由于機(jī)械化掘進(jìn)速度快、粉塵產(chǎn)生量大，粉塵污染極為嚴(yán)重，未采取防塵措施時(shí)，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(yuǎn)超國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，尤其是巖巷綜掘面，在掘進(jìn)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(gòu)成了極大威脅，成為礦井職業(yè)危害領(lǐng)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(jì)報(bào)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(yán)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(wù)院提出的“十四五”時(shí)期《國家職業(yè)病防治規(guī)劃》《塵肺病防治攻堅(jiān)行動(dòng)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(guān)學(xué)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(fēng)除塵是目前應(yīng)用最普遍、治理效果較好的防治方法，配合其他控除塵技術(shù)如噴霧降塵、化學(xué)抑塵等可實(shí)現(xiàn)較好的粉塵防治效果。山東科技大學(xué)聶文教授團(tuán)隊(duì)在綜掘面粉塵防治領(lǐng)域已開展了較多研究，發(fā)明了綜掘面多向旋流風(fēng)幕控塵方法，發(fā)展了針對不同巷道類型的全斷面風(fēng)幕控除塵關(guān)鍵技術(shù)；研發(fā)了由輕質(zhì)多向旋流風(fēng)幕裝置、高效濕式除塵風(fēng)機(jī)等構(gòu)成的高效小型化綜掘面多向旋流風(fēng)幕阻隔式抽塵凈化成套裝備。但目前關(guān)于長壓短抽通風(fēng)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(kuò)散的研究，根據(jù)理論分析及現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，合適的抽塵位置和抽風(fēng)量對綜掘面粉塵的抽除有著至關(guān)重要的作用，適宜抽風(fēng)量的選取更是決定了所選除塵風(fēng)機(jī)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(fēng)幕阻隔式抽塵凈化成套技術(shù)裝備

在“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（023YFC250930），國家高層次人才特殊支持計(jì)劃青年拔尖人才支持計(jì)劃（Q2022QB01009），國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52174191、52374213、52304243），山東省自然科學(xué)基金杰出青年基金項(xiàng)目（ZR2022JQ26）與泰山學(xué)者青年專家項(xiàng)目（tsqn202211155）資助下，山東科技大學(xué)聶文教授團(tuán)隊(duì)以綜掘面通風(fēng)控塵參數(shù)為研究對象，以實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)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(biāo)，對綜掘面抽塵參數(shù)影響粉塵擴(kuò)散與抽塵參數(shù)設(shè)計(jì)開展了相關(guān)研究，通過數(shù)值模擬與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，對不同抽塵位置與抽風(fēng)量影響巖巷綜掘面粉塵污染擴(kuò)散狀況進(jìn)行分析，確定出了有效控塵的最優(yōu)抽塵位置和抽風(fēng)量，以期為綜掘面粉塵污染防治提供科學(xué)基礎(chǔ)，從而凈化巷道環(huán)境，保護(hù)作業(yè)人員的職業(yè)安全健康，保障煤礦掘進(jìn)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(zhǔn)防治具有指導(dǎo)意義，具有良好的理論意義和工程應(yīng)用前景。

圖2 綜掘面粉塵污染擴(kuò)散仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本項(xiàng)研究主要成果包括：

（1）抽塵位置分別為_1/41/23/4時(shí)，粉塵污染經(jīng)風(fēng)流運(yùn)載最終均擴(kuò)散至整個(gè)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(fēng)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(nèi)的區(qū)域。

（2）抽塵位置為時(shí)，來自壓風(fēng)口的高速射流在流至距迎頭16 m左右時(shí)發(fā)生分流，導(dǎo)致一部分粉塵跟隨風(fēng)流被吸入抽塵口及附近，一部分粉塵從抽風(fēng)筒上方經(jīng)過后沿抽風(fēng)筒側(cè)往巷道后方擴(kuò)散，另有部分粉塵被卷吸進(jìn)壓風(fēng)射流場及一側(cè)的渦型風(fēng)流場。抽塵位置為_1/4時(shí)，粉塵主要經(jīng)掘進(jìn)機(jī)上部風(fēng)流運(yùn)載向巷道后方擴(kuò)散，抽塵位置為_1/2時(shí)，粉塵污染主要跟隨掘進(jìn)機(jī)上部風(fēng)流及抽風(fēng)筒側(cè)風(fēng)流擴(kuò)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(fēng)筒側(cè)一帶區(qū)域。抽塵位置為_3/4時(shí)，受抽風(fēng)筒右側(cè)風(fēng)幕影響，較多粉塵被風(fēng)幕阻擋而被抽除，使得掘進(jìn)機(jī)附近區(qū)域粉塵濃度大多在460 mg/m以下，掘進(jìn)機(jī)后方渦型風(fēng)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(shí)，在抽風(fēng)與壓風(fēng)的協(xié)同作用下，在距迎頭4.6~6 m的范圍內(nèi)形成了有效控塵風(fēng)幕，粉塵被控制在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)所在5.5 m斷面與迎頭之間的封閉空間內(nèi)，在風(fēng)幕后方的巷道空間內(nèi)，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(hù)了司機(jī)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(fēng)量較小時(shí)，不足以協(xié)同壓風(fēng)作用將風(fēng)流變?yōu)橹赶蛴^的控塵風(fēng)幕，巷道內(nèi)風(fēng)流較為紊亂，粉塵污染擴(kuò)散至整個(gè)巷道。隨著抽風(fēng)量逐漸增大，可在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)附近區(qū)域形成有效控塵風(fēng)幕，將粉塵封閉在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)所在5.5 m巷道斷面之前的無人工作區(qū)，從而成功保護(hù)司機(jī)及其他區(qū)域作業(yè)人員免受粉塵污染的危害。

（5）抽風(fēng)量在300~320 m/min范圍內(nèi)時(shí)，來自壓風(fēng)口的風(fēng)流較大一部分未被吸入抽塵口，風(fēng)流攜帶粉塵擴(kuò)散至巷道出口。隨著增大，對粉塵的抽吸能力增強(qiáng)，巷道內(nèi)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(dāng)為320 m/min時(shí)，抽塵口附近的部分風(fēng)流朝向迎頭方向流動(dòng)，600 mg/m以上高濃度粉塵主要聚集于迎頭附近，該部分風(fēng)流起到了一定作用。

（6）為330~350 m/min時(shí)，整個(gè)巷道內(nèi)風(fēng)流的運(yùn)移狀態(tài)差別不大。在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)處均形成了風(fēng)向指向迎頭、流動(dòng)均勻且覆蓋巷道全斷面的有效控塵風(fēng)幕，風(fēng)速在0.9~1.25 m/s，均將粉塵控制在了司機(jī)之前?？紤]在控制住粉塵污染擴(kuò)散的前提下，盡可能降低除塵風(fēng)機(jī)能耗的問題，因此，選用該范圍內(nèi)的最小值，即330 m/min為最優(yōu)控塵抽風(fēng)量，此時(shí)除塵風(fēng)機(jī)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(yīng)用前后效果圖

作者簡介

聶文

山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院教授、博士、博士研究生導(dǎo)師、副院長，國家“萬人計(jì)劃”青年拔尖人才，山東省杰出青年基金獲得者，泰山學(xué)者青年專家，全國煤炭青年五四獎(jiǎng)?wù)芦@得者，青島拔尖人才，全球前2%頂尖科學(xué)家終身與年度科學(xué)影響力排行榜入選者、全球頂尖前10萬科學(xué)家排名”榜單入選者、Elsevier中國高被引學(xué)者。團(tuán)隊(duì)成員主要有劉強(qiáng)、華贇、彭慧天3名青年教師，郭立典、許長煒、牛文進(jìn)、劉承藝、田起凡、劉飛、李若曦等研究生，團(tuán)隊(duì)長期從事粉塵危害防治教學(xué)、科研工作。聶文教授共主持國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國家自然科學(xué)基金（4項(xiàng)）、重大央企委托科研項(xiàng)目等76項(xiàng)教研項(xiàng)目；首位獲山東省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、山西省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、中國職業(yè)安全健康協(xié)會(huì)科技一等獎(jiǎng)、中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)等省部級獎(jiǎng)勵(lì)；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(quán)中國、美國發(fā)明專利32項(xiàng)，獲國家教學(xué)成果二等獎(jiǎng)2項(xiàng)。首位或獨(dú)立指導(dǎo)學(xué)生獲“挑戰(zhàn)杯”全國一等獎(jiǎng)“全國百名研究生黨員標(biāo)兵”“全國煤炭行業(yè)優(yōu)秀共青團(tuán)員”等45項(xiàng)全國或省部級榮譽(yù)，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(xué)術(shù)委員。

主要學(xué)術(shù)成果如下：

（1）揭示了煤巖塵微觀理化特性與潤濕性關(guān)聯(lián)機(jī)制，精準(zhǔn)構(gòu)建了不同煤種煤塵的三維大分子模型，實(shí)現(xiàn)了煤塵微觀潤濕機(jī)理認(rèn)識在分子層面的突破；研發(fā)了適于不同變質(zhì)程度呼吸性煤塵的新型高效環(huán)保增潤劑及智能自動(dòng)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(fēng)速大、噴霧難以有效包裹掘進(jìn)機(jī)截割產(chǎn)塵的難題。

圖5 煤塵微觀潤濕機(jī)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(jìn)隧道不同通風(fēng)方式下宏觀粉塵團(tuán)及細(xì)觀顆粒群時(shí)空演化規(guī)律，確定了人員呼吸帶重點(diǎn)粉塵污染防治區(qū)域，闡明了產(chǎn)塵區(qū)域的粉塵污染機(jī)制；研發(fā)了高效小型化綜掘面多向旋流風(fēng)幕阻隔式抽塵凈化成套技術(shù)裝備，揭示了可吸入粉塵在呼吸系統(tǒng)內(nèi)"遷移—黏附—沉積"的時(shí)空演化規(guī)律，突破了針對不同巷道類型的全斷面風(fēng)幕控除塵關(guān)鍵難題，攻克了傳統(tǒng)裝備體積龐大、能耗高、適應(yīng)性差的難題。

圖6 綜掘面多向旋流風(fēng)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(shù)（PDI）的氣—固—液三相多場耦合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)揭示了噴嘴霧化粒度、速度分布及塵霧耦合規(guī)律，結(jié)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(jì)算模型，提出了細(xì)觀噴霧降塵機(jī)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(fēng)水霧化噴嘴；發(fā)明了由采煤機(jī)搖臂噴霧組、新型濕式除塵風(fēng)機(jī)、液壓支架負(fù)壓卷吸除塵器等構(gòu)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(jìn)機(jī)外噴霧負(fù)壓霧幕降塵方法及裝置，進(jìn)而研發(fā)了綜掘面風(fēng)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(xì)觀塵霧動(dòng)態(tài)碰撞潤濕煤塵機(jī)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(shù)難題，提出了采煤機(jī)司機(jī)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(jī)扇形風(fēng)幕隔塵發(fā)生裝置將含塵風(fēng)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(qiáng)力風(fēng)幕。利用支架風(fēng)助式負(fù)壓吸塵凈除霧幕裝置和機(jī)體外噴霧負(fù)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(fēng)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(jié)果圖

成果來源

聶文，劉強(qiáng)，華贇，等.巖巷綜掘面抽塵參數(shù)影響粉塵污染擴(kuò)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(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學(xué)會(huì)主辦，主編為中國工程院王運(yùn)敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來源期刊）、中國百強(qiáng)報(bào)刊、RCCSE中國核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點(diǎn)期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學(xué)文摘（CA）、美國劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)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(jī)電與自動(dòng)化、安全環(huán)保、礦山測量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價(jià)值或工程推廣價(jià)值的研究成果，優(yōu)先報(bào)道受到國家重大科研項(xiàng)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(bào)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(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國知網(wǎng)發(fā)布的《中國學(xué)術(shù)期刊影響因子年報(bào)》（2024版），《金屬礦山》學(xué)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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