金龙哲教授团队：矿山喷雾降尘技术与装备研究进展（视频解读）

编者按

讲授人简介

刘建国

成果荐读

成果概要：喷雾降尘技术以其操作简单、成本低、降尘效率显著等优势，成为矿山井下应用最为广泛的降尘技术之一。但传统喷雾降尘技术普遍存在雾滴粒径大、耗水量多、呼尘沉降效率低等问题。针对以上问题，国内外学者对喷雾降尘技术开展了广泛研究，但对其研究与应用现状缺少深入总结。基于此，基于近20 a来矿山喷雾降尘技术的相关研究文献，梳理了喷雾雾化降尘机理、喷雾雾化效果评价参数与测试方法、喷雾雾化效果影响因素、喷雾降尘效率及其影响规律的研究现状。研究结果表明：喷雾雾化效果评价参数主要包括雾滴粒径、雾滴速度、喷雾射程等;喷雾雾化效果与喷嘴结构、气水压力、液体物理特性等参数密切相关;喷雾雾滴粒径越小、雾滴速度越快，其对粉尘的吸附沉降效率越高。针对矿山喷雾降尘技术研究现状,分析了目前存在的不足,并提出了未来的主要研究方向，即进一步探究喷雾雾化机理、完善喷雾雾化效果评价参数、规范喷雾降尘效率测定方法、关注喷雾添加剂对作业人员身体健康与工作环境的影响。

成果概要：矿井高温热害是矿井深部安全开采的重要影响因素之一，有效且经济的矿井降温技术对于深部高温矿井安全且高效开采尤为重要。分析了矿井热源的种类及热害对人的影响，并对目前矿井降温技术的原理及应用研究现状进行了评述；研究了用于热害较轻或浅部矿井的非人工制冷技术，着重阐述了用于热害较重和深部矿井的多种人工降温制冷技术；对比分析了液态气体相变制冷技术、直膨式热泵降温技术、动力性热管降温技术、个体防护服和涡流管结合矿井微气候调节技术的优缺点及其在矿山现场的应用研究进展，指出了目前各类降温技术存在的共性问题,讨论了未来地热控制及余热回收利用的技术发展趋势，为选择合适的深井降温技术提供依据。研究表明：目前矿井降温技术虽然飞速发展但存在能耗较大、制冷系统设备复杂且难以维护，只重视降温而忽略矿井湿度过高，未能充分利用矿井地热能源价值，非煤矿山专用降温系统研究较少等不足。针对矿井降温系统的共性问题提出了开发节能且高效的新型降温技术,着力开发制冷设备，坚持降温除湿并重的原则，充分利用矿井地热能源以及设计非煤矿山专用的矿井降温技术等应对措施。

成果概要：借助VOSviewer软件以知识图谱的形式展示了2000—2022年中国知网(CNKI)数据库中收录的1 044篇文献的作者共被引、关键词共被引等数字特征,采取文献计量学方法分析了矿井粉尘防治领域发展的时间分布，探究了矿井粉尘防治研究动态及进展。研究结果表明：2000—2022年矿井粉尘防治研究整体呈上升趋势，根据逐年发文量以及相对逐年发文量可以将其划分为3个阶段，即萌芽起步期(2000—2005年)、迅速发展期(2006—2015年)以及腾飞波动期(2016年至今)。此外，1 831名作者的共被引分析表明,目前已形成了5个联系较为密切的学术群体；3471个关键词的共现分析表明，目前已经形成了5个高相关性的关键字聚类，分别为煤矿粉尘治理研究聚类、粉尘危害研究聚类、粉尘治理研究聚类、粉尘浓度研究聚类以及数值模拟研究聚类。在上述分析的基础上，剖析了现阶段我国矿井粉尘防治研究存在的不足：① 粉尘防治理论研究成果转化率有待提高；② 矿井粉尘精准监测技术与体系有待进一步升级；③ 智能矿山建设背景下,矿山粉尘智慧除尘系统研发与应用有待进一步深入；④ 在绿色矿山建设背景下，社会环保要求不断加强，导致不少传统且行之有效的抑尘方法的应用受到一定程度限制。认为未来该领域的重点发展方向为：① 深化矿井粉尘防治理论研究，充分发挥多学科交叉研究优势，开展校企联合攻关,加强理论与实践的对话与结合，进一步提升科技成果转化率；② 加强基于粉尘精准监测与员工健康的矿井粉尘实时监测与连续性监测系统及设备的研发；③ 深化精准智慧除尘体系建设，提升矿山粉尘实时监测精准度，加强信息化技术应用的深度与广度；④ 通过技术突破打破环保性与经济性难以共存的困境，降低环保成本,提高环境效益。

成果概要：近年来，国内在露天矿粉尘防治方面进行了大量深入的研究和实践，粉尘防治工作取得了较为显著的成效，但露天矿各生产环节粉尘至今仍难以彻底遏制，粉尘职业危害防治形势依然十分严峻。为了进一步完善露天矿粉尘防治理论并发展新兴技术，提升我国露天矿粉尘防治水平及效果，根据近20 a我国露天矿粉尘防治理论与技术取得的研究成果，详细阐述了露天矿各环节产尘机理及运移规律，系统总结了露天矿粉尘预测及监测预警技术，重点论述了露天矿粉尘防治技术研究进展，并提出了未来露天矿粉尘防治发展趋势。目前，国内学者分环节阐明了露天矿产尘机理,分析了各因素对粉尘运移的影响，采用各类非线性预测方法结合智能优化算法构建了多种粉尘浓度预测组合模型，开发了粉尘在线监测预警技术，逐步形成了粉尘监测云服务平台，提出了多方式协同精准控尘方法。但相关研究主要针对露天矿单一生产环节的粉尘，露天矿各环节产尘机理及粉尘运移规律需要系统、关联研究，适宜露天矿各生产环节的绿色、高效、经济抑尘剂有待进一步开发，露天矿粉尘精准监测技术有待进一步完善，粉尘智能防治技术及装备亟需攻关，粉尘危害风险分析及预警平台尚需探索构建。未来，需多学科、多手段协同推进各环节产尘机理及粉尘运移规律研究，研制绿色、高效、经济的抑尘剂,研发粉尘浓度高精度、宽量程、耐污染、连续在线监测关键技术及装备，研制露天矿粉尘精准智能防治技术及装备，构建粉尘危害风险大数据分析与预警平台。

成果概要：针对传统局部风机工况点随掘进巷推进而实时产生偏移的生产安全问题，为研究多环境参数(粉尘浓度、甲烷浓度、温湿度等)对掘进巷风速的影响、探究智能控制技术指导局部风机变频运行的途径，实现对掘进面通风状态的实时监测、协同预测、变频控制，设计了一种掘进面智能变频通风控制系统。基于智能控制理论，采用灰色关联分析算法提取影响掘进巷道需风量的关键因素，以关键因素作为输入层建立了遗传—神经网络风速预测优化模型，开发了组态王上位机监控程序及远程控制界面，并运用S7-200 SMART PLC搭建了基于比例—积分—微分(PID)风量闭环调控技术的掘进面智能变频通风控制系统。研究结果表明：遗传—神经网络风速预测优化模型可根据掘进面不同工况环境参数协同预测风速。智能变频通风控制系统能够通过组态界面实时监测井下掘进面环境参数,还提供自动和手动2种远程控制方式。相比于恒定电源频率调控风机风量，采用PID风量闭环调控技术能远程智能变频控制风机风量，从而使巷道实际风速持续稳定逼近预测值。所研发的智能变频通风控制系统可以广泛应用于不同类型的矿井，实现通风设备自适应调控响应。

成果概要：矿用空冷器作为井下水冷降温系统的末端设备，被广泛应用于各类高温矿井中。针对现有矿用空冷器换热效率及冷量利用率低的问题，采用理论分析和数值模拟相结合的方法，从管程和壳程两个角度出发，对表面式空冷器的结构进行了优化，对比了光管空冷器和波纹管空冷器的传热性能，揭示了管程波峰高度以及壳程管道排列方式对于矿用空冷器综合性能(传热性能和流阻特性)的影响。结果表明：波纹管空冷器相较于光管空冷器具有更好的传热性能；改变波高可以使传热特性提高24%～135%，但同样会使管内流动阻力增大176%～767%；在所模拟的5种波峰高度内，波峰高度为3 mm的波纹管具有最佳的综合性能，并且在雷诺数为4 977时达到最佳性能，综合评价因子达到最大值1.27；在4种管道排列方式中，管道叉排相较于传统的顺排方式，可以使得换热量提高约13%。研究成果对于提高矿用空冷器的传热效率,改善井下高温热环境具有一定的参考意义。

成果概要：为有效治理连采掘进工作面截割区域的粉尘，针对连采机传统的喷雾降尘措施存在的雾化效果差、覆盖范围小等不足，对降尘用喷嘴进行参数优选试验，得到具有封控特性的等效孔径1.8 mm扇形喷嘴和具有雾化捕尘特性的等效孔径2 mm实心锥形喷嘴。基于红柳林煤矿15218连采掘进工作面现场条件和连采工艺特征，对该工作面连采机截割区域进行防尘设计，研发了连采机新型外喷雾控降尘装置，在雾化喷嘴与外喷雾控降尘装置之间加装可调节万向球头，采用“外喷雾控降尘装置+可调节万向球头+雾化喷嘴”组合模式，不仅减少了频繁拆卸喷嘴对外喷雾控降尘装置内螺纹的磨损，还便于调节雾化喷嘴喷雾方向，满足连采机降尘需要。为了提高连采机供水管路水压，通过对连采机机载各装置耗水量和连采机供水管路沿程压力损失的计算,优选使用了额定流量250 L/min、额定压力6.3 MPa的增压泵对连采机用水进行增压，综合形成了适用于红柳林煤矿连采掘进工作面的连采机截割尘源高压雾化封闭控降尘系统。现场应用表明：使用该系统后连采机截割区域全尘降尘率≥82.3%，呼尘降尘率≥72.5%，有效降低了截割区域的产尘量和溢尘量，实现了对连采机截割尘源的封闭式高效防控。

成果概要：为提高煤矿井下湿式除尘器降尘效率,改善作业人员工作环境，提出了在湿式除尘器中安装内混式空气雾化喷嘴的降尘方法。首先,基于激光多普勒喷雾雾化特性测试平台,对比3种空气帽结构空气雾化喷嘴的雾化角和雾滴索特尔平均直径D_[3,2]，优选出了雾化效果最佳的喷嘴。其次，基于湿式除尘器与气水喷雾降尘试验平台，选定喷嘴与风机距离、喷嘴供气压力、喷嘴供水压力和风机供气压力进行单因素试验，得到单一最佳水平。最后，基于正交试验理论，设计4因素3水平正交试验，开展了不同工况下的降尘试验。结果表明：在同一工况下，孔径为2.0 mm的压力扇形喷嘴雾化角最大且雾滴粒径最小，D_[3,2]为33.20～50.51 μm，更有利于微细粉尘的捕集与沉降；4因素降尘效率显著性水平排序对于全尘和呼尘均为：喷嘴与风机距离>喷嘴供水压力>风机供气压力>喷嘴供气压力；降尘系统最优参数组合为：喷嘴与风机距离2.25 m、喷嘴供气压力0.4 MPa、喷嘴供水压力0.4 MPa和风机供气压力0.2 MPa，全尘与呼尘的降尘效率可分别达到90.06%和75.91%。研究成果可为矿井湿式除尘系统的优化及应用提供理论参考。

成果概要：为降低连采面粉尘浓度，对加入抽、压风口垂直下偏角对降尘效果的影响规律进行了研究。以红柳林煤矿25211工作面为例，将压风筒直径d₁、压风口水平偏转角α₁、压风口垂直下偏角β₁、抽风筒直径d₂、抽风口水平偏转角α₂和抽风口垂直下偏角β₂等6个参数作为风流调控参数,通过数值模拟获取了不同风流调控参数调控后的粉尘浓度数据。基于响应曲面法和粒子群优化算法，以司机位置处和呼吸带高度粉尘浓度为优化目标，获得了连采面最佳风流参数。研究结果表明：加入抽、压风筒垂直下偏角,改变压抽比和压风筒距尘源的位置，粉尘浓度均降低；工作面与连采机之间的作业空间内，巷道下部粉尘浓度高于上部粉尘浓度；在距迎头40 m巷道范围内，粉尘浓度呈现出先逐渐增加后逐渐减小的变化趋势；各参数对司机位置处和呼吸带高度的粉尘浓度影响程度分别为α₁>β₁>d₁>d₂>α₂>β₂、d₂>α₁>d₁>β₁>β₂>α₂；通过上述分析获得的连采面最佳风流参数为d₁=0.9 m、d₂=1.1 m、α₁=0°、β₁=1°、α₂=10°、β₂=8°。经调控后司机位置处粉尘浓度由297.09 mg/m³降低到134.98 mg/m³，降低了54.57%；呼吸带高度粉尘浓度由217.35 mg/m³降低到86.50 mg/m³，降低了60.20%，有效降低了巷道内粉尘浓度，实现了连采面粉尘的高效防控。

成果概要：为解决现有矿用湿式除尘器脱水效果差、体积大等问题，研发了一种由特制叶轮、防堵喷头、导流叶片、防爆电机、一级脱水器、二级脱水器等组成的湿式涡旋除尘器，通过内部五重粉尘捕捉和三重脱水过程，实现含尘气流的高度净化。除尘器集高能吸风、旋流捕尘、双级脱水三效合一，特制叶轮既作为动力部件又作为雾化和捕尘部件，整体结构极致简约、一体化。利用搭建的除尘器净化性能测试试验平台，开展了湿式涡旋除尘器除尘和脱水性能试验，研究了不同耗水量下除尘器的脱水效果及对不同浓度粉尘的除尘效果。结果表明：随着耗水量和粉尘浓度增加，除尘器除尘效率先增加后减小，且当耗水量为1 m³/h时，全尘和呼尘的平均除尘效率最佳,分别达到95.8%和88.6%以上；随着耗水量增大，除尘器脱水效率整体呈递增的变化趋势,平均脱水效率达到95.5%以上。研究结果可为所研发的湿式涡旋一体式除尘器的进一步推广应用提供理论依据。

成果概要：随着采矿作业的机械化、自动化水平不断提升，井下环境越来越复杂，为开展矿井空气净化研究，探究尿素脱硝除尘技术对井下多相污染物治理效率的影响，自主搭建了小型试验台模拟受限空间多相污染物扩散系统，采用响应面中心复合试验法建立二次回归方程分析试验因素之间的交互作用，确定了最佳参数。结果表明：尿素溶液质量分数对脱硝率影响程度最高,同时可以提高除尘率；供气压力影响喷嘴雾化效果，对污染物治理影响显著，供气压力过大会降低污染物的治理效率；尿素含量增加，溶液黏度增大，NO和NO₂的液相扩散系数和溶解度下降,脱硝效率受限，但对PM₁₀粉尘治理有一定的作用；两个因素的交互作用对污染物治理均有不同程度的影响，对脱硝率和PM₁₀除尘率的影响显著，对PM_2.5除尘效果贡献度较小;响应面分析确定的最佳配伍参数为尿素溶液质量分数6.471%、供气压力0.603MPa，根据试验操作得到的治理效率与预测值基本一致。该研究可为进一步净化受限空间多相污染物提供理论依据和数据支撑。

成果概要：为了解决掘进工作面粉尘污染严重的问题,运用COMSOL软件对某矿1019掘进工作面进行了几何模型构建，并基于k-ε湍流模型和流体流动颗粒跟踪模型，计算了在压入式和长压短抽通风方式下的速度切面、风流流线分布以及粉尘粒子的运移轨迹，分析了两种通风方式对粉尘粒子运移的影响，并研究了掘进工作面在两种通风方式下的粉尘运移规律。结果表明：压入式通风方式下，由压风筒将新鲜空气压入巷道内，迫使掘进工作面的粉尘随风流排出巷道，导致掘进机前方区域风流曲线非常密集形成多处涡流导致粉尘粒子在涡流处聚集，同时部分粉尘粒子沉淀在巷道底部，还有部分粉尘粒子沿右侧巷道壁面向后方移动，其控尘效果较差；长压短抽通风方式下，两风筒前方区域速度较大，且压风筒和抽风筒之间风流流线密集；压风筒吹出气流裹挟粉尘粒子移动，同时利用抽风筒的抽吸作用将粉尘粒子吸入排出巷道，与压入式通风方式相比长压短抽的降尘效果更好。

成果概要：为有效控制煤矿井下干式钻孔作业的粉尘污染问题，在分析干式钻孔产尘扩散特性的基础上，结合水射流负压引射与干雾降尘技术优势，设计研发了新型干式钻孔孔口除尘装置。通过理论分析与实验室试验研究了该装置各组件的具体结构和主要性能参数，并在杨柳煤矿顺层孔钻场开展了现场试验，实测了该装置的除尘效果。结果表明：新型孔口除尘装置由孔口集尘装置、水射流负压引射装置、干雾降尘装置三部分组成，分别具备尘源密闭、抽吸粉尘、捕集外溢粉尘等功能。水射流负压引射装置的工作水流量、抽吸量及引射系数均随工作水压的增大呈线性增大。气压0.70 MPa、水压0.18 MPa为单个干雾喷头的最佳工况参数，当干雾发生器挂载15个干雾喷头、干雾降尘装置距孔口1.2 m时，可实现对孔口全部漏尘点的雾场覆盖。新型孔口除尘装置现场应用后，钻机下风侧6 m和20m的全尘除尘率分别达到了88.9%和87.5%,取得了显著的除尘效果。

成果概要：为有效解决抑尘剂在露天使用过程中易受大气降水侵蚀而导致有效组分流失、有效抑尘作用时间短的问题，提出了一种基于多孔材料的抑尘组分缓释性能的研发思路，确定了抑尘组分吸附率和缓释率的性能评估指标，并设计了对应的室内标准测试方法。采用尼龙滤布包裹30～40目粒径的多孔材料20 g，在质量浓度0.5%的聚丙烯酰胺(PAM)溶液中完全浸泡90 min后取出进行干燥，将多孔材料吸附溶质质量占总溶质质量的百分比作为吸附率；将吸附溶质的多孔材料完全浸泡在纯水中10 min后取出进行干燥,将溶解到水中溶质的质量占总吸附溶质质量的比值作为缓释率。选用活性炭进行了应用试验，结果表明：基于多孔材料的抑尘剂组分具有吸附和缓释功能，选用的吸附率、缓释率测试指标及其测试方法合理可行，所构建的标准测试试验方案具有良好的可操作性，试验测试结果反映出活性炭具有良好的抑尘剂吸附和缓释性能。

成果概要：在矿山、冶金等行业中,金属滤袋除尘器因其体积小、能在更高过滤风速下使用而得到广泛应用。而高过滤风速状态下的金属滤袋除尘器内部流场存在过滤气流紊乱、流场分布不均匀等问题，导致滤袋顶端粉尘堆积、清灰失效，限制了其稳定运行及优势发挥。采用流体动力学软件CFD-Fluent对高过滤风速状态下除尘器内部流场进行数值模拟发现，当进风速度由4.5 m/s增至8.9 m/s时，滤袋上部处理风量增幅由1.97%增至4.76%，流场分布均匀性较差。据此,设计并制作了Ⅰ型导流板(2块矩形板,对齐滤袋放置)和Ⅱ型导流板(3块矩形板,对齐滤袋间隔放置)，并将每种导流板模型与水平面呈0°、10°、20°放置。通过对比分析6种优化方案下的气流运动特性、滤袋表面速度以及流量分配系数，进行了流场均匀性优化评价。结果表明：① Ⅱ型导流板安装模型优化效果优于Ⅰ型，随着安装角度增大，滤袋底部受到气流冲击增大，优化效果逐渐减弱；② Ⅱ-0型导流板优化效果最佳,能使滤袋表面平均速度标准差降至0.209 8，降幅47.4%，使流场综合流量不均幅值降至0.003 4，降幅69.2%。上述研究结果为金属滤袋除尘器在高过滤风速下处理烟气时的结构优化设计提供了理论依据。

成果概要：掘进作业中产生的粉尘若不能及时地稀释并排出，容易形成积聚现象，对作业人员的身体健康造成极大的危害。研发了一种适合于金属矿山矿用局部通风机风量补给及测定组合装置，并在山东省某金矿-300 m水平探矿穿脉独头作业面进行了试验。结果表明：引入该装置后,随着掘进作业推进，在不变更原局部通风机台数和型号的情况下，通过对风筒内的风压和风量进行可控式补偿，作业面排尘风速始终维持在0.36 m/s左右，满足《金属非金属矿山安全规程》(GB 16423—2020)的相关通风设计要求。该装置实现了局部通风机风量补给和测定一体化，较好地解决了因掘进距离变长、通风阻力增大造成经柔性风筒送达工作面风量减小以及风量测定安全性低、精准度差的问题，对于改善井下作业环境、保障金属矿山独头掘进安全生产具有重要意义。

成果概要：为了贯彻实行“健康中国”战略，解决井下粉尘危害严重、传统湿式降尘手段能耗高、工效差的现实问题，提出了引射分级气动喷雾降尘技术，并研制了引射分级气动喷雾降尘装置。利用数值模拟分析了引射分级装置内部流场、速度场，通过搭建引射分级气动喷雾降尘试验平台开展吸风风速试验和降尘试验，进行了喷头选型以及引射结构模型设计，同时以吸风风速和试验降尘效果作为关键监测指标，探究了引射分级气动喷雾降尘装置的可行性。研究结果表明：引射分级装置内部形成引射气流且吸风口风流向喷雾处运移；引射分级雾幕降尘装置最优选择为SV980喷头搭配B型引射结构模型，吸尘口中心风速最高为1.27 m/s，吸尘口侧壁风速最高为1.53 m/s；B型引射结构模型总降尘效率、一级降尘效率、二级降尘效率分别达到83.9%、76.6%、7.4%，优于单一喷头及A型引射结构模型。现场试验表明：掘进司机位置处总粉尘和呼吸性粉尘的降尘效率分别为85.67%和81.02%，有效降低了井下粉尘浓度,保障了人员健康。