無密閉墻的采區(qū)輔扇

暨朝頌，王靜英，邵玉良，謝萬喜

(1.北京科技大學(xué)，北京 100083；2.中條山有色金屬集團(tuán)公司，山西 垣曲 043700)

1 前言

在金屬礦山中，由于采區(qū)作業(yè)地點(diǎn)的經(jīng)常變動，通風(fēng)網(wǎng)路的嚴(yán)重漏風(fēng)，爆破沖擊波的破壞作用，實際上無法采用風(fēng)窗來調(diào)節(jié)風(fēng)量。因此，長期以來無密閉墻輔扇得到了廣泛應(yīng)用。無密閉墻輔扇雖己廣泛采用，但對其研究仍很不充分，缺乏必要的實驗論證，使用中存在一些不合理的現(xiàn)象?；跀?shù)學(xué)理論分析和坑下試驗的基礎(chǔ)上，又在篦子溝銅礦和銅礦峪銅礦進(jìn)行了一系列的測定，總結(jié)了多年來應(yīng)用輔扇的經(jīng)驗，弄清工作原理，提出了簡便可靠的計算方法和提高效率的途徑。

2 無密閉墻輔扇的工作原理

無密閉墻輔扇在巷道中工作原理與氣體引射器工作原理有其相似的地方，但也有區(qū)別：引射器的射流氣體是由外界供給的，輔扇是取自巷道中的風(fēng)流；引射器噴出的氣體量取決于人為的操作，而輔扇引風(fēng)器噴出風(fēng)量取決于引風(fēng)器的出口面積和輔扇風(fēng)機(jī)的工況，引風(fēng)器的最佳尺寸取決于扇風(fēng)機(jī)的最佳工況。

為了合理說明無密閉墻輔扇在巷道中的工作原理，在礦山作過多次觀測，己證明無密閉墻輔扇開動后，對進(jìn)出并聯(lián)巷道的總風(fēng)量無變化(在無漏風(fēng)條件下)，也就是說無密閉墻輔扇對主扇工況的影響極其微小。因為無密閉墻輔扇的有效作用風(fēng)壓比相對于主扇的風(fēng)壓可以忽略不計，而并聯(lián)巷道的風(fēng)阻比相對于礦井的總風(fēng)阻又是那么微小。因此無密閉墻輔扇只能使并聯(lián)巷道中的風(fēng)量重新分配，不能使進(jìn)入(排出)并聯(lián)巷道的總風(fēng)量有所增加。下面從3個方面來闡明無密閉墻輔扇的工作原理。

2.1 輔扇的增風(fēng)機(jī)理

輔扇排出口處的巷道截面上的動能(功率)，即圖1中的1- 1截面處的動能，而不是以輔扇射流體與巷道截面匯合處的動能(功率)來說明輔扇的工作原理，這樣明確被引射風(fēng)流與引射風(fēng)流之間的關(guān)系，輔扇工作原理如圖1所示。輔扇的能量Ef消耗與風(fēng)流突然擴(kuò)大時的沖擊損失Eim、克服巷道的風(fēng)阻R的能量Er和在該巷道中形成速度的動能Ev的關(guān)系為

Ef=Eim+Er+Ev

(1)

截面1- 1上的動能為

(2)

式中：ρ——空氣的密度,kg/m3；

Qf——輔扇的輸出風(fēng)量,m3/s；

S1——風(fēng)機(jī)的出口面,m2；

Qn——風(fēng)機(jī)周圍環(huán)隙被引射的風(fēng)量，m3/s；

Sn——風(fēng)機(jī)周圍的環(huán)隙面積，m2。

圖1 無密閉墻輔扇的工作原理圖

兩股風(fēng)流的沖擊損失為[1]

(3)

式中：S0——風(fēng)流混合處的截面積，此處即巷道的截面積，m2；

Q0——風(fēng)流混合截面積處的風(fēng)量，即巷道中的風(fēng)量，m3/s。

其中Qn=Q0-Qf和Sn=S0-S1。

克服巷道阻力所耗損的能量為

(4)

R為安裝輔扇的巷道風(fēng)阻，即截面為3- 3至4- 4的巷道風(fēng)阻，該兩處是并聯(lián)巷道的兩個匯合點(diǎn)。

巷道中風(fēng)流的動能為

(5)

將式(2)、(3)、(4)和(5)代入式(1)，整理后得

(6)

將上式改寫為

(7)

式中，K為增風(fēng)系數(shù)。

從式(7)可以看出，增風(fēng)系數(shù)K只是Q0與Qf比值關(guān)系，其中Q0取決于巷道的風(fēng)阻R和Qf，而Qf又取決于風(fēng)機(jī)的工況，即取決于風(fēng)機(jī)的特性曲線和安裝狀況。為了驗證式(7)，我們用不同尺寸的引風(fēng)器，在箆子溝銅礦進(jìn)行試驗，其增風(fēng)系數(shù)K與巷道引風(fēng)量Q0的關(guān)系如圖2所示。

圖2 增風(fēng)系數(shù)與巷道引風(fēng)量的關(guān)系圖

(2)當(dāng)Q0=Qf時，由式(7)求得臨界通風(fēng)方式時的巷道臨界風(fēng)阻值為

(8)

當(dāng)K>1時輔扇為引射通風(fēng)方式，當(dāng)K<1時輔扇為循環(huán)通風(fēng)方式。故臨界風(fēng)阻Rk是輔扇設(shè)置密閉墻與否的一個重要標(biāo)志，但不是唯一條件。因為基于前面提到的原因，許多礦山仍多采用無密閉墻的輔扇通風(fēng)，而三種通風(fēng)方式均能增加巷道的引風(fēng)量(與未裝輔扇相比)，只是效果不一樣罷了。

(3)要增大巷道里的風(fēng)量Q0，只需從風(fēng)機(jī)風(fēng)量Qf及其出口截面積S1、巷道截面積S0三方面著手研究(在一般條件下，不可能為了增大Q0而去改變巷道的風(fēng)阻)。

(4)增風(fēng)系數(shù)大，巷道的引風(fēng)量也不一定大。

2.2 輔扇的工況

由于無密閉墻輔扇的出入口的靜壓差微小，故其全壓可寫為

(9)

風(fēng)機(jī)特性曲線的擬合方程為

(10)

式中:H0——風(fēng)機(jī)特性曲線零次方項的系數(shù)(試驗風(fēng)機(jī)的H0=1 962)；

A——風(fēng)機(jī)特性曲線二次方項的系數(shù)(試驗風(fēng)機(jī)的A=118)。

將式(9)代入式(10)，得

(11)

2.3 輔扇在巷道中的有效風(fēng)壓

輔扇在巷道中的有效風(fēng)壓應(yīng)為

(12)

將式(6)代入式(12)，得

(13)

如果忽略微小誤差，則上式可簡化為

將式(11)代入上式即得

(14)

按式(14)計算的輔扇有效風(fēng)壓和在不同R條件下實測的有效風(fēng)壓見表1。

由表(1)和式(14)可以看出：

(1)無密閉墻輔扇在巷道中的有效風(fēng)壓只與風(fēng)機(jī)特性(H0,A)和安裝狀況(S0,S1)有關(guān)，而與巷道的風(fēng)阻無關(guān)。即在具體條件下，有效風(fēng)壓為一常數(shù)。

表1 有效風(fēng)壓值

(2)輔扇有效風(fēng)壓的實測值與式(14)計算的理論值極其接近，當(dāng)引風(fēng)器截面積為最佳時，其誤差達(dá)到最小值。實測值一般小于理論值。

(3)臨界風(fēng)阻RK曲線與輔扇裝置的he曲線相交于F點(diǎn)，即求得風(fēng)機(jī)的風(fēng)量Qf，輔扇裝置特性曲線如圖3所示。

圖3 無密閉墻輔扇裝置的特性曲線圖

(4)F點(diǎn)的左邊為循環(huán)通風(fēng)方式，右邊為引射通風(fēng)方式。

3 提高輔扇工作效率

下面從引風(fēng)器的出口截面積、混合器的截面積和輔扇的安裝3個方面來闡明提高輔扇工作效率。

3.1 引風(fēng)器的出口截面積

從式(11)可以看出，輔扇出口截面積S1直接影響風(fēng)機(jī)的工況。顯然，當(dāng)裝有擴(kuò)散器時，裝置的內(nèi)阻小，Qf值增大，出口動壓相應(yīng)減??；相反，當(dāng)裝有引風(fēng)器時，裝置的內(nèi)阻大，Qf值減小，而出口動壓則增加。因此，對每臺風(fēng)機(jī)來說，必然存在某一最佳出口截面積，它使無密閉墻輔扇的巷道引風(fēng)量達(dá)到最大值。為了求得最優(yōu)出口截面積S1，就必須使風(fēng)機(jī)的有效輸出功率達(dá)到最大值。風(fēng)機(jī)的空氣功率公式是

汪小波沒有回答，他還在瞪著整個房間。麥小秋開始走向陽臺，好像自言自語，她說：“是別人的，我偶爾過來?！?/p>

W=hf×Qf

將式(10)的hf代入上式，得

(15)

對函數(shù)W求導(dǎo)，得

(16)

令W′=0，則得出風(fēng)機(jī)的最佳輸出風(fēng)量為

(17)

將上式代入式(11)，即可得出引風(fēng)器的最佳出口截面積為

(18)

考慮到引風(fēng)器錐角局部阻力系數(shù)ξ1的影響，將上式修正為

(19)

將試驗風(fēng)機(jī)的A值(A=118，ξ1=0.2，ρ=1.2kg/m3)等參數(shù)代入式(19)，計算出引風(fēng)器的最佳截面積S1的值為0.055m2(φ=265mm)。同時，把不同條件下的巷道引風(fēng)量見表2。

表2 不同條件下的巷道引風(fēng)量

注：從序號2～6，風(fēng)窗面積依次減小。

3.2 混合器的截面積

從式(14)可以看出，當(dāng)改變巷道的截面積S0時，便能改變輔扇在巷道中的有效風(fēng)壓，即改變巷道中的引射風(fēng)量，這就是建造混合器的根據(jù)。

3.3 輔扇的安裝

帶有引風(fēng)器和混合器的輔扇安裝圖如圖4所示。

圖4 帶有引風(fēng)器和混合器的安裝圖

首先確定引風(fēng)器的長度l，其值為

(20)

式中：δ——引風(fēng)器的錐角；

Sf——風(fēng)機(jī)原出口的截面積。

第二個結(jié)構(gòu)尺寸是混合帶2- 3段距離的確定。考慮到混合器的摩擦阻力及整流效果，其長度取4～5倍混合管直徑即可

(21)

第三個尺寸是1- 2段的距離為

(22)

式中：a——風(fēng)流的構(gòu)造系數(shù)，a=0.08～0.1。

從式(22)可以看出，為了求S的值，首先要求l1-2的長度值。根據(jù)圓形射流理論，在射流的初始段以內(nèi)，引射風(fēng)流與被引射風(fēng)流還沒有充分混合，如果l1-2取在初始段之內(nèi)，勢必造成動能的損失。因此，將混合截面選在過渡段處，過渡截面至引風(fēng)器出口截面的距離為[2-4]

(23)

式中，k和β是射流的兩個常數(shù)，θ是射流的側(cè)擴(kuò)張角，其值是k=0.196 5、β=2.4、θ=14°30′、r1=0.13m(引風(fēng)器出口半徑)。由式(23)求得l1-2=1.2m，將上式代入式(22)，得出S=0.88m2。這種計算出來的混合器截面積是最小的面積，從式(6)可以看出，巷道中的引風(fēng)量為最大值。可以看出，這樣小的面積人員很難通過，故常根據(jù)使用者設(shè)定l1-2為2m、2.5m、3m(即令混合截面位于射流的主段帶內(nèi))，則混合器的截面積分別為2m2、2.9m2、4m2。

曾用JF- 51型風(fēng)機(jī)做過試驗，最佳混合器的截面積為0.75～1m2。可以看出，理論與試驗值是吻合的。

在一般情況下，現(xiàn)場很難建造混合器。為了提高輔扇的效率，混合帶宜選擇在巷道截面狹小處，風(fēng)機(jī)則安裝在截面較大的巷道中心處。

4 無密閉墻輔扇的應(yīng)用

(1)調(diào)節(jié)耙道的風(fēng)量和風(fēng)向，效果顯著：原壽王墳銅礦上一水平的采區(qū)耙道，由于風(fēng)向、風(fēng)量不符合要求，致使耙座空氣中的粉塵含量高達(dá)100mg/m2以上。經(jīng)用無密閉墻輔扇調(diào)節(jié)后，空氣中含塵量普遍降至2mg/m2左右，二次爆破時的炮煙只要2～3min即可排除干凈。

(2)適用于特定條件下的大爆破通風(fēng)：銅礦峪銅礦990采區(qū)，曾先后進(jìn)行過兩次大爆破，裝藥量分別為74t和143t。第一次大爆破設(shè)計用帶風(fēng)墻的風(fēng)機(jī)(70B2—NO.12，75kW)作抽出式通風(fēng)，盡管考慮了防沖擊波的措施，風(fēng)機(jī)遭到破壞而無法通風(fēng)。第二次大爆破的裝藥量增加一倍，但由于采用了無宻閉墻的風(fēng)機(jī)(JF—62，28kW)作誘導(dǎo)式通風(fēng)，風(fēng)機(jī)引風(fēng)器出口裝上錐形防護(hù)帽，大爆破后，風(fēng)機(jī)自動啟動，防護(hù)帽自動脫落，巷道中風(fēng)量為20～21m3/s，相當(dāng)一臺70B2NO.12風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。

(3)快速形成通風(fēng)系統(tǒng)：原招遠(yuǎn)金礦玲瓏坑口的通風(fēng)系統(tǒng)極不合理，不僅有效風(fēng)量率低，而且主要運(yùn)輸?shù)兰叭诵械蓝继幱趪?yán)重炮煙污染的回風(fēng)道中。為了在不影響生產(chǎn)的條件下，進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)的改造，采用35臺11kW的風(fēng)機(jī)作誘導(dǎo)通風(fēng)，快速形成了合理的通風(fēng)系統(tǒng)。經(jīng)測定，各主要平巷的風(fēng)速均在1m/s以上，大大提高了作業(yè)面的有效風(fēng)量合格率，改變了整個系統(tǒng)的風(fēng)流方向。

5 結(jié)論

(1)本文創(chuàng)建和用實驗驗證過的巷道引風(fēng)量Q0與風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)量Qf之間的關(guān)系能反應(yīng)普遍的規(guī)律性。

(2)引風(fēng)器和混合器的最佳截面積的物理意義是使巷道風(fēng)量達(dá)到最大值時的截面積，它們之間有內(nèi)在的關(guān)系。本文對引風(fēng)器和混合器的結(jié)構(gòu)尺寸給出了確定的計算公式，這點(diǎn)哥氏未進(jìn)行過研究。

(3)輔扇的有效風(fēng)壓只與風(fēng)機(jī)的特性(H0,A)和安裝狀況(S1,S)有關(guān)，而與巷道的風(fēng)阻無關(guān)，只要知道上述四個參數(shù)，即可算出輔扇的有效風(fēng)壓。如果引風(fēng)器的尺寸是按本文提出的方法計算的，則計算值的實際誤差達(dá)到極小。

(4)由于無密閉墻輔的有效風(fēng)壓很低，故只適合于采區(qū)或阻力較小的巷道通風(fēng)之用。

(5)銅礦峪銅礦143t裝藥量的大爆破通風(fēng)，當(dāng)時只考慮了防沖擊波的問題，而巷道中的引風(fēng)量又達(dá)到了70B2風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，故未考慮再建造混合器的事。如果建造一個合適的混合器，則引風(fēng)量將大大超過20m3/s，可以縮短通風(fēng)時間，這點(diǎn)說明無密閉墻輔扇將得到更廣泛的應(yīng)用。