协同风幕—湿式涡旋除尘系统在连续采煤机工作面上的工程应用与优化

为什么煤矿更洁净的空气很重要

在深地下，强力切割机使全球煤炭供应持续运转——同时也在空气中扬起成团的细微粉尘，矿工不得不呼吸这些空气。这些粉尘不仅令人不适；它们会永久损伤肺部，在极端情况下还可能助长致命的爆炸。本文总结的研究针对一个非常务实的问题：工程师如何通过重塑这些切割机周围的气流，使大部分粉尘在产生点数米范围内被捕获，而不是沿巷道飘向工人？

一种控制矿尘的新方法

传统的地下除尘措施依赖喷水和大型通风风机来稀释并带走污浊空气。但在中国某煤矿，研究团队面临更严峻的情况。侧向切割头的连续采煤机需要在煤层上方切穿坚硬岩石，产生异常浓密且快速运动的粉尘云。巷道和设备的布置导致粉尘并不只是向前扩散离开；它向侧面和后方盘旋回流至工作区，超出了标准系统的控制范围。为了解决这一问题，团队设计了一套紧凑的除尘装置，直接安装在连续采煤机上，并与沿巷道墙面的成型“风幕”协同工作。

湿式涡旋除尘器如何净化空气

该系统的核心是一台约两米长的湿式涡旋除尘器，小到可以搭载在采煤机上。一个强劲的电机驱动叶轮，从切割头附近吸入含尘空气。在内部，一层薄水膜被打碎成细小液滴并被旋转成紧密的涡流。粉尘颗粒撞击液滴并聚集在一起，在离心力作用下被甩向壳体壁面，然后以污水形式排出。被净化的空气通过消雾器——实质上是一组叶片，用于去除残余液滴——然后再被吹回到巷道中。通过将吸入、洗涤和气水分离结合在一个单元内，除尘器能够处理与辅助通风系统向工作面输送的空气量大致相当的风量，但其重点是紧盯瞬时产生的尘源。

塑造气流：墙体安装的风幕

第二个关键要素是一个贴墙的风道，空气从该风道向两个方向排出：沿巷道（轴向流）和横穿巷道（侧向流）。通过调节两种方向的风量分配，工程师可以形成一个无形的屏障，将粉尘引导到除尘器，而不是让其沿巷道逸散。利用计算流体力学——先进的气流模拟——团队测试了不同的“配方”来分配轴向与侧向出风，并在虚拟巷道中观察粉尘云的运动。在粉尘源与风道位于同侧的巷道中，强烈的侧向推进效果最佳：将风道空气的80%侧出、20%轴向排出，可将严重粉尘云限制在距离切割头约10米范围内，完全落在除尘器的可控范围之内。

在更复杂巷道中寻找合适的平衡

相邻的巷道则提出了更难的难题，因为粉尘源与强迫风道位于对侧。在此情形下，侧向气流不足无法形成有效屏障，粉尘自由扩散。但侧向气流过强、沿巷道气流很少，也会带来问题：湍流增强，风幕被撕裂成涡旋，粉尘被搅动而不是固定住。模拟显示，约40%轴向与60%侧向的平衡分配是最佳选择。在这种配置下，沿巷道的气流仍有助于将源头处的粉尘“压下”，而侧向射流穿过巷道形成稳定的风幕，阻止粉尘向操作工站点飘移。

对矿工肺部的实际益处

在计算机上确定了这些优选的空气分配比后，团队在实际矿井中安装了完整系统——湿式涡旋除尘器加调谐的墙体风道。他们在矿工工作附近的多个点布置监测仪，比较系统关停和开启时的粉尘浓度。改善效果显著：总尘浓度下降约94%，更细、危害更大的“可吸入”粉尘在两个巷道中都下降了约90%或更多。作者指出这些具体数值适用于该矿的布局和岩石类型，但核心信息一目了然：通过精细引导气流并在粉尘源头就进行清洗，有可能将采煤机周围的遮天蔽目的粉尘风暴转变为更清洁、更安全的工作空气。

引用: 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

关键词: 煤矿粉尘, 通风, 风幕, 湿式除尘器, 工人健康