雙機(jī)并聯(lián)空氣幕引射風(fēng)流在斜溝煤礦的應(yīng)用研究*

閆大衛(wèi)

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦 ，山西 呂梁 033602）

0 引 言

礦井只有擁有穩(wěn)定可靠的通風(fēng)系統(tǒng)，才可以確保礦井作業(yè)人員的生命財產(chǎn)安全[1-3]。井下常用的風(fēng)流調(diào)控設(shè)施有風(fēng)橋、風(fēng)門、擋風(fēng)墻、風(fēng)窗和輔助通風(fēng)機(jī)等，然而由于井下部分運輸巷道需要頻繁行車運料，使得風(fēng)門不能很好實現(xiàn)調(diào)控風(fēng)流的作用[4-5]。通過在巷道兩側(cè)的硐室內(nèi)安設(shè)空氣幕，利用空氣幕以較大的初速度發(fā)射出扁平射流，實現(xiàn)調(diào)控巷道風(fēng)流的目的[6-9]，此方法擁有既不影響運輸也不影響行人的特點，適用于行車運料頻繁的運輸巷道中，此外還擁有檢修保養(yǎng)簡單、維護(hù)管理方便、調(diào)控風(fēng)流顯著等優(yōu)點[10-11]。

我國科研工作者對礦用空氣幕研究做了大量工作，通過研究得出礦山空氣幕隔斷風(fēng)流的能力（即空氣幕的有效壓力）的結(jié)論，同時研發(fā)了寬口大風(fēng)量的礦用空氣幕；蔣仲安等[12]通過建立一個試驗?zāi)Ｐ汀諝饽蛔钄嗟V井巷道中風(fēng)流，得到空氣幕最佳的設(shè)置角度為30°以及最佳供風(fēng)器出口寬度是8cm，可以很好的指導(dǎo)礦用空氣幕隔斷巷道風(fēng)流的結(jié)構(gòu)設(shè)計；趙玲等[13]通過相似實驗和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)循環(huán)型空氣幕隔斷能力隨送風(fēng)角度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。根據(jù)現(xiàn)場實際安裝情況，最佳送風(fēng)角度設(shè)置是 10°～30°。

本文研究空氣幕在串、并聯(lián)兩種不同的方式下的風(fēng)流隔斷能力[14]，通過理論分析和數(shù)值模擬的方法，確定空氣幕雙機(jī)并聯(lián)方式的阻隔風(fēng)流效果[15-16]，達(dá)到節(jié)能降耗的效果[17]。

1 計算雙機(jī)幕的局部阻力

圖1 空氣幕的風(fēng)流流向

在全部隔斷巷道中的風(fēng)流時，空氣幕所產(chǎn)生的阻力是空氣幕形成部分阻力。在巷道中裝置好風(fēng)機(jī)以后，風(fēng)流的變化情況，如圖1所示。

針對風(fēng)流循環(huán)的空氣幕，在全部隔斷巷道中風(fēng)流時，循環(huán)位置處的風(fēng)流變化即為空氣幕產(chǎn)生循環(huán)風(fēng)流的情況，循環(huán)位置以外未發(fā)現(xiàn)由風(fēng)流。因為空氣幕可整體隔斷巷道中風(fēng)流，因此巷道斷面I-I處的風(fēng)量為零，但下風(fēng)側(cè)Ⅱ-Ⅱ處的總風(fēng)量為空氣幕的全部風(fēng)量。借助動量守恒定律對流場開展風(fēng)流的力學(xué)研究，得到以下數(shù)學(xué)方程：

因此確定雙機(jī)幕的局部阻力：

式中：P1、P2為入口斷面和出口斷面的空氣靜壓，Pa；S 為巷道斷面積，m2；v2為出口斷面風(fēng)速，m/s；Qc為單臺空氣幕的風(fēng)量，m3/s；Q"c為雙機(jī)幕并聯(lián)的總風(fēng)量，m3/s；vc為空氣幕出口風(fēng)速，m/s；vcx為空氣幕出口在水平方向的風(fēng)速，m/s；v"cx為雙機(jī)幕并聯(lián)后在水平方向的風(fēng)速，m/s；Sc為空氣幕出口的斷面面積，m2；ρ 為井下空氣密度，kg/m3；θ為空氣幕的安裝角度，°；ΔH為空氣幕的局部阻力，Pa。

2 FLUENT數(shù)值模擬

2.1 建立模型

圖2 物理模型

依據(jù)礦井巷道的布置情況，開始設(shè)置模型如圖2所示，巷道高2.5m、寬3.3m、長33m，假定巷道軸線與出風(fēng)口的風(fēng)流方向呈現(xiàn)60°夾角，兩個風(fēng)口寬均是1.5m。

2.2 設(shè)置邊界條件

設(shè)置模型采用tandard模式，模型使用紊流形式，邊界設(shè)置是standard wall function，依據(jù)局部阻力的平衡原理，進(jìn)出口采用壓力模式，將出口靜壓和入口靜壓分別設(shè)置為0和130Pa。結(jié)合井下實測數(shù)據(jù)，將出口風(fēng)速定義為23.5m/s，邊界條件為無滑移形式。

2.3 分析數(shù)值模擬結(jié)果

圖3 速度分布云圖

圖4 速度分布等值線

圖5 靜壓分布云圖

圖6 靜壓分布等值線

從圖3發(fā)現(xiàn)：來自空氣幕機(jī)發(fā)射出的風(fēng)流，速度最大得位置不在空氣幕機(jī)口，而位于距風(fēng)機(jī)出口的一段距離。采取并聯(lián)2臺空氣幕機(jī)時，在圖4中得到，在靠近巷道兩側(cè)時風(fēng)速很大，在巷道軸線區(qū)域的位置風(fēng)速較小，此現(xiàn)象與巷道中風(fēng)流正常分布規(guī)律相反，卻和巷道采用單風(fēng)機(jī)布置時的風(fēng)速分布規(guī)律不一致。原因是由空氣幕發(fā)射的風(fēng)流，為了抵擋橫向壓力，礦井巷道中的風(fēng)流開始彎曲和回流，最終集中在巷道軸線位置。隨著流動阻力的減弱，風(fēng)流開始分別流向巷道兩側(cè)的硐室中，接著匯入空氣幕的回風(fēng)口，就產(chǎn)生循環(huán)風(fēng)流現(xiàn)象。由圖3和圖4都可發(fā)現(xiàn)風(fēng)流全部停滯，證明空氣幕可以安全隔斷巷道的風(fēng)流。

從圖5得到，空氣幕機(jī)發(fā)射出風(fēng)流后，靜壓立即升高至某一峰值，此時嚴(yán)重影響著巷道內(nèi)風(fēng)流，且峰值緩慢靠近至巷道軸線位置，在2個空氣幕機(jī)的影響之下，靜壓峰值變小，最終達(dá)到靜壓，礦井巷道入口和出口的壓差等于空氣幕循環(huán)風(fēng)流的壓差，然而未在圖5中看到壓差發(fā)生改變，原因是該巷道為水平狀態(tài)，無高差波動，位壓幾乎為零，所以當(dāng)有風(fēng)流改變時一定發(fā)生靜壓變化。從圖5和圖6發(fā)現(xiàn)靜壓都未有波動，說明此循環(huán)風(fēng)流處沒有風(fēng)流的流向，即風(fēng)速大小是0，證明空氣幕能夠隔斷風(fēng)流。

3 井下現(xiàn)場實踐

斜溝煤礦有多個風(fēng)井（6個進(jìn)風(fēng)機(jī)、3個回風(fēng)井），屬于通風(fēng)阻力較大、通風(fēng)路線較長、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜系統(tǒng)，伴隨采深的增大，致使作業(yè)地點溫度增加，冬季有時會發(fā)生風(fēng)流反向流動的現(xiàn)象，經(jīng)過現(xiàn)場研究通風(fēng)系統(tǒng)，得到空氣幕的阻風(fēng)率和局部阻力，風(fēng)機(jī)的參數(shù)見表1，風(fēng)機(jī)實物如圖7所示。

圖7 風(fēng)機(jī)

表1 風(fēng)機(jī)參數(shù)

通過對比試驗的方法研究空氣幕的風(fēng)流增阻情況，測定得到在安裝角度不一致時，空氣幕所產(chǎn)生的局部阻力和阻風(fēng)率的規(guī)律。測定數(shù)據(jù)見表2，空氣幕局部阻力與安裝角的關(guān)系如圖8所示。

圖8 空氣幕局部阻力與安裝角的關(guān)系

表2 并聯(lián)空氣幕測試情況

井下測試證明單機(jī)幕的局部阻力低于雙機(jī)幕并聯(lián)的局部阻力，即單機(jī)幕的增阻效應(yīng)差于雙機(jī)幕，同時單機(jī)幕形成的局部阻力隨著角度的增大幅度小于雙機(jī)幕。

不管采用哪種安裝方式，風(fēng)機(jī)幕的安裝角度明顯影響著阻風(fēng)效果，形成的局部阻力都與安裝角度的成正比關(guān)系。同時空氣幕增阻效果與風(fēng)機(jī)臺數(shù)明顯有關(guān)，風(fēng)機(jī)數(shù)量越多，功率越高，其阻風(fēng)效果越明顯。

4 結(jié) 論

1）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由風(fēng)機(jī)幕發(fā)射的風(fēng)流位于巷道周圍時風(fēng)速較大，離巷道軸線很近的位置風(fēng)速小，因為橫向壓力的影響，巷道中風(fēng)流開始彎曲和回流，最終集中在軸線位置；空氣幕機(jī)發(fā)射出風(fēng)流后，靜壓立即升高至某一峰值，此時嚴(yán)重影響著巷道內(nèi)風(fēng)流，此峰值逐漸移到巷道軸線附近，在兩個空氣幕的作用下，此峰值開始減小，最終形成靜壓情況，表明空氣幕可以隔斷礦井巷道風(fēng)流。

2）通過在礦井現(xiàn)場開展試驗研究，得到空氣幕的增阻效果與風(fēng)機(jī)臺數(shù)明顯有關(guān)，風(fēng)機(jī)的數(shù)量多，設(shè)置風(fēng)機(jī)的安裝角度大，相應(yīng)的局部阻力就大，隔斷風(fēng)流的效果越明顯，能消除在冬天礦井由于自然風(fēng)壓的作用發(fā)生巷道風(fēng)流反向流動的問題。