Инженерное применение и оптимизация синергетической системы пылеулавливания «воздушная завеса — влажный вихревой очиститель» на участках с непрерывным комбайном

Почему важно чище дышать в угольных шахтах

Глубоко под землей мощные резательные машины обеспечивают добычу угля — одновременно заполняя воздух облаками мелкой пыли, которую приходится вдыхать шахтёрам. Эта пыль — не просто раздражитель; она может навсегда оставлять рубцы на лёгких и в худших случаях способствовать смертельно опасным взрывам. Исследование, кратко изложенное здесь, решает очень практический вопрос: как инженерам перенастроить поток воздуха вокруг этих машин так, чтобы большая часть пыли захватывалась в пределах нескольких метров от места её образования, а не уносилась по штреку в сторону работников?

Новый способ укротить шахтную пыль

Традиционный подземный контроль пыли опирается на распыление воды и использование больших вентиляционных вентиляторов для разбавления и удаления загрязнённого воздуха. Но на одной конкретной китайской шахте авторам пришлось столкнуться с более сложной ситуацией. Непрерывный комбайн с боковой режущей головкой приходилось обрабатывать твёрдую породу над пластом угля, что создаёт исключительно плотные, быстро движущиеся пылевые облака. Планировка штреков и расположение оборудования означали, что пыль не просто уносилась вперёд и прочь; она закручивалась в стороны и возвращалась к рабочим, далеко за пределы досягаемости стандартных систем. Чтобы решить эту проблему, команда разработала компактную систему пылеулавливания, монтируемую прямо на комбайн и работающую в сочетании с формованной «воздушной завесой» вдоль стены штрека.

Как влажный вихревой очиститель очищает воздух

В основе системы лежит влажный вихревой пылеуловитель длиной около двух метров, достаточно компактный, чтобы размещаться на горном комбайне. Мощный двигатель приводит во вращение рабочее колесо, которое всасывает воздух, насыщенный пылью, вблизи режущей головки. Внутри тонкая пленка воды разбивается на мелкие капли и закручивается в плотный вихрь. Частицы пыли сталкиваются с каплями, слипаются и центробежной силой выбрасываются на стенку корпуса, после чего стекают как загрязнённая вода. Очищенный воздух проходит через демистер — по сути набор лопаток, удаляющих оставшиеся капли — прежде чем быть снова выпускным в штрек. Объединив всасывание, промывку и разделение воздуха и воды в одном блоке, этот очиститель способен обрабатывать примерно тот же объём воздуха, который подаёт вспомогательная вентиляция к забою, но с сильным акцентом на непосредственный источник пыли.

Формирование потока: настенная воздушная завеса

Второй ключевой элемент — это настенный воздуховод, выпускающий воздух в двух направлениях: вдоль штрека (осьовой поток) и поперёк него (боковой поток). Регулируя, какая доля воздуха идёт в ту или иную сторону, инженеры могут создать невидимый барьер, который направляет пыль к пылеуловителю, а не позволяет ей уноситься по проходу. С помощью компьютерной гидродинамики — продвинутого моделирования потоков воздуха — команда протестировала разные «рецептуры» распределения воздуха между осевыми и боковыми выходами и проследила движение пылевых облаков в виртуальных штреках. В штреке, где источник пыли и воздуховод располагались с одной стороны, лучше всего сработал сильный боковой поток: при распределении примерно 80% воздуха в боковую струю и 20% — по оси серьёзное пылевое облако ограничивалось примерно 10 метрами от режущей головки, что находилось в зоне досягаемости очистителя.

Поиск правильного баланса в более сложном штреке

Соседний штрек создал более сложную задачу, потому что источник пыли и принудительный воздуховод оказались по разные стороны. Здесь недостаточный боковой поток не формировал эффективного барьера, позволяя пыли свободно распространяться. Но и слишком сильный боковой поток при очень малом осевом имел свои проблемы: турбулентность возрастала, завеса распадалась на вихри, и пыль перемешивалась, а не удерживалась. Моделирование показало, что оптимальным оказался сбалансированный расклад — примерно 40% осевого и 60% бокового потока. В этой конфигурации воздух, движущийся вдоль штрека, по-прежнему помогал «придавливать» пыль у источника, в то время как боковая струя пересекала проход и формировала устойчивую завесу, препятствовавшую дрейфу пыли к рабочему месту операторов.

Практический эффект для лёгких шахтёров

Выявив эти предпочтительные соотношения распределения воздуха в компьютере, команда установила полную систему — влажный вихревой очиститель и настроенный настенный воздуховод — в реальной шахте. Мониторы разместили в нескольких точках рядом с рабочими местами и сравнили уровни пыли при выключенной и включённой системах. Улучшение оказалось впечатляющим: суммарная пыль сократилась примерно на 94%, а более мелкая, более опасная «респирабельная» фракция упала примерно на 90% и более в обоих штреках. Авторы отмечают, что эти точные цифры относятся к данной планировке шахты и типу породы, но главный вывод прозрачен: при аккуратном управлении потоками воздуха и очистке прямо у источника возможно превратить слепящие пылевые бури вокруг горных машин в существенно чище и безопаснее воздух для людей, работающих рядом с ними.

Цитирование: Wang, J., Hu, S., Zhang, X. et al. Engineering application and optimization of a synergistic air curtain–wet vortex dust control system at continuous miner faces. Sci Rep 16, 6462 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36006-2

Ключевые слова: пыль угольной шахты, вентиляция, воздушная завеса, влажный пылеуловитель, здоровье работников