无密闭墙的采区辅扇

2020-05-18暨朝颂王静英邵玉良谢万喜

中国矿山工程 2020年2期

暨朝颂，王静英，邵玉良，谢万喜

(1.北京科技大学，北京 100083；2.中条山有色金属集团公司，山西垣曲 043700)

1 前言

在金属矿山中，由于采区作业地点的经常变动，通风网路的严重漏风，爆破冲击波的破坏作用，实际上无法采用风窗来调节风量。因此，长期以来无密闭墙辅扇得到了广泛应用。无密闭墙辅扇虽己广泛采用，但对其研究仍很不充分，缺乏必要的实验论证，使用中存在一些不合理的现象。基于数学理论分析和坑下试验的基础上，又在篦子沟铜矿和铜矿峪铜矿进行了一系列的测定，总结了多年来应用辅扇的经验，弄清工作原理，提出了简便可靠的计算方法和提高效率的途径。

2 无密闭墙辅扇的工作原理

无密闭墙辅扇在巷道中工作原理与气体引射器工作原理有其相似的地方，但也有区别：引射器的射流气体是由外界供给的，辅扇是取自巷道中的风流；引射器喷出的气体量取决于人为的操作，而辅扇引风器喷出风量取决于引风器的出口面积和辅扇风机的工况，引风器的最佳尺寸取决于扇风机的最佳工况。

为了合理说明无密闭墙辅扇在巷道中的工作原理，在矿山作过多次观测，己证明无密闭墙辅扇开动后，对进出并联巷道的总风量无变化(在无漏风条件下)，也就是说无密闭墙辅扇对主扇工况的影响极其微小。因为无密闭墙辅扇的有效作用风压比相对于主扇的风压可以忽略不计，而并联巷道的风阻比相对于矿井的总风阻又是那么微小。因此无密闭墙辅扇只能使并联巷道中的风量重新分配，不能使进入(排出)并联巷道的总风量有所增加。下面从3个方面来阐明无密闭墙辅扇的工作原理。

2.1 辅扇的增风机理

辅扇排出口处的巷道截面上的动能(功率)，即图1中的1- 1截面处的动能，而不是以辅扇射流体与巷道截面汇合处的动能(功率)来说明辅扇的工作原理，这样明确被引射风流与引射风流之间的关系，辅扇工作原理如图1所示。辅扇的能量Ef消耗与风流突然扩大时的冲击损失Eim、克服巷道的风阻R的能量Er和在该巷道中形成速度的动能Ev的关系为

Ef=Eim+Er+Ev

(1)

截面1- 1上的动能为

(2)

式中：ρ——空气的密度,kg/m3；

Qf——辅扇的输出风量,m3/s；

S1——风机的出口面,m2；

Qn——风机周围环隙被引射的风量，m3/s；

Sn——风机周围的环隙面积，m2。

图1 无密闭墙辅扇的工作原理图

两股风流的冲击损失为[1]

(3)

式中：S0——风流混合处的截面积，此处即巷道的截面积，m2；

Q0——风流混合截面积处的风量，即巷道中的风量，m3/s。

其中Qn=Q0-Qf和Sn=S0-S1。

克服巷道阻力所耗损的能量为

(4)

R为安装辅扇的巷道风阻，即截面为3- 3至4- 4的巷道风阻，该两处是并联巷道的两个汇合点。

巷道中风流的动能为

(5)

将式(2)、(3)、(4)和(5)代入式(1)，整理后得

(6)

将上式改写为

(7)

式中，K为增风系数。

从式(7)可以看出，增风系数K只是Q0与Qf比值关系，其中Q0取决于巷道的风阻R和Qf，而Qf又取决于风机的工况，即取决于风机的特性曲线和安装状况。为了验证式(7)，我们用不同尺寸的引风器，在箆子沟铜矿进行试验，其增风系数K与巷道引风量Q0的关系如图2所示。

图2 增风系数与巷道引风量的关系图

(2)当Q0=Qf时，由式(7)求得临界通风方式时的巷道临界风阻值为

(8)

当K>1时辅扇为引射通风方式，当K<1时辅扇为循环通风方式。故临界风阻Rk是辅扇设置密闭墙与否的一个重要标志，但不是唯一条件。因为基于前面提到的原因，许多矿山仍多采用无密闭墙的辅扇通风，而三种通风方式均能增加巷道的引风量(与未装辅扇相比)，只是效果不一样罢了。

(3)要增大巷道里的风量Q0，只需从风机风量Qf及其出口截面积S1、巷道截面积S0三方面着手研究(在一般条件下，不可能为了增大Q0而去改变巷道的风阻)。

(4)增风系数大，巷道的引风量也不一定大。

2.2 辅扇的工况

由于无密闭墙辅扇的出入口的静压差微小，故其全压可写为

(9)

风机特性曲线的拟合方程为

(10)

式中:H0——风机特性曲线零次方项的系数(试验风机的H0=1 962)；

A——风机特性曲线二次方项的系数(试验风机的A=118)。

将式(9)代入式(10)，得

(11)

2.3 辅扇在巷道中的有效风压

辅扇在巷道中的有效风压应为

(12)

将式(6)代入式(12)，得

(13)

如果忽略微小误差，则上式可简化为

将式(11)代入上式即得

(14)

按式(14)计算的辅扇有效风压和在不同R条件下实测的有效风压见表1。

由表(1)和式(14)可以看出：

(1)无密闭墙辅扇在巷道中的有效风压只与风机特性(H0,A)和安装状况(S0,S1)有关，而与巷道的风阻无关。即在具体条件下，有效风压为一常数。

表1 有效风压值

(2)辅扇有效风压的实测值与式(14)计算的理论值极其接近，当引风器截面积为最佳时，其误差达到最小值。实测值一般小于理论值。

(3)临界风阻RK曲线与辅扇装置的he曲线相交于F点，即求得风机的风量Qf，辅扇装置特性曲线如图3所示。

图3 无密闭墙辅扇装置的特性曲线图

(4)F点的左边为循环通风方式，右边为引射通风方式。

3 提高辅扇工作效率

下面从引风器的出口截面积、混合器的截面积和辅扇的安装3个方面来阐明提高辅扇工作效率。

3.1 引风器的出口截面积

从式(11)可以看出，辅扇出口截面积S1直接影响风机的工况。显然，当装有扩散器时，装置的内阻小，Qf值增大，出口动压相应减小；相反，当装有引风器时，装置的内阻大，Qf值减小，而出口动压则增加。因此，对每台风机来说，必然存在某一最佳出口截面积，它使无密闭墙辅扇的巷道引风量达到最大值。为了求得最优出口截面积S1，就必须使风机的有效输出功率达到最大值。风机的空气功率公式是

汪小波没有回答，他还在瞪着整个房间。麦小秋开始走向阳台，好像自言自语，她说：“是别人的，我偶尔过来。”

W=hf×Qf

将式(10)的hf代入上式，得

(15)

对函数W求导，得

(16)

令W′=0，则得出风机的最佳输出风量为

(17)

将上式代入式(11)，即可得出引风器的最佳出口截面积为

(18)

考虑到引风器锥角局部阻力系数ξ1的影响，将上式修正为

(19)

将试验风机的A值(A=118，ξ1=0.2，ρ=1.2kg/m3)等参数代入式(19)，计算出引风器的最佳截面积S1的值为0.055m2(φ=265mm)。同时，把不同条件下的巷道引风量见表2。

表2 不同条件下的巷道引风量

注：从序号2～6，风窗面积依次减小。

3.2 混合器的截面积

从式(14)可以看出，当改变巷道的截面积S0时，便能改变辅扇在巷道中的有效风压，即改变巷道中的引射风量，这就是建造混合器的根据。

3.3 辅扇的安装

带有引风器和混合器的辅扇安装图如图4所示。

图4 带有引风器和混合器的安装图

首先确定引风器的长度l，其值为

(20)

式中：δ——引风器的锥角；

Sf——风机原出口的截面积。

第二个结构尺寸是混合带2- 3段距离的确定。考虑到混合器的摩擦阻力及整流效果，其长度取4～5倍混合管直径即可

(21)

第三个尺寸是1- 2段的距离为

(22)

式中：a——风流的构造系数，a=0.08～0.1。

从式(22)可以看出，为了求S的值，首先要求l1-2的长度值。根据圆形射流理论，在射流的初始段以内，引射风流与被引射风流还没有充分混合，如果l1-2取在初始段之内，势必造成动能的损失。因此，将混合截面选在过渡段处，过渡截面至引风器出口截面的距离为[2-4]

(23)

式中，k和β是射流的两个常数，θ是射流的侧扩张角，其值是k=0.196 5、β=2.4、θ=14°30′、r1=0.13m(引风器出口半径)。由式(23)求得l1-2=1.2m，将上式代入式(22)，得出S=0.88m2。这种计算出来的混合器截面积是最小的面积，从式(6)可以看出，巷道中的引风量为最大值。可以看出，这样小的面积人员很难通过，故常根据使用者设定l1-2为2m、2.5m、3m(即令混合截面位于射流的主段带内)，则混合器的截面积分别为2m2、2.9m2、4m2。

曾用JF- 51型风机做过试验，最佳混合器的截面积为0.75～1m2。可以看出，理论与试验值是吻合的。

在一般情况下，现场很难建造混合器。为了提高辅扇的效率，混合带宜选择在巷道截面狭小处，风机则安装在截面较大的巷道中心处。

4 无密闭墙辅扇的应用

(1)调节耙道的风量和风向，效果显著：原寿王坟铜矿上一水平的采区耙道，由于风向、风量不符合要求，致使耙座空气中的粉尘含量高达100mg/m2以上。经用无密闭墙辅扇调节后，空气中含尘量普遍降至2mg/m2左右，二次爆破时的炮烟只要2～3min即可排除干净。

(2)适用于特定条件下的大爆破通风：铜矿峪铜矿990采区，曾先后进行过两次大爆破，装药量分别为74t和143t。第一次大爆破设计用带风墙的风机(70B2—NO.12，75kW)作抽出式通风，尽管考虑了防冲击波的措施，风机遭到破坏而无法通风。第二次大爆破的装药量增加一倍，但由于采用了无宻闭墙的风机(JF—62，28kW)作诱导式通风，风机引风器出口装上锥形防护帽，大爆破后，风机自动启动，防护帽自动脱落，巷道中风量为20～21m3/s，相当一台70B2NO.12风机的风量。

(3)快速形成通风系统：原招远金矿玲珑坑口的通风系统极不合理，不仅有效风量率低，而且主要运输道及人行道都处于严重炮烟污染的回风道中。为了在不影响生产的条件下，进行通风系统的改造，采用35台11kW的风机作诱导通风，快速形成了合理的通风系统。经测定，各主要平巷的风速均在1m/s以上，大大提高了作业面的有效风量合格率，改变了整个系统的风流方向。