HDPE雙壁波紋管在銅鎳礦巷道通風應用

仲 偉, 王紅列, 雒煥禎, 謝世棋, 劉福堂, 羅 鳴

(金川集團股份公司， 甘肅 金昌 737100)

1 前言

HDPE雙壁波紋管(如圖1所示)主要應用于城市市政工程、住宅小區地下埋設排水排污，高速公路預埋管道，農田水利灌溉輸水、排澇，化工用于流體的輸送等。雙壁波紋管材是以高密度聚乙烯為原料的一種新型輕質管材，具有重量輕、耐高壓、韌性好、施工快壽命長等特點，其優異的管壁結構設計，與其他結構的管材相比，成本大大降低，而且由于連接方便、可靠，在國外得到廣泛應用。

圖1 HDPE雙壁波紋管

某銅鎳礦山公司將HDPE雙壁波紋管應用在井下通風管路中，經過一段時間的試用，取得了良好的效果。該礦山公司多年來井下通風管道一直使用布制軟風筒(如圖2所示)，布制軟風筒自身漏風率較高，常常由于管道的漏風，到達作業工作面的風量不足，直接影響井下現場掘進施工生產。同時，布制軟風筒容易破損，也使得到達工作面的風量不足。

2 HDPE雙壁波紋管性能特點

HDPE雙壁波紋管本身材料為高密度聚乙烯，其化學性能穩定可靠，不易老化、氧化，不易開裂，適應多種復雜的地質環境。由其為原材料生產出來的HDPE雙壁波紋管屬于柔性管，其主要性能有以下幾個方面。

圖2 布制軟風管

(1)超強的抗外壓負荷能力：外壁呈環形波紋狀結構(如圖3所示)，同時還具有平滑內壁，外壁的波紋狀結構具有很強的抗壓強度和較大的彈性。內壁為平滑結構，提高了自身的剛度和韌性。具備內外壁成為雙層管材結構，該結構大大增強了管材的抗壓強度和自身的剛度，管道對負荷的抵抗力遠高于其他管材[1-3]。

圖3 外壁環形波紋狀結構

(2)使用成本低：若在城市建設鋪設地下管道，HDPE雙壁波紋管比同材質規格的實壁管，能節約一半左右的原材料，因此HDPE雙壁波紋管使用成本也較低。在井下通風管道中使用，由于HDPE雙壁波紋管比布質軟風筒使用壽命高，不易漏風，維護及檢修簡單，總體使用成本遠低于布質軟風筒。

(3)施工簡單：HDPE雙壁波紋管自身重量輕，倒運和聯接簡單(如圖4所示)，現場施工快捷，同時維護工作簡單。在井下條件差的情況下，既能保證施工質量，又能帶來許多方便。

圖4 聯接結構圖

(4)摩擦阻力小，保證可靠流量：由于采用的是摩阻系數小的高密度聚乙烯材料，且內壁為平滑表面，因此HDPE雙壁波紋管比其他相同口徑的管材通過的流量更大，能可靠保證介質的流量。

(5)耐低溫性能強：由于HDPE雙壁波紋管的脆化溫度是-70℃，因此在一般低溫條件下(-30℃以上)，不需特殊保溫措施，對北方冬季帶來許多便利條件。

(6)超強的化學穩定性：因為構成HDPE雙壁波紋管的高密度聚乙烯分子是無極性的，所以HDPE雙壁波紋管的化學穩定性超強。現場地質環境的土質因素、酸堿因素及溫度因素都不影響管道化學穩定性，即使長時間、密閉和復雜潮濕條件下，仍然不結垢，不滋生細菌，管道內部介質流通面積不會減少，仍然可靠保證管道介質流量。目前，大多數化學介質對其不起化學作用。

(7)使用壽命長：HDPE的雙壁波紋管的使用年限可達50年以上，在井下使用還會更長。

(8)耐磨性能優異：試驗證明，HDPE的耐磨性甚至比鋼管還要高幾倍。

(9)微量的撓曲度：HDPE雙壁波紋管軸向允許略微的撓曲，可以直接使用在略微不直的管溝內，特別是在井下，井下巷道由于受施工條件及地理、地質條件的影響，巷道不可能是非常的平直，但由于允許略微的撓曲，就給井下HDPE雙壁波紋管帶來方便，并可保證在后期的使用中穩定可靠。

3 井下HDPE雙壁波紋管通風應用

該銅鎳礦山井下通風一直使用的礦用FDB系列軸流風機(如圖5所示)，為礦用防爆壓入式對旋軸流局部通風機，該機具有性能安全可靠、維護成本低、使用壽命長、葉片葉型設計先進、噪音低、效率高、能耗低運轉性能穩定等特點。該風機的氣動性能滿足礦井掘進面局部定量通風的要求，在接上風筒后與管網系統配合損失小，送風距離長。為減輕重量及負荷，該風機葉片使用非金屬合成塑料材質。

圖5 礦用FDB系列軸流風機

為保證風機與HDPE雙壁波紋管聯接可靠，在風機出風口端重新制作了風機與風筒的連接頭(如圖6所示)，并用抱箍將HDPE雙壁波紋管與風機出風口緊固聯接，以保證聯接的可靠，在孔壁連接處裝有專用橡膠密封圈。HDPE雙壁波紋管之間為嵌套式直接聯接，在孔壁連接處裝也裝有專用橡膠密封圈。在巷道轉彎處采用原軟風筒便于風筒轉彎，軟風筒用鐵絲捆扎固定在HDPE雙壁波紋管上，以保證聯接緊固和密封。

圖6 風機與風筒連接

4 HDPE雙壁波紋管連接頭改造

原礦用FDB系列軸流風機出風口結構便于安裝軟風筒(如圖7所示)，其結構是一端用法蘭與風機連接，另一端是向外卷邊式接口，便于布制軟風筒的套裝及緊固，但此結構使得該出風口無法安裝HDPE雙壁波紋管。因此，制作了新的出風口更換掉原礦用FDB系列軸流風機出風口(如圖8所示)。

圖7 軟風筒

圖8 FDB軸流風機新出風口

新出風口一端仍采用原法蘭聯接結構，聯接尺寸不變，保證與風機出口端聯接。另一端采用一段直管結構便于安裝HDPE雙壁波紋管，HDPE雙壁波紋管的大端套裝此處，并用抱箍卡緊聯接。兩半抱箍用螺栓鎖緊，結構簡單，拆裝方便。此處HDPE雙壁波紋管的大端內孔與連接頭外圓表面之間裝有專用橡膠密封圈，保證密封可靠。

為保證此風機出口連接頭擴口段與直段聯接嚴實及使用時不漏風，制作時采用沖壓一次成型的方法，因為焊接制作必須用連續焊保證嚴實，但焊后變形嚴重，且變形或受力后極易從焊縫處開裂，由此造成漏風。原風機所帶的出風口的卷邊也是一次沖壓成型制作，能保證聯接安裝的強度及密封性。

抱箍的安裝位置接近內部的橡膠密封圈，裝1個橡膠密封圈的，抱箍位置在HDPE雙壁波紋管端口與橡膠密封圈之間并靠近橡膠密封圈；裝2個橡膠密封圈的，抱箍位置在兩個橡膠密封圈之間。若抱箍直接裝在橡膠密封圈的位置外端，則會導致橡膠密封圈在圓周上受力不均，會導致接口處漏風。

5 HDPE雙壁波紋管之間聯接

HDPE雙壁波紋管之間采用嵌套式聯接，具體形式如圖9所示，在管壁之間安裝相應的專用橡膠密封圈，該聯接結構緊固可靠，且無漏風，同時也適應送風管道自身所具有的頻繁微振的工礦條件。

圖9 嵌套式聯接

6 巷道轉彎處軟風筒聯接

HDPE雙壁波紋管由于自身內部結構，其仍屬于硬質波紋管類，故其在實用中只能安裝在較為平直的巷道中，在彎道處該礦山公司仍使用布制軟風筒，以適應彎道處的轉彎巷道。

為保證HDPE雙壁波紋管與布制軟風筒可靠聯接，在布制軟風筒與HDPE雙壁波紋管擴口端制作了連接頭(如圖10所示)，在布制軟風筒與HDPE雙壁波紋管收口端是直接嵌套聯接。

圖10 波紋管與風筒接頭

布制軟風筒與連接頭大端聯接，用兩道鐵絲緊固，為避免布制軟風筒與固定鐵絲在連接頭上受力滑脫，在制作連接頭時在其外圓圓周上焊接有防止滑脫的鋼筋條。此處需用塑料布沿圓周嚴密包裹，防止漏風。

連接頭的另一端直接與HDPE雙壁波紋管擴口端嵌套聯接，內部管壁之間安裝有專用的橡膠密封圈，外部用抱箍緊固。

布制軟風筒與HDPE雙壁波紋管收口端是直接嵌套聯接，內部管壁之間安裝有專用的橡膠密封圈，外部用兩道鐵絲緊固。此處也需用塑料布沿圓周嚴密包裹，防止漏風。

由于布制軟風筒能在各種方向上彎曲，無論井下巷道是水平彎曲還是深度上彎曲，或是水平和深度彎曲同時在巷道轉彎處，布制軟風筒都能聯接使用。

7 工藝風量分析

該銅鎳礦山使用礦用FDB系列隔爆型壓入式對旋軸流風機，以給井下掘進作業工作面提供新鮮空氣為主，供風系統須保證供風系統出口供風量。

掘進工作面污濁空氣的成分主要是爆破后的炮煙及各種作業工序所產生的粉塵，故局部通風所需風量是以排出炮煙和粉塵作為計算依據。

按排出炮煙計算風量為

式中：Q——壓入式通風風量，m3/s；

t——通風時間， s；

A——一次爆破炸藥消耗量，A=97kg；

L0——獨頭巷道長度，L0=100m(最長距離計算)；

S——巷道斷面面積，S=19.317m2(巷道斷面面積)。

HDPE雙壁波紋管為剛性風筒，在風筒的安裝過程中，剛性風筒出口風速較高，但柔性風筒出口的風速極低，遠不能達到通風的需要，因此對巷道內風速及風量進行了測定，測定中將剛、柔風筒進行了風速、風量的測定，來考察剛性風筒及柔性風筒的通風效果。

測試結果顯示：剛性風筒出口風速高達8.62m/s,風筒出口的測試風量為5.37m3/s以上，射流效果好，漏風系數低，送風效果好。柔性風筒出口風速僅為3.23m/s, 風筒出口的測試風量僅為2.73m3/s左右，射流效果弱，漏風系數高，送風效果相對差，且剛性風筒口15m處平均風速為1m/s，風筒口20m處風速為0.8 m/s，這樣完全符合掘進風速要求，能夠正常組織生產。

綜上，HDPE雙壁波紋管剛性風筒在實測中達到理論掘進用風要求，并優于布制柔性風筒，在井下掘進處使用剛性風筒來進行送風合理可靠。

8 經濟概算

HDPE雙壁波紋管每米約300元，按每年600m巷道約18萬元，施工安裝費用約3萬元，合計為23萬元；布制柔性風筒每米約15元，按每年600m巷道約0.9萬元，，施工安裝費用約5萬元，合計為6萬元；剛性風筒投入成本遠高于柔性風筒，約為其3倍多。

但從使用壽命來看，剛性風筒一次安裝后可穩定可靠使用5年以上，而柔性風筒在安裝后使用1月即有破損，導致其后每月都必須風機停機更換破損風筒，直接影響井下掘進生產，一年下來僅更換柔性風筒投入的費用近5萬元，按5年使用周期來算，柔性風筒發生的費用又高于剛性風筒，并且柔性風筒使用周期短，相比之下，柔性風筒對生產的影響較為嚴重。

綜合考慮，剛性風筒在經濟上還是優于柔性風筒的，雖然其前期成本及施工投入較大，但其后期使用穩定可靠，使用壽命長，綜合經濟成本還是比較低的。

9 結論

通過該礦山公司井下在通風系統試用HDPE雙壁波紋管近一年，使用良好，沒有出現破口漏風，通風順暢，風量輸送正常，輸送時管道振動和噪音都很小，證明HDPE雙壁波紋管應用于井下巷道通風管道是可行的。