井下單風(fēng)機(jī)高壓引射通風(fēng)技術(shù)研究

劉東銳 劉偉強(qiáng) 李印洪

(1.湖南有色冶金勞動保護(hù)研究院；2.非煤礦山通風(fēng)防塵湖南省重點實驗室)

井下單風(fēng)機(jī)高壓引射通風(fēng)技術(shù)研究

劉東銳1,2劉偉強(qiáng)1,2李印洪1,2

(1.湖南有色冶金勞動保護(hù)研究院；2.非煤礦山通風(fēng)防塵湖南省重點實驗室)

在礦體走向長、開拓深度大的礦山企業(yè)中，常存在局部通風(fēng)阻力過大、風(fēng)量不足的情況，采用傳統(tǒng)的增能調(diào)節(jié)即風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)，易在風(fēng)機(jī)附近形成循環(huán)風(fēng)，導(dǎo)致風(fēng)量降低，無法達(dá)到預(yù)期的效果。根據(jù)流體力學(xué)及射流原理，提出風(fēng)機(jī)引射技術(shù)，即拆除風(fēng)機(jī)風(fēng)墻，同時安裝引射器，呈8°放入巷道中，可達(dá)到克服巷道阻力，增大巷道風(fēng)量的目的。現(xiàn)場應(yīng)用表明，技術(shù)可有效克服巷道阻力，提高巷道風(fēng)量，減少局部循環(huán)風(fēng)的發(fā)生，為存在類似問題的相關(guān)礦山提供了一條新思路。

通風(fēng)系統(tǒng) 增能調(diào)節(jié) 循環(huán)風(fēng) 單風(fēng)機(jī)引射技術(shù)

一般來說，對于礦山通風(fēng)系統(tǒng)主要是進(jìn)行局部調(diào)節(jié)，整體調(diào)節(jié)主要是增加風(fēng)量。通風(fēng)系統(tǒng)的局部調(diào)節(jié)是對采區(qū)內(nèi)各中段間、各采場及采區(qū)間的調(diào)節(jié)。從增阻、降阻和增能3種調(diào)節(jié)方式來說，效果最好的為增能調(diào)節(jié)，即采用扇風(fēng)機(jī)或自然風(fēng)壓增大通風(fēng)阻力過大的風(fēng)量及風(fēng)壓[1]。

隨著礦山向深部開采，靠自然風(fēng)壓已無法實現(xiàn)對井下局部通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，因此，采用扇風(fēng)機(jī)進(jìn)行增能調(diào)節(jié)是最佳方式。采用單獨的風(fēng)機(jī)作用有限，特別是對于局部巷道沿程風(fēng)阻過大的情況下，極易產(chǎn)生局部的循環(huán)風(fēng)，導(dǎo)致通風(fēng)能耗的增加。本文根據(jù)流體力學(xué)及射流原理[2-3]，采用了單風(fēng)機(jī)引射通風(fēng)技術(shù)，即采用單高壓風(fēng)機(jī)和引射器，使得巷道斷面通風(fēng)量增加的技術(shù)，從而實現(xiàn)局部風(fēng)量的調(diào)節(jié)。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 流體力學(xué)

根據(jù)工程流體力學(xué)可知，利用水或壓縮空氣，經(jīng)噴嘴高速射出,產(chǎn)生射流,周圍空氣被卷吸到射流中，為了減少射流和卷吸空氣間的沖擊損失，空氣和射流在混合室內(nèi)摻混，整流后共同向前運動，使風(fēng)筒內(nèi)不斷有風(fēng)流通過。引射器結(jié)構(gòu)簡單，易于加工且成本較低,工作可靠性好，安裝維護(hù)方便。但需滿足能量守恒定律、質(zhì)量守恒定律和動量定理。

1.2 射流原理

空氣進(jìn)入巷道后，風(fēng)流的分布狀況和運動規(guī)律與自由射流相似。而巷道其余部分的風(fēng)流流動是由于自由射流引起的，具有自由射流某些類似的性質(zhì)，但與自由射流不同，可稱為二次誘導(dǎo)射流。

自由射流是一種不受固體邊界限制，在足夠廣闊的空間內(nèi)自由射出的風(fēng)流。硐室中二次誘導(dǎo)射流(圖1)的理論是由沃洛寧提出的，對礦井通風(fēng)計算有重要的指導(dǎo)意義。

圖1 二次誘導(dǎo)射流示意

2 單風(fēng)機(jī)引射技術(shù)原理

單獨風(fēng)機(jī)與引射器組合在井巷工作時，風(fēng)流運動的全能量方程為

(1)

式中，pA，pB為巷道入口、出口的大氣壓力，Pa；Hf為扇風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，Pa；Qf為扇風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/s；Q為巷道風(fēng)量，m3/s；h為巷道摩擦阻力與局部阻力損失，Pa；hp為由扇風(fēng)機(jī)出口到巷道全斷面的突然擴(kuò)大能量損失，Pa；hm為兩斷面間的摩擦阻力損失，Pa；Qm為兩斷面間繞過扇風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，m3/s；ρ為空氣密度，kg/m3；v為風(fēng)流速度，m/s。

當(dāng)pA=pB，將式(1)轉(zhuǎn)換整理得有效壓力ΔH：

(2)

(3)

此時，有效壓力等于扇風(fēng)機(jī)全能量減去由扇風(fēng)機(jī)出口到巷道全斷面的突然擴(kuò)大損失和繞過扇風(fēng)機(jī)風(fēng)流的能量損失后所剩余的能量。該能量用于克服巷道摩擦阻力和局部阻力，并在巷道的出口造成動壓損失。式(3)可轉(zhuǎn)換為

(4)

式中，Sf為扇風(fēng)機(jī)出口斷面積，m2；S為巷道斷面，m2；vf為扇風(fēng)機(jī)出口平均風(fēng)速，m/s；α為比例系數(shù)。

在無其他通風(fēng)動力情況下，單風(fēng)機(jī)與引射器在井巷中工作時所造成的風(fēng)量與無風(fēng)墻扇風(fēng)機(jī)的有效風(fēng)壓ΔH和井巷風(fēng)阻R有關(guān)。如已知扇風(fēng)機(jī)出口動壓Hv、出口斷面Sf、巷道斷面S及巷道風(fēng)阻R(包括巷道出風(fēng)風(fēng)阻在內(nèi))，則由阻力定律可得到：

(5)

式中，K為試驗系數(shù)，與空氣幕在巷道中的安裝條件、巷道風(fēng)速和空氣幕出口風(fēng)速有關(guān)，取1.65；ρ為空氣密度，取1.2 kg/m3；其他符號意義同上。

代入式(5)，可得風(fēng)量計算公式：

(6)

具體型號及引射器的尺寸根據(jù)巷道的尺寸和阻力確定，且根據(jù)礦區(qū)整體的通風(fēng)需求確定。一般情況下引射器出風(fēng)口面積S0為輔扇出風(fēng)口面積的0.2～0.5倍，長度與風(fēng)機(jī)長度相近。見圖2。

圖2 單風(fēng)機(jī)引射通風(fēng)示意

3 現(xiàn)場應(yīng)用

某礦50，10，-30 m作業(yè)中段風(fēng)區(qū)進(jìn)、回風(fēng)線路及-70，-110 m中段東沿風(fēng)區(qū)進(jìn)、回風(fēng)線路均涉及到193線-30 m中段回風(fēng)巷，由于-30 m中段193線的北部東沿巷道長約400 m，該巷道一方面作為北部東沿-30 m中段以下各中段礦體回采的主回風(fēng)巷道；另一方面又作為90 m中段設(shè)備、材料下放到-30 m中段的運輸巷道。

3.1 風(fēng)機(jī)選型

在北部-30 m中段以下有2個用風(fēng)中段，分別為-70，-110 m中段(正在向深部開拓論證)，年生產(chǎn)能力為8萬t，即北西沿(3萬t)、北東沿(5萬t)，其中-30 m中段回風(fēng)巷道的風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)的是北東沿-70,-110 m中段開采污風(fēng)的排出。所以，-30 m 中段回風(fēng)巷道的風(fēng)機(jī)所克服的井巷阻力只需考慮回風(fēng)巷道入口至472 m豎井地表。根據(jù)實際情況選擇K40-6-NO.15風(fēng)機(jī)(37 kW)，實際運轉(zhuǎn)參數(shù)即工況點風(fēng)量為19 m3/s，風(fēng)壓為540 Pa。

3.2 引射器制作

K40-6-NO.15型風(fēng)機(jī)的外圓直徑為1 635 mm，則計算可得外圓面積約為2.1 m2，其于引射器出風(fēng)口斷面面積比為0.2～0.5，取0.2，計算可得引射器出風(fēng)口斷面半徑為37 cm。風(fēng)機(jī)的長度約為1.1 m，則引射器長度為1.5 m。由于井下空氣較濕潤，直接采用鐵板容易腐蝕，對引射器表面噴漆。

3.3 現(xiàn)場方案設(shè)計

根據(jù)單風(fēng)機(jī)引射理論及現(xiàn)場情況，設(shè)計-30 m中段193線北東沿的單臺風(fēng)機(jī)高壓引射方案，即在-30 m中段至2 m中段的聯(lián)絡(luò)巷一側(cè)，掘進(jìn)一條專用風(fēng)機(jī)引射巷道，斷面為2.4 m×2.6 m。為保證引射效果，專用巷道與聯(lián)絡(luò)巷的夾角不大于8°，且在-30 m中段主回風(fēng)巷道中聯(lián)絡(luò)巷道與專用巷道之間，構(gòu)筑帶檢查門的風(fēng)墻，隔斷風(fēng)流。見圖3。

圖3 單風(fēng)機(jī)高壓引射通風(fēng)示意

根據(jù)上述設(shè)計方案，開拉巷道斷面為2.4 m×2.6 m，并將風(fēng)機(jī)與引射器組裝放入相應(yīng)位置。

3.4 現(xiàn)場效果

根據(jù)現(xiàn)場測定可知，-30 m中段193線回風(fēng)巷道內(nèi)風(fēng)量提高了5%，解決了該處易產(chǎn)生循環(huán)風(fēng)的難題，同時解決了該處巷道通風(fēng)與運輸之間的矛盾。

4 結(jié) 語

根據(jù)流體力學(xué)理論及射流原理，提出了風(fēng)機(jī)引射技術(shù)，即在高阻力的長巷道中，利用風(fēng)機(jī)與引射器組合，引射調(diào)整風(fēng)流，提高系統(tǒng)的通風(fēng)效果。同時由于不構(gòu)筑風(fēng)墻，對巷道的影響小，可以有效保證通風(fēng)及運輸。在湖南某礦山的實際應(yīng)用效果表明，采用該技術(shù)可以有效降低循環(huán)風(fēng)的發(fā)生，提高局部的風(fēng)量，同時又不阻礙巷道的運輸功能。該技術(shù)為同類礦山提供了一條技術(shù)思路，具備一定的推廣意義。

[1] 王英敏.礦井通風(fēng)與安全[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1978.

[2] 王惠民.流體力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[3] 孔 瓏.工程流體力學(xué)[M].北京：水利電力出版社,1992.

2015-03-23)

劉東銳(1987—)，男，助理工程師，410014 湖南省長沙市雨花區(qū)香樟路601號。