溜井在礦山生產(chǎn)中有著廣泛應(yīng)用，隨著礦山開采深度的增加，部分主溜井深度已達(dá)到數(shù)百米，在高深溜井卸礦時(shí)，高速下落的礦石會(huì)在下部卸礦口形成高速?zèng)_擊氣流，攜帶大量粉塵進(jìn)入放礦硐室和相連巷道，導(dǎo)致作業(yè)環(huán)境嚴(yán)重污染。粒徑小于10 μm粉塵會(huì)通過呼吸道進(jìn)入作業(yè)人員體內(nèi)，長期暴露可能引發(fā)塵肺病等職業(yè)健康問題。此外，粉塵的彌散還會(huì)加速設(shè)備零件的磨損，導(dǎo)致噴嘴堵塞等問題，從而影響設(shè)備的正常運(yùn)行，增加維護(hù)成本和生產(chǎn)中斷風(fēng)險(xiǎn)。溜井卸礦產(chǎn)生的粉塵問題伴隨溜井使用存在已久，因其沖擊風(fēng)速高、產(chǎn)塵濃度大、擴(kuò)散速度快以及間斷產(chǎn)生等特點(diǎn)，成為了金屬礦山開采過程中的一大難題。

國內(nèi)外的研究者在沖擊氣流和誘導(dǎo)粉塵控制領(lǐng)域開展了廣泛研究，并取得了階段性的進(jìn)展和富有成效的研究成果。在充分總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)之上，東北大學(xué)常德強(qiáng)副教授團(tuán)隊(duì)沖擊氣流形成與粉塵運(yùn)動(dòng)機(jī)理、沖擊氣流與粉塵控制技術(shù)以及降塵技術(shù)應(yīng)用存在的問題3個(gè)方面，系統(tǒng)梳理與總結(jié)了溜井卸礦沖擊氣流與粉塵控制研究現(xiàn)狀與發(fā)展歷程。在此基礎(chǔ)上，凝練了溜井粉塵的成因機(jī)理及現(xiàn)有污染控制技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的效果和問題，對(duì)其未來發(fā)展趨勢(shì)和研究方向進(jìn)行了探討，旨在為提升礦山粉塵治理效能、保障井下作業(yè)人員職業(yè)健康提供有益的參考。

沖擊氣流形成與粉塵運(yùn)動(dòng)機(jī)理

溜井粉塵的產(chǎn)生與礦石下落過程中產(chǎn)生沖擊氣流密切相關(guān)，誘導(dǎo)產(chǎn)生的粉塵量與沖擊氣流的強(qiáng)度成正比。礦石下落過程中，其重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，并傳遞給溜井及相鄰硐室、巷道內(nèi)的空氣，從而形成沖擊氣流。礦石在下落過程中受到的阻力轉(zhuǎn)化為氣流的能量，并沿礦石向上運(yùn)動(dòng)。由于壓強(qiáng)的變化，溜井內(nèi)礦石上部原本靜止的空氣會(huì)向礦石運(yùn)動(dòng)路徑移動(dòng)，兩者相遇時(shí)在礦石上部形成渦流，形成的負(fù)壓帶動(dòng)礦石后方支岔溜井口氣流由巷道內(nèi)流入溜井。礦石運(yùn)動(dòng)擠壓底部空氣，使其從下方支岔溜井口沖出。隨著礦石下落速度的不斷增加，所產(chǎn)生的風(fēng)流速度也逐漸增強(qiáng)。當(dāng)?shù)V石下落至底部時(shí)，其動(dòng)能轉(zhuǎn)化為氣流的能量。氣流獲得的能量釋放后形成沖擊氣流，并向上運(yùn)動(dòng)，從最近的支岔溜井口沖出。這一過程揭示了礦石下落與氣流運(yùn)動(dòng)之間的耦合關(guān)系，為理解溜井卸礦過程中粉塵和氣流的擴(kuò)散機(jī)制提供了依據(jù)。

圖1 溜井內(nèi)礦石下落風(fēng)流運(yùn)動(dòng)過程示意

溜井卸礦過程中沖擊風(fēng)速與粉塵生成及擴(kuò)散機(jī)制涉及多維度影響因素。其中卸礦沖擊風(fēng)速的主要影響因素包括卸礦量、礦石直徑、下落高度、溜井?dāng)嗝婕白枇ο禂?shù)等。而影響粉塵產(chǎn)生的主要因素有礦石下落高度、礦石碰撞情況、溜井壁面粉塵殘留等。另外，粉塵擴(kuò)散遷移路徑受礦石粉塵粒徑、礦石密度以及氣流與粉塵之間相互作用的共同控制。

溜井卸礦沖擊氣流與粉塵的模擬與試驗(yàn)研究

由于溜井位于地下深處，直接在井下進(jìn)行試驗(yàn)研究存在諸多困難，因此國內(nèi)外學(xué)者廣泛采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，對(duì)溜井卸礦過程中風(fēng)流與粉塵運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析和研究。常用的CFD軟件包括Ansys Fluent、Star CCM+等，這些工具為溜井卸礦過程的模擬提供了高效的技術(shù)支持。其中礦石流模型包括簡化的圓柱體以研究卸礦過程中風(fēng)流的運(yùn)動(dòng)情況，以及使用離散相模型生成的礦石顆粒流同時(shí)研究風(fēng)流與粉塵的運(yùn)動(dòng)。

由于仿真模擬與實(shí)際工況存在一定偏差，將試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合能夠顯著提高研究的準(zhǔn)確性和可靠性。試驗(yàn)研究主要分為直接試驗(yàn)和間接試驗(yàn)兩類。直接試驗(yàn)通過在各中段巷道內(nèi)布置風(fēng)速與粉塵濃度測(cè)量裝置，獲取不同卸礦流量、卸礦位置相應(yīng)的沖擊風(fēng)速與粉塵濃度數(shù)據(jù)。然而，直接試驗(yàn)的研究范圍有限，無法觀測(cè)到溜井內(nèi)部的詳細(xì)情況，并且會(huì)對(duì)礦區(qū)正常卸礦作業(yè)造成干擾，因此實(shí)際應(yīng)用較少。相比之下，間接試驗(yàn)基于相似理論，通過搭建等比例縮小溜井模型進(jìn)行試驗(yàn)研究，能夠更全面地模擬卸礦過程中的風(fēng)流和粉塵運(yùn)動(dòng)。

沖擊氣流與粉塵控制技術(shù)研究現(xiàn)狀

溜井卸礦產(chǎn)生的粉塵控制主要集中在兩個(gè)方面，一是對(duì)沖擊風(fēng)流的控制，通過限制風(fēng)流的運(yùn)動(dòng)間接控制粉塵的擴(kuò)散；二是直接對(duì)粉塵進(jìn)行處理，采取措施降低粉塵產(chǎn)生量或者捕獲粉塵。

沖擊風(fēng)流的控制常用的技術(shù)手段包括密閉和泄壓井分壓，同時(shí)配合必要的組織管理。

（1）密閉。通過將卸礦口密閉，形成獨(dú)頭巷道，使含塵氣流僅在溜井內(nèi)運(yùn)動(dòng)，從而減少粉塵擴(kuò)散。常見的溜井密閉形式包括在卸礦口安裝封閉門、密閉罩，在溜井內(nèi)安裝擋風(fēng)板，以及在巷道內(nèi)安裝隔塵簾等。

（2）泄壓井分壓。在主溜井旁構(gòu)建平行泄壓井，并通過水平聯(lián)絡(luò)通道將兩者連通，可以對(duì)沖擊風(fēng)流進(jìn)行分流，使其在泄壓井與主溜井之間循環(huán)，從而削弱風(fēng)流強(qiáng)度。

（3）組織管理措施。主要包括：①減少單次卸礦量，②延長卸礦間隔，③降低卸礦高度等。

溜井降塵技術(shù)應(yīng)用存在的問題

（1）溜井的特殊空間結(jié)構(gòu)限制了部分降塵手段的應(yīng)用。井內(nèi)空間狹小，使許多除塵設(shè)備難以直接安裝和運(yùn)行。雖然粉塵源于溜井內(nèi)部，卻無法采用直接灑水等簡易方式進(jìn)行抑塵。盡管泡沫除塵技術(shù)可直接作用于井內(nèi)塵源，但其所需的發(fā)泡與壓力供給系統(tǒng)在礦井環(huán)境中安裝和維護(hù)復(fù)雜度較高。

（2）有效的風(fēng)流控制措施實(shí)施難度大。頻繁的風(fēng)流沖擊導(dǎo)致密閉裝置易失效漏風(fēng)。卸礦口處的封閉設(shè)施需經(jīng)常啟閉，不僅操作不便，部件也易因磨損而縮短壽命。開鑿泄壓井等工程措施工程量巨大、耗時(shí)較長，難以快速解決粉塵問題。

（3）噴霧降塵效果不穩(wěn)定，且噴嘴易發(fā)生損壞。高濃度、高速度的粉塵導(dǎo)致霧滴與粉塵接觸時(shí)間不足，除塵效率下降。此外，因風(fēng)流和粉塵濃度變化，固定噴霧參數(shù)難以適應(yīng)動(dòng)態(tài)工況，易造成粉塵逃逸。井下高濕環(huán)境還會(huì)使噴嘴表面形成水膜，加速銹蝕，增加維護(hù)頻次。

（4）濕式除塵器污水處理困難，干式除塵器易發(fā)生堵塞。高效除塵器通常體積較大，井下巷道安裝條件受限。除塵設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的噪聲也會(huì)干擾作業(yè)人員，并可能造成健康損害。濕法除塵耗水量大，產(chǎn)生的污水在井下難以有效處理；袋式除塵器在高濕條件下清灰效果差，濾料易粘附堵塞，增大通風(fēng)阻力，影響除塵效果?，F(xiàn)有清灰技術(shù)及其效果仍有待提升。

下一步研究方向

噴霧降塵方面，未來需融合傳感技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)噴霧參數(shù)根據(jù)風(fēng)流速度、粉塵濃度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)低耗水與高效降塵的平衡；研發(fā)高效抑塵添加劑，結(jié)合超細(xì)霧化技術(shù)、電荷調(diào)控技術(shù)，增強(qiáng)霧滴對(duì)疏水性粉塵的吸附和團(tuán)聚能力；開發(fā)抗銹蝕噴嘴材料，解決噴嘴堵塞與腐蝕問題。

濕式除塵技術(shù)需通過對(duì)除塵器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，綜合利用慣性、離心力等多種捕塵機(jī)制以及超聲空化等輔助作用，增強(qiáng)對(duì)PM2.5的捕集效率；通過對(duì)污水的凈化回用，減少耗水量和二次污染。

干式除塵技術(shù)需突破高濕環(huán)境下濾料黏結(jié)的問題，采用梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、表面超疏水拒水處理等技術(shù)，提高過濾材料的疏水耐濕性能；結(jié)合聲波松動(dòng)、高頻動(dòng)態(tài)脈沖等技術(shù)實(shí)現(xiàn)含濕粉塵層的高效清灰；特別關(guān)注高效礦用濾筒式除塵器研發(fā)，采用緊湊型模塊化設(shè)計(jì)，滿足井下狹窄空間使用要求。構(gòu)建“氣流控制—封閉隔離—粉塵凈化”的多元協(xié)同控制體系，提高溜井粉塵控制的可靠性與效率。

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作者簡介

常德強(qiáng)

東北大學(xué)副教授，博士，博士研究生導(dǎo)師，美國明尼蘇達(dá)大學(xué)顆粒物試驗(yàn)室與過濾研究中心訪問學(xué)者，中國產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)協(xié)會(huì)過濾與分離用紡織品分會(huì)副秘書長，中國職業(yè)安全與健康協(xié)會(huì)工業(yè)防塵委員會(huì)委員，全國非煤礦山安全生產(chǎn)專家，遼寧省職業(yè)健康專家，主要從事顆粒物控制理論與材料、工業(yè)通風(fēng)與除塵、礦井通風(fēng)與深井熱害控制等方面的教學(xué)科研工作。主持國家自然科學(xué)基金、工信部綠色制造集成、遼寧省科技計(jì)劃、山東省科技計(jì)劃、遼寧省教育廳基本科研項(xiàng)目等縱向項(xiàng)目5項(xiàng)，承擔(dān)并參與國家“863”、科技支撐計(jì)劃、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目及省部級(jí)計(jì)劃項(xiàng)目十余項(xiàng)、企業(yè)委托課題百余項(xiàng)。獲中國有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)、中國紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)等科技獎(jiǎng)勵(lì)2項(xiàng)，起草國家、行業(yè)及團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)5項(xiàng)，授權(quán)發(fā)明專利7項(xiàng)，在《Aerosol and Air Quality Research》《Separation and Purification Technology》《Aerosol Science and Technology》《安全與環(huán)境學(xué)報(bào)》《金屬礦山》等國內(nèi)外期刊/會(huì)議上發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇。

《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(cè)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。

供稿：曾文旭

編排：余思晨

審核：王小兵

利用提供參考依據(jù)。

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