置為時，來自壓風口的高速射流在流至距迎頭16 m左右時發(fā)生分流，導致一部分粉塵跟隨風流被吸入抽塵口及附近，一部分粉塵從抽風筒上方經(jīng)過后沿抽風筒側往巷道后方擴散，另有部分粉塵被卷吸進壓風射流場及一側的渦型風流場。抽塵位置為_1/4時，粉塵主要經(jīng)掘進機上部風流運載向巷道后方擴散，抽塵位置為_1/2時，粉塵污染主要跟隨掘進機上部風流及抽風筒側風流擴散向后方，650 mg/m以上的高濃度粉塵污染主要分布在迎頭附近至沿抽風筒側一帶區(qū)域。抽塵位置為_3/4時，受抽風筒右側風幕影響，較多粉塵被風幕阻擋而被抽除，使得掘進機附近區(qū)域粉塵濃度大多在460 mg/m以下，掘進機后方渦型風流場的中心區(qū)域形成570 mg/m以上的高濃度粉塵聚集區(qū)域。

（3）抽塵位置為時，在抽風與壓風的協(xié)同作用下，在距迎頭4.6~6 m的范圍內形成了有效控塵風幕，粉塵被控制在掘進機司機所在5.5 m斷面與迎頭之間的封閉空間內，在風幕后方的巷道空間內，粉塵濃度大多在10 mg/m以下，從而有效凈化了巷道空氣環(huán)境，保護了司機安全。

圖3 不同抽塵位置物理模型與網(wǎng)格劃分情況

（4）抽風量較小時，不足以協(xié)同壓風作用將風流變?yōu)橹赶蛴^的控塵風幕，巷道內風流較為紊亂，粉塵污染擴散至整個巷道。隨著抽風量逐漸增大，可在掘進機司機附近區(qū)域形成有效控塵風幕，將粉塵封閉在掘進機司機所在5.5 m巷道斷面之前的無人工作區(qū)，從而成功保護司機及其他區(qū)域作業(yè)人員免受粉塵污染的危害。

（5）抽風量在300~320 m/min范圍內時，來自壓風口的風流較大一部分未被吸入抽塵口，風流攜帶粉塵擴散至巷道出口。隨著增大，對粉塵的抽吸能力增強，巷道內平均粉塵濃度大體呈逐漸降低的趨勢，600 mg/m以上高濃度粉塵大部分被控制在巷道前部，并且有逐漸被控制在迎頭附近區(qū)域的趨勢。當為320 m/min時，抽塵口附近的部分風流朝向迎頭方向流動，600 mg/m以上高濃度粉塵主要聚集于迎頭附近，該部分風流起到了一定作用。

（6）為330~350 m/min時，整個巷道內風流的運移狀態(tài)差別不大。在掘進機司機處均形成了風向指向迎頭、流動均勻且覆蓋巷道全斷面的有效控塵風幕，風速在0.9~1.25 m/s，均將粉塵控制在了司機之前。考慮在控制住粉塵污染擴散的前提下，盡可能降低除塵風機能耗的問題，因此，選用該范圍內的最小值，即330 m/min為最優(yōu)控塵抽風量，此時除塵風機耗能最小，既可有效控塵又有利于節(jié)能減排。

（a）煤巷綜掘面

（b）巖巷綜掘面

圖4 某煤巷和巖巷綜掘面現(xiàn)場應用前后效果圖

作者簡介

聶文

山東科技大學安全與環(huán)境工程學院教授、博士、博士研究生導師、副院長，國家“萬人計劃”青年拔尖人才，山東省杰出青年基金獲得者，泰山學者青年專家，全國煤炭青年五四獎章獲得者，青島拔尖人才，全球前2%頂尖科學家終身與年度科學影響力排行榜入選者、全球頂尖前10萬科學家排名”榜單入選者、Elsevier中國高被引學者。團隊成員主要有劉強、華贇、彭慧天3名青年教師，郭立典、許長煒、牛文進、劉承藝、田起凡、劉飛、李若曦等研究生，團隊長期從事粉塵危害防治教學、科研工作。聶文教授共主持國家重點研發(fā)計劃課題、國家自然科學基金（4項）、重大央企委托科研項目等76項教研項目；首位獲山東省自然科學二等獎、山西省科技進步二等獎、中國職業(yè)安全健康協(xié)會科技一等獎、中國安全生產(chǎn)科學技術獎一等獎等省部級獎勵；唯一通訊或首位作者發(fā)表SCI大類一/二區(qū)TOP、中文EI正刊論文138篇，首位授權中國、美國發(fā)明專利32項，獲國家教學成果二等獎2項。首位或獨立指導學生獲“挑戰(zhàn)杯”全國一等獎“全國百名研究生黨員標兵”“全國煤炭行業(yè)優(yōu)秀共青團員”等45項全國或省部級榮譽，培養(yǎng)事跡入選“山東省高校教師創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育人物典型案例”。兼任《金屬礦山》青年專家學術委員。

主要學術成果如下：

（1）揭示了煤巖塵微觀理化特性與潤濕性關聯(lián)機制，精準構建了不同煤種煤塵的三維大分子模型，實現(xiàn)了煤塵微觀潤濕機理認識在分子層面的突破；研發(fā)了適于不同變質程度呼吸性煤塵的新型高效環(huán)保增潤劑及智能自動連續(xù)定量添加裝置，并研制了新型泡沫除塵方法及裝備，解決了煤塵潤濕性與增潤降塵劑間匹配性差的難題，攻克了高瓦斯煤巷綜掘面風速大、噴霧難以有效包裹掘進機截割產(chǎn)塵的難題。

圖5 煤塵微觀潤濕機理及新型增潤促凝噴霧降塵方法

（2）揭示了礦山主要產(chǎn)塵區(qū)域與全斷面掘進隧道不同通風方式下宏觀粉塵團及細觀顆粒群時空演化規(guī)律，確定了人員呼吸帶重點粉塵污染防治區(qū)域，闡明了產(chǎn)塵區(qū)域的粉塵污染機制；研發(fā)了高效小型化綜掘面多向旋流風幕阻隔式抽塵凈化成套技術裝備，揭示了可吸入粉塵在呼吸系統(tǒng)內"遷移—黏附—沉積"的時空演化規(guī)律，突破了針對不同巷道類型的全斷面風幕控除塵關鍵難題，攻克了傳統(tǒng)裝備體積龐大、能耗高、適應性差的難題。

圖6 綜掘面多向旋流風幕全斷面控塵方法原理與控塵效果分析圖

（3）研發(fā)了基于激光多普勒測粒技術（PDI）的氣—固—液三相多場耦合實驗系統(tǒng)，實驗揭示了噴嘴霧化粒度、速度分布及塵霧耦合規(guī)律，結合LES-VOF（大渦模擬-流體體積法）多尺度聯(lián)合仿真方法建立了粉塵—霧滴碰撞計算模型，提出了細觀噴霧降塵機制，研制了適于不同煤礦產(chǎn)塵區(qū)域的新型高效單水與風水霧化噴嘴；發(fā)明了由采煤機搖臂噴霧組、新型濕式除塵風機、液壓支架負壓卷吸除塵器等構成的綜采面局部區(qū)域封閉式霧化除塵方法及裝備；研制了新型掘進機外噴霧負壓霧幕降塵方法及裝置，進而研發(fā)了綜掘面風霧雙幕協(xié)同增效控除塵方法及裝備。

圖7 噴嘴霧化特性與細觀塵霧動態(tài)碰撞潤濕煤塵機制

（4）針對綜采工作面塵源多、隔吸粉塵效果差、潤凝性能弱的技術難題，提出了采煤機司機作業(yè)區(qū)域“扇形封閉清潔空間”防塵理念。利用防砸型采煤機扇形風幕隔塵發(fā)生裝置將含塵風流吸收凈化后徑向吹出，可形成3.0~4.2 m的全斷面阻隔粉塵強力風幕。利用支架風助式負壓吸塵凈除霧幕裝置和機體外噴霧負壓除塵器，可形成3.0~4.8 m的垂直凈塵霧幕和滾筒附近的高濃度霧場，將風幕外圍阻隔的粉塵集中潤凝、沉降，最終形成了綜采工作面“阻隔—凈除”協(xié)同控除塵方法。

圖8 綜采工作面“阻隔—凈除”協(xié)同控除塵方法原理及模擬結果圖

成果來源

聶文，劉強，華贇，等.巖巷綜掘面抽塵參數(shù)影響粉塵污染擴散規(guī)律研究[J].金屬礦山，2024（5）：110-117.

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《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學會主辦，主編為中國工程院王運敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學術論文來源期刊）、中國百強報刊、RCCSE中國核心學術期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學文摘（CA）、美國劍橋科學文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學技術振興機構數(shù)據(jù)庫（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機電與自動化、安全環(huán)保、礦山測量、地質勘探等領域具有重大學術價值或工程推廣價值的研究成果，優(yōu)先報道受到國家重大科研項目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國科技信息研究所發(fā)布的《2024中國科技期刊引證報告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術學科核心期刊第1位；根據(jù)中國知網(wǎng)發(fā)布的《中國學術期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

編排：余思晨

審核：王小兵

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