矿井通风系统的优化设计与应用.docx
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矿井通风系统的优化设计与应用
矿井通风系统的优化设计与应用
鉴定材料
临沂矿业集团邱集煤矿
二〇一〇年四月
1、鉴定大纲
2、计划任务书
3、工作报告
4、技术研究报告
5、社会经济效益分析报告
6、用户使用报告
矿井通风系统的优化设计与应用
鉴定大纲
临沂矿业集团邱集煤矿
二〇一〇年四月
矿井通风系统的优化设计与应用
鉴定大纲
一、鉴定条件
《矿井通风系统的优化设计与应用》项目是临沂矿业集团公司2010年度科技计划，由山东省邱集煤矿研究实施，经过应用测试，各项性能指标均达到设计要求。
目前，技术文件已经齐全，应用后效果明显才，具备了鉴定条件。
特申请鉴定。
二、项目名称
矿井通风系统的优化设计与应用
三、项目来源及编号
临沂矿业集团公司2010年度科技计划
四、鉴定目的
通过专家评议做出结论，以便进行推广应用。
五、鉴定形式
会议鉴定
六、鉴定内容
1、审查技术文件是否齐全、完整、正确、统一。
2、评价系统是否科学、合理、先进。
3、审查改造后的系统是否满足安全生产需要。
七、鉴定资料文件
1、计划任务书；
2、工作报告；
3、技术研究报告；
4、经济效益分析报告；
5、用户使用报告。
八、鉴定程序
1、成立鉴定委员会；
2、讨论并通过鉴定大纲；
3、项目完成单位向鉴定委员会汇报研究开发情况；
4、专家质疑；
5、专家评议，通过鉴定意见；
6、专家、评委签字。
鉴定委员会
二〇一〇年四月
编号
类别
二○一○年科学技术项目
计划任务书
项目名称：
矿井通风系统的优化设计与应用
负责单位：
临沂矿业集团邱集煤矿
起止年限：
2006年5月～2010年4月
国内外概况、水平和发展趋势及专利情况：
矿井通风技术是治理煤矿瓦斯、煤尘及火灾的基础，合理高效的矿井通风系统是煤矿安全生产的基本保障。
随着科学技术的发展，煤矿生产机械化程度的提高，矿井开采规模迅速扩大，通风线路随之增加，通风阻力增加，工作面配风困难，通风难度相应增加。
合理的通风设计与系统优化，能有效保证矿井的高效、持续发展。
矿井通风技术经历过较长的发展过程。
约在1640年，人们开始把进风和回风路线分开，以利用自然通风压力进行矿井通风。
为了加大通风压力，1650年在回风路线上设置火筐，1787年又在回风路线上设置火炉，给回风风流加热。
1898年电力初型轴流式通风机投入使用。
20世纪40年代以来，各种大功率主通风机相继投入使用。
本世纪50年代以来，我国矿井通风理论与技术研究取得了飞速进步，如：
（1）对井巷通风阻力进行了广泛的研究与测定；
（2）建立了各类作业面紊流传质方程及污染物浓度分析计算方法，为风量计算方法提供了理论依据；
（3）应用电子计算机计算和分析复杂通风网络，为矿井通风系统分析提供了为矿井通风系统分析提供了有效的方法；
⑷深井热源、空气与围岩热交换和矿井热环境控制理论与技术有较大进展，初步形成矿内热力学理论体系；
⑸开展了露天矿通风理论与技术的研究。
我国矿井从50年代开始逐步建立机械通风系统。
60年代，建立分区通风系统和棋盘式通风网络，70年代，出现梳式通风网络、爆堆通风，推广地温预热技术及云锡的排氡通风经验等。
进入80年代，我国矿井通风技术以节约能耗为中心有了比较快的发展，取得的主要成就有：
高效节能风机的研制与推广；多风机多级机站通风新技术的应用；矿井通风网路的节能技术改造；建立矿井通风计算机管理系统和井下风流调控技术与手段的完善等。
主要研究、实验内容、目标、技术关键及主要技术经济指标
（目标要具体，包括阶段目标和最终目标）：
一、项目主要研究内容：
随着矿井开采技术的发展，煤矿生产机械化程度的提高，矿井开采规模迅速扩大，通风线路随之增加，通风阻力增加，工作面配风困难，通风难度相应增加。
矿井现有通风已经不能满足需求，对矿井通风系统进行优化设计改造，从而降低矿井通风阻力，提高风机运行质量，增加风量，以满足矿井目前及后期生产需求。
二、项目研究的目标：
1、简化矿井通风网络；
2、合理规划矿井通风设施，尽量使矿井风流进行自然分配，减少矿井通风设施数量，降低矿井通风阻力；
3、合理配备矿井通风量，有效的稀释、排出井下生产过程中产生的瓦斯、煤尘及其他有毒有害气体；
4、降低矿井通风阻力，为优化通风系统提供条件，使矿井通风达到经济合理的要求。
三、项目研究技术关键主要表现在：
通过对主通风机、地面风硐的改造及井下通风系统优化，提高主通风机工作效率，降低矿井阻力，增加矿井风量。
四、主要经济技术指标：
1、随着西五采区开采范围的扩大、加深，通风阻力随之加大，计划在西五建一风井，以满足西五采区的正常生产，预计投资1000余万元，经过优化改造，通风能力完全可以满足西五采区的开采延伸，节约投资1000余万元。
2、主要通风机年耗电量由系统改造前的499.63万kW·h/a降至449.4万kW·h/a，年节省电费20万元。
3、由于通风网络的优化，确保了矿井稳产、高产。
采用的研究、实验方法和技术路线（包括工艺流程）：
首先对矿井通风系统阻力进行测定，找出高阻力区域，据此制定通风系统优化方案，并组织实施。
其次，结合矿井中长期发展规划，矿井通风系统优化与开拓布局调整相结合，分析通风系统现状及将来的风量需求技术成果主要应用领域为井工煤炭开采，适用于正常生产矿井的通风系统优化，具有广泛的推广应用范围。
在矿井通风困难时期复杂通风系统优化方面有所创新。
1、课题研究方法
理论研究与现场实际优化操作相结合的方法
2、课题研究的技术路线
明确课题研究理论基础――制定研究方案――工作面现场操作――依据理论基础对现场实际操作进行整理分析――总结出矿井开采延伸对矿井通风系统影响及解决办法――写出研究报告
现有技术基础及条件（包括本课题做了哪些工作和现有仪器设备条件等）：
本研究课题是在矿领导亲自指导下立项的，并担任课题组负责人，负责组织协调整个研究工作。
他们深刻认识到矿井通风是矿井各生产环节中最基本的一环，它在矿井生产期间占有非常重要的地位。
要想提高矿井效益，实现高产高效，必须走科技创新优先发展科技的道路。
对于邱集煤矿来说，井下地质条件复杂，矿井通风路线长、阻力大，通风设施老化，在这种艰苦的环境下，简化矿井通风网络，合理规划矿井通风设施，合理配备矿井通风量，降低矿井通风阻力，为优化通风系统提供条件，使矿井通风达到经济合理的要求。
为以后的类似开采条件提供有价值的借鉴依据。
在矿领导的大力支持下，邱集煤矿组织了一批有丰富实践经验的工程技术人员组成矿课题研究组，参与课题的现场调研、数据整理、理论研究及工程实施工作。
地点：
试验规模和进度安排：
本项目主要研究地点在山东省邱集煤矿进行。
项目研究进度安排如下：
2006.05~2007.2对地面通风系统改造调查研究阶段；
2007.11~2008.2对地面风硐、主风机进行改造阶段；
2009.5~2009.10对井下通风系统优化改造调查研究阶段；
2009.12~2010.1对井下通风系统优化改造阶段；
2010.1~2010.2为通风系统优化改造数据整理汇总阶段；
2010.3~2010.4为研究报告撰写阶段。
承担单位和主要协作单位及分工（包括研究、研制、试验各阶段的各单位得分工和承担的责任）：
本项目由山东省邱集煤矿与山东省泰安大成防爆电机有限公司承担。
邱集煤矿负责项目的立项、改造方案制定及井下系统的改造实施工作。
山东省泰安大成防爆电机有限公司负责主通风机扩散器的改造实施工作。
经费概算（包括总概算和分年度预算的项目和费用及偿还经费和年度）:
本项目使用经费共计72.70万元整。
具体支出及依据如下表
序号
科目
金额
（万元）
计算依据
1
调研费
0.50
收集资料、调研出差
2
通风系统设计改造
26.10
优化设计改造支出
3
风道改造施工费
6.10
改造支出
4
购置设备
40.00
购置设备
5
6
7
8
9
10
合计
72.70
临沂矿业集团邱集煤矿财务科
需要增添的主要设备、仪器（名称、规格型号、数量）和材料：
课题负责人（单位、姓名、职务、职称、联系电话）：
武善元临矿集团邱集煤矿高级工程师总工程师
课题工作人员（单位、姓名、职称、职务、联系电话）：
李存禄临矿集团邱集煤矿采矿工程师生产矿长
杜建华临矿集团邱集煤矿技术员通风副科长
韩长海临矿集团邱集煤矿助理工程师通防副区长
徐庆国临矿集团邱集煤矿助理工程师生产科长
孟凡全临矿集团邱集煤矿技术员通风科长
闫之喜临矿集团邱集煤矿技术员通风科技术员
基层单位、负责人审查意见（指所室、院系、厂矿基层负责人等）：
负责人（签名、盖章）
审查日期：
年月日
上报任务书单位、负责人审查意见（有学术委员会者应附其审查意见）∶
负责人（签名、盖章）
审查意见：
年月日
主管部门审查意见：
（公章）
审查日期：
年月日
矿井通风系统的优化设计与应用
工作报告
临沂矿业集团邱集煤矿
二〇一〇年四月
矿井通风系统的优化设计与应用
工作报告
一、课题提出
矿井通风系统是矿井生产系统的重要组成部分，担负着连续不断地向井下供给新鲜空气，排出有毒有害气体，保证矿井和作业人员生命安全的重要任务，所有矿井的通风系统都必须符合“系统简单、安全可靠、经济合理”，即通风系统简单，便于通风管理；通风经济合理，可以节约通风费用；而通风系统安全可靠状况直接决定着整个矿井的安全或危险程度，是煤矿安全工作的重中之重。
近年来，我国煤矿技术高速发展，原煤产量大量提升，瓦斯重大事故屡有发生。
在部分开采时间较长的煤矿中，通风系统不科学合理是造成瓦斯重大事故的直接原因。
随着开采范围的扩大、开采深度的加深、原煤产量的提高和瓦斯涌出量的增加，矿井出现了通风线路长、通风阻力大、通风设施差、漏风严重，通风能力不足现象，尤其部分中、小煤矿，通风技术人员少，基础力量较低，改进意识薄弱，未对负责落后、急需优化的通风系统进行改造，极易造成通风事故。
为了确保矿井通风系统合理、稳定可靠，杜绝矿井通风及瓦斯、煤尘爆炸事故，对矿井通风系统优化尤为重要。
邱集煤矿采用立井开拓方式，设计生产能力45万t/年，2005年经过矿井技改后，核定生产能力为90万t/年。
-395m水平运输大巷两翼上下山开采，长壁后退式采煤方法，全部冒落法顶板管理。
现主采煤层为7层煤，平均厚度1.25米。
矿井通风方式为中央并列式，副井为进风井，主井回风，地面安设两台FBCDZ-8-№24型对旋式主扇，每台功率为2×280KW，一台运转，一台备用。
主提风机通风能力70～90m3/s，进行通风能力核定时主提风机最大通风量5100m3/min。
对于邱集煤矿来说，井下地质条件复杂，矿井通风路线长、阻力大，通风设施老化，在这种艰苦的环境下，简化矿井通风网络，合理规划矿井通风设施，合理配备矿井通风量，降低矿井通风阻力，为优化通风系统提供条件，使矿井通风达到经济合理的要求。
为以后的类似开采条件提供有价值的借鉴依据，课题研究意义重大。
二、课题研究方法及技术路线
1、课题研究方法：
理论研究与现场实际优化操作相结合的方法
2、课题研究的技术路线：
明确课题研究理论基础――制定研究方案――根据现场调控――依据理论基础对现场实际操作进行整理分析――总结出矿井开采延伸对矿井通风系统影响及解决办法――写出研究报告
矿井通风系统的优化设计与应用
技术研究报告
临沂矿业集团邱集煤矿
二〇一〇年四月
矿井通风系统的优化设计与应用
1前言
1.1课题的提出及研究意义
矿井通风是保障矿井安全的主要技术手段之一。
在矿井生产过程中，必须向矿井连续地输送新鲜空气，供给人员呼吸，稀释和排出有害气体及矿尘，改善井下气候条件及救灾时控制风流的作业。
这种利用机械或自然通风为动力，使地面空气进入井下，并在井巷中作定向和定量流动，最后将污浊空气排出矿井的全过程就称为矿井通风。
因此，矿井通风的首要任务就是要保证矿井空气的质量符合要求。
矿井通风技术是治理煤矿瓦斯、煤尘及火灾的基础，合理高效的矿井通风系统是煤矿安全生产的基本保障。
随着科学技术的发展，煤矿生产机械化程度的提高，矿井开采规模迅速扩大，通风线路随之加长，通风阻力增加，工作面配风困难，通风难度相应增加。
合理的矿井通风设计应该是一个安全可靠、技术先进和经济的矿井通风系统。
矿井通风系统优化是对矿井现有通风情况进行分析，找出系统中存在的不足和改进的地方，并在已提出的众多矿井通风系统方案中，寻找能满足矿井各用风地点供风，满足矿井安全，有利于矿井生产和降低通风费用的最优通风优化方案。
邱集煤矿位于鲁西北平原，黄河北岸，年生产能力75万吨，煤层较薄，为7层，10层煤，开采难度大，巷道较长，通风阻力较大。
矿井采用立井开拓，中央并列式通风，主井井筒兼作回风井，负井井筒兼作进风井。
建井初期选用4-72-11型№20离心式通风机，后改造为FBCDZ-8-№24对旋轴流式通风机，装机功率为2×280千瓦。
随着煤矿开采量的不断加大，该通风机最大调整到4600m3/min的流量已经不能满足需求，为满足目前及后期风量6000m3/min需求，需对矿井通风系统进行优化改造，通过技术改造及系统优化，进一步提高矿井的经济效益，保证矿井高效、安全发展具有十分重要的意义。
1.2矿井最优通风系统方案确定方法
矿井通风系统可以通过对下列几方面进行比较得出该矿最优通风系统：
1.2.1改变矿井通风方法。
矿井通风方法包括抽出式、压入式和混合式，当矿井在浅部开采、矿井煤层自燃倾向性或矿井火区比较严重时考虑用压入式通风方法外，一般空间选择抽出式通风方法，抽出式通风的进风巷道无需安设风门，便于运输、行人，矿井通风管理工作容易，抽出式矿井通风的风流处于负压状态，当主要通风机因故停风时，井下风流压力提高，在短时间内可抑制采空区内瓦斯等有害气体的涌出。
混合式通风无论从管理，还是从装备上都比较复杂，应尽量少采用。
1.2.2改变矿井通风方式。
矿井通风方式分为中央并列式、中央分列式、两翼对角式、分区对角式和混合式。
通风方式的选择，应根据矿井煤层赋存条件、地形条件、井田面积及矿井瓦斯等级、煤层自燃倾向等情况，从经济和安全加以分析比较确定。
一般情况下，井田面积小、煤层倾角大、埋藏较深、新建矿井选择中央并列式，但在这种通风方式中矿井通风路线是折返式的，在同等条件下和其它通风方式比较，风路较长、阻力较大、漏风较多，而且主要通风机耗电多，矿井风压变化大。
中央边界对角式的矿井通风方式优缺点与中央并列式相反，分别适用于井田面积大、煤层倾角大、埋藏较深的生产矿井中。
煤层埋藏深、井田规模大、瓦斯等级高、多煤层开采的矿井，宜使用混合式通风。
1.2.3简化矿井通风网络。
矿井通风网络分为简单通风网络和复杂通风网络。
两者的区别就是网络中有无角联风路。
简化矿井通风网络的途径就是消灭矿井通风网络中的角联风路。
1.2.4合理规划矿井通风设施。
矿井通风设施包括风门、风墙、风桥、风窗等。
在矿井通风系统中起着至关重要的作用，其设置首先考虑尽量使矿井风流进行自然分配，减少矿井通风设施的数量，降低矿井通风阻力。
若自然分配风量不能达到各用风地点的需求，才考虑适当增加通风设施，并达到经济合理，矿井通风设施的位置、质量、数量必须符合要求，否则会导致漏风、风流短路、紊乱及有害气体涌出等现象的发生，降低矿井通风系统的稳定性和可靠程度。
1.2.5合理分配矿井通风量。
有效地稀释和排出井下生产过程中产生的瓦斯、煤尘和其它有害气体，是矿井通风的一项重要任务和目的，矿井必须按照风量计算办法计算矿井、采区、采掘工作面及其它地点的需风量，依照各地点需风量进行风量分配，增加通风系统的抗灾能力。
在一些矿井，因井下开采范围的扩大或加深，工作地点的变更，矿井需风量会发生较大的变化，所以要及时根据矿井需风量更换主要通风机，使其达到即能满足矿井安全生产的要求，又经济合理。
1.2.6降低矿井通风阻力。
影响矿井通风阻力的因素很多，如巷道支护形式及光滑程度、断面大小及变化情况、周边长度及巷道长度，以及矿井通风网络的布置、风量分配等。
只有通过改变这些基础数据。
才能降低矿井通风阻力，并为优化矿井通风系统提供条件。
2邱集煤矿概况及通风状况
2.1井田概况
2.1.1井田及矿井概况
邱集煤矿隶属于临沂矿业集团公司，位于山东省西北部，地处德州市齐河县境内，为黄河北煤田第一对投入生产的矿井。
井田地理坐标为：
东经116。
23’45〝〞～116。
31ˊ07〞，北纬36。
27ˊ57〞～36。
30ˊ57〞。
属黄河北煤田的一部分，东西长5～9km，平均7.1km；南北宽3～7km，平均5.6km，勘探面积约39km2.井田面积36.1369km2。
东以F8断层与赵官镇勘探区分界，西至F1断层，北自F11断层，南自13煤层露头及F2断层。
煤层倾角5～8度。
设计生产能力45万吨/年，矿井从1990年开工建设，1999年5月试生产，2003年12月31日正式生产。
矿井核定生产能力75万吨/年，现在册职工1467人。
2.1.2井田范围自然地理概况
本井田地处华北大平原南部，区内地势平坦，地面高程＋27—+30m，地面坡度0.05‰，东南10—15km有寒武奥陶系出露形成的丘陵，东南距黄河8—14km。
区内有两条人工河流，东为巴公河，西为中心河，是主要的农田灌溉河流，河水向北流入齐河县境内的赵牛河，同时也是本区内最主要的地表水排泄渠道。
本井田开采范围内地面对应农作物，是当地农民的主要收入来源。
2.1.3河流水系
井田范围内的主要河流中心河从场区以西流过，田楼南桥处距场区2.5㎞。
中心河已经经过治理，防洪水量按1961年雨型的80%计算，田楼南桥处洪水位为+29.10m，堤顶标高为+30.39m，次之，在场区东1㎞处有一条人工河，叫巴公河，是井田范围的第二主排水河流，其河床标高为+26.0m，比工广标高低3.5m，是矿井正常排水的流入处。
塌陷区积水情况：
自1999年5月开始试生产，前期开采上部煤层，以-395m为开采水平。
可采煤层中最上部的煤层为7煤，煤层厚1.25m，开采深度为-350m—-388m之间，现西一采区已回采完毕，采出面积1.4平方公里，造成地面塌陷近2000亩，塌陷深度在0—400mm之间。
在雨水较小季节不影响农作物的收成，到了雨季汛期，有300多亩的土地雨水不能及时排放形成涝灾。
根据当地的气候特征，涝灾一般集中在每年的7、8月份，只能对秋季作物造成损失。
2.1.4气象
本区为温带季风区海洋—大陆性气候，属过度类型。
年平均气温13—15℃最高气温41.2℃，最低气温-22℃，冻结期为十二月至次年三月上旬，最大冻土深度47㎝，年降雨量为600—800mm，年平均蒸发量1931.1mm，区内风沙较大，特别是春季，初夏多西南风。
2.2矿井通风状况
邱集煤矿主通风机通风能力70～90m3/s，改造前进行通风能力鉴定时主提风机最大通风量5100m3/min。
矿井通风系统改造前矿井需风量为4800m3/min,预计下一步开拓东八采区及西五采区后，矿井需风量将在5800～6000m3/min之间，地面风硐断面为2.2×1.9864＝4.37m2,则现有风量时风硐风速为18.31m/s,矿井负压为3980Pa。
开拓东八采区及西五采区后风硐风速将达到22.9m/s，均违反了《煤矿安全规程》不超过15m/s的规定。
矿井通风方式为中央并列式，通风方法为抽出式，副井进风，主井回风。
地面通风机房安装两台FBCDZ-8-№24型轴流式主要通风机，配备电机功率2×280kW。
风机铭牌参数为：
风机型号：
FBCDZ-8-№24
风量Q：
2080～8340m3/min；
风压H：
1420～3800Pa；
功率P：
2×280KW；
风机轴转速：
742rpm。
3邱集煤矿通风系统优化设计及研究应用
3.1主通风机改造
3.1.1主通风设备以及风道的现状
原来运行的FBCDZ-8-№24对旋轴流式主通风机在通风机房的布置如：
图1，风道为建井初期离心式通风机原有的风道，风机接头为马蹄形斜圆锥台，风道接口直径Φ2280mm，与风机接口直径Φ2420mm,扩散器出口为直径Φ2800mm直角弯头，扩散塔为立式结构，出口加消音器，上面带有防雨帽。
图1：
FBCDZ№24对旋轴流通风机在风机房内的布置
3.1.2主通风机的结构形式分析
3.1.2.1该通风机为了能够与原风道联接，采用了前收敛型的风道接头，无进口集流器，直接影响通风机的气动性能。
按照轴流式通风机的设计理论，无进口集流器的通风机要比有优良进口集流器的通风机的全压及效率分别低10～12%或10～15%，进口集流器的直径一般是风轮直径的1.2～1.3倍。
该通风机叶轮直径2400mm，而风道接口直径为2280mm，属于前收敛后扩散型结构，也就是气流卡脖。
通风网络布置不合理明确表现：
一是进口缺少直线段或通过渐变经与进口相连；二是风机进口与突然收缩管相连，最不宜采用进口扩压形式。
改进措施：
改造原来的风道接口，扩大断面，风道接头有原来的Φ2280改为Φ2720，进一步扩大风机进口截面，改变风机进口气流奈乱现象，减少涡流区和能量损失，使进口流速比较均匀。
由此可有效地提高风机的运行效率，改造后的风道进口如图2。
3.1.2.2该通风机虽然带扩散器，但存在900的直角弯头，用U形管测试阻力为80Pa。
按照通风网络的特性，通风机出口不合理的布置一般表现在：
风机出口直接接900的弯管或逆向弯管；风机出口直接接突然扩大管或直接进入大气（动压损失过大）。
改进措施：
拆除直角弯头，降低风阻，将立式结构改为平式布置。
墙内接头改为方圆接头，后面接消音箱及扩散塔，扩散塔出口底部采用大圆弧结构。
墙内接头与消音箱采用软联接，消音箱及扩散器底部均设有移动滚轮和导轨，便于拆开检查修理和清除杂物。
见图2
3.1.2.3该轴流式通风机在实际生产运行中产生的工业噪声，已经出现超标（超90dB（A）），逐渐会对生产环境和周围操作工人的身心健康造成不良影响。
出口消音箱年久失修，锈蚀严重，消音片严重脱落，风筒内横七竖八的脱落角钢，穿孔板及玻璃丝面，严重干扰了通风机出口的流速，进一步加大了风机出口的阻力，造成能耗增大。
更为严重的是为反转反风带来了隐患（脱落的杂物易进入叶轮，造成整个风机的损坏）。
由于该结构是立式结构，而且消音箱较高，维修也比较困难。
改进措施：
轴流式通风机的噪声主要是空气动力噪声。
其它如机械噪声、电磁噪声等，在轴流式通风机正常运行条件下都是次要的。
因为主机布置在通风机房内，机械噪声及电磁噪声基本上都屏蔽在风机房内。
室外的扩散塔既是噪声的外排口又是煤尘气流的排放口，是造成噪声污染的主要声源。
该噪声主要是空气动力噪声，即旋转噪声和涡流噪声。
该风机因转速提高，根据旋转噪声的频率ƒ=nzi/60计算，更换电机以后，增加了高频噪声。
为此，从新设计消音箱，消音方式按传统的阻性消音设计，几何形状为通道排行片式消音器，主要是利用声阻进行消声，该消声器对中、高频噪声，具有良好的消声
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