綜掘工作面作為煤礦井下產(chǎn)塵量最大、產(chǎn)塵最集中的地點之一，具有設(shè)備設(shè)施復(fù)雜、作業(yè)環(huán)境狹窄、通風(fēng)距離長等特點。隨著礦井綜合機械化開采水平提高，綜掘工作面現(xiàn)場粉塵污染問題逐漸突出，未采取除塵措施的局部粉塵濃度遠超《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的粉塵濃度標準。傳統(tǒng)手段依賴單一降塵手段，存在布局不合理、能耗較高、治理效果差等問題，給控塵工作帶來了巨大壓力。開發(fā)綜合控塵先進技術(shù)，有利于提高綜掘工作面降/除塵效果，減少經(jīng)濟投入，為井下職工營造綠色安全的工作環(huán)境，從而塑造良好企業(yè)形象。

煤礦粉塵危害主要包含煤塵爆炸與塵肺病兩方面，具體如下：

（1）煤塵具有燃燒性和爆炸性，當懸浮煤塵濃度與氧氣濃度達到一定水平，且現(xiàn)場存在電氣火花、摩擦火花、井下火災(zāi)等高溫熱源時，可能引發(fā)煤塵爆炸事故。

（2）煤塵沉積量取決于工作環(huán)境煤塵濃度、工作時長及防護措施，煤塵濃度高，工作暴露時間長增加了塵肺病發(fā)生概率。

華北科技學(xué)院司俊鴻教授團隊依據(jù)綜掘巷道粉塵運移擴散規(guī)律，提出了單區(qū)域針對性除塵和多區(qū)域聯(lián)合除塵相結(jié)合的半封閉式區(qū)域聯(lián)合控塵技術(shù)。在截割頭安裝高壓噴霧抑制截割產(chǎn)塵，利用高速風(fēng)幕分隔司機與機頭的含塵風(fēng)流，司機位置后方架設(shè)除塵風(fēng)機進行抽塵凈化，掘進機尾部安裝散射型霧幕抑制二次揚塵，并凈化除塵風(fēng)機排出風(fēng)流，除塵風(fēng)機后方安裝全斷面噴霧裝置攔截向巷道出口擴散的粉塵，據(jù)此開發(fā)了綜掘工作面綜合控塵成套設(shè)備，實現(xiàn)了綜掘巷道多種除塵方式聯(lián)合使用，彌補了單一降塵方法的局限性，有效抑制了塵源點產(chǎn)塵，屏蔽了司機周圍空間高濃度粉塵團，削弱了掘進機尾部二次揚塵的影響，對巷道回風(fēng)風(fēng)流進行了深度凈化，經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用檢驗，顯著提高了綜掘巷道平均降塵效率，降低了治理成本。相關(guān)成果以《綜掘工作面半封閉式區(qū)域聯(lián)合控塵技術(shù)研究》為題，發(fā)表于《金屬礦山》雜志。

本項研究主要成果包括：

（1）測定了綜掘巷道生產(chǎn)期間粉塵濃度，初步判定了高濃度粉塵聚集區(qū)域。通過數(shù)值模擬研究了綜掘巷道風(fēng)流場分布與粉塵運移規(guī)律，確定了主要產(chǎn)塵源位置，分析了機頭區(qū)域紊流、回風(fēng)側(cè)渦流與皮帶搭接處后方回流形成原因，揭示了高濃度粉塵團形成機理。

采用濾膜質(zhì)量濃度法，使用AKFC-92A型粉塵采樣器，測得綜掘巷道生產(chǎn)期間粉塵濃度，得出了粉塵自迎頭運移至巷道出口的過程是重力沉降、紊動擴散和彌散的綜合作用，由于沿程風(fēng)速逐漸減小，部分粉塵在重力作用下發(fā)生沉降，而呼吸性粉塵粒徑較小，受重力影響弱于大粒徑粉塵，不易沉降，濃度降幅較為緩和。

圖1 綜掘巷道粉塵濃度關(guān)系曲線

為深入研究粉塵擴散運移規(guī)律，通過數(shù)值模擬繪制了綜掘巷道風(fēng)速分布云圖，提取司機呼吸帶高度風(fēng)速數(shù)據(jù)，繪制風(fēng)流流跡圖、風(fēng)速矢量圖，得到了以迎頭為起點，沿巷道走向25 m范圍的風(fēng)速分布規(guī)律：風(fēng)筒與迎頭處空間為高速湍流區(qū)域，在截割頭及其靠人行側(cè)巷道空間形成了小型渦流場。風(fēng)流向后方運移過程中，掘進機占據(jù)巷道空間導(dǎo)致風(fēng)速增加，流過掘進機后風(fēng)速急劇衰減。在皮帶搭接前，高速風(fēng)流主要聚集在掘進機兩側(cè)底部位置，皮帶搭接處之后部分風(fēng)流往風(fēng)筒側(cè)及頂板擴散，導(dǎo)致掘進機后方風(fēng)流較為復(fù)雜，在司機位置上方形成了顯著渦流，并在掘進機后方兩側(cè)產(chǎn)生了大范圍回流。當運移至20 m位置后，由于風(fēng)流能量減弱，渦流與回流現(xiàn)象基本消失，人行側(cè)巷道風(fēng)速略大于風(fēng)筒側(cè)，風(fēng)流整體處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 風(fēng)速分布云圖

圖3 司機高度風(fēng)流流跡

圖4 司機高度風(fēng)速矢量

在數(shù)值模擬中跟蹤顆粒運動軌跡，得到了全塵與呼塵的運移跡線，受風(fēng)流曳力作用的影響，粉塵的運移軌跡與風(fēng)流軌跡類似。迎頭面產(chǎn)生的粉塵主要沿人行側(cè)巷道煤壁向巷道出口運移，在掘進機頭處粉塵跡線較為紊亂。掘進機機身與回風(fēng)側(cè)煤壁形成的通道截面較小，高濃度粉塵經(jīng)此通道向巷道出口方向擴散，靠上部的粉塵流擴散至頂板空間，被卷吸入渦旋風(fēng)流，在掘進機上方堆積；下部的高濃度粉塵流運移至掘進機后方，隨后由于流通截面突然變大，風(fēng)速降低，曳力作用減弱，大粒徑粉塵受重力沉降。其余未沉降的粉塵繼續(xù)向巷道出口運移，但由于皮帶搭接處后方存在回流風(fēng)流，部分呼吸性粉塵折返回掘進機后方。

圖5 全塵運移跡線

圖6 呼塵運移跡線

（2）根據(jù)綜掘巷道高濃度粉塵聚集區(qū)域分布與形成特征，劃分了迎頭產(chǎn)塵區(qū)、機頭紊流區(qū)、渦旋堆積區(qū)、回流沉降區(qū)和穩(wěn)定運移區(qū)5個重點除塵區(qū)域，采用分區(qū)治理的思想研究除塵技術(shù)在不同區(qū)域的適用性。

巷道距迎頭25 m內(nèi)粉塵運移規(guī)律復(fù)雜，迎頭處、掘進機機頭、司機位置、皮帶搭接處及掘進機后方區(qū)域粉塵呈現(xiàn)不同分布特征，高濃度粉塵聚集區(qū)域突出。將綜掘工作面劃分為迎頭產(chǎn)塵區(qū)、機頭紊流區(qū)、渦旋堆積區(qū)、回流沉降區(qū)和穩(wěn)定運移區(qū)5個重點除塵區(qū)域。迎頭產(chǎn)塵區(qū)為截割頭及其周圍區(qū)域，此處為綜掘工作面粉塵來源，粉塵量最大；機頭紊流區(qū)為司機前方掘進機頭部分，風(fēng)流紊亂且裹挾大量粉塵，影響司機前方視線，易污染司機呼吸帶空間；渦旋堆積區(qū)為司機位置上方空間，粉塵被卷吸入頂板和掘進機之間的渦旋風(fēng)流中，難以順利排出；回流沉降區(qū)為掘進機尾至距迎頭15 m范圍內(nèi)的皮帶輸送機上方，是二次揚塵最嚴重的區(qū)域，由于掘進機后方風(fēng)速較小，此區(qū)域粉塵易發(fā)生沉降，但回流風(fēng)流會將底板和皮帶輸送機等設(shè)備表面覆蓋的部分粉塵吹起；穩(wěn)定運移區(qū)位于綜掘巷道距迎頭15 m以外區(qū)域，由于風(fēng)流能量逐漸減弱，回流基本消失，粉塵運移趨于穩(wěn)定，但仍會污染巷道后方回風(fēng)區(qū)域。

圖7 區(qū)域劃分方式

（3）基于區(qū)域劃分原則，以降低司機周圍空間和巷道沿程呼吸帶粉塵濃度為目標，實施多區(qū)域聯(lián)合除塵技術(shù)，組建了綜合控塵成套設(shè)備。

針對迎頭產(chǎn)塵區(qū)，使用高壓噴霧裝置抑制截割頭截割壁面產(chǎn)塵，從源頭控制粉塵擴散。在機頭紊流區(qū)和渦旋堆積區(qū)，氣霧與粉塵在高速紊流中混合，影響司機前方視線，同時掘進機上方存在高濃度粉塵團，因此對司機位置實施半封閉治理，利用高速風(fēng)幕將司機與含塵風(fēng)流分隔，在司機位置后方架設(shè)除塵風(fēng)機進行抽塵凈化，并輸送凈化風(fēng)流至司機處。針對回流沉降區(qū)，將散射型霧幕安裝在掘進機尾部至除塵器出風(fēng)口之間，抑制該區(qū)域二次揚塵，對除塵風(fēng)機排出風(fēng)流進行二次凈化。針對穩(wěn)定運移區(qū)，在除塵器后方安裝全斷面噴霧裝置，攔截向巷道出口擴散的粉塵，凈化巷道回風(fēng)風(fēng)流。在掘進機兩側(cè)巷道，人行側(cè)巷道存在高濃度粉塵流，但掘進機兩側(cè)空間狹窄，為避免影響巷道工作人員操作，兩側(cè)巷道未布置除塵設(shè)備。

在掘進機工作期間使用新降塵方式開展粉塵治理，開啟各降塵設(shè)備后于距離轉(zhuǎn)載點10 m處現(xiàn)場觀察狀況，待巷道后方能見度顯著提高，且觀察點處粉塵濃度傳感器示數(shù)趨于穩(wěn)定后，在相同測點測定綜掘巷道降塵后的粉塵濃度分布，實測結(jié)果表明：司機位置降塵率達86%，巷道平均降塵率約88%，取得了較好的治理效果。

圖8 綜合控塵成套設(shè)備現(xiàn)場安裝示意

綜掘工作面半封閉式區(qū)域聯(lián)合控塵技術(shù)基于受限空間產(chǎn)塵機制和氣固兩相流動擴散機理與綜掘巷道重點除塵區(qū)域劃分原則，將單區(qū)域針對性除塵和多區(qū)域聯(lián)合除塵相結(jié)合，合理布置特定除塵設(shè)備，聚焦治理高濃度粉塵聚集區(qū)，優(yōu)先抑制塵源點產(chǎn)塵。通過多除塵技術(shù)協(xié)同作用減輕了相鄰除塵區(qū)域治理壓力，同時單除塵設(shè)備占用空間較小，避免了不同除塵技術(shù)相互干擾，有效提高了綜掘工作面降塵效率，降低了治理成本，為綜合控塵技術(shù)的發(fā)展提供了技術(shù)支持，具有良好的推廣前景。

成果來源

司俊鴻，王昊宇，霍小泉，岳東，袁增云，范智海.綜掘工作面半封閉式區(qū)域聯(lián)合控塵技術(shù)研究[J].金屬礦山，2024（5）：126-133

作者簡介

驗室主任。《金屬礦山》青年專家學(xué)術(shù)委員，《地質(zhì)與勘探》、《成都理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）》青年編委，成都理工大學(xué)首屆優(yōu)秀研究生導(dǎo)師團隊成員，“自然資源部西藏主要成礦帶大型-特大型礦床勘查評價和研究科技創(chuàng)新團隊”和“自然資源部高層次科技創(chuàng)新人才工程科技創(chuàng)新團隊”骨干成員，主要從事青藏高原及周緣銅多金屬礦床的研究與找礦勘查工作，先后參與多個大型-超大型礦床的勘查評價，主持國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃專題、四川省自然科學(xué)基金及各類橫向項目10余項，發(fā)表文章70余篇，主編專著2部，參編教材2部

司俊鴻

教授、博士、碩士研究生導(dǎo)師，注冊安全工程師，現(xiàn)任華北科技學(xué)院應(yīng)急技術(shù)與管理專業(yè)主任。主要從事礦井通風(fēng)防滅火、應(yīng)急處置與救援等方向的教學(xué)與科研工作。近5年主持國家級/省級科研項目5項，其他縱向及企業(yè)委托項目30余項；以一作和通信作者發(fā)表學(xué)術(shù)論文39篇，其中SCI 16篇，中科院二區(qū)6篇（IF≥5.0），三區(qū)5篇，總被引151次，單篇最高引用39次；出版專著2部、教材3部；授權(quán)發(fā)明專利8項、實用新型3項；獲省部級科技獎5項，以及河北省“教學(xué)名師”、河北省“優(yōu)秀碩士學(xué)位論文指導(dǎo)教師”、“煤炭行業(yè)教育工作先進個人”等榮譽稱號。兼任中國職業(yè)安全健康協(xié)會通風(fēng)安全與健康專業(yè)委員會委員、《金屬礦山》青年專家學(xué)術(shù)委員。

《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(xué)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(xué)術(shù)論文來源期刊）、中國百強報刊、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、機電與自動化、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(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》（2024版），《金屬礦山》學(xué)科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

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