双机并联空气幕引射风流在斜沟煤矿的应用研究*

闫大卫

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿 ，山西 吕梁 033602）

0 引 言

矿井只有拥有稳定可靠的通风系统，才可以确保矿井作业人员的生命财产安全[1-3]。井下常用的风流调控设施有风桥、风门、挡风墙、风窗和辅助通风机等，然而由于井下部分运输巷道需要频繁行车运料，使得风门不能很好实现调控风流的作用[4-5]。通过在巷道两侧的硐室内安设空气幕，利用空气幕以较大的初速度发射出扁平射流，实现调控巷道风流的目的[6-9]，此方法拥有既不影响运输也不影响行人的特点，适用于行车运料频繁的运输巷道中，此外还拥有检修保养简单、维护管理方便、调控风流显著等优点[10-11]。

我国科研工作者对矿用空气幕研究做了大量工作，通过研究得出矿山空气幕隔断风流的能力（即空气幕的有效压力）的结论，同时研发了宽口大风量的矿用空气幕；蒋仲安等[12]通过建立一个试验模型——空气幕阻断矿井巷道中风流，得到空气幕最佳的设置角度为30°以及最佳供风器出口宽度是8cm，可以很好的指导矿用空气幕隔断巷道风流的结构设计；赵玲等[13]通过相似实验和数值模拟，发现循环型空气幕隔断能力随送风角度的增大呈现先增大后减小的变化规律。根据现场实际安装情况，最佳送风角度设置是 10°～30°。

本文研究空气幕在串、并联两种不同的方式下的风流隔断能力[14]，通过理论分析和数值模拟的方法，确定空气幕双机并联方式的阻隔风流效果[15-16]，达到节能降耗的效果[17]。

1 计算双机幕的局部阻力

图1 空气幕的风流流向

在全部隔断巷道中的风流时，空气幕所产生的阻力是空气幕形成部分阻力。在巷道中装置好风机以后，风流的变化情况，如图1所示。

针对风流循环的空气幕，在全部隔断巷道中风流时，循环位置处的风流变化即为空气幕产生循环风流的情况，循环位置以外未发现由风流。因为空气幕可整体隔断巷道中风流，因此巷道断面I-I处的风量为零，但下风侧Ⅱ-Ⅱ处的总风量为空气幕的全部风量。借助动量守恒定律对流场开展风流的力学研究，得到以下数学方程：

因此确定双机幕的局部阻力：

式中：P1、P2为入口断面和出口断面的空气静压，Pa；S 为巷道断面积，m2；v2为出口断面风速，m/s；Qc为单台空气幕的风量，m3/s；Q"c为双机幕并联的总风量，m3/s；vc为空气幕出口风速，m/s；vcx为空气幕出口在水平方向的风速，m/s；v"cx为双机幕并联后在水平方向的风速，m/s；Sc为空气幕出口的断面面积，m2；ρ 为井下空气密度，kg/m3；θ为空气幕的安装角度，°；ΔH为空气幕的局部阻力，Pa。

2 FLUENT数值模拟

2.1 建立模型

图2 物理模型

依据矿井巷道的布置情况，开始设置模型如图2所示，巷道高2.5m、宽3.3m、长33m，假定巷道轴线与出风口的风流方向呈现60°夹角，两个风口宽均是1.5m。

2.2 设置边界条件

设置模型采用tandard模式，模型使用紊流形式，边界设置是standard wall function，依据局部阻力的平衡原理，进出口采用压力模式，将出口静压和入口静压分别设置为0和130Pa。结合井下实测数据，将出口风速定义为23.5m/s，边界条件为无滑移形式。

2.3 分析数值模拟结果

图3 速度分布云图

图4 速度分布等值线

图5 静压分布云图

图6 静压分布等值线

从图3发现：来自空气幕机发射出的风流，速度最大得位置不在空气幕机口，而位于距风机出口的一段距离。采取并联2台空气幕机时，在图4中得到，在靠近巷道两侧时风速很大，在巷道轴线区域的位置风速较小，此现象与巷道中风流正常分布规律相反，却和巷道采用单风机布置时的风速分布规律不一致。原因是由空气幕发射的风流，为了抵挡横向压力，矿井巷道中的风流开始弯曲和回流，最终集中在巷道轴线位置。随着流动阻力的减弱，风流开始分别流向巷道两侧的硐室中，接着汇入空气幕的回风口，就产生循环风流现象。由图3和图4都可发现风流全部停滞，证明空气幕可以安全隔断巷道的风流。

从图5得到，空气幕机发射出风流后，静压立即升高至某一峰值，此时严重影响着巷道内风流，且峰值缓慢靠近至巷道轴线位置，在2个空气幕机的影响之下，静压峰值变小，最终达到静压，矿井巷道入口和出口的压差等于空气幕循环风流的压差，然而未在图5中看到压差发生改变，原因是该巷道为水平状态，无高差波动，位压几乎为零，所以当有风流改变时一定发生静压变化。从图5和图6发现静压都未有波动，说明此循环风流处没有风流的流向，即风速大小是0，证明空气幕能够隔断风流。

3 井下现场实践

斜沟煤矿有多个风井（6个进风机、3个回风井），属于通风阻力较大、通风路线较长、通风网络复杂系统，伴随采深的增大，致使作业地点温度增加，冬季有时会发生风流反向流动的现象，经过现场研究通风系统，得到空气幕的阻风率和局部阻力，风机的参数见表1，风机实物如图7所示。

图7 风机

表1 风机参数

通过对比试验的方法研究空气幕的风流增阻情况，测定得到在安装角度不一致时，空气幕所产生的局部阻力和阻风率的规律。测定数据见表2，空气幕局部阻力与安装角的关系如图8所示。

图8 空气幕局部阻力与安装角的关系

表2 并联空气幕测试情况

井下测试证明单机幕的局部阻力低于双机幕并联的局部阻力，即单机幕的增阻效应差于双机幕，同时单机幕形成的局部阻力随着角度的增大幅度小于双机幕。

不管采用哪种安装方式，风机幕的安装角度明显影响着阻风效果，形成的局部阻力都与安装角度的成正比关系。同时空气幕增阻效果与风机台数明显有关，风机数量越多，功率越高，其阻风效果越明显。

4 结 论

1）根据数值模拟结果发现，由风机幕发射的风流位于巷道周围时风速较大，离巷道轴线很近的位置风速小，因为横向压力的影响，巷道中风流开始弯曲和回流，最终集中在轴线位置；空气幕机发射出风流后，静压立即升高至某一峰值，此时严重影响着巷道内风流，此峰值逐渐移到巷道轴线附近，在两个空气幕的作用下，此峰值开始减小，最终形成静压情况，表明空气幕可以隔断矿井巷道风流。

2）通过在矿井现场开展试验研究，得到空气幕的增阻效果与风机台数明显有关，风机的数量多，设置风机的安装角度大，相应的局部阻力就大，隔断风流的效果越明显，能消除在冬天矿井由于自然风压的作用发生巷道风流反向流动的问题。