地下礦山壓氣設(shè)施設(shè)計(jì)應(yīng)注意的幾點(diǎn)問題

魏國(guó)昌，王麗萍，張曉波，吳 波

中冶沈勘秦皇島工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司河北秦皇島 066004

在 金屬非金屬礦山地下開采中，雖然液壓設(shè)備使用越來(lái)越廣，但氣動(dòng)設(shè)備仍是礦山生產(chǎn)的主要設(shè)備，如鑿巖機(jī)、臺(tái)車、風(fēng)鎬、天井鉆機(jī)、氣動(dòng)閘門、氣動(dòng)碎石機(jī)等[1]。壓縮空氣作為動(dòng)力源有以下性能特點(diǎn)：具有良好的可壓縮性和彈性，適宜作功傳遞中的介質(zhì)；輸送方便，不凝結(jié)；對(duì)人無(wú)害，沒有起火危險(xiǎn)；資源豐富。穩(wěn)定工作面的用氣壓力、保障供氣量是提高效率的先決條件。每個(gè)礦山都是獨(dú)一無(wú)二的，但是壓氣設(shè)施的設(shè)計(jì)還是有規(guī)律可循的。在遵循GB 50029—2014《壓縮空氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》的基礎(chǔ)上，從選型、布置、配置等方面進(jìn)行研究，以達(dá)到資源合理利用、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

1 空壓機(jī)的選型

常用的空壓機(jī)主要分為兩大類：容積型和速度型(離心式)，容積型空壓機(jī)分為往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式。我國(guó)金屬非金屬礦山常用的空壓機(jī)以往復(fù)式為主，其次為回轉(zhuǎn)式 (主要是螺桿式)。往復(fù)式空壓機(jī)的產(chǎn)量占總產(chǎn)量的 70% 以上，但該類機(jī)組質(zhì)量偏重、尺寸偏大，維護(hù)較復(fù)雜，發(fā)展速度已落后于離心式和螺桿式空壓機(jī)。

離心式空壓機(jī)具有氣體不受潤(rùn)滑油脂污染、能長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、質(zhì)量輕巧、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，大容量的離心式空壓機(jī)在煤炭、冶金、化工等礦山開采和物料運(yùn)輸中應(yīng)用廣泛，在世界各主要工業(yè)國(guó)家的離心式空壓機(jī)的產(chǎn)量比例逐年上升。當(dāng)排氣壓力為 0.7 MPa時(shí)，比功率在高效時(shí)可達(dá) 4.8 kW/(m3·min-1)，單機(jī)排量在 60 m3/min以上時(shí)，建議選擇離心式空壓機(jī)。

螺桿式空壓機(jī)與往復(fù)式空壓機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外形緊湊、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，因此在移動(dòng)空壓機(jī)中更有優(yōu)勢(shì)。螺桿式空壓機(jī)廣泛應(yīng)用于礦山開采。近年來(lái)螺桿式空壓機(jī)的排氣量不斷向大、小兩個(gè)方向發(fā)展，其使用范圍也在不斷擴(kuò)大。當(dāng)螺桿式空壓機(jī)的排氣壓力為 0.7～ 0.8 MPa時(shí)，其比功率為 4.85～ 5.8 kW/(m3·min-1)。噪聲在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)隨排氣量的增大而增大，而且轉(zhuǎn)子對(duì)材料要求較高，加工難度較大。就目前來(lái)看，小容量空壓機(jī)以螺桿式空壓機(jī)為主，大容量空壓機(jī)則以活塞式和離心式為主。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明：美國(guó)、日本等國(guó)家在選擇 40 m3/min以下空壓機(jī)時(shí)，螺桿式空壓機(jī)占 70%～ 80%[2]。

目前變頻螺桿式空壓機(jī)也得到推廣。變頻空壓機(jī)可根據(jù)壓縮空氣調(diào)節(jié)氣量，減少空壓機(jī)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)。變頻空壓機(jī)有無(wú)級(jí)調(diào)速的特點(diǎn)，啟動(dòng)平緩，對(duì)于一些用氣起伏大的場(chǎng)合，可以迅速調(diào)節(jié)響應(yīng)。變頻啟動(dòng)減緩對(duì)設(shè)備的沖擊，相應(yīng)地減少了維護(hù)和維修量，降低了運(yùn)行成本。變頻控制系統(tǒng)具有精確的壓力控制能力，使系統(tǒng)壓力保持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。通過變頻控制，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速減慢，整機(jī)溫度明顯降低，同時(shí)也降低了空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪音，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)操作人員的身心健康。

鑒于變頻螺桿式空壓機(jī)比工頻機(jī)的價(jià)格高出許多，建議金屬非金屬礦山的空壓機(jī)站采用工頻機(jī)與變頻機(jī)相結(jié)合的方式。

2 空壓機(jī)站供氣量的計(jì)算

以某大型地下鐵礦為例，產(chǎn)量為 500萬(wàn) t/a的礦山，在副井井口附近設(shè)置空壓機(jī)站，副井井口標(biāo)高為20 m，壓氣管網(wǎng)全長(zhǎng)為 2 450 m。坑內(nèi)耗氣設(shè)備統(tǒng)計(jì)如表 1所列。

表1 坑內(nèi)用氣設(shè)備

礦區(qū)最大耗氣量

式中：KG為高原修正系數(shù)；KL為管網(wǎng)漏氣系數(shù)；KX為考慮吸氣管、過濾器、消聲器等阻力引起的壓縮機(jī)生產(chǎn)能力下降的系數(shù)，可取 1.01；KT為氣動(dòng)工具工作系數(shù)；Km為氣動(dòng)工具磨損系數(shù)；ni為第i種氣動(dòng)工具的工作臺(tái)數(shù)；qi為第i種氣動(dòng)工具的耗氣量，m3/min。

該空壓機(jī)站海拔高度為 20 m，上式中高原修正系數(shù)取 1。在新疆、西藏等海拔較高的地區(qū)，空氣密度變小，會(huì)直接導(dǎo)致空壓機(jī)實(shí)際生產(chǎn)能力變小，因此設(shè)計(jì)空壓機(jī)時(shí)須考慮相應(yīng)的修正系數(shù)，確定空壓機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)能力[3]。高海拔地區(qū)選擇空壓機(jī)時(shí)，根據(jù)海拔高度計(jì)算修正系數(shù)和礦區(qū)最大耗氣量，同時(shí)建議采用高原電動(dòng)機(jī)。

3 壓力損失的計(jì)算

金屬非金屬地下礦山的開拓系統(tǒng)與礦體的賦存條件密切相關(guān)。壓氣設(shè)施在設(shè)計(jì)之初要考慮服務(wù)期內(nèi)供給輸送距離最遠(yuǎn)、用氣量最多的工作面用氣需要，同時(shí)要求設(shè)備的投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用最低。在礦體走向較長(zhǎng)、埋藏較深的情況下，計(jì)算壓氣管道中的壓力損失，避免用氣設(shè)備因壓力損失過大而降低效率。

該礦山地表建設(shè)集中空壓機(jī)站，副井井口標(biāo)高為20 m，井下服務(wù)水平為 -670、-750、-850、-895、-930 m。豎井壓氣主管路采用 1條φ219 mm×7 mm無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)度按 950 m計(jì)算，管內(nèi)空氣流量按 91.8 m3/min考慮，該管段壓力損失值為 0.014 MPa。

最低水平巷道壓氣管路長(zhǎng)度為 1 500 m，管路空氣流量按 57 m3/min考慮，該管段壓力損失：

(1) 若選用 1條φ159 mm×4.5 mm無(wú)縫鋼管，巷道壓力損失為 0.044 MPa，管道總壓力損失為 0.058 ＜0.1 MPa，管路壓力損失滿足生產(chǎn)要求；

(2) 若選用 1條φ133 mm×4.5 mm無(wú)縫鋼管，巷道壓力損失為 0.11 MPa，管道總壓力損失為 0.124 ＞0.1 MPa，管路壓力損失無(wú)法滿足生產(chǎn)要求。

在滿足生產(chǎn)使用壓力的前提下，可通過計(jì)算選擇合適的管道，有效地節(jié)約管道材料和安裝維護(hù)費(fèi)用，節(jié)省投資和運(yùn)營(yíng)成本。

4 空壓機(jī)站的配置

根據(jù) GB 50029—2014《壓縮空氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》、AQ 2034—2011《金屬非金屬地下礦山壓風(fēng)自救系統(tǒng)建設(shè)規(guī)范》 等規(guī)范的要求，金屬非金屬地下礦山的空壓機(jī)站應(yīng)建在地表，并能在 10 min內(nèi)啟動(dòng)?？諌簷C(jī)站兼顧井下用氣設(shè)備的生產(chǎn)用氣和壓風(fēng)自救系統(tǒng)的氣源。

(1) 空壓機(jī)需滿足井下災(zāi)變時(shí)的用氣，根據(jù)最大班井下生產(chǎn)人員數(shù)量計(jì)算所需用氣量，確定災(zāi)變時(shí)使用空壓機(jī)的臺(tái)數(shù)。用于壓風(fēng)自救系統(tǒng)的空壓機(jī)作為一級(jí)負(fù)荷，需要配置兩路電源。

(2) 空壓機(jī)站的儲(chǔ)氣罐必須裝安全閥。安全閥的選擇應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行的《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定。同時(shí)，在儲(chǔ)氣罐出氣管路正對(duì)氣流方向須安裝釋壓閥，釋放壓力為空壓機(jī)最大工作壓力的 1.2～ 1.4倍。

(3) 隨著空壓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來(lái)越輕量化、易于維修化，售后服務(wù)便捷化，空壓機(jī)站內(nèi)無(wú)需單獨(dú)設(shè)置起吊梁、起重機(jī)等設(shè)施。更多的礦山企業(yè)通過拆卸空壓機(jī)外殼實(shí)現(xiàn)維修和保養(yǎng)，或者使用小型的叉車進(jìn)行移動(dòng)。

(4) 空壓機(jī)站機(jī)器間的采暖溫度不得低于 15 ℃，非工作時(shí)間機(jī)器間的溫度不得低于 5 ℃。因此在溫度低于 5 ℃ 的地區(qū)，空壓機(jī)站需要設(shè)置采暖。風(fēng)冷螺桿空壓機(jī)組的空氣冷卻排風(fēng)宜排至室外。

(5) 針對(duì)空壓機(jī)余熱散失浪費(fèi)的現(xiàn)狀，部分廠家推出了利用循環(huán)管道的冷水與空壓機(jī)產(chǎn)生的熱量進(jìn)行熱交換，既省去了礦山企業(yè)制造熱水所需能源消耗，又改善了空壓機(jī)的高溫運(yùn)行狀態(tài)，節(jié)能又環(huán)保[4]。

(6) 為保障用氣質(zhì)量，噴油螺桿空壓機(jī)應(yīng)設(shè)置油水分離器，井下巷道也應(yīng)在合適的位置設(shè)油水分離器?？諌簷C(jī)壓縮之后產(chǎn)生的廢油水、乳化液和整個(gè)空壓系統(tǒng)產(chǎn)生的廢油水分層收集處理，達(dá)到環(huán)保排放要求。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在礦山設(shè)計(jì)中需仔細(xì)研究空壓機(jī)站所處地理位置氣候特點(diǎn)、生產(chǎn)用氣要求、壓風(fēng)自救系統(tǒng)氣源等實(shí)際情況，計(jì)算選擇合適的壓氣設(shè)施，以保障空壓機(jī)站滿足礦山生產(chǎn)要求。通過對(duì)耗氣量、壓力損失等的計(jì)算選取合適的空壓機(jī)，同時(shí)選用合適的變頻空壓機(jī)、余熱回收裝置、油水分離器等達(dá)到供氣系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求。在空壓機(jī)站設(shè)計(jì)中，通過采用各種合理措施對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能較好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗以及資源的合理化利用，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。