刘东锐 刘伟强 李印洪

(1.湖南有色冶金劳动保护研究院；2.非煤矿山通风防尘湖南省重点实验室)

井下单风机高压引射通风技术研究

刘东锐1,2刘伟强1,2李印洪1,2

(1.湖南有色冶金劳动保护研究院；2.非煤矿山通风防尘湖南省重点实验室)

在矿体走向长、开拓深度大的矿山企业中，常存在局部通风阻力过大、风量不足的情况，采用传统的增能调节即风机调节，易在风机附近形成循环风，导致风量降低，无法达到预期的效果。根据流体力学及射流原理，提出风机引射技术，即拆除风机风墙，同时安装引射器，呈8°放入巷道中，可达到克服巷道阻力，增大巷道风量的目的。现场应用表明，技术可有效克服巷道阻力，提高巷道风量，减少局部循环风的发生，为存在类似问题的相关矿山提供了一条新思路。

通风系统 增能调节 循环风 单风机引射技术

一般来说，对于矿山通风系统主要是进行局部调节，整体调节主要是增加风量。通风系统的局部调节是对采区内各中段间、各采场及采区间的调节。从增阻、降阻和增能3种调节方式来说，效果最好的为增能调节，即采用扇风机或自然风压增大通风阻力过大的风量及风压[1]。

随着矿山向深部开采，靠自然风压已无法实现对井下局部通风系统的调节，因此，采用扇风机进行增能调节是最佳方式。采用单独的风机作用有限，特别是对于局部巷道沿程风阻过大的情况下，极易产生局部的循环风，导致通风能耗的增加。本文根据流体力学及射流原理[2-3]，采用了单风机引射通风技术，即采用单高压风机和引射器，使得巷道断面通风量增加的技术，从而实现局部风量的调节。

1 理论基础

1.1 流体力学

根据工程流体力学可知，利用水或压缩空气，经喷嘴高速射出,产生射流,周围空气被卷吸到射流中，为了减少射流和卷吸空气间的冲击损失，空气和射流在混合室内掺混，整流后共同向前运动，使风筒内不断有风流通过。引射器结构简单，易于加工且成本较低,工作可靠性好，安装维护方便。但需满足能量守恒定律、质量守恒定律和动量定理。

1.2 射流原理

空气进入巷道后，风流的分布状况和运动规律与自由射流相似。而巷道其余部分的风流流动是由于自由射流引起的，具有自由射流某些类似的性质，但与自由射流不同，可称为二次诱导射流。

自由射流是一种不受固体边界限制，在足够广阔的空间内自由射出的风流。硐室中二次诱导射流(图1)的理论是由沃洛宁提出的，对矿井通风计算有重要的指导意义。

图1 二次诱导射流示意

2 单风机引射技术原理

单独风机与引射器组合在井巷工作时，风流运动的全能量方程为

(1)

式中，pA，pB为巷道入口、出口的大气压力，Pa；Hf为扇风机风压，Pa；Qf为扇风机风量，m3/s；Q为巷道风量，m3/s；h为巷道摩擦阻力与局部阻力损失，Pa；hp为由扇风机出口到巷道全断面的突然扩大能量损失，Pa；hm为两断面间的摩擦阻力损失，Pa；Qm为两断面间绕过扇风机的风量，m3/s；ρ为空气密度，kg/m3；v为风流速度，m/s。

当pA=pB，将式(1)转换整理得有效压力ΔH：

(2)

(3)

此时，有效压力等于扇风机全能量减去由扇风机出口到巷道全断面的突然扩大损失和绕过扇风机风流的能量损失后所剩余的能量。该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动压损失。式(3)可转换为

(4)

式中，Sf为扇风机出口断面积，m2；S为巷道断面，m2；vf为扇风机出口平均风速，m/s；α为比例系数。

在无其他通风动力情况下，单风机与引射器在井巷中工作时所造成的风量与无风墙扇风机的有效风压ΔH和井巷风阻R有关。如已知扇风机出口动压Hv、出口断面Sf、巷道断面S及巷道风阻R(包括巷道出风风阻在内)，则由阻力定律可得到：

(5)

式中，K为试验系数，与空气幕在巷道中的安装条件、巷道风速和空气幕出口风速有关，取1.65；ρ为空气密度，取1.2 kg/m3；其他符号意义同上。

代入式(5)，可得风量计算公式：

(6)

具体型号及引射器的尺寸根据巷道的尺寸和阻力确定，且根据矿区整体的通风需求确定。一般情况下引射器出风口面积S0为辅扇出风口面积的0.2～0.5倍，长度与风机长度相近。见图2。

图2 单风机引射通风示意

3 现场应用

某矿50，10，-30 m作业中段风区进、回风线路及-70，-110 m中段东沿风区进、回风线路均涉及到193线-30 m中段回风巷，由于-30 m中段193线的北部东沿巷道长约400 m，该巷道一方面作为北部东沿-30 m中段以下各中段矿体回采的主回风巷道；另一方面又作为90 m中段设备、材料下放到-30 m中段的运输巷道。

3.1 风机选型

在北部-30 m中段以下有2个用风中段，分别为-70，-110 m中段(正在向深部开拓论证)，年生产能力为8万t，即北西沿(3万t)、北东沿(5万t)，其中-30 m中段回风巷道的风机担负的是北东沿-70,-110 m中段开采污风的排出。所以，-30 m 中段回风巷道的风机所克服的井巷阻力只需考虑回风巷道入口至472 m竖井地表。根据实际情况选择K40-6-NO.15风机(37 kW)，实际运转参数即工况点风量为19 m3/s，风压为540 Pa。

3.2 引射器制作

K40-6-NO.15型风机的外圆直径为1 635 mm，则计算可得外圆面积约为2.1 m2，其于引射器出风口断面面积比为0.2～0.5，取0.2，计算可得引射器出风口断面半径为37 cm。风机的长度约为1.1 m，则引射器长度为1.5 m。由于井下空气较湿润，直接采用铁板容易腐蚀，对引射器表面喷漆。

3.3 现场方案设计

根据单风机引射理论及现场情况，设计-30 m中段193线北东沿的单台风机高压引射方案，即在-30 m中段至2 m中段的联络巷一侧，掘进一条专用风机引射巷道，断面为2.4 m×2.6 m。为保证引射效果，专用巷道与联络巷的夹角不大于8°，且在-30 m中段主回风巷道中联络巷道与专用巷道之间，构筑带检查门的风墙，隔断风流。见图3。

图3 单风机高压引射通风示意

根据上述设计方案，开拉巷道断面为2.4 m×2.6 m，并将风机与引射器组装放入相应位置。

3.4 现场效果

根据现场测定可知，-30 m中段193线回风巷道内风量提高了5%，解决了该处易产生循环风的难题，同时解决了该处巷道通风与运输之间的矛盾。

4 结 语

根据流体力学理论及射流原理，提出了风机引射技术，即在高阻力的长巷道中，利用风机与引射器组合，引射调整风流，提高系统的通风效果。同时由于不构筑风墙，对巷道的影响小，可以有效保证通风及运输。在湖南某矿山的实际应用效果表明，采用该技术可以有效降低循环风的发生，提高局部的风量，同时又不阻碍巷道的运输功能。该技术为同类矿山提供了一条技术思路，具备一定的推广意义。

[1] 王英敏.矿井通风与安全[M].北京:冶金工业出版社,1978.

[2] 王惠民.流体力学基础[M].北京:清华大学出版社,2005.

[3] 孔 珑.工程流体力学[M].北京：水利电力出版社,1992.

2015-03-23)

刘东锐(1987—)，男，助理工程师，410014 湖南省长沙市雨花区香樟路601号。