煤矿通风系统新型风门的设计与研究

薛贵卿

（晋能控股煤业集团马道头煤业有限责任公司， 山西 大同 037100）

引言

矿井通风安全是保证煤矿安全开采的基础，也是煤矿企业最关注的核心问题[1]。目前国内现有的煤矿通风一般都是采用传统的通风系统，在风井处安装2台主通风机，并且根据煤矿安全通风系统要求，需要对2 台通风系统进行轮换使用，每月需要进行一次更换，且在实际进行切换过程中中途停风的时间不能超过10 min，然而目前在实际更换过程中大多数会超过10 min[2]，甚至需要更长的时间，非常容易在短暂的时间内出现瓦斯、一氧化碳、硫化氢等有毒有害气体浓度的突变。同时在北方等地区，当冬季时风门非常容易结冰，导致煤矿通风系统出现故障，采用电动控制无法正常开启需要首先派专人每天清理风门口附近的结冰随后人工手动开启，需要劳动力比较多，工人劳动强度比较大。

1 矿井通风系统风门设计要求

针对煤矿通风系统当前存在的主要问题，在风门结构设计和性能上需要满足风门可以实现不停风切换，并且保证新型风门具有较低的故障率。

一般而言，风门的故障类型主要有因为环境引起的故障和由自身结构引起的故障两类，环境故障是由于受到恶劣环境的影响比如常见的粉尘、潮湿、电磁振动等，甚至在煤矿生产系统中有时会出现的粉尘的堆积、排水问题以及冬天时出现的气候问题等，最终导致风门出现故障[3]。

另一方面，由于风门需要长时间运行，在实际使用的过程中会由于结构的磨损、维护不及时等问题引起设备故障，引起煤矿井下局部区域内的瓦斯超标，引发煤矿安全事故。为此本次设计的新型风门不仅需要保证实际矿井通风要求，还需要具有较低的故障率，保证设备的正常运转[4]。

2 煤矿通风系统新型风门总体方案设计

根据通风系统风门设计基本要求，结合现有的风门的缺点，设计了一套新型风门结构，如图1 所示为侧移风门结构示意图。

图1 风门总体结构方案设计

侧移风门主要由电动机减速器、驱动齿轮、驱动齿条组件等部分组成[5]，其中利用齿轮齿条结构实现风门的开启与关闭，相对于传统的链条传动或者钢丝绳拉动而言，采用齿轮齿条结构实现了直接开闭和驱动，不再使用中间传动件，从而有效降低故障发生率[6]，缩短传动链保证获得更好的控制精度和控制效果，且在开门和闭合的过程中利用齿轮与齿条之间轮齿的啮合，门的受力更加均匀，对于侧方的挤压较小，能够满足通风系统的风门开闭要求[7]。如图2 所示为本次设计的风门在巷道通风系统中的布置图。

图2 风门在通风系统中的布置方案

3 煤矿通风系统新型风门传热性能研究

在管道内部流体的流动将会表现出风门的实际通风效果和传热效果，通过利用SolidWorks 2019 建立风门的三维模型并对模型进行了简化分析，最后导入Fluent 中进行流场分析，通过设置边界条件，由于风门内部的风流属于比较复杂的湍流和层流同时存在的状态，设定为湍流模型[8]。输入发热源的实际体积功率，定义周围环境温度为252 K，入口压力设定为933 MPa，出口速度为-23.26 m/s，出口处的直径设置为100 mm，风门中具有较多的出口，需要设置所有出口的速度为恒定值，设置为-7.5 m/s，最后进行仿真分析，得到如图3 所示的出口处中间截面速度分布云图。

图3 风门出口处中间截面速度分布云图

从图3 中可以看出，在多出口状态下的风门结构出口处的速度相对较小，仅仅为8 m/s，在有限的开口大小内的流速主要取决于进入管道的距离，在中间位置处的速度相对较大，且在靠近中间位置处的速度呈现出一定的波动。气流在风门内部完成实际循环之后会从风管道流出，在流出后由于管道内部的空间变小最终使得气流的速度会显著增大，当空气进入到风门内部后，流动空间变大，此时的速度是最小的，大约为2 m/s。随后，对多出口的风门传热性能进行了仿真分析，得到如图4 所示的数值模拟分析结果。

从图4 中可以看出，多出口风门在箱体底部流道和第二、第三条流道的温度比较高，其他的流动通道内的温度比较低，温度主要集中在第一和第二流动通道内，这就表明在多通道风门中，流动传热主要是通过第一和第二通道，当到达最后一个通道时的传热量几乎为0，所有的热量均提前进行了释放，实际传热并不均匀。所以在实际进行使用的过程中首先需要保证多出口最前面的几个口的畅通，这样就能够达到比较好的散热效果，对于辅助的出口也需要保证出口流道的畅通，避免由于局部散热不畅通导致风门结构的损坏。

图4 传热性能仿真结果

4 结论

本文设计了一种适用于北方的新型防冻不停风风门，通过对风门的传热特性进行仿真分析，通过数值模拟分析得出对于多出口新型风门，在靠近入口处的传热性能较好，在远离入口位置处的传热特性较差，尤其是在第一和第二孔处的流道传热性能最好，在实际使用中需要保证出风口的畅通，这对于改善当前的矿井通风和优化矿井通风系统等，从而保证煤矿安全高效生产具有重要的意义和作用。