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在煤矿掘进过程中，煤尘污染严重危害井下工人健康。研究人员针对此开展了超细水雾分区多级抑尘系统（ultrafine water mist partition multistage dust suppression system）的研究。结果显示该系统使巷道总粉尘和呼吸性粉尘平均降尘效率分别达 91.74% 和 93.4% ，有效控制了粉尘污染。
在煤炭开采的世界里，煤矿掘进就像一场与粉尘的 “持久战”。随着全球经济的飞速发展，煤炭作为重要能源，其产量持续攀升。中国作为煤炭生产大国，2023 年煤炭总产量高达 47.1 亿吨，占全球总产量的 51.8% 。然而，机械化采煤设备的广泛应用，却让井下工人陷入了粉尘的 “包围圈”。在煤矿掘进时，大量煤尘肆意飞扬，不仅把工作环境变得乌烟瘴气，还严重威胁着工人们的身体健康。据统计，中国职业病发病率居高不下，尘肺病案例数量庞大，即便近年来有所下降，但新确诊病例数依然不容小觑。而且，高浓度的煤尘还像隐藏的 “定时炸弹”，随时可能引发井下爆炸和火灾事故，给煤炭企业和社会带来巨大的经济损失。为了打破这一困境，辽宁工程技术大学等机构的研究人员挺身而出，致力于解决煤矿掘进巷道的粉尘污染问题。他们的研究成果发表在《Scientific Reports》上，为这场 “粉尘之战” 带来了新的曙光。
研究人员为解决问题，采用了多种关键技术方法。首先，运用数值模拟技术，借助 COMSOL 软件，依据实际测量尺寸建立 1:1 几何模型，模拟巷道内气流和煤尘的运动情况。同时，选用标准k??模型来描述湍流流动，利用粒子追踪模型分析煤尘和水雾粒子的运动轨迹，以此深入探究粉尘迁移规律和抑尘系统效果。
数值模拟分析
- 不同条件下的气流场和粒子场分析：研究人员通过模拟不同通风条件下的气流场和煤尘粒子场，发现当湿尘去除风扇未开启时，0 - 10m 范围内风速变化大，受加压风管影响，部分气流在掘进机驾驶室附近形成涡流，之后大部分气流向后移动并稳定在约 1m/s 。开启风扇后，部分气流被吸入风管，涡流位置改变，远离驾驶室。对于煤尘粒子，在风扇未开启时，5s 时煤尘在气流作用下快速扩散，10s 时部分扩散至压缩空气侧，30s 时覆盖切割头并基本扩散至隧道尾部，50s 时填满整个隧道。风扇开启后，煤尘扩散趋势受抑制，扩散距离缩短。
- 超细水雾分区多级抑尘系统的气流规律分析：在对该抑尘系统的气流研究中，发现速度变化大的区域主要在 0 - 10m ，受多种装置影响。风管高速气流冲击工作面形成高速流场，之后速度衰减。切割头雾化器装置和全断面雾化器装置喷射的气流也对整体气流分布产生影响。通过截取不同位置的速度截面云图分析，进一步明确了隧道内不同区域的气流速度变化情况。
- 超细水雾分区多级抑尘系统的水雾粒子规律分析：研究人员观察不同时间水雾粒子的三维空间分布，发现 2s 时水雾粒子以 8m/s 的速度包围切割头并扩散至工作面，不同全断面雾化器装置产生的水雾粒子扩散速度和范围有所差异。6s 时工作面基本被水雾粒子覆盖，部分粒子被风扇吸入或沿隧道回风侧扩散。10s 时大量水雾粒子在切割头附近捕获沉降煤尘，同时在回风侧扩散并形成雾幕，有效阻挡粉尘扩散。
现场应用
- 除尘系统研发：研究人员开发的超细水雾分区多级抑尘系统，由超音速气动雾化装置、湿尘去除风扇和智能控制组件组成。其中，雾化装置使用的超音速吸水气动雾化喷嘴，基于超音速雾化原理，能使液体形成微米级液滴，具有良好的雾化效果。
- 现场应用验证：在旗盘井煤矿 I040901 掘进工作面进行现场应用验证，合理布置抑尘系统。通过对比模拟和实际的巷道气流速度，分析水雾扩散规律。结果表明，该系统成功将隧道分为三个区域，实现分区逐步降尘。使用 AKFC - 92A 粉尘采样器测量不同位置的粉尘浓度，发现总粉尘和呼吸性粉尘的平均降尘效率分别达到 91.74% 和 93.4% 。
研究结论表明，该超细水雾分区多级抑尘系统有效解决了煤矿掘进巷道的粉尘污染问题。其不仅明确了气流和煤尘的运动规律，而且该系统在现场应用中展现出高效的降尘能力。这一研究成果为煤矿安全生产提供了有力保障，大幅降低了工人患尘肺病的风险，减少了因粉尘引发的安全事故，对煤炭行业的可持续发展具有重要意义。同时，也为其他类似的地下工程粉尘治理提供了宝贵的经验和参考范例，推动了整个行业在粉尘治理技术方面的进步。
