多机并联增阻空气幕的现场应用

 王海宁^1,2,吴 超¹,古德生¹

(1.中南大学 资源与安全工程学院,湖南 长沙,410083;
2.江西理工大学 环境与建筑工程学院,江西 赣州,341000)

摘要: 采用现场试验的方法,在安徽省某铜矿对多机并联空气幕的增阻作用进行现场试验研究。研究结果表明:在-400 m和-580 m主井有轨电机车运输石门的同一断面、巷道两侧的硐室,采用双机并联空气幕,对主井风流起有效的调节作用;在温度为-4~1 ℃时,空气幕能有效减少主井的进风量,空气幕全开时,阻风率达到48.00%;在温度为-1~1 ℃时,开单侧时阻风率达到32.79%;在冬季结冰季节,只要运转空气幕,就可防止主井的结冻,确保主井提升的安全,同时可降低石门内风速,减少二次扬尘污染;此外,空气幕安装在巷道的硐室内,能在有行人和电机车运行的大压差巷道内控制风流。
关键词: 矿井; 并联空气幕; 防冻; 防尘
中图分类号:TD724 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)02-0307-04

In-situ Application of Air Curtain with Parallel Fans as Resistant of Airway

WANG Hai-ning^1,2, WU Chao¹, GU De-sheng¹

(1.School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;
2. College of Environment and Civil Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China)

Abstract: Depending upon the in-situ experiment, field application of air curtain with multi-parallel fans as a resistant of airway was conducted in a Copper Mine in Anhui Province. The test was done in a main cross-cut near a skip shaft with electrical vehicle at -400 m and -580 m levels. The curtain with parallel fans was installed in both sides of the cross-cut. Testing results show that the air curtain can play a significant role like an adjusting air window. The air flow rate through the skip shaft at -4-1 ℃ can be reduced by 48.00% if all fans of both sides are run, and that at -1-1 ℃ is still reduced by 32.79%, even if the fan of one side is run. Practical application indicates that the ice phenomenon on the wall of the skip shaft can be prevented effectively in winter when running the air curtain, because the air flow-rate in the skip shaft can be reduced. Also, the dust rising in the cross-cut can be prevented by reducing the air velocity. The air curtain does not influence the passage of man and vehicle.
Key words: mine; air curtain with parallel fans; ice prevention; dust prevention
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   矿用空气幕是由高效低噪风机通过供风器以较高的风速按一定方向喷射出的一股扁平射流,可起到类似风门隔断风流、辅扇引射风流和增阻调节风窗的作用^[1]。20世纪50年代空气幕被引用到矿山巷道中,国内外许多研究者对空气幕进行了大量研究^[2-13],但大多是在风流压差和巷道断面均较小的条件下,应用单机空气幕隔断风流,而对用空气幕增阻或引射风流的研究较少。对于大断面大风压差的运输巷道内的风流控制,一般采取由多机组成的空气幕。在此,作者对多机并联增阻空气幕的现场应用进行了研究。试验矿山为安徽省某铜矿。该矿井通风系统原设计是主斜坡道和副井进风,主井出风量为16 m³/s,新鲜风清洗工作面后,污风经回风天井汇到-280 m总回风道,再经总回风井由西主扇排出地表。但实际上,主井的进风量较大,在冬季(11月初)的现场调查与测定结果显示,主井、副井和主斜坡道的进风量分别为46.81,69.82和41.34 m³/s,主井石门内的风流速度约为3 m/s。在冬季,自然风压的作用还将使主井的进风量增加。由于主井淋水量大,易导致主井井壁、通讯电缆、钢丝绳等结冰,对安全生产造成严重威胁;此外,主井石门风速偏大,易引起矿石运输的二次扬尘,对井下风流风质造成污染。因此,必须研究一种行之有效的新办法,以减少主井的进风量,防止主井结冻和保护井下环境。

1 技术方案及空气幕选型

采用如图1所示的流动模型进行半理论半经验分析^[1]。设计的多机并联空气幕对巷道风流的阻风率η_z的表达式为:

式中:n为风机台数; t为空气幕回流风阻R_c与空气幕并联巷道风阻R_l之比; p为安装空气幕的巷道与其并联巷道的风阻比, Q_c为空气幕风流射流流量; Q_g为巷道的风流流量; b为单台风机空气幕与多台风机空气幕风压比系数; K=S/S_c; θ为空气幕出口安装角,一般为30°; α为空气幕风量比系数; S为巷道断面积,m²; S_c为空气幕出口断面积,m²。

由式(1)可知,安装空气幕后巷道的阻风率与空气幕所在巷道的风阻、空气幕回流风阻、空气幕出口断面积、巷道断面积、巷道过风风量、空气幕风量、多机并联空气幕中单台空气幕的风量与单机空气幕的风量比、空气幕并联台数等因素有关。在实际应用中,当空气幕的有效压力小于巷道两端的压差时,空气幕起增阻作用,其增阻效果用阻风率来衡量。在设计增阻空气幕时,首先要在现场测定安装空气幕巷道的风量、断面积、巷道风阻、安装点临时密闭两侧的静压差等参数,再依据阻风率公式确定空气幕所需提供的有效压力,根据有效压力设计空气幕,包括风机的数量、风机的布置形式以及空气幕出口断面积等。

图 1   巷道中循环型空气幕增阻的流动模型
Fig. 1   Schematic of recirculation flowing pattern of air curtain as a resistant through a drift

确定空气幕增阻方案之前,在该矿井的-400 m和-580 m主井进风石门设置临时密闭,用热球式风速仪和倾斜压差计等对密闭前后主井石门内的风流速度和静压差等进行测定,结果如表1所示。

从表1可知,当石门全封(实际上有少量漏风)时,封闭两侧的静压差为80~118 Pa,风流速度为1.00~1.50 m/s;当石门未完全封闭且有漏风时,风流速度为2.40~2.45 m/s,全压差约为30 Pa;依据现场的实际情况和对冬季主井进风流的热交换的计算,可以确定空气幕对风流的阻风率应大于40%,故可确定空气幕对主井石门内风流的增阻压力为100~120 Pa。由于主井石门的风压较大,故确定采用多机并联空气幕技术,即在-400 m和-580 m主井进风石门分别设置空气幕,且空气幕分布于同一断面巷道的两侧,如图1所示。根据主井石门的有效过车断面积(9 m²)以及主井石门的风阻等,可以通过计算得到并联空气幕风机的台数、空气幕供风器出口尺寸、风机的型号等相关技术参数,结果如表2所示。

表 1   不同状态下主井石门风流参数
Table 1   Parameters of air flow through cross cut near skip shaft with various conditions

表 2   空气幕设计选型和供风器尺寸
Table 2   Air curtain specifications and outlet sizes of jetting

2 试验测定结果及分析

当-400 m和-580 m主井进风石门内的空气幕被安装完毕后,在不同气候条件和不同运行状态下用热球式风速仪同时测定其风速,用实测的阻风率表示空气幕的增阻效果,结果如表3所示。其中,实测的阻风率η_z′用下式计算:

ηz′=(Q_g1-Q_<sub>g2)/Q_g1×100%。

式中:Q_g1为空气幕未开时巷道内的风量,m³/s;Q_g2为空气幕开启后巷道内的过风量,m³/s。

从表3可以看出:

a. -400 m和-580 m主井石门安装空气幕后,当气温在-1 ℃左右时,与空气幕关时相比,空气幕全开主井进风量减少38.3 m³/s;开其中一侧空气幕,主井进风量减少20 m³/s;当气温低于-1 ℃时,空气幕全开主井进风量减少33.2 m³/s,开其一侧空气幕,主井进风量减少19.0 m³/s。可见,空气幕具有较好的增阻效果,在寒冷冬季,能大大减少主井的进风量,控制了寒冷气流对井筒内的降温效果,从而有效防止井筒的结冰。

b. 从不同气温条件下的阻风率可以看出,自然风压对矿井的进风量有较大影响,当气温在-1 ℃左右时,-400 m和-580 m主井石门的空气幕只需开一侧即可;当气温低于-1 ℃时,空气幕需要全开,可见,空气幕具有一定灵活性,能适应一定气温的变化。

c. 空气幕开启后,主井石门内的风流速度大大降低,有利于减少有轨电车运输过程中的二次扬尘。此外,从现场空气幕的运行效果看,在冬季,该铜矿已完全不用主扇反风来防止主井井筒的结冻,不仅减少了主扇反风对生产所带来的影响,而且可避免冰块砸坏井筒内的电缆、设备等,有利于安全生产。

表 3   安装空气幕后不同状态下主井石门内的风流参数
Table 3   Air flow parameters through cross cut near skip shaft at various conditions with air curtain

3 结 论

a. 在主井石门用多机并联空气幕阻挡风流,有效地减少了主井的进风量,结冰季节在不用主扇反转反风情况下,可较好地防止主井的结冻,确保矿山安全有序地生产;同时,因石门内风速下降,可减少运输过程中的二次扬尘。

b. 空气幕安装在石门巷道的两侧,不影响行人和电机车的运行。

参考文献:

[1]王英敏.矿内空气动力学与矿井通风系统[M].北京:冶金工业出版社,1994.
WANG Ying-min. The Aerodynamics on Diggings and Ventolation Systems of Ming[M]. Beijing: Metallurgy Industry Press, 1994.
[2]徐竹云, 周焕明,刘家盟, 等.矿用空气幕在运输道上隔断风流[J].金属矿山,1990,(2):9-12.
XU Zhu-yun, ZHOU Huang-ming, LIU Jia-meng, et al. Cutting Airflows on the Haulage Road by WMI Mine Air Brattice [J].Metal Mine,1990,(2):9-12.
[3]徐竹云,陈荣策.矿山空气幕的有效压力平衡原理及其应用[J].黄金,1988,9(1):4-9.
XU Zhu-yun,CHEN Rong-ce. The Balance Theory of Effective Pressure on Air Curtain of Mine and It′s Applications[J].Gold,1988,9(1):4-9.
[4]GUYONNAUD L, SOLLIEC C, de VIREL M D, et al. Design of Air Curtains Used for Area Confinement in Tunnels[J]. Experiments in Fluids, 2000, 28, 377-384.
[5]徐竹云,陈荣策.矿用宽口大风量空气幕的设计计算[J].黄金,1989,10(1):27-31.
XU Zhu-yun,CHEN Rong-ce.Design and Calculation of Large Cross Sectional Jet and High Volume Discharge Mine Air Curtain[J].Gold,1989,10(1):27-31.
[6]王海宁,刘同有,王五松, 等.金川二矿区大断面巷道空气幕技术研究[J].有色金属(矿山部分),2000,(1):33-36.
WANG Hai-ning, LIU Tong-you, WANG Wu-song, et al. Application of Cutting Airflows on the Haulage Road by Mine Air Curtain[J].Nonferrous Metal (Mining Section),2000, (1):33-36.
[7]王海宁,赵千里, 高洁, 等.多机并联空气幕引射风流在金川二矿的应用研究[J].矿业研究与开发,2002,22(3):26-27.
WANG Hai-ning,ZHAO Qiang-li, GAO Jie, et al. Application of Airflow Ejected from Air Curtain by Paralleled Fans in Jinchuan′s No.2 Mining District[J].Mining Research and Development,2002,22(3):26-27.
[8]PARTY J. Analytical Design of an Air Curtain[J]. International Journal of Modeling and Simulation, 1995, (15):14-22.
[9]FIELD B S, LOTH E. Measurements of Air Curtain Entrainment[A]. Proceedings of the ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting[C]. New Orleans, 2001.
[10]SIREN K. Technical Dimensioning of a Vertically Upwards-blowing Air Curtain—Part Ⅱ[J]. Energy and Buildings, 2003, 35(7): 697-705.
[11]GUYONNAUD L, SOLLIEC C. Mass Transfer Analysis of an Air Curtain System[A]. The 2nd International Conference on Advances in Fluid Mechanics[C]. Udine, 1998.
[12]SIREN K. Technical Dimensioning of a Vertically Upwards-blowing Air Curtain—Part Ⅰ[J]. Energy and Buildings, 2003, 35(7): 681-695.
[13]FIELD B S, LOTH E. An Air Curtain along a Wall with High Inlet Turbulence[J]. Journal of Fluids Engineering, 2004, 126(3): 391-398.

收稿日期:2004-05-10

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50474050)

作者简介:王海宁(1965-),男,安徽安庆人,教授,博士研究生,从事通风与安全领域的研究

论文联系人: 王海宁,男,教授,博士研究生;电话:0797-8312351(O); E-mail: whnfyy@yahoo.com.cn