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粉尘弥漫的开采作业中雾炮技术因缺乏风场响应控制而效果不稳定，本研究通过CFD-DPM耦合模型揭示环境风场与雾炮参数（风速50m/s、水压8MPa、仰角10°）的协同机制，建立风场向量驱动的响应面决策模型，开发前馈控制雾炮系统，现场应用使TSP去除效率提升至84.4%。
陈新阳|张江石|童林泉|李向春|方雷|梁云飞|刘鹏程|张二涛
中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京100083，中国
摘要
露天矿山装载作业中的粉尘扩散现象严重，现有的雾化喷枪技术在抑制粉尘方面存在不稳定性，这主要是由于缺乏对风速变化的响应控制，尤其是在风场条件多变的情况下。本研究开发了装载区域的详细几何模型，并采用耦合的CFD-离散相模型（DPM）仿真方法，揭示了环境风场与雾化喷枪操作参数之间的协同作用机制。研究结果表明：在无风条件下，最佳的雾化喷枪参数为出口空气速度50 m/s、水压8 MPa和喷射角度10°；有风条件下有利于雾滴的传输，风速的响应调节可以增强风的作用效果，从而提高雾滴的输送效率，增加粉尘源区域的雾滴浓度；相反，逆风条件会显著抑制雾滴的移动，当喷射角度超过10°时，雾滴的轨迹会发生严重偏移，这一角度是确保系统在逆风条件下有效运行的关键阈值。基于响应面方法，建立了以环境风速为输入参数的决策模型，并开发了一种前馈控制的粉尘抑制系统。现场应用表明，该系统将TSP粉尘去除效率从64.6%提高到了84.4%，为露天矿山作业中的粉尘精确控制提供了有效的技术解决方案。
引言
煤炭仍然是中国能源结构中的主导成分，装载作业产生的粉尘污染对职业健康和生态环境构成了严重威胁[1]、[2]、[3]。职业性尘肺病仍占中国报告的职业病病例的很大比例，其中煤工尘肺病和矽肺病最为常见。矿工是主要的高风险群体，这些疾病的死亡率远高于矿山安全事故[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。
在露天煤矿的开采过程中，剥离覆盖层的工作涉及将地表岩石爆破成碎块堆，这些碎块堆被称为爆破堆。在装载这些爆破堆的过程中会产生大量粉尘，使其成为露天矿山的主要污染源[9]、[10]。目前的矿山粉尘控制技术，包括煤层注水、通风除尘、化学粉尘抑制剂、除尘器过滤和喷雾抑制[11]、[12]、[13]、[14]、[15]，在控制露天矿山装载作业中的粉尘方面效果有限。大多数关于露天煤矿粉尘减排的研究集中在粉尘的物理化学性质、高效粉尘抑制剂的开发以及粉尘迁移模式[16]、[17]、[18]、[19]、[20]上。在化学粉尘抑制领域，基于机制的多尺度研究阐明了其有效性背后的基本原理[21]、[22]、[23]。然而，这些方法难以直接应用于露天矿山中瞬态和扩散性粉尘排放的实时抑制需求。
作为一种新型喷雾粉尘抑制装置，雾化喷枪因其高抑制效率、可控的雾滴尺寸分布和较远的喷射范围而在采石场和其他露天粉尘产生场所得到广泛应用[24]。相关研究表明，使用较低的喷射角度和间歇性供水可以在石灰石场实现有效的粉尘抑制[25]。一项关于涡轮驱动喷雾系统的研究显示，虽然雾化喷枪系统可以提供远距离、大范围的覆盖，但在实际应用中其性能容易受到侧风干扰[26]。一项关于雾化喷枪系统在煤矿应用的研究表明，通过战略性布置可以实现有效的源头控制，但其效果高度依赖于设备的位置和布局[27]。为了解决尾矿池中不断形成的动态粉尘层问题，研究表明车载移动雾化喷枪系统可以实现自动化控制和高效覆盖。通过颗粒大小分析和实验验证，建立了雾化喷枪数量与抑制强度之间的定量关系[28]。
岳[29]等人对雾化喷枪风扇叶轮进行了拓扑优化，以叶轮强度和自然频率为约束条件。这种优化显著减轻了叶轮质量，同时保持了性能，有效降低了运行速度下的共振风险。赵[30]等人主要研究了通过雾化喷枪喷射的粉尘抑制剂的复合配方，但没有探讨雾化喷枪本身的粉尘抑制机制。雾滴在空气中的运动轨迹主要受空气动力阻力、重力和周围风场的影响[31]、[32]、[33]。对这些核心流体力学因素的理论分析对于预测和优化雾滴分布至关重要。尽管王[34]优化了隧道掘进面的雾化喷枪参数，但他们没有考虑环境气流——这是一个影响雾滴扩散的关键因素。然而，很少有研究从流体力学的角度探讨这一问题。具体来说，在这些复杂的装载条件下，雾化喷枪雾滴的迁移轨迹和时空分布模式仍不清楚。
为了解决露天矿山装载区域内由于风场变化导致的雾化喷枪性能不稳定问题，本研究提出了一种基于气流响应控制的智能粉尘抑制策略。为此，我们建立了装载区域的流体力学模型。该模型系统地揭示了环境气流和雾化喷枪参数如何协同或拮抗地影响目标区域的雾滴覆盖情况。利用响应面方法并结合实时风场数据，开发了最佳雾化喷枪参数的决策模型。随后，构建了一个集成了该模型的气流响应粉尘抑制系统。本研究实现了从静态喷洒到动态调节的技术转变，为露天矿山的粉尘控制提供了全面的理论基础和工程解决方案。
操作背景
操作环境
如图1所示，在黑岱沟露天煤矿进行的现场测量表明，尽管采矿区域的整体气流模式复杂，但装载区的主导气流并不是各向异性的湍流，而是沿着爆破堆边缘形成了稳定的封闭通道流。作为天然的导向表面，爆破堆有效地抑制了侧向空气扩散，从而引导了通道内的气流[35]。
模型验证
本研究关注气流场中雾滴的运动模式。虽然通过网格独立性验证确保了气流场的有效性，但雾化参数（特别是水压和喷嘴口径）对雾滴尺寸分布的影响需要通过实验来验证模拟结果[34]、[45]。为此实验采用了定制的水喷雾系统。
装载现场的气流特性
图9展示了在不同雾化喷枪喷射角度和环境风场条件耦合作用下的流场结构演变。在无风条件下，当喷射角度为10°时，雾化喷枪喷出的雾流在撞击设备后形成特征性的三支流结构，这些雾流沿着铲斗向上流动，穿过粉尘源区域，并在卡车底盘下方流动。
基于响应面方法的预测模型推导
响应面方法（RSM）是一套综合数学和统计方法的技术，其核心目标是建立设计变量与响应变量之间的近似函数关系。该方法广泛用于建模和分析多个变量对系统响应的影响机制，因此在工业优化研究中得到了广泛应用[50]。许多学者
结论
本研究设计并开发了一种用于露天矿山装载作业的前馈控制粉尘抑制系统。通过建立精细的几何模型并采用耦合的计算流体动力学和离散相模型（CFD-DPM）方法，研究了影响雾滴传输轨迹的机制，重点关注雾化喷枪的出口空气速度、雾化水压、喷射角度和环境风速等因素。研究结果表明，在
CRediT作者贡献声明
陈新阳：撰写——初稿，监督。
张江石：方法论，形式分析。
童林泉：形式分析。
李向春：方法论。
方雷：撰写——审阅与编辑。
梁云飞：形式分析。
刘鹏程：方法论。
张二涛：撰写——审阅与编辑。
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
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52274245、U23B2093）和国家重点研发计划（项目编号：2024YFC3013801）的支持。
