雙機并聯空氣幕引射風流在斜溝煤礦的應用研究*

閆大衛

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦 ，山西 呂梁 033602）

0 引 言

礦井只有擁有穩定可靠的通風系統，才可以確保礦井作業人員的生命財產安全[1-3]。井下常用的風流調控設施有風橋、風門、擋風墻、風窗和輔助通風機等，然而由于井下部分運輸巷道需要頻繁行車運料，使得風門不能很好實現調控風流的作用[4-5]。通過在巷道兩側的硐室內安設空氣幕，利用空氣幕以較大的初速度發射出扁平射流，實現調控巷道風流的目的[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簡單、維護管理方便、調控風流顯著等優點[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流的能力（即空氣幕的有效壓力）的結論，同時研發了寬口大風量的礦用空氣幕；蔣仲安等[12]通過建立一個試驗模型——空氣幕阻斷礦井巷道中風流，得到空氣幕最佳的設置角度為30°以及最佳供風器出口寬度是8cm，可以很好的指導礦用空氣幕隔斷巷道風流的結構設計；趙玲等[13]通過相似實驗和數值模擬，發現循環型空氣幕隔斷能力隨送風角度的增大呈現先增大后減小的變化規律。根據現場實際安裝情況，最佳送風角度設置是 10°～30°。

本文研究空氣幕在串、并聯兩種不同的方式下的風流隔斷能力[14]，通過理論分析和數值模擬的方法，確定空氣幕雙機并聯方式的阻隔風流效果[15-16]，達到節能降耗的效果[17]。

1 計算雙機幕的局部阻力

圖1 空氣幕的風流流向

在全部隔斷巷道中的風流時，空氣幕所產生的阻力是空氣幕形成部分阻力。在巷道中裝置好風機以后，風流的變化情況，如圖1所示。

針對風流循環的空氣幕，在全部隔斷巷道中風流時，循環位置處的風流變化即為空氣幕產生循環風流的情況，循環位置以外未發現由風流。因為空氣幕可整體隔斷巷道中風流，因此巷道斷面I-I處的風量為零，但下風側Ⅱ-Ⅱ處的總風量為空氣幕的全部風量。借助動量守恒定律對流場開展風流的力學研究，得到以下數學方程：

因此確定雙機幕的局部阻力：

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為出口斷面風速，m/s；Qc為單臺空氣幕的風量，m3/s；Q"c為雙機幕并聯的總風量，m3/s；vc為空氣幕出口風速，m/s；vcx為空氣幕出口在水平方向的風速，m/s；v"cx為雙機幕并聯后在水平方向的風速，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數值模擬

2.1 建立模型

圖2 物理模型

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

2.2 設置邊界條件

設置模型采用tandard模式，模型使用紊流形式，邊界設置是standard wall function，依據局部阻力的平衡原理，進出口采用壓力模式，將出口靜壓和入口靜壓分別設置為0和130Pa。結合井下實測數據，將出口風速定義為23.5m/s，邊界條件為無滑移形式。

2.3 分析數值模擬結果

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發現：來自空氣幕機發射出的風流，速度最大得位置不在空氣幕機口，而位于距風機出口的一段距離。采取并聯2臺空氣幕機時，在圖4中得到，在靠近巷道兩側時風速很大，在巷道軸線區域的位置風速較小，此現象與巷道中風流正常分布規律相反，卻和巷道采用單風機布置時的風速分布規律不一致。原因是由空氣幕發射的風流，為了抵擋橫向壓力，礦井巷道中的風流開始彎曲和回流，最終集中在巷道軸線位置。隨著流動阻力的減弱，風流開始分別流向巷道兩側的硐室中，接著匯入空氣幕的回風口，就產生循環風流現象。由圖3和圖4都可發現風流全部停滯，證明空氣幕可以安全隔斷巷道的風流。

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

3 井下現場實踐

斜溝煤礦有多個風井（6個進風機、3個回風井），屬于通風阻力較大、通風路線較長、通風網絡復雜系統，伴隨采深的增大，致使作業地點溫度增加，冬季有時會發生風流反向流動的現象，經過現場研究通風系統，得到空氣幕的阻風率和局部阻力，風機的參數見表1，風機實物如圖7所示。

圖7 風機

表1 風機參數

通過對比試驗的方法研究空氣幕的風流增阻情況，測定得到在安裝角度不一致時，空氣幕所產生的局部阻力和阻風率的規律。測定數據見表2，空氣幕局部阻力與安裝角的關系如圖8所示。

圖8 空氣幕局部阻力與安裝角的關系

表2 并聯空氣幕測試情況

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

不管采用哪種安裝方式，風機幕的安裝角度明顯影響著阻風效果，形成的局部阻力都與安裝角度的成正比關系。同時空氣幕增阻效果與風機臺數明顯有關，風機數量越多，功率越高，其阻風效果越明顯。

4 結 論

1）根據數值模擬結果發現，由風機幕發射的風流位于巷道周圍時風速較大，離巷道軸線很近的位置風速小，因為橫向壓力的影響，巷道中風流開始彎曲和回流，最終集中在軸線位置；空氣幕機發射出風流后，靜壓立即升高至某一峰值，此時嚴重影響著巷道內風流，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流。

2）通過在礦井現場開展試驗研究，得到空氣幕的增阻效果與風機臺數明顯有關，風機的數量多，設置風機的安裝角度大，相應的局部阻力就大，隔斷風流的效果越明顯，能消除在冬天礦井由于自然風壓的作用發生巷道風流反向流動的問題。