地下采矿中的通风与防尘技术研究进展

引言

随着矿产资源需求持续增长，地下开采深度不断增加，矿井环境控制面临严峻挑战。通风与防尘技术作为保障矿山安全生产的核心环节，直接影响作业人员健康、设备寿命及开采效率。近年来，传统技术优化与智能化创新并行发展，推动着该领域的技术变革。全球范围内，深部开采、绿色矿山等新需求对通风防尘系统提出了更高要求，促使研究者探索更高效、节能的解决方案。本文系统梳理地下采矿通风与防尘技术的最新研究进展，分析关键技术突破与应用成效，旨在为行业技术升级提供参考，助力实现安全、高效、可持续的矿产资源开发。

一、地下采矿通风技术研究进展

（一）传统通风技术及其优化

传统地下采矿通风技术主要包括自然通风和机械通风两种形式。自然通风依赖矿井内外温差和气压差实现空气流动，但受气候和开采深度限制，稳定性较差。机械通风通过主扇、局扇等设备强制送排风，可精确控制风量，但能耗较高。近年来，优化研究集中在通风网络动态调节、多级机站协同控制及风门风窗自动化管理。计算流体力学（CFD）模拟和通风阻力精准测定技术的应用，显著提升了通风系统效率。此外，结合矿井地质条件和开采布局的通风分区优化设计，有效降低了无效漏风率，提高了风流利用率。

（二）智能通风系统发展

智能通风系统借助物联网、大数据和人工智能技术实现实时监测与动态调控。传感器网络可采集风速、瓦斯浓度、温湿度等数据，并通过无线传输至中央控制系统。机器学习算法分析历史数据，预测需风量变化，自动调节风机转速或风门开度，实现按需供风。数字孪生技术构建矿井通风系统的虚拟模型，用于模拟不同工况下的风流分布，优化通风策略。部分先进矿山已应用 5G 通信技术，实现低延迟远程调控，提高应急响应能力。智能通风系统在节能降耗、灾害预警方面展现出显著优势。

（三）新能源通风设备创新

新能源通风设备的发展旨在降低传统通风系统的能耗和碳排放。太阳能辅助通风系统利用光伏发电驱动风机，在日照充足地区可减少30% 以上的电力消耗。地热能通风技术利用矿井深部地热资源预热或冷却风流，改善井下环境。此外，低功耗永磁同步电机和变频调速技术的应用，使风机运行效率提升 20% 以上。部分研究探索风能-储能联合供电模式，在离网矿区实现稳定通风。氢燃料电池通风设备仍处于实验阶段，但因其零排放特性，成为未来绿色矿山建设的潜在发展方向。

二、地下采矿防尘技术研究进展

（一）粉尘产生机理研究

地下采矿粉尘主要来源于凿岩、爆破、装载、运输等工艺过程，其产生机理与岩石破碎方式、作业强度及环境条件密切相关。研究表明，机械破碎产生的粉尘粒径分布呈多峰特征，爆破粉尘则以 PM10和PM2.5 为主，扩散范围更广。粉尘动力学行为受风流速度、湿度及巷道结构影响显著，数值模拟结合实验测试可量化粉尘运移规律。近年来，基于高速摄像和激光散射技术的粉尘实时监测方法，为揭示粉尘产生与扩散机制提供了高精度数据支撑，有助于针对性防尘措施的制定。

（二）主动防尘技术

主动防尘技术通过干预粉尘产生和扩散过程实现降尘。湿式除尘采用高压喷雾、泡沫覆盖等方式润湿粉尘，抑制其扬散，新型纳米润湿剂可提升水雾捕尘效率 30% 以上。干式除尘技术包括布袋除尘器、旋风除尘及静电除尘等，适用于高浓度粉尘区域，其中静电除尘对呼吸性粉尘的去除率可达 95% 。近年来，风水联动除尘系统在掘进工作面得到应用，通过优化风流水雾协同参数，实现粉尘源头控制。此外，生物酶抑尘技术通过固化粉尘表面，减少二次扬尘，展现出良好的环保适应性。

（三）被动防尘技术

被动防尘技术侧重于阻断粉尘接触或降低其危害，主要包括个体防护和工程隔离两类。个体防护装备如高效防尘口罩、正压送风头盔等不断升级，新型材料如静电滤棉和透气纳米纤维显著提升过滤效率与佩戴舒适性。工程隔离技术采用阻尘帘、自动风幕等物理屏障分割尘源区域，配合负压抽尘装置减少粉尘扩散。此外，巷道壁面喷涂抑尘剂或铺设多孔吸声材料，可吸附悬浮粉尘并降低二次飞扬。智能化个体防护设备如实时粉尘监测报警呼吸器，进一步提高了矿工在高尘环境中的安全保障水平。

三、通风与防尘协同技术研究

（一）通风系统与除尘设备的集成优化

现代采矿工程强调通风系统与除尘设备的协同运行，以提高整体防尘效率。集成优化方法包括通风网络与除尘设备的空间匹配设计，确保风流路径与粉尘捕集区域高度契合。例如，在掘进工作面采用长压短抽通风方式，配合局部除尘器形成高效控尘区。数值模拟技术用于评估不同工况下的通风-除尘效果，优化设备布局与运行参数。部分矿山引入模块化除尘装置，可根据开采进度灵活调整安装位置。此外，变频风机与智能除尘设备的联动控制，实现了风量调节与除尘效率的动态平衡，显著降低了能耗与粉尘浓度。

（二）风流-粉尘耦合控制技术

风流-粉尘耦合控制技术通过调控风流场特性抑制粉尘扩散。研究基于气固两相流理论，分析风流速度、湍流强度与粉尘运移的相互作用规律。定向送风技术利用风帘或空气幕引导风流，将粉尘限制在特定区域以便集中处理。部分矿井采用附壁射流通风方式，在巷道壁面形成稳定风膜，减少粉尘上扬。耦合CFD 模拟与现场实测数据，可优化通风参数以实现粉尘沉降最大化。近年来，智能风门与可变向风口的应用，进一步提升了风流-粉尘协同控制的精准性与适应性。

（三）多参数智能联动控制系统

多参数智能联动控制系统整合通风、防尘及环境监测数据，实现一体化调控。系统通过实时采集粉尘浓度、风速、温湿度及瓦斯数据，利用AI 算法预测粉尘扩散趋势并自动调整风机、喷雾及除尘设备运行状态。云计算平台支持多矿井数据共享与分析，为区域通风防尘策略制定提供依据。部分先进系统引入数字孪生技术，通过虚拟仿真预演调控方案，降低现场试错成本。5G 通信技术的应用确保了数据传输的实时性，使系统在突发粉尘污染事件中能够快速响应，保障井下作业安全与高效。

结论

地下采矿通风与防尘技术的进步显著提升了矿山作业的安全性和环境可持续性。传统通风技术的优化结合智能调控系统，实现了精准供风与能耗降低的双重目标。粉尘产生机理的深入研究为针对性防尘措施提供了理论依据，主动与被动防尘技术的协同应用有效抑制了粉尘扩散。通风与防尘的集成化、智能化发展，尤其是多参数联动控制技术的应用，标志着矿山环境管理进入数字化新阶段。未来，随着新能源设备、人工智能及物联网技术的进一步融合，绿色矿山建设将朝着高效、低碳、智能的方向持续迈进，为矿业可持续发展提供坚实保障。

参考文献

[1]王李管,贾明涛,陈鑫.金属矿山智能通风系统研究进展与展望[J].金属矿山,2023(5):1-10.

[2]张建国,周爱桃,王凯.矿井粉尘防治理论与技术研究进展[J].煤炭科学技术,2022,50(1):204-215.

[3]李雨成,刘剑,周西华.基于数字孪生的矿井智能通风与防尘协同控制系统[J].中国安全科学学报,2023,33(4):95-102.