煤礦通風(fēng)系統(tǒng)新型風(fēng)門的設(shè)計(jì)與研究

薛貴卿

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 大同 037100）

引言

礦井通風(fēng)安全是保證煤礦安全開(kāi)采的基礎(chǔ)，也是煤礦企業(yè)最關(guān)注的核心問(wèn)題[1]。目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的煤礦通風(fēng)一般都是采用傳統(tǒng)的通風(fēng)系統(tǒng)，在風(fēng)井處安裝2臺(tái)主通風(fēng)機(jī)，并且根據(jù)煤礦安全通風(fēng)系統(tǒng)要求，需要對(duì)2 臺(tái)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行輪換使用，每月需要進(jìn)行一次更換，且在實(shí)際進(jìn)行切換過(guò)程中中途停風(fēng)的時(shí)間不能超過(guò)10 min，然而目前在實(shí)際更換過(guò)程中大多數(shù)會(huì)超過(guò)10 min[2]，甚至需要更長(zhǎng)的時(shí)間，非常容易在短暫的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)瓦斯、一氧化碳、硫化氫等有毒有害氣體濃度的突變。同時(shí)在北方等地區(qū)，當(dāng)冬季時(shí)風(fēng)門非常容易結(jié)冰，導(dǎo)致煤礦通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，采用電動(dòng)控制無(wú)法正常開(kāi)啟需要首先派專人每天清理風(fēng)門口附近的結(jié)冰隨后人工手動(dòng)開(kāi)啟，需要?jiǎng)趧?dòng)力比較多，工人勞動(dòng)強(qiáng)度比較大。

1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)門設(shè)計(jì)要求

針對(duì)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)當(dāng)前存在的主要問(wèn)題，在風(fēng)門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能上需要滿足風(fēng)門可以實(shí)現(xiàn)不停風(fēng)切換，并且保證新型風(fēng)門具有較低的故障率。

一般而言，風(fēng)門的故障類型主要有因?yàn)榄h(huán)境引起的故障和由自身結(jié)構(gòu)引起的故障兩類，環(huán)境故障是由于受到惡劣環(huán)境的影響比如常見(jiàn)的粉塵、潮濕、電磁振動(dòng)等，甚至在煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)的粉塵的堆積、排水問(wèn)題以及冬天時(shí)出現(xiàn)的氣候問(wèn)題等，最終導(dǎo)致風(fēng)門出現(xiàn)故障[3]。

另一方面，由于風(fēng)門需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，在實(shí)際使用的過(guò)程中會(huì)由于結(jié)構(gòu)的磨損、維護(hù)不及時(shí)等問(wèn)題引起設(shè)備故障，引起煤礦井下局部區(qū)域內(nèi)的瓦斯超標(biāo)，引發(fā)煤礦安全事故。為此本次設(shè)計(jì)的新型風(fēng)門不僅需要保證實(shí)際礦井通風(fēng)要求，還需要具有較低的故障率，保證設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[4]。

2 煤礦通風(fēng)系統(tǒng)新型風(fēng)門總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)門設(shè)計(jì)基本要求，結(jié)合現(xiàn)有的風(fēng)門的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套新型風(fēng)門結(jié)構(gòu)，如圖1 所示為側(cè)移風(fēng)門結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 風(fēng)門總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

側(cè)移風(fēng)門主要由電動(dòng)機(jī)減速器、驅(qū)動(dòng)齒輪、驅(qū)動(dòng)齒條組件等部分組成[5]，其中利用齒輪齒條結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)風(fēng)門的開(kāi)啟與關(guān)閉，相對(duì)于傳統(tǒng)的鏈條傳動(dòng)或者鋼絲繩拉動(dòng)而言，采用齒輪齒條結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了直接開(kāi)閉和驅(qū)動(dòng)，不再使用中間傳動(dòng)件，從而有效降低故障發(fā)生率[6]，縮短傳動(dòng)鏈保證獲得更好的控制精度和控制效果，且在開(kāi)門和閉合的過(guò)程中利用齒輪與齒條之間輪齒的嚙合，門的受力更加均勻，對(duì)于側(cè)方的擠壓較小，能夠滿足通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)門開(kāi)閉要求[7]。如圖2 所示為本次設(shè)計(jì)的風(fēng)門在巷道通風(fēng)系統(tǒng)中的布置圖。

圖2 風(fēng)門在通風(fēng)系統(tǒng)中的布置方案

3 煤礦通風(fēng)系統(tǒng)新型風(fēng)門傳熱性能研究

在管道內(nèi)部流體的流動(dòng)將會(huì)表現(xiàn)出風(fēng)門的實(shí)際通風(fēng)效果和傳熱效果，通過(guò)利用SolidWorks 2019 建立風(fēng)門的三維模型并對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化分析，最后導(dǎo)入Fluent 中進(jìn)行流場(chǎng)分析，通過(guò)設(shè)置邊界條件，由于風(fēng)門內(nèi)部的風(fēng)流屬于比較復(fù)雜的湍流和層流同時(shí)存在的狀態(tài)，設(shè)定為湍流模型[8]。輸入發(fā)熱源的實(shí)際體積功率，定義周圍環(huán)境溫度為252 K，入口壓力設(shè)定為933 MPa，出口速度為-23.26 m/s，出口處的直徑設(shè)置為100 mm，風(fēng)門中具有較多的出口，需要設(shè)置所有出口的速度為恒定值，設(shè)置為-7.5 m/s，最后進(jìn)行仿真分析，得到如圖3 所示的出口處中間截面速度分布云圖。

圖3 風(fēng)門出口處中間截面速度分布云圖

從圖3 中可以看出，在多出口狀態(tài)下的風(fēng)門結(jié)構(gòu)出口處的速度相對(duì)較小，僅僅為8 m/s，在有限的開(kāi)口大小內(nèi)的流速主要取決于進(jìn)入管道的距離，在中間位置處的速度相對(duì)較大，且在靠近中間位置處的速度呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)。氣流在風(fēng)門內(nèi)部完成實(shí)際循環(huán)之后會(huì)從風(fēng)管道流出，在流出后由于管道內(nèi)部的空間變小最終使得氣流的速度會(huì)顯著增大，當(dāng)空氣進(jìn)入到風(fēng)門內(nèi)部后，流動(dòng)空間變大，此時(shí)的速度是最小的，大約為2 m/s。隨后，對(duì)多出口的風(fēng)門傳熱性能進(jìn)行了仿真分析，得到如圖4 所示的數(shù)值模擬分析結(jié)果。

從圖4 中可以看出，多出口風(fēng)門在箱體底部流道和第二、第三條流道的溫度比較高，其他的流動(dòng)通道內(nèi)的溫度比較低，溫度主要集中在第一和第二流動(dòng)通道內(nèi)，這就表明在多通道風(fēng)門中，流動(dòng)傳熱主要是通過(guò)第一和第二通道，當(dāng)?shù)竭_(dá)最后一個(gè)通道時(shí)的傳熱量幾乎為0，所有的熱量均提前進(jìn)行了釋放，實(shí)際傳熱并不均勻。所以在實(shí)際進(jìn)行使用的過(guò)程中首先需要保證多出口最前面的幾個(gè)口的暢通，這樣就能夠達(dá)到比較好的散熱效果，對(duì)于輔助的出口也需要保證出口流道的暢通，避免由于局部散熱不暢通導(dǎo)致風(fēng)門結(jié)構(gòu)的損壞。

圖4 傳熱性能仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種適用于北方的新型防凍不停風(fēng)風(fēng)門，通過(guò)對(duì)風(fēng)門的傳熱特性進(jìn)行仿真分析，通過(guò)數(shù)值模擬分析得出對(duì)于多出口新型風(fēng)門，在靠近入口處的傳熱性能較好，在遠(yuǎn)離入口位置處的傳熱特性較差，尤其是在第一和第二孔處的流道傳熱性能最好，在實(shí)際使用中需要保證出風(fēng)口的暢通，這對(duì)于改善當(dāng)前的礦井通風(fēng)和優(yōu)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)等，從而保證煤礦安全高效生產(chǎn)具有重要的意義和作用。