《Powder Technology》：Experiment study on foam-based collaborative suppression for mitigating impact airflow and dust in ore pass
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协同降尘策略在矿石溜槽卸载中的应用研究。通过正交实验设计优化动态泡沫喷射流量（70ml/s）、持续时间（12s）和矿仓预注泡沫量（400ml），结合卸载港动态喷射与矿仓预注射协同作用，粉尘抑制效率达95.83%，较单点方法提升超30%。
徐宇|文世一|李刚|郭一飞|李志军
中南大学资源与安全工程学院，中国长沙410083
摘要
矿石卸载口是地下采矿中主要的粉尘来源，矿石撞击产生的气流扰动会促进颗粒物的扩散。基于泡沫的抑制方法在矿石转运过程中已被证明可以有效减少此类粉尘。本研究开发了一种协同粉尘抑制策略，将卸载口的动态泡沫喷洒与矿石仓内的预注入泡沫相结合。通过正交实验设计，我们研究了关键泡沫参数——卸载口的喷洒流量和持续时间，以及仓内预注入泡沫的体积——对气流模式和粉尘生成的影响。卸载口泡沫喷洒与仓内预注入泡沫之间的协同作用显著增强了粉尘抑制效果，最高效率达到了95.83%。通过正交实验确定的最佳工艺参数为：卸载口泡沫喷洒流量为70毫升/秒，喷洒持续时间为12秒，仓内预注入泡沫体积为400毫升。与单一位置的粉尘抑制方法相比，在相似的泡沫消耗条件下，这种协同方法对碰撞引起的粉尘和空气中的粉尘具有更有效的控制效果，粉尘抑制效率提高了30%以上。
引言
职业性尘肺病对矿工的健康构成了严重威胁[1]。矿石转运系统是金属矿山运输过程中的关键环节。然而，矿石从转运过程中卸载时会产生大量粉尘，对矿山的运输和通风系统造成重大污染风险[2,3]。这些通常高度达数十至数百米的垂直结构在矿石卸载过程中由于高速撞击会产生大量粉尘排放[4,5]。由此产生的含尘气流会加剧矿井内部颗粒物的扩散[6,7]。如此高浓度的空气中的粉尘对矿工的健康构成严重威胁，并影响整体安全状况[8,9]。因此，开发有效的粉尘抑制策略已成为采矿工程的研究重点。
两种主要的粉尘抑制技术已成为解决矿石转运过程中高浓度粉尘问题的主要方案：气水喷雾和基于泡沫的系统[[10], [11], [12]]。气水喷雾系统利用高压水雾化技术产生微米级液滴来捕捉空气中的颗粒物，还可以集成到多级粉尘管理的集中控制系统中[13,14]。王等人通过 Lilou 矿山的集成空气幕喷雾系统展示了这一点[11]，他们优化了关键参数，如空气幕排气距离（0.05米）、孔径直径（0.01米）、喷雾角度（30°）和喷口速度（20米/秒）。他们的后续研究确定了最佳的气水比例和位置，当气流速度小于1.5米/秒时，粉尘抑制率达到67%[15]。尽管蒸汽喷雾相比传统喷雾减少了水耗并减少了矿石团聚，但喷嘴堵塞的问题仍然存在。此外，喷水会在地下环境中产生高湿度，可能对工人产生不利影响。
基于泡沫的粉尘抑制剂具有出色的润湿性和广泛的覆盖范围，可以有效控制可吸入粉尘和爆炸性粉尘[16,17]。该技术还具有工程要求低、成本效益高、抑制能力强以及耗水量少的优点[18,19]。其有效性已在多种采矿作业中得到验证。丁等人在煤矿隧道掘进中应用泡沫抑制剂，实现了总粉尘抑制率87.9%，可吸入粉尘抑制率76.0%[20]。董等人通过分子优化开发了一种基于SPI的聚合物泡沫，在隧道和煤矿中实现了超过98%的PM10粉尘抑制率[17]。季等人通过将泡沫发生器与喷嘴分离，提高了矿山中的粉尘去除效率，优于水喷雾[21]。周等人设计了一种高膨胀泡沫，用于螺栓钻孔，分别减少了91.9%的总粉尘和93.6%的可吸入粉尘[22]。
基于泡沫的粉尘抑制剂在减弱冲击气流和提高粉尘收集效率（尤其是可吸入粉尘）方面具有显著优势，有效防止粉尘进入分支矿石转运道的连接巷道，并显著减少了对作业环境的影响。王等人发现，在四级卸载过程中，当仓内泡沫预注入高度为15厘米时，粉尘抑制效果最佳（效率低于65%），这揭示了单一位置预注入的局限性[11]。曾等人确认了最佳的气液比例，但注意到不同层级之间的性能存在差异（第四层级为60%，第三层级为28%[23]）。李等人（2024b）在卸载口发现了最高64.48%的效率，并指出了单一位置应用的双重效果限制[24]。尽管基于泡沫的抑制技术具有一定的优势，但在单一位置使用时其效率仍低于70%，基于泡沫的粉尘去除技术需要进一步改进。
不同的粉尘抑制方法通过不同的机制发挥作用，它们的互补特性使得协同方法成为高效粉尘控制的最佳选择[25]。王等人证明，在矿石转运过程中，将高压空气幕（防止水平扩散）与气水喷雾（直接捕捉颗粒物）结合使用，其效果显著优于单一方法[11]。同样，张等人使用壁挂式风管和喷雾系统，粉尘减少了十倍[26]。欧阳等人进一步发现，微气泡和表面活性剂之间的协同作用可以提高喷雾效率，尤其是对可吸入粉尘[27]。先前的研究为改进矿石转运过程中的基于泡沫的粉尘抑制提供了重要见解。
在单一位置施加泡沫的效果有限，因为粉尘抑制涉及双重机制。虽然在单一点注入泡沫可以促进粉尘颗粒的碰撞和捕获，从而降低空气中的粉尘浓度，但它无法解决矿石在卸载口移动时产生的冲击气流问题。因此，整体粉尘去除效果仍不令人满意。鉴于卸载口和矿石仓内粉尘控制之间的互补机制，本研究提出了一种结合卸载口泡沫喷洒与仓内预注入的协同方法。这种方法通过确保泡沫与粉尘之间的有效相互作用并减轻冲击气流来提高粉尘控制效果。为了验证结合卸载口泡沫喷洒和仓内预注入的协同粉尘抑制方法的可行性，分析了三个关键影响因素：卸载口泡沫喷洒的体积流量、泡沫喷洒的持续时间以及仓内预注入泡沫的体积。讨论了基于泡沫的粉尘抑制在矿石仓中的多因素相互作用以及这些因素对气流变化和粉尘抑制效率的影响。
协同粉尘抑制机制
提出了一种协同粉尘抑制方法，以提高基于泡沫的粉尘抑制效率，该方法在矿石仓或卸载口之一施加泡沫。该方法结合了卸载口的泡沫喷洒和仓内的泡沫预注入。示意图如图1所示。所提出的协同粉尘抑制方法结合了卸载口的泡沫喷洒和仓内的泡沫预注入，基于两个关键因素
相似性标准
鉴于矿石转运口尺寸较大且安全风险较高，进行现场实验被认为是不可行的。因此，本研究采用了基于相似性的实验方法。推导出控制矿石转运过程中基于泡沫的粉尘抑制关键物理过程的相似性标准，以模拟现场条件下观察到的参数变化模式。详细信息总结在表1中。
矿石转运实验平台的建立
基于一个40米高的双级矿石转运口
正交实验设计
为了确定粉尘抑制泡沫参数对气流和粉尘生成的影响程度，并确定最佳泡沫参数，本研究采用了正交实验设计。基于协同粉尘控制和以往研究的原则，考察了三个关键因素：(A) 卸载口泡沫喷洒的体积流量（30毫升/秒；50毫升/秒；70毫升/秒），(B) 泡沫喷洒的持续时间（6秒；9秒；12秒），以及(C) 仓内预注入的泡沫体积
协同粉尘抑制组的比较分析
将正交实验结果与单一位置泡沫应用的结果进行比较，以进一步分析结合卸载口泡沫喷洒和仓内预注入泡沫的协同方法的粉尘抑制效果。在单一位置泡沫应用实验中，最佳粉尘抑制效果是在一级卸载口喷洒泡沫时获得的，效率为64.48%，总泡沫消耗量为900毫升（泡沫
结论
本文提出了一种结合卸载口泡沫喷洒和仓内预注入泡沫的协同粉尘抑制方法。通过正交实验探讨了卸载口泡沫喷洒的体积流量（A）、泡沫喷洒持续时间（B）以及仓内预注入泡沫体积（C）对气流影响和粉尘抑制效率的影响。比较了协同粉尘抑制实验的结果
CRediT作者贡献声明
徐宇：撰写——原始草稿，可视化，验证，资源，方法论。文世一：撰写——原始草稿，验证，调查，正式分析，概念化。李刚：软件，资源，正式分析，数据管理。郭一飞：资源，方法论，调查。李志军：撰写——审稿与编辑，监督，方法论，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了湖南省自然科学基金（2025JJ60312）、香港学者计划（XJ2023039）、中国香港特别行政区研究资助委员会的一般研究资助（CityU 11205223）、长沙市自然科学基金（kq2502022）的支持。
