地下礦山壓氣設施設計應注意的幾點問題

魏國昌，王麗萍，張曉波，吳 波

中冶沈勘秦皇島工程設計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，雖然液壓設備使用越來越廣，但氣動設備仍是礦山生產的主要設備，如鑿巖機、臺車、風鎬、天井鉆機、氣動閘門、氣動碎石機等[1]。壓縮空氣作為動力源有以下性能特點：具有良好的可壓縮性和彈性，適宜作功傳遞中的介質；輸送方便，不凝結；對人無害，沒有起火危險；資源豐富。穩定工作面的用氣壓力、保障供氣量是提高效率的先決條件。每個礦山都是獨一無二的，但是壓氣設施的設計還是有規律可循的。在遵循GB 50029—2014《壓縮空氣站設計規范》的基礎上，從選型、布置、配置等方面進行研究，以達到資源合理利用、系統經濟運行的目的。

1 空壓機的選型

常用的空壓機主要分為兩大類：容積型和速度型(離心式)，容積型空壓機分為往復式和回轉式。我國金屬非金屬礦山常用的空壓機以往復式為主，其次為回轉式 (主要是螺桿式)。往復式空壓機的產量占總產量的 70% 以上，但該類機組質量偏重、尺寸偏大，維護較復雜，發展速度已落后于離心式和螺桿式空壓機。

離心式空壓機具有氣體不受潤滑油脂污染、能長期連續運轉、質量輕巧、運行平穩等優點，大容量的離心式空壓機在煤炭、冶金、化工等礦山開采和物料運輸中應用廣泛，在世界各主要工業國家的離心式空壓機的產量比例逐年上升。當排氣壓力為 0.7 MPa時，比功率在高效時可達 4.8 kW/(m3·min-1)，單機排量在 60 m3/min以上時，建議選擇離心式空壓機。

螺桿式空壓機與往復式空壓機相比，具有結構簡單、外形緊湊、質量輕等優點，因此在移動空壓機中更有優勢。螺桿式空壓機廣泛應用于礦山開采。近年來螺桿式空壓機的排氣量不斷向大、小兩個方向發展，其使用范圍也在不斷擴大。當螺桿式空壓機的排氣壓力為 0.7～ 0.8 MPa時，其比功率為 4.85～ 5.8 kW/(m3·min-1)。噪聲在運轉時隨排氣量的增大而增大，而且轉子對材料要求較高，加工難度較大。就目前來看，小容量空壓機以螺桿式空壓機為主，大容量空壓機則以活塞式和離心式為主。數據統計表明：美國、日本等國家在選擇 40 m3/min以下空壓機時，螺桿式空壓機占 70%～ 80%[2]。

目前變頻螺桿式空壓機也得到推廣。變頻空壓機可根據壓縮空氣調節氣量，減少空壓機的運行負擔。變頻空壓機有無級調速的特點，啟動平緩，對于一些用氣起伏大的場合，可以迅速調節響應。變頻啟動減緩對設備的沖擊，相應地減少了維護和維修量，降低了運行成本。變頻控制系統具有精確的壓力控制能力，使系統壓力保持在穩定的范圍內，延長了設備的使用壽命。通過變頻控制，電動機轉速減慢，整機溫度明顯降低，同時也降低了空壓機運行時產生的噪音，保護現場操作人員的身心健康。

鑒于變頻螺桿式空壓機比工頻機的價格高出許多，建議金屬非金屬礦山的空壓機站采用工頻機與變頻機相結合的方式。

2 空壓機站供氣量的計算

以某大型地下鐵礦為例，產量為 500萬 t/a的礦山，在副井井口附近設置空壓機站，副井井口標高為20 m，壓氣管網全長為 2 450 m?？觾群臍庠O備統計如表 1所列。

表1 坑內用氣設備

礦區最大耗氣量

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

該空壓機站海拔高度為 20 m，上式中高原修正系數取 1。在新疆、西藏等海拔較高的地區，空氣密度變小，會直接導致空壓機實際生產能力變小，因此設計空壓機時須考慮相應的修正系數，確定空壓機的實際生產能力[3]。高海拔地區選擇空壓機時，根據海拔高度計算修正系數和礦區最大耗氣量，同時建議采用高原電動機。

3 壓力損失的計算

金屬非金屬地下礦山的開拓系統與礦體的賦存條件密切相關。壓氣設施在設計之初要考慮服務期內供給輸送距離最遠、用氣量最多的工作面用氣需要，同時要求設備的投資和運營費用最低。在礦體走向較長、埋藏較深的情況下，計算壓氣管道中的壓力損失，避免用氣設備因壓力損失過大而降低效率。

該礦山地表建設集中空壓機站，副井井口標高為20 m，井下服務水平為 -670、-750、-850、-895、-930 m。豎井壓氣主管路采用 1條φ219 mm×7 mm無縫鋼管，長度按 950 m計算，管內空氣流量按 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要求；

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

在滿足生產使用壓力的前提下，可通過計算選擇合適的管道，有效地節約管道材料和安裝維護費用，節省投資和運營成本。

4 空壓機站的配置

根據 GB 50029—2014《壓縮空氣站設計規范》、AQ 2034—2011《金屬非金屬地下礦山壓風自救系統建設規范》 等規范的要求，金屬非金屬地下礦山的空壓機站應建在地表，并能在 10 min內啟動?？諌簷C站兼顧井下用氣設備的生產用氣和壓風自救系統的氣源。

(1) 空壓機需滿足井下災變時的用氣，根據最大班井下生產人員數量計算所需用氣量，確定災變時使用空壓機的臺數。用于壓風自救系統的空壓機作為一級負荷，需要配置兩路電源。

(2) 空壓機站的儲氣罐必須裝安全閥。安全閥的選擇應符合國家現行的《壓力容器安全技術監察規程》的有關規定。同時，在儲氣罐出氣管路正對氣流方向須安裝釋壓閥，釋放壓力為空壓機最大工作壓力的 1.2～ 1.4倍。

(3) 隨著空壓機結構設計越來越輕量化、易于維修化，售后服務便捷化，空壓機站內無需單獨設置起吊梁、起重機等設施。更多的礦山企業通過拆卸空壓機外殼實現維修和保養，或者使用小型的叉車進行移動。

(4) 空壓機站機器間的采暖溫度不得低于 15 ℃，非工作時間機器間的溫度不得低于 5 ℃。因此在溫度低于 5 ℃ 的地區，空壓機站需要設置采暖。風冷螺桿空壓機組的空氣冷卻排風宜排至室外。

(5) 針對空壓機余熱散失浪費的現狀，部分廠家推出了利用循環管道的冷水與空壓機產生的熱量進行熱交換，既省去了礦山企業制造熱水所需能源消耗，又改善了空壓機的高溫運行狀態，節能又環保[4]。

(6) 為保障用氣質量，噴油螺桿空壓機應設置油水分離器，井下巷道也應在合適的位置設油水分離器?？諌簷C壓縮之后產生的廢油水、乳化液和整個空壓系統產生的廢油水分層收集處理，達到環保排放要求。

5 結語

綜上所述，在礦山設計中需仔細研究空壓機站所處地理位置氣候特點、生產用氣要求、壓風自救系統氣源等實際情況，計算選擇合適的壓氣設施，以保障空壓機站滿足礦山生產要求。通過對耗氣量、壓力損失等的計算選取合適的空壓機，同時選用合適的變頻空壓機、余熱回收裝置、油水分離器等達到供氣系統的經濟運行要求。在空壓機站設計中，通過采用各種合理措施對系統進行優化設計，能較好地實現節能降耗以及資源的合理化利用，產生良好的經濟和社會效益。