溜井在礦山生產中有著廣泛應用，隨著礦山開采深度的增加，部分主溜井深度已達到數百米，在高深溜井卸礦時，高速下落的礦石會在下部卸礦口形成高速沖擊氣流，攜帶大量粉塵進入放礦硐室和相連巷道，導致作業環境嚴重污染。粒徑小于10 μm粉塵會通過呼吸道進入作業人員體內，長期暴露可能引發塵肺病等職業健康問題。此外，粉塵的彌散還會加速設備零件的磨損，導致噴嘴堵塞等問題，從而影響設備的正常運行，增加維護成本和生產中斷風險。溜井卸礦產生的粉塵問題伴隨溜井使用存在已久，因其沖擊風速高、產塵濃度大、擴散速度快以及間斷產生等特點，成為了金屬礦山開采過程中的一大難題。

國內外的研究者在沖擊氣流和誘導粉塵控制領域開展了廣泛研究，并取得了階段性的進展和富有成效的研究成果。在充分總結前人研究成果的基礎之上，東北大學常德強副教授團隊沖擊氣流形成與粉塵運動機理、沖擊氣流與粉塵控制技術以及降塵技術應用存在的問題3個方面，系統梳理與總結了溜井卸礦沖擊氣流與粉塵控制研究現狀與發展歷程。在此基礎上，凝練了溜井粉塵的成因機理及現有污染控制技術在實際應用中的效果和問題，對其未來發展趨勢和研究方向進行了探討，旨在為提升礦山粉塵治理效能、保障井下作業人員職業健康提供有益的參考。

沖擊氣流形成與粉塵運動機理

溜井粉塵的產生與礦石下落過程中產生沖擊氣流密切相關，誘導產生的粉塵量與沖擊氣流的強度成正比。礦石下落過程中，其重力勢能轉換為動能，并傳遞給溜井及相鄰硐室、巷道內的空氣，從而形成沖擊氣流。礦石在下落過程中受到的阻力轉化為氣流的能量，并沿礦石向上運動。由于壓強的變化，溜井內礦石上部原本靜止的空氣會向礦石運動路徑移動，兩者相遇時在礦石上部形成渦流，形成的負壓帶動礦石后方支岔溜井口氣流由巷道內流入溜井。礦石運動擠壓底部空氣，使其從下方支岔溜井口沖出。隨著礦石下落速度的不斷增加，所產生的風流速度也逐漸增強。當礦石下落至底部時，其動能轉化為氣流的能量。氣流獲得的能量釋放后形成沖擊氣流，并向上運動，從最近的支岔溜井口沖出。這一過程揭示了礦石下落與氣流運動之間的耦合關系，為理解溜井卸礦過程中粉塵和氣流的擴散機制提供了依據。

圖1 溜井內礦石下落風流運動過程示意

溜井卸礦過程中沖擊風速與粉塵生成及擴散機制涉及多維度影響因素。其中卸礦沖擊風速的主要影響因素包括卸礦量、礦石直徑、下落高度、溜井斷面及阻力系數等。而影響粉塵產生的主要因素有礦石下落高度、礦石碰撞情況、溜井壁面粉塵殘留等。另外，粉塵擴散遷移路徑受礦石粉塵粒徑、礦石密度以及氣流與粉塵之間相互作用的共同控制。

溜井卸礦沖擊氣流與粉塵的模擬與試驗研究

由于溜井位于地下深處，直接在井下進行試驗研究存在諸多困難，因此國內外學者廣泛采用計算流體力學（CFD）軟件，對溜井卸礦過程中風流與粉塵運動規律進行分析和研究。常用的CFD軟件包括Ansys Fluent、Star CCM+等，這些工具為溜井卸礦過程的模擬提供了高效的技術支持。其中礦石流模型包括簡化的圓柱體以研究卸礦過程中風流的運動情況，以及使用離散相模型生成的礦石顆粒流同時研究風流與粉塵的運動。

由于仿真模擬與實際工況存在一定偏差，將試驗研究與數值模擬相結合能夠顯著提高研究的準確性和可靠性。試驗研究主要分為直接試驗和間接試驗兩類。直接試驗通過在各中段巷道內布置風速與粉塵濃度測量裝置，獲取不同卸礦流量、卸礦位置相應的沖擊風速與粉塵濃度數據。然而，直接試驗的研究范圍有限，無法觀測到溜井內部的詳細情況，并且會對礦區正常卸礦作業造成干擾，因此實際應用較少。相比之下，間接試驗基于相似理論，通過搭建等比例縮小溜井模型進行試驗研究，能夠更全面地模擬卸礦過程中的風流和粉塵運動。

沖擊氣流與粉塵控制技術研究現狀

溜井卸礦產生的粉塵控制主要集中在兩個方面，一是對沖擊風流的控制，通過限制風流的運動間接控制粉塵的擴散；二是直接對粉塵進行處理，采取措施降低粉塵產生量或者捕獲粉塵。

沖擊風流的控制常用的技術手段包括密閉和泄壓井分壓，同時配合必要的組織管理。

（1）密閉。通過將卸礦口密閉，形成獨頭巷道，使含塵氣流僅在溜井內運動，從而減少粉塵擴散。常見的溜井密閉形式包括在卸礦口安裝封閉門、密閉罩，在溜井內安裝擋風板，以及在巷道內安裝隔塵簾等。

（2）泄壓井分壓。在主溜井旁構建平行泄壓井，并通過水平聯絡通道將兩者連通，可以對沖擊風流進行分流，使其在泄壓井與主溜井之間循環，從而削弱風流強度。

（3）組織管理措施。主要包括：①減少單次卸礦量，②延長卸礦間隔，③降低卸礦高度等。

溜井降塵技術應用存在的問題

（1）溜井的特殊空間結構限制了部分降塵手段的應用。井內空間狹小，使許多除塵設備難以直接安裝和運行。雖然粉塵源于溜井內部，卻無法采用直接灑水等簡易方式進行抑塵。盡管泡沫除塵技術可直接作用于井內塵源，但其所需的發泡與壓力供給系統在礦井環境中安裝和維護復雜度較高。

（2）有效的風流控制措施實施難度大。頻繁的風流沖擊導致密閉裝置易失效漏風。卸礦口處的封閉設施需經常啟閉，不僅操作不便，部件也易因磨損而縮短壽命。開鑿泄壓井等工程措施工程量巨大、耗時較長，難以快速解決粉塵問題。

（3）噴霧降塵效果不穩定，且噴嘴易發生損壞。高濃度、高速度的粉塵導致霧滴與粉塵接觸時間不足，除塵效率下降。此外，因風流和粉塵濃度變化，固定噴霧參數難以適應動態工況，易造成粉塵逃逸。井下高濕環境還會使噴嘴表面形成水膜，加速銹蝕，增加維護頻次。

（4）濕式除塵器污水處理困難，干式除塵器易發生堵塞。高效除塵器通常體積較大，井下巷道安裝條件受限。除塵設備運行產生的噪聲也會干擾作業人員，并可能造成健康損害。濕法除塵耗水量大，產生的污水在井下難以有效處理；袋式除塵器在高濕條件下清灰效果差，濾料易粘附堵塞，增大通風阻力，影響除塵效果?，F有清灰技術及其效果仍有待提升。

下一步研究方向

噴霧降塵方面，未來需融合傳感技術與機器學習算法，實現噴霧參數根據風流速度、粉塵濃度進行動態調節，以實現低耗水與高效降塵的平衡；研發高效抑塵添加劑，結合超細霧化技術、電荷調控技術，增強霧滴對疏水性粉塵的吸附和團聚能力；開發抗銹蝕噴嘴材料，解決噴嘴堵塞與腐蝕問題。

濕式除塵技術需通過對除塵器結構的優化，綜合利用慣性、離心力等多種捕塵機制以及超聲空化等輔助作用，增強對PM2.5的捕集效率；通過對污水的凈化回用，減少耗水量和二次污染。

干式除塵技術需突破高濕環境下濾料黏結的問題，采用梯度結構設計、表面超疏水拒水處理等技術，提高過濾材料的疏水耐濕性能；結合聲波松動、高頻動態脈沖等技術實現含濕粉塵層的高效清灰；特別關注高效礦用濾筒式除塵器研發，采用緊湊型模塊化設計，滿足井下狹窄空間使用要求。構建“氣流控制—封閉隔離—粉塵凈化”的多元協同控制體系，提高溜井粉塵控制的可靠性與效率。

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作者簡介

常德強

東北大學副教授，博士，博士研究生導師，美國明尼蘇達大學顆粒物試驗室與過濾研究中心訪問學者，中國產業用紡織品行業協會過濾與分離用紡織品分會副秘書長，中國職業安全與健康協會工業防塵委員會委員，全國非煤礦山安全生產專家，遼寧省職業健康專家，主要從事顆粒物控制理論與材料、工業通風與除塵、礦井通風與深井熱害控制等方面的教學科研工作。主持國家自然科學基金、工信部綠色制造集成、遼寧省科技計劃、山東省科技計劃、遼寧省教育廳基本科研項目等縱向項目5項，承擔并參與國家“863”、科技支撐計劃、重點研發計劃項目及省部級計劃項目十余項、企業委托課題百余項。獲中國有色金屬工業科學技術獎、中國紡織工業聯合會科學技術獎等科技獎勵2項，起草國家、行業及團體標準5項，授權發明專利7項，在《Aerosol and Air Quality Research》《Separation and Purification Technology》《Aerosol Science and Technology》《安全與環境學報》《金屬礦山》等國內外期刊/會議上發表學術論文30余篇。

《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會主辦，主編為中國工程院王運敏院士，現為北大中文核心期刊、中國科技論文統計源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學術論文來源期刊）、中國百強報刊、RCCSE中國核心學術期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區優秀期刊，被美國化學文摘（CA）、美國劍橋科學文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學技術振興機構數據庫（JST）等世界著名數據庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機電與自動化、安全環保、礦山測量、地質勘探等領域具有重大學術價值或工程推廣價值的研究成果，優先報道受到國家重大科研項目資助的高水平研究成果。根據科技部中國科技信息研究所發布的《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種礦業工程技術學科核心期刊第1位；根據中國知網發布的《中國學術期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學科影響力位居73種礦業期刊第9位。

供稿：曾文旭

編排：余思晨

審核：王小兵

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