全机械化隧道掘进面中压缩空气驱动的喷雾炮雾化技术：性能优化与降尘机制研究

《Powder Technology》：Compressed-air driven mist cannon atomization technology in the fully mechanized tunneling face: Performance optimization and dust reduction mechanism research

　　•已研发出压缩空气驱动的雾炮。•找到了最佳的雾化性能方案。•对比分析了优化前后的雾化效果。•总粉尘和可吸入粉尘的抑制效率有了显著提升。

引言
短期内，煤炭作为中国主要能源的地位不会改变。其在能源结构中的消耗量将在很长一段时间内保持较高水平，依然是支撑经济社会运行的核心支柱[1]、[2]、[3]。随着煤矿开采强度的增加，综合机械化掘进已成为煤矿的主要作业方式。这一方式不仅大幅提升了生产效率，也会导致工作面粉尘浓度急剧上升[4]、[5]、[6]。高浓度的粉尘会在狭窄的隧道中扩散，使现场作业人员长期处于高风险的粉尘环境中[7]、[8]。持续吸入可吸入粉尘容易引发尘肺病，该病潜伏期长、病程不可逆且缺乏根治方法，致残率和死亡率依然居高不下[9]、[10]、[11]。煤矿严重的粉尘污染已成为重大的职业健康问题。根据《中国卫生发展统计公报》，2024年新增职业性尘肺病患者7312例，其中4074例来自煤矿行业，占总数的55.7%。尽管近年来尘肺病病例数呈下降趋势，但煤矿粉尘危害的防控形势依然严峻。图1(a)展示了2014年至2024年间的新发职业病及尘肺病病例情况。

为落实国家职业安全健康战略的要求，确保隧道掘进的安全高效推进，有效控制掘进面的严重粉尘污染是改善作业环境的关键环节。目前，国际上主流的矿井粉尘控制方法包括通风除尘、喷雾抑尘以及化学泡沫抑尘[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]，如图1(b)所示。其中，喷雾抑尘技术因其设备简单、效果直接、抑制能力强等优势，已被广泛应用于全机械化掘进面[18]、[19]、[20]。基于此，国内外相关领域的专家学者对喷雾降尘机制及工艺参数优化进行了大量深入研究，积累了大量可靠的实验基础和研究成果。

一些研究人员针对单个喷嘴的雾化特性及抑尘效果开展了研究。王等人通过数值模拟和喷雾抑尘实验，研究了供气压力对内混式气助雾化喷嘴的雾化特性及抑尘效率的影响，发现存在能使抑尘效率达到最大的最佳供气压力[21]。于等人采用多尺度方法分析了压力旋流喷嘴的整个雾化过程，得到了液滴速度、粒径和浓度分布情况，数值模拟结果与实验结果吻合良好[22]。侯等人研究了喷嘴出口直径、收缩角和中心孔径对压力旋流喷嘴的雾化及抑尘性能的影响，确定了最佳的结构组合，优化后PM2.5和PM5的除尘效率分别提升了14.29%和16.52%[23]。黄等人通过实验研究了气液两相内混喷嘴与阴离子表面活性剂的协同抑尘效应，并确定了最佳工作条件，其总粉尘抑制效率可超过90%。彭等人通过理论分析、数值模拟、实验验证及现场应用相结合的方式，研究了气雾化喷嘴的雾化机制，确定最佳供气压力为0.4 MPa，可吸入粉尘的去除效率可达92.07%[25]。张等人通过对内混式气动雾化喷嘴的粉尘雾耦合机制进行理论分析和实验研究，揭示了液滴速度对可吸入粉尘的捕获规律，实现了86.13%的最佳除尘效率，为高效粉尘控制提供了理论依据[26]。全机械化掘进面或煤矿工作面并非使用单个喷嘴进行喷雾抑尘，但这些先前的研究为高效喷雾抑尘设备的开发奠定了良好基础。

目前，一些研究人员更加注重高效喷雾抑尘设备的研发。王等人基于科安达效应设计了一种气助喷雾装置，利用计算流体动力学（CFD）模拟研究了供水压力、供气压力和喷雾角度对液滴分布的影响[27]。周等人运用泰勒类比破碎（TAB）液滴破碎模型，研究了壁挂式风管中轴径向风量比对气流与液滴协同降尘的影响，确定了最佳比例范围，现场总粉尘和呼出粉尘的去除效率分别达到了90.12%和82.12%。陈等人基于数值模拟和模型实验，设计了一种结合通风的三级喷雾抑尘方案，并确定了最佳喷雾参数，爆破后900秒内即可将粉尘浓度降至安全水平。周等人设计了一种新型超声气水喷嘴，并搭建了封闭式气水喷雾装置，用于覆盖切割产生的粉尘[30]。研究表明，当混合室内的喷雾孔直径为1.0毫米、孔数为6个、谐振器与喷嘴出口之间的距离为0毫米时，该超声气水喷嘴的喷雾性能较好。聂等人提出了一种风助喷雾帘除尘装置，用于解决高开采高度全机械化掘进面中的高浓度煤尘污染问题，通过数值模拟确定了喷雾的最佳运行参数，现场总粉尘和呼出粉尘的去除效率分别达到了87.4%和85.5%。不过，上述喷雾装置仍存在结构复杂、安装不便等问题。

尽管喷雾抑尘技术在地下煤矿取得了很大进展，但由于连续掘进作业会持续产生高浓度粉尘，人们对更高效的粉尘控制方法提出了更高要求。现有的喷雾抑尘设备都需要依靠电动风机将喷雾输送到工作面，设计过程中还需考虑防爆因素，这大大增加了制造成本。而压缩空气驱动的雾炮无需考虑防爆问题，且易于在矿井下安装。王等人之前的研究仅研究了单一因素下压缩空气驱动雾炮对雾场特性的影响，其研究仅探讨了易接近空间内雾滴的分布特征[27]。本研究主要通过正交设计实验，分析了在全机械化掘进面存在通风条件以及掘进机等障碍物情况下，多种因素对压缩空气驱动雾炮切割头上方液滴大小、液滴浓度及液滴特性的相互作用，得出了最佳的雾化方案。同时，本研究还对比分析了全机械化掘进面中优化前后压缩空气驱动雾炮的液滴分布特性，因此其研究结论更符合实际应用场景。该研究为提高全机械化掘进面的安全水平、改善作业人员的健康状况以及降低职业性尘肺病的发病率提供了重要的理论指导与工程应用价值。

章节片段
喷雾抑尘因素分析及压缩空气驱动雾炮的工作原理
喷雾抑尘中的液滴主要是通过高压射流在喷嘴出口处击碎并雾化液体形成的。在空气阻力和表面张力的作用下，液滴会发生液膜拉伸、扰动破碎、拉丝断裂以及收缩成球形，最终分散为微米级的液滴[32]、[33]、[34]。液滴与空气中的粉尘之间存在多种相互作用：较大的液滴会直接捕获粉尘。

实验系统与测试方案
为测试不同类型喷嘴和雾炮的水雾雾化特性，挑选出雾化性能最佳的喷嘴安装在压缩空气驱动雾炮上，研究人员构建了一个喷雾雾化测试实验系统，该系统如图3所示。实验系统由以下关键部件组成：水箱、高压水泵、用于控制水泵的智能控制柜、空气压缩机。

数学模型
全机械化掘进面中压缩空气驱动雾炮工作时，高速气流驱动液滴扩散属于气液两相问题，可通过计算流体动力学方法研究液滴的传输机制和气液耦合机制。全机械化掘进面中的气流遵循流体力学的基本定律，即质量守恒定律和动量守恒定律[27]、[40]。其中的传热过程也……

正交数值测试结果分析
特征参数和液滴覆盖面积会对粉尘去除效率产生显著影响。根据以往关于液滴雾化参数对喷雾抑尘效率影响的研究，本研究选择了两个主流的评价指标。第一个是液滴尺寸D32，其计算公式如公式（10）所示。D32可用于评估喷嘴喷雾的雾化程度，D32值越小，说明雾化效果越好。

现场应用
将压缩空气驱动雾炮的最佳喷雾降尘方案应用于山西潞安化工集团西马煤矿的CT1201全机械化掘进面，分别在三种工作条件下进行测试：不使用压缩空气驱动雾炮、采用原有的压缩空气驱动雾炮喷雾方案，以及采用最优的喷雾方案。测试了隧道内总粉尘和可吸入粉尘的浓度情况。

结论
本研究通过实验室实验、数值模拟和现场测试，研究了压缩空气驱动雾炮的喷雾辅助抑尘技术，得出了最佳的抑尘方案。研究人员搭建了用于测试喷雾雾化性能的实验平台，对压缩空气驱动雾炮所使用的喷嘴的雾化性能进行了评估，据此选出了雾化性能最佳的喷嘴。

CRediT作者贡献说明
李永军：撰写——初稿、软件使用、研究工作、资金获取。曹琪：可视化处理、软件使用、方法研究。王鹏飞：可视化处理、方法研究、资金获取。陈勇：可视化处理、软件使用。李世林：验证工作、软件使用。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号52504217、52274197、52474220）、湖南省自然科学基金（编号2024JJ2032）、湖南省自然科学基金（编号2026JJ50495）、湖南省教育厅项目（编号25B0436）、教育部工业粉尘防治与职业健康安全重点实验室开放基金（编号EK20242001）的支持，以及李永军、曹琪、王鹏飞、陈勇、李世林的共同参与。