一种新型的隐形空气幕技术，用于高效抑制掘进作业中的粉尘

《Energy》：A novel invisible air curtain technique for efficient dust suppression in heading excavation

　　

李文心|于海明

山东科技大学

摘要

为了解决掘进工作面高浓度粉尘污染问题，本研究提出了一种基于隐形空气幕的智能通风系统。通过研究射流与空气幕的协同作用机制，并结合CFD仿真、现场测量和相似性实验，系统分析了轴向空气流量与径向空气流量对粉尘迁移特性的影响。结果表明，轴向空气流量过低时无法在掘进区域形成主导射流，径向气流会扰乱流场，导致粉尘向巷道后方扩散；而压力空气流量不足则难以形成稳定的射流和隐形空气幕。相反，过量的空气供应会增加湍流动能，导致巷道内气流紊乱。当轴向空气流量与径向空气流量的比例为5:5，总空气流量为600 m3/min时，该系统能够实现高效的粉尘控制和节能效果。在此条件下，轴向射流在掘进面形成稳定的涡流场，有效捕获粉尘，而径向空气幕则阻止粉尘向巷道后方扩散。驾驶员位置的平均粉尘浓度为0.68 mg/m3，与传统通风方式相比，主要作业区的粉尘浓度降低了98%以上。本研究阐明了涡流限制与空气幕隔离的协同作用机制，为煤矿高效粉尘控制和节能通风设计提供了技术参考。

引言

在推动全球能源转型的双重碳战略背景下[1]，[2]，[3]，能源安全对中国经济社会发展至关重要。煤炭作为主要的一次能源，占全球一次能源消费的56.2%，且需求持续增长[4]，[5]。然而，大规模煤炭开采存在显著的安全隐患，尤其是粉尘污染。粉尘是一种主要的职业危害，长期暴露会导致尘肺病[6]，[7]，严重威胁工人健康。研究表明，全球受粉尘影响的工人中尘肺病的患病率为9.3%，在地下隧道等高风险区域这一风险更高[8]。因此，有效的粉尘控制对于确保采矿安全和保护地下工人的职业健康至关重要，尤其是在全机械化掘进巷道中，粉尘污染严重且职业病风险较高。

国内外众多学者对各种粉尘去除技术进行了广泛研究并取得了显著进展。针对喷雾除尘方式耗水量大、效率低的问题[9]，[10]，聂等人结合多尺度仿真和实验揭示了空气辅助雾化机制及粉尘颗粒的相互作用[11]，[12]，[13]。于等人采用多相耦合和多尺度方法分析了喷嘴雾化及粉尘迁移规律[14]，[15]，[16]。然而，使用颗粒作为粉尘捕获介质的物理限制仍难以克服。因此，基于泡沫的粉尘抑制技术得到了广泛应用。魏等人通过实验优化了泡沫形态，大幅提升了其粉尘捕获性能[17]。朱等人通过优化发泡装置和3D打印喷嘴等关键部件，开发了一种适用于高气流条件的低压泡沫除尘系统，除尘效率达到86.8%[18]。尽管这些方法在效率和用水量方面优于传统喷雾技术，但通常成本较高且系统复杂度更大[19]，[20]，[21]。

与这些针对粉尘源的局部控制方法相比，通风除尘技术通过实现全局粉尘控制为粉尘预防提供了新的思路。该领域的研究逐渐沿着“系统设计-机制揭示-参数优化-工程应用”的路径深入发展。 Wen等人通过数值仿真研究了巷道长压短抽通风系统中的空气流量等关键参数，并确定了最佳配置方案[22]。在此基础上，研究人员进一步探讨了粉尘颗粒与气流之间的微观相互作用机制。胡等人应用CFD-DPM耦合方法研究了气流速度对粉尘迁移的影响，发现当气流速度超过17 m/s时，巷道出口处的粉尘浓度显著增加，速度突然下降会导致掘进机后方5米处粉尘积聚[23]。基于对这些复杂机制的理解，研究重点转向了关键操作参数的精确优化。郑等人利用响应面方法优化了掘进面的强制通风参数，有效降低了关键区域的粉尘浓度[24]。同时，研究范围扩展到了多种通风模式。坂山等人结合CFD和三维参数化建模，分析了关键参数对自然通风性能的影响，并建立了最佳设计方法[25]。随着理论模型的成熟，研究逐渐向工程应用方向发展。谢等人结合数值仿真和现场测量，研究了不同通风条件下的粉尘浓度分布，并确定了最佳风管布局[26]。程等人基于欧拉-拉格朗日模型，分析了风管位置、空气流量和吸罩结构对除尘效率的影响，得到了最佳运行参数[27]。聂等人通过参数优化，有效降低了巷道钻孔作业区的粉尘浓度[28]。尽管这些研究优化了单个通风参数，但缺乏对气流比例和通风压力等关键变量之间耦合关系的深入分析，这限制了在复杂地下条件下粉尘控制效率的进一步提升。

总之，现有的粉尘抑制研究为矿山粉尘控制提供了重要支持。表1比较了典型粉尘抑制技术的优缺点。传统的轴流喷射通风主要依靠气流携带粉尘，但由于缺乏有效的侧向限制，在巷道湍流干扰下容易导致粉尘扩散[29]。虽然单层软密封或部分封闭的空气幕技术可以形成局部屏障阻挡粉尘传播，但它们通常密封性能不足，在复杂流场中稳定性差，对可吸入粉尘的捕获效率有限[30]，[31]。在通风除尘领域，很少有研究关注多变量协同控制。本研究提出了一种隐形空气幕系统，通过轴向风管上游的径向风管改变气流方向，形成射流-空气幕组合流场。该设计创新地将轴流射流和径向空气幕结合在一起，实现源头主动拦截粉尘，而非依赖传统通风系统的被动稀释。轴流射流在掘进面附近携带和输送粉尘颗粒，而径向空气幕形成封闭的横向屏障，阻止粉尘向下游扩散。通过优化轴向空气流量与径向空气流量的比例及压力空气流量，所提出的系统实现了更稳定、高效且节能的粉尘控制效果。

章节摘录

气流场的数值建模

当马赫数低于0.3时，可假设空气为不可压缩流体[32]，[33]。我们模拟中的最大气流速度为29.17 m/s，对应的马赫数为0.085，远低于0.3。鉴于通风速度较低且掘进面空气密度变化可忽略不计，这一假设保证了计算的准确性和效率。

考虑到掘进面气流的湍流特性，采用了欧拉方法

几何建模

根据位于山西省的煤矿现场条件，本研究建立了一个三维几何缩放模型，如图1所示。该模型包括一个长60.0米、宽5.6米、高3.55米的矩形巷道。

巷道内主要设备为EBZ220掘进机，其切割部分位于巷道工作面附近。巷道左侧设有直径为0.8米的压力风管

与传统通风方法的比较

本研究通过将“隐形空气幕”通风方法与传统通风方法进行对比，评估了其在地下粉尘控制中的实际效果。两种通风系统的压力空气流量均设为500 m3/min，排风流量设为385 m3/min。如图4所示，仿真结果清楚地显示了两种技术在气流模式和粉尘控制效果上的显著差异。

在

对比实验验证

为了准确模拟实际矿井掘进面中气流与粉尘的相互耦合和扩散行为，并验证新型通风方法的粉尘控制效果，本实验采用了3D打印技术。基于几何相似性原理，建立了一个1:20比例的缩放巷道模型[66]。如图9所示，该模型包括轴向-径向风管等关键部件。此外，实验系统还

结论

本研究探讨了机械化掘进区域中气流与粉尘的耦合扩散现象，为“隐形空气幕”通风技术在粉尘控制中的进一步应用提供了理论支持：

(1)

本研究提出了一种新型的“隐形空气幕”系统用于综合粉尘控制。数值仿真和现场测试揭示了气流场的机制。隐形空气幕和涡流结构实现了高效的粉尘限制。在轴向气流比例为

CRediT作者贡献声明

于海明：撰写——审稿与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取、正式分析。李文心：撰写——初稿撰写、可视化、软件应用、资源准备、方法论设计、数据整理、概念构建

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52374217）国家重点研发计划（项目编号：SQ2023YFC2500015）以及山东省高校青年创新团队计划（项目编号：2024KJH058）的支持。