众所周知，地下开采矿山因其特殊的生产条件使得采掘中的不安全因素增多，带来了矿山安全的特殊性，主要表现为工作面空间狭小、工作面不断变化、工作面环境差(生产中产生的有毒有害气体、粉尘、噪声、污水及阴暗潮湿等)、巷道围岩的稳定性等方面.为此，矿山必须坚持安全第一、预防为主的生产方针，加强对矿内风流流动及防尘等技术的研究与应用，加强安全管理，积极采用现代化的管理模式和安全技术装备，建立完善的通风系统，源源不断地将地表的新鲜空气送到井下的每一个作业面，排出污浊的空气，力争控制和减少甚至避免井下事故的发生.

对于生产中的矿井，其通风网络已经形成，主扇已定型，因此，若通风系统存在问题，一般靠采用通风构筑物及辅扇对风流进行调控，达到完善通风系统的目的.在发达国家，矿井风流的自动控制系统研究与应用情况较好，但在国内矿山仍处于试验研究阶段，受矿山条件的影响，对井下风流大多是采用传统的人工调控方法，因而，矿井通风的全自动控制系统在可预见的一个时期内仍将处于试验研究阶段.虽然传统的风流调节与控制的方法及技术措施很多，但有时也受到一定条件的制约，如在主要运输和行人巷道内实施增阻调节风流、隔断风流、辅扇通风或引射风流、在易变形巷道内安装风门控制风流、在作业中段的运输巷道内设置风机机站分配风流等，因而，常常出现影响运输和行人、设备或设施被破坏、通风效果不理想、管理麻烦等问题.为此，学者们开始在大门空气幕研究的基础上研究能在主要运输巷道或易变形巷道内实现风流调节与控制的技术———矿用空气幕.

1   大门空气幕及其研究

1.1   国外研究情况

1904年，Tephilus van Kemmel因在大门的两边安装了循环气流装置，成功地隔断了由大门外面侵入室内的冷空气而获得专利，此装置就称为空气幕.由于空气幕的特殊优点——不妨碍视线和交通，它首先被用于有特殊要求的地面建筑，如百货大楼和工作车间的大门、冷库门、酸洗槽、炼钢炉门等.其工作形式有单吹式(上、下、侧吹)和吹吸式，可用于隔断气流和控制污染，可谓是形式繁多，用途各异.

关于大门空气幕的理论研究^[1-8]，国外进行得较早.20世纪30年代，前苏联学者巴图林和谢彼列夫研究了空气幕射流及其流谱，给出了空气幕需风量计算的主要理论方程，即通过大门的风量Q_m与空气幕的供风量Q_c间的线性关系.

对于空气幕的结构参数设计，谢彼列夫给出的方法是以实际需要确定Q_m，由公式或曲线确定Q_c，根据Q_c，在假定了风流速度后，确定条缝口的面积和宽度.后来，有人从动量定律出发，并考虑了门顶墙面上的压力分布，导出了大门流量系数μ的表达式.

20世纪70年代，Hayes、Van、Howell等美国学者针对排除废气、隔绝粉尘用的空气幕，研究了平面空气幕的热质交换问题.对于空气幕隔断的另一种型式——吹吸气流，各国学者也进行了大量的研究，并给出了吹吸气流的一些设计规范.

20世纪80年代，日本学者林太郎等人研究了宽口低速送风的吹吸气流.这种型式的空气幕隔断风流，在抵抗干扰气流的能力和节约动力方面都比传统的吹吸气流优越.于是他提出了流体力学与固体力学类比假说，把空气幕气流比作固体梁，即桌上放着两块等高度的木块，在受同样的力作用时，厚度小者更易倒下.

1982年，Howell和林太郎等人合作，用实验的方法，进一步弄清了吹吸气流的特性，并用数值计算法解算了气流轴线方程，并与梁受均载的弯曲方程作了比较，以说明流体与固体的类比假说，提出了最优设计法.

从20世纪90年代至今，大门空气幕在生产实践中得到广泛应用，如应用空气幕代替塑料条带密封冷藏车大门，以减少卸货时的能量损失；应用空气幕对砂轮进行冷却，以减少砂轮磨损；应用空气幕辅助农药喷洒，从而改善农药喷洒质量等.同时空气幕的容量也进一步扩大，英国还研制具有两套加热系统和两级加速设施的空气幕.

1.2   国内研究情况

我国对空气幕的研究和应用比国外更晚.20世纪60年代开始陆续有人把国外的空气幕技术引进中国.在大门空气幕的设计计算方面中国学者一般沿用外国的计算方法，大致可分为3类：第1类是以巴图林法为代表的以自然通风为理论的算法.第2类是以谢别列夫法和新津、加藤法为代表的理论计算法.前者是将室外横向气流看成均匀流，将空气幕送风气流看成是不可压缩的平面势流，并用势流的叠加原理来进行设计计算；后者把室外横向气流和空气幕射流看成是理想流体的无涡流运动，互不掺混.第3类是以林太郎法和Hayes法为代表的以实验数据为标准的计算方法.林太郎主张以较大的空气幕动量来阻止室外横向气流的侵入，并且认为空气幕送风口的宽度应为大门高度的一半.Hayes法对空气幕的作用因素进行了比较全面的考虑，既考虑了室外横向气流的作用又考虑了热压的影响.

我国南京建筑工程学院何嘉鹏等人在综合谢别列夫法和Hayes法的基础上对冷库大门的流场进行了分析，提出冷库大门空气幕结构设计计算模型，并给出了一定条件下空气幕结构设计的计算式.此外，还对剧院、礼堂、电影院等公共场所和高层建筑的火灾流场进行了分析，分别提出了剧院舞台和高层建筑防烟空气幕设计计算模型.汤晓丽、史钟璋等人研究了在横向气流作用下民用建筑出入口大门空气幕的封闭特性.他们根据空气幕射流微元体在横向气流作用下的受力分析建立了空气幕风流阻隔室外横向风流的数学模型，推导出了空气幕射流的轴心弯曲轨迹方程式.这些方法克服了以往理论推导中认为空气幕射流为势流或无涡流运动这种不符合实际的假定，更适应于民用建筑空气幕的设计计算.

2   矿用空气幕及其研究

矿用空气幕的研究^{[9-12, 22]}是基于大门空气幕.

2.1   国外研究现状

20世纪50年代，前苏联学者谢别列夫等人将空气幕引入矿山巷道场合中，由于巷道网路不同于工厂大门，因而上述大门空气幕的风量比设计法已不再适用.因此，他们对矿用空气幕进行了大量研究，并认为，空气幕的工作效率取决于空气幕风流对巷道的遮断程度，即取决于空气幕轴线的位置和形状，而空气幕轴线的位置和形状与发生器在巷道中的位置、始射角θ、巷道风流与空气幕风流的动量比mv_c/m₀v₀、并联分支巷道中增风分支对减风分支的风阻比R_Ⅰ/R_Ⅰ-Ⅱ、空气幕所在巷道宽度等因素有关.他们并把式：v_c/v₀=k_mR_Ⅰ/R_Ⅱ作为设计依据，式中K_m为与漏风量ϕ_L有关的实验系数.

1969年，法国的Grassmuck.G首先明确把空气幕两边的压差作为主要研究对象，他借助气垫船升力方程式来解释空气幕两边的压差；Grassmuck.G还对Berry型空气幕进行了压力测定，结果表明，在Q_g＝ 0条件下，这种空气幕装置气幕两边的压差可达4.02~5.49 Pa，而消耗的功率仅为2.2 kW，当时被认为是较先进的.

1974年和1975年，前苏联Егоров和Megebgeb教授在实验的基础上分别给出空气幕风量与巷道风量、空气幕出口宽度、巷道断面积等之间关系的经验公式.由于谢别列夫等人认为空气幕是一种附加阻力物，因此，这些公式局限性太大，在相同条件下不能得出一致的结果.

1979年，波兰的Piotr kijkowski等人依据动量守恒定律，推导了空气幕有效压力计算公式，并进行了实验室对比试验，结果理论值与实验值的误差约25 %，其主要是由于公式推导时假设巷道风流为平面流、速度分布是均匀的原因所造成.

2000年，Guyonnaud等人认为空气幕装置的几何和动力条件可以用巷道两边的压差、巷道高度、空气幕出口宽度、空气幕的始射角、空气幕出口速度、射流出口紊动强度、空气的动力粘性系数和空气密度8个变量来描述，其研究结果表明：①在几何条件不变的情况下，当巷道两边的压差增大时，空气幕出口速度可以通过欧拉准则获得；②当紊动强度为0~ 20 %时不影响空气幕的运行；③不能用几何近似和欧拉准则来推导空气幕的尺寸.但以上结论只是在巷道高度为0.2~1.44 m范围内适用，并没有得出关于空气幕的通用设计计算公式.

2.2   国内研究进展

我国研究应用矿用空气幕^[13-35]较国外晚.20世纪60年代，国内不少研究单位进行了空气幕的试验研究，其中，中南矿冶学院等单位均是模仿前苏联的模式进行的.其试验结果表明，一台JBT－51轴流风机装备的空气幕，在巷道断面积为7 m²的条件下，空气幕的阻风率可达23.8 %~25.2 %.此外，东川矿务局等单位对空气幕供风器的结构及风机的连接形式进行了改进，取得了较好的技术效果.应用两台JFT-2型局扇装备的空气幕，在巷道断面积为3.9~4.2 m²的条件下阻隔风流的阻风率为33.3 %~175 %，其变化范围非常大，因此，仅用阻风率一个指标难以判断空气幕的隔断能力和设计是否合理.从现场应用情况看，空气幕的运行费用虽然比风门的高，但用空气幕隔断风流还是优越于风门.

20世纪60年代，东北大学王英敏等以“有效压力”理论成功地研究了无风墙辅扇的通风过程，并指出空气幕和辅扇通风的原理基本相似，均属动压通风范畴，因此认为“有效压力”理论也可以用来研究矿用空气幕.

1984年，东北大学徐竹云等运用“有效压力”理论对矿用空气幕的作用原理做了进一步的研究，找到了空气幕功耗与其结构参数的内在联系，为空气幕的设计提供了一个“从整体出发，以合理的结构参数求得较小功率功耗”的途径，并结合实验室的研究结果，给出了空气幕参数的合理范围和从节省功耗角度出发的矿山空气幕参数设计法，得出矿山空气幕隔断风流的能力即为空气幕的有效压力的结论，并据此研制出了宽口大风量矿用空气幕，用以代替风门隔断运输巷道的漏风.从其在武钢大冶铁矿龙洞采区斜坡道、河北省金厂峪金矿平硐、江苏省无锡川埠煤矿运输道等地点应用单台空气幕隔断风流的试验结果看，当空气幕设计合理时，其在主要运输道能取得一定的隔断风流效果.“九五”期间，在此基础上，我国的空气幕技术得到了进一步的发展和更加广泛的应用.

由于空气幕隔断风流的压差有限，上述单机空气幕均在巷道断面积较小(S≤6 m²)、压差不大(ΔH≤60 Pa)的情况下应用.1999年，金岭铁矿应用一台自行设计制造的空气幕，在近100 Pa压差的井底车场处，成功地隔断了10.4 m³/s的漏风.可以说明，在矿井通风系统中，空气幕即可阻隔井下漏风又不妨碍井下的行车和作业.

20世纪90年代以来，矿山空气幕的应用已不局限于隔断巷道风流.1999年湘潭矿业学院王海桥、刘荣华等人把空气幕应用于煤矿综采工作面上，并从理论和实践两方面对综采工作面空气幕隔离呼吸性粉尘的原理及方法进行了研究，提出了隔尘分区的概念，并导出控制区和污染区的粉尘浓度比公式，依据此式的分析认为，空气幕两侧粉尘浓度比与控制区风量q_b及空气幕吸风量q’_b有关，而在一定情况下q_b是个定值，因此q’_b的大小是空气幕的主要设计参数，其与空气幕出口风速和出口宽度有关.

此外，文献还分别对煤矿综采工作面隔离粉尘空气幕出口的射流风速、纵向安装角与空气幕隔离分区两侧粉尘浓度的关系进行了研究，确定了不同空气幕出口断面宽度下的最佳风速和纵向安装角，即空气幕的合理风速为应使射到巷道顶板的气流风速保持在1.0~1.2 m/s范围内，而空气幕的纵向安装角应不大于15°.并在邢台矿业集团有限公司葛泉煤矿进行了现场应用研究，在空气幕风量为3.4~5.6 m³/s条件下，空气幕在司机处对呼吸性粉尘的隔尘率可达79.3 %~85.8 %，与喷雾降尘比较，对呼吸性粉尘的降尘率可提高20 %左右.

以上大多是针对空气幕隔断风流所作的研究.尽管有文献提出，当空气幕有效压力大于巷道两边的压差时，会出现过余隔断，属于引射器的工作范围，但对空气幕是否具有引射器或辅扇的功能、引射风量与空气幕的特性之间的关系等，尚未从理论和实践上进行深入研究，尤其是未在大断面大压差条件下进行试验研究.此外，当空气幕有效压力小于巷道两边的压差时，会出现不足于隔断风流的现象，空气幕起增阻的作用，但其阻风率与空气幕有效压力等的关系也尚未从理论和实践上进行深入研究.

1998年以来，作者依据有效压力理论、射流理论、动量定律等建造了多机并联空气幕隔断风流、单机和多机并联空气幕对风流增阻和引射风流的多个理论模型(如表 1)，并对其进行数值模拟分析和试验研究，同时还开展了大量的应用研究，即在金川集团有限公司3个矿区、铜陵有色金属集团控股有限公司的冬瓜山铜矿和安庆铜矿、福建马坑矿业股份有限公司、安徽金安矿业有限公司等国内大型矿山应用矿用空气幕替代风门隔断风流、替代辅扇或风机机站引射风流和替代风窗增阻减少风流，有效解决了运输巷道和易变形巷道上风流短路、污风停滞、风流反向、污风循环等风流调控的技术难题，取得了较好成果，如表 2.

表  1  不同时期矿用空气幕理论公式一览表

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表  2  矿用空气幕现场应用情况

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3   矿用空气幕的结构及功能

矿用空气幕是由扇风机通过供风器以较高风速按一定方向喷射出来的一股扁平射流，可用于隔断巷道中的风流或调节巷道中的风量.矿用空气幕由供风器、整流器和风机组成，其中供风器内可设分流片，以提高其出口风速分布的均匀性，但会增加内部阻力，也可不设分流片.

矿用空气幕具有多种功能，在需要增加风量的巷道中，空气幕顺巷道风流方向工作，可增压引射风流起辅扇作用；在需要减少风量的巷道中，空气幕逆风流方向工作，可增阻起调节风窗作用；在巷道中可隔断风流起风门的作用.因此，矿用空气幕可以用来防止漏风、控制风流方向、控制井巷的进风量和防止有毒有害气体侵入工作地点等.

矿用空气幕安装在巷道一侧或两侧的硐室内，其射流在巷道中形成的风速小于4 m/s，因此，在运输频繁的巷道中使用不妨碍运输和行人，且工作可靠.

4   布置形式及取风方式

4.1   布置形式

矿用空气幕有6种典型的布置形式，即顺风式、逆射式、分路中逆射式、单侧串联、双侧串联、双侧并联.一般当单台空气幕不能达到隔断压力或隔断面积要求时，可将空气幕串联或并联运行.空气幕串联是将几台空气幕安装在同一巷道的不同断面上，空气幕并联则是将几台空气幕安装在巷道的同一断面上，如图 1至图 6所示.

图  1  顺风式

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图  2  逆射式

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图  3  分路中逆射式

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图  4  单侧串联

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图  5  双侧串联

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图  6  双侧并联

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4.2   取风方式

矿用空气幕的取风方式按安装位置的不同可分为循环型和非循环型两种.循环型空气幕安装在同一巷道无分岔口的地方，其出风口的风流和进风口的风流自成循环，如图 7所示.非循环型空气幕分为两种情况，第1种情况为空气幕安装在两条巷道的分岔口，如图 8所示；第2种情况为空气幕安装在同一巷道内，其取风方式为上游取风，如图 9所示.

图  7  循环型(下游取风)

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图  8  非循环型(上游取风)

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图  9  非循环型(上游取风)

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从图 8和图 9可以看出，在第1种情况下，空气幕吸取A巷道的风流后在B巷道形成一股风幕，阻隔B巷道的风流；在第2种情况下空气幕从巷道吸取风流并排入同一巷道内.上述两种情况的风流都不再流回吸风口，因此称为非循环型，但后者所耗风机的能量更大.

空气幕按取风方式又可分为上游取风和下游取风两种.从图 7、图 8和图 9可以看出下游取风为循环型，上游取风则为非循环型.对于安装在巷道中而不是安装在巷道分岔口的空气幕来说，下游取风优越于上游取风.研究结果显示，空气幕射流轴线与巷道轴线的夹角一般为0~30°，既考虑其有效压力，又考虑到安装位置，尽可能不影响行人和运输.

5   结论

国内外空气幕的研究与发展结果表明：

(1) 门空气幕的研究主要是用于隔断百货大楼和工作车间的大门、冷库门、酸洗槽、炼钢炉门等大门内外的风流以及剧院、礼堂、电影院等公共场所和高层建筑防烟、工业厂房内污染源控制、密封冷藏车大门、辅助农药喷洒等方面，矿用空气幕的研究是基于大门空气幕，但与其有着非常大的区别，不能直接应用其技术及理论，尤其是在大断面、大压差的井下运输巷道内不能简单引用.

(2) 国内矿山受条件的影响，对井下风流大多是采用传统的人工调控方法，在可预见的一个时期内，矿井风流的自动控制系统研究与应用仍处于试验研究阶段.

(3) 近期矿用空气幕技术的研究主要是依据有效压力理论、射流理论、动量定律等基础理论，建立了隔断风流替代风门、引射风流替代辅扇或风机机站和增阻减少风流替代风窗矿用空气幕的理论模型，并在国内多类金属矿山开展了卓有成效的应用研究，有效解决了运输巷道和易变形巷道上风流短路、污风停滞、风流反向、污风循环等风流调控的技术难题.

(4) 由于矿井风流的流动一般受矿井自然风压的影响，虽然在进行矿用空气幕的设计时考虑了其影响，对于多机串、并联矿用空气幕可以从风机的数量上进行调节，对于单机或双机矿用空气幕就不便于调节.因此，矿用空气幕进一步研究与发展的趋势：一是研究集中调速运行系统；二是研究矿用空气幕出口风流流动特性，优化设计供风器，实现节能运行.