集中供風式鉆機系統(tǒng)在南泥湖鉬礦中的應用

葛虎勝

（欒川龍宇鉬業(yè)有 公司）

南泥湖鉬礦區(qū)位于河南省欒川縣境內(nèi)，礦區(qū)面積為3.98 km2，主礦體東西長為2 600 m，南北寬度為1 000～1 400 m，最大礦體厚度為420.12 m。探明鉬保有工業(yè)礦石量約為7億t，地質(zhì)品位為0.072%，鉬金屬量約為50萬t，有用組分除輝鉬礦外，還伴生有白鎢礦，是以鉬為主的鉬、鎢特大型礦床，是以生產(chǎn)鉬礦為主的有色金屬礦山企業(yè)，礦石普氏硬度系數(shù)f=12～16，礦巖密度2.73 t/m3，計劃爆破穿孔量約為17萬m/a，原使用采場移動式送電法，中風壓潛孔鉆機穿孔，該穿孔效率低、成本高、安全風險大［1］。為打造綠色礦山，提升企業(yè)形象，保證生產(chǎn)運行安全，經(jīng)技術論證確定使用一種穿孔工藝先進，符合國家節(jié)能環(huán)保要求的集中供風式鉆機系統(tǒng)，達到降本增效節(jié)能環(huán)保的目的。

1 原中風壓潛孔鉆機使用狀況分析

1.1 設備概況

原鉆機系CS165E型一體式中風壓潛孔鉆機，于2010年11月投入運行，投用10 a來平均單臺鉆機已運行約1.3萬h，穿孔進尺約為14.3萬m。自2018年以來故障率明顯升高、檢修投入增大、運行成本增加、穿孔作業(yè)效率下降。鉆機結構復雜且智能化技術水平較低，鉆機運行檢修、保養(yǎng)等所需部件通用性較差、替代困難，且購置費用較高。原設計與現(xiàn)新型鉆機相比技術性能比較落后，普遍存在鉆架及鉆桿庫基座變形、變位機構支座設計缺陷、液壓系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定且漏油頻繁、動作不同步、電氣裝置及線路老化、駕駛室銹蝕嚴重、空壓機主機軸承（進口軸承）磨損、機械密封老化、電機密封及部分管路老化等問題。在日常生產(chǎn)、安全運行上的可靠性較差。

1.2 運行分析

1.2.1 直接成本

經(jīng)對原鉆機在2018—2020年綜合材料消耗、穿孔作業(yè)量進行統(tǒng)計核算，累計運行約為2.2萬h，累計穿孔約為21.69萬m，直接穿孔成本約為46.55元/m。具體明細見表1。

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1.2.2 其它成本

依據(jù)南泥湖露天礦山的實際情況，在滿足生產(chǎn)需求的情況下，結合原中風壓一體式潛孔鉆機的性能特點，鉆機穿孔作業(yè)共配備操作人員25人、維修電鉗工12人、管理人員2名。按照該職業(yè)的實際工資水平，依據(jù)2018—2020年累計穿孔量進行核算，該鉆機運行實際人工成本約為26.57元/m。另根據(jù)鉆機的購置費用和該礦山機械的使用壽命，其設備折舊成本約為15.68元/m。具體明細見表2。

通過對2018—2020年鉆機日常運行作業(yè)的作業(yè)量、材料消耗、能耗等數(shù)據(jù)進行匯總，結合人工成本、設備折舊等客觀事實進行核算，CS165E型一體式中風壓潛孔鉆機運行成本約88.8元/m，較目前市場上在用的主流潛孔鉆機的穿孔成本高出約50%。且該鉆機結構復雜笨重，外觀尺寸比較龐大，操作人員視野局限性較大，對穿孔場地要求較高，轉場移設效率較低，人員需求較多。

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2 同規(guī)格全內(nèi)燃式一體化鉆機運行情況分析

以目前大型露天礦山使用較為廣泛的阿特拉斯L8型一體式全內(nèi)燃式潛孔鉆機為例。從該品牌鉆機使用單位了解，該鉆機在購置使用約4 a時間內(nèi)，累計穿孔進尺約29萬m，累計運行約為1.8萬h，穿孔效率約為16.1 m/h。

該鉆機技術性能比較穩(wěn)定，外觀尺寸相對較小，未攜帶10 kV高壓變配電系統(tǒng)，移設比較靈活，操作系統(tǒng)設計更優(yōu)化合理［2］，操作人員視野比較開闊等因素，該鉆機在大大縮減了人員需求，其檢修投入也相應大幅降低。經(jīng)核算該鉆機運行成本約為53.52元/m。

3 集中供風式鉆機系統(tǒng)可行性研究

3.1 基本概況

集中供風式鉆機系統(tǒng)通過建立集中供風站，利用無縫鋼管在上部非開采臺階環(huán)繞采場設置主供風管道，結合采場推進情況，在主供風管道上預留向下部開采臺階供風的分支管路速接插口，利用高分子輕型柔性保壓輸氣管向穿孔作業(yè)的鉆機提供風壓，以滿足穿孔施工需求，該施工系統(tǒng)能耗主要是電力。

3.2 集中供風式鉆機系統(tǒng)組成

集中供風式鉆機系統(tǒng)主要由空壓機站、箱式變電站、送風管路、潛孔鉆機4個部分組成，并結合智能化遠程操控技術，實現(xiàn)了空壓機站的無人值守。該系統(tǒng)總體構成簡單，拆裝移設便捷，具有省時、高效、環(huán)保、節(jié)能的特點。

（1）空壓機站。空壓機站占地面積約為600 m2，地基采用C25商混澆筑，抗壓強度為25 MPa，其特點在于耐久性，耐火性好，抗震性強，滿足露天采場爆破抗震強度。空壓機放置地面用綠色環(huán)保地坪漆進行處理，并做地面防潮處理。采用鍍鋅方鋼結構建造樹脂瓦雨棚，以滿足空壓機防雨需求。場地外場加裝1.8 m高圍欄，空壓機放置范圍加裝1 m圍欄。圖1為空壓機站平面布局。

（2）箱式變電站。變電站采用ZBW型預裝式箱式變電站，是將高壓開關設備、變壓器和低壓開關設備安裝在3個不同的隔室內(nèi)，通過電纜或母線按一定接線方案組合成一體。氣候條件適應性較強，可滿足高海拔地理區(qū)域的使用需求，氣溫適用范圍在40～-20℃，適用額定電壓為12 kV及以下，額定頻率為50 Hz，完全滿足工礦企業(yè)、大型工地等施工場所的環(huán)網(wǎng)供電或終端供電。

ZBW型預裝式變電站由高壓配電裝置、變壓器及低壓配電裝置聯(lián)接而成，分成3個功能隔室，即高壓室、變壓室器和低壓室，高、低壓室功能齊全。高壓側一次供電系統(tǒng)可布置成環(huán)網(wǎng)供電、終端供電、雙電源供電等多種供電方式，裝設高壓計量元件，滿足高壓計量的要求［3］。低壓室有動力配電、照明配電、無功功率補償、電能計量和電量測量等多種功能，滿足其他低壓用電設備的不同要求，并方便用戶的供電管理和提高供電質(zhì)量。采用自然通風和強迫通風2種方式、使通風冷卻良好。變壓器室和低壓室均有通風道，排風扇有溫控裝置，按設定溫度能自動啟動和關閉，確保變壓器帶負荷運行時溫升控制在標準范圍內(nèi)。

（3）送風管道。送風管道由主送風管道和分支送風管道2部分組成。主送風管道一般選用無縫鋼管，管道主管徑為160 mm，均為可移動拆卸式，配置有跨公路門架，長度隨生產(chǎn)需要增加。主管道連接可采用焊接，安裝和拆卸方便，可將幾根無縫鋼管先焊接，然后用法蘭連接，后經(jīng)刷漆處理，耐腐蝕性強。

分支管道采用高分子輕型柔性保壓輸氣管，可耐高溫+80℃，低溫-40℃，伸長率小于萬分之一，耐油、耐酸腐蝕，單管長度達100 m，質(zhì)量為傳統(tǒng)材料（鋼管、膠管）管道的十分之一，直徑為65 mm，單位質(zhì)量僅0.55 kg/m，可承受1.3～3.0 MPa的工作壓力，爆破承載力可達到6.1 MPa。

（4）潛孔鉆機。采用CDZY458型履帶式高風壓礦山專用深孔鉆機，是一種高效多功能的鉆鑿設備。利用發(fā)動機液壓油泵組為鉆機的液壓馬達行走、回轉、推進及提升、油缸擺角定位等提供動力。以壓縮空氣為動力，驅(qū)動沖擊器，實現(xiàn)沖擊鑿巖功能。該鉆機適用于各類礦山工程爆破、錨固支護、探礦作業(yè)；也可采用套管跟進護壁成孔工藝鉆鑿水電圍堰注漿孔、堤壩防滲注漿孔、基礎加固注漿孔及錨孔等。雙回轉馬達提供高扭矩輸出，大提升力鉆孔效率，廣泛應用于大孔徑或者深孔作業(yè)，具有耗風量低，回轉扭矩大、穩(wěn)定性好等特點。主要技術參數(shù)見表3。

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3.3 集中供風式鉆機系統(tǒng)主要組件技術性能分析

3.3.1 螺桿式空壓機

Cdzy80型型螺桿壓縮機是一種工作容積作回轉運動的容積式壓縮機械，氣體的壓縮依靠容積的變化來實現(xiàn)，而容積的變化又是借助壓縮機的一對轉子在機殼內(nèi)作回轉運動來實現(xiàn)［4］。主要通過進氣、壓縮、排氣3個過程完成空氣壓縮提供風能。

（1）進氣過程。轉子轉動時，陰陽轉子的齒溝空間在轉至進氣端壁開口時，其空間最大，此時轉子齒溝空間與進氣口相同，因齒溝的氣體被完全排出，排期完成時，齒溝處于真空狀態(tài)，當轉至進氣口時，外界氣體即被吸入，沿軸向進入陰陽轉子的齒溝內(nèi)。當氣體充滿了整個齒溝時，轉子進氣側端面轉離機外殼進氣口，在齒溝的氣體即被封閉。

（2）壓縮過程。陰陽轉子在吸氣結束時，其陰陽轉子齒輪尖會與機殼封閉，此時氣體在齒溝內(nèi)不再外流。其嚙合面逐漸向排氣端移動。嚙合面與排氣口之間的齒溝空間逐漸減小，齒溝內(nèi)的氣體被壓縮壓力提高。

（3）排氣過程。黨轉子的嚙合端面轉到與機殼排氣口相同時，被壓縮的氣體開始排出，直至齒尖與齒溝的嚙合面移至排氣端面，此時陰陽轉子的嚙合面與機殼排氣口的齒溝空間為零，即完成排氣過程，在此同時轉子的嚙合面與機殼進氣口之間的齒溝長度又達到最長，進氣過程再一次進行。

Cdzy80型螺桿式空壓機額定功率為220 kW，額定電壓為380 V，額定電流為400 A，空壓機出口壓力為1.7 MPa，每分鐘出風量為20～30 m3，排氣壓力為0.75～1.05 MPa。經(jīng)并聯(lián)集中后，最終達到總風壓1.6～2.4 MPa。由4臺Cdzy80型螺桿式空壓機組成的集中式供風站，輸出總風量為80 m3/min，可滿足采場多臺鉆機用風需求。

3.3.2 供配電系統(tǒng)ZBW預裝式變電站負載核算

根據(jù)工程量，單臺空壓機的額定功率為220 kW，額定電壓為380 V，額定電流為400 A，共投運4臺空壓機，其中備用1臺，總額定功率為880 kW。

根據(jù)《電力工程設計手冊》，對于平穩(wěn)負荷供電的單臺變壓器，變壓器容量負荷率一般取80%左右，為滿足20%的負荷余量，保證站內(nèi)其他用電設備的供電穩(wěn)定，ZBW型預裝式變電站容量為1 250 kVA，可保證空壓機站供電要求，保證其正常穩(wěn)定運行。

變壓器可負荷量=1 250×80%=1 000 kW。

綜上所述，ZBW預裝式變電站容量，為1 250 kVA可滿足1 000 kW運行負荷量，完全滿足空壓機站880 kW的總負荷。ZBW預裝式變電站主要技術參數(shù)見表4。

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3.3.3 送風系統(tǒng)管路風壓損失核算

壓風管道的選擇，應滿足鉆機工作風壓不小于1.2 MPa，空壓機站生產(chǎn)的壓縮空氣的壓力一般在1.6～2.4 MPa［5］，為保證工作風壓，鋼管終端的風壓不得小于1.3 MPa，通過柔性保壓輸氣管輸送至鉆機的工作風壓不小于1.3 MPa。

壓縮空氣在輸送過程中，由于關閉摩擦、接頭、閥門等產(chǎn)生的阻力，其壓力會減小，一般稱壓力損失。根據(jù)達西公式，鋼管的風壓損失△P可按照以下公式計算。

式中，λ為摩擦阻力系數(shù)，見表4；L為送風管道長度，m；d為送風管內(nèi)徑，m；g為重力加速度，取9.81 m/s2；γ為壓縮空氣容重。溫度為t℃時，其容重則為γ1=；此時，壓力為P的壓縮空氣的容重；p為空壓機生產(chǎn)的壓縮空氣的壓力，MPa，由空壓機性能可知；v為壓縮空氣在風管中的速度，m/s，根據(jù)風量和風管面積可得。

本期管道全長為L=820 m，tmin=-20℃；風管摩擦阻力系數(shù)λ值，采用φ160 mm管道，內(nèi)徑為150 mm，則λ=0.026 4，如表5。

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根據(jù)滿足鉆機工作風壓不小于1.2 MPa，空壓機站生產(chǎn)的壓縮空氣的壓力一般在1.6～2.4 MPa，經(jīng)過820 m傳輸，壓力損失為0.000 465 3 MPa＜0.4 MPa，可以忽略不計，即管道傳輸滿足鉆機工作需求。

3.3.4 CDZY458型履帶式高風壓礦山專用深孔鉆機技術及環(huán)保性能

（1）技術性能。CDZY458型履帶式高風壓礦山專用深孔鉆機，主要由動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、電氣器系統(tǒng)、濕式降塵系統(tǒng)5部分組成，結構簡單，設備靈活，對作業(yè)區(qū)域工況條件要求較低，采用高風壓潛孔沖擊裝置，穿孔效率較高，且多種鉆具配置可滿足160～110 mm的穿孔直徑需求，能夠滿足露天礦山中深孔爆破、淺孔爆破、預裂孔爆破的需求。

（2）環(huán)保性能。CDZY458型履帶式高風壓露天潛孔鉆機設計裝備有濕式除塵系統(tǒng)，用于防止鑿巖時粉塵污染大氣和對人體傷害。工作原理為在高壓氣流進入沖擊器之前，將風水混合在一起送入巖孔底部。當氣流濕度適中時，鑿巖產(chǎn)生的粉塵凝聚成顆粒狀態(tài)隨廢氣排出孔外，沉積在孔邊周圍，達到除塵目的。配備使用WA76—II型粉塵采樣器，用質(zhì)量法在下風向距鉆機不同距離處測得粉塵濃度：在2 m處測得2.0 mg/m3，在10 m處測得1.4 mg/m3，在15 m處測得0.6 mg/m3，達到《大氣污染物綜合排放標準》的排放要求。

綜上分析，集中供風鉆機系統(tǒng)在安全環(huán)保、技術性能等方面均能滿足實際生產(chǎn)需求，且以電力作為主要能耗，更能滿足目前國家關于露天礦山的環(huán)保要求，且解決了電力遠程移動輸送問題，增強了安全保障，具有很好的應用前景。

4 不同穿孔模式優(yōu)略性對比

4.1 一體式全內(nèi)燃鉆機優(yōu)缺點

（1）優(yōu)點。單臺設備比較獨立，不涉及其它輔助設施，移設比較方便。

（2）缺點。一是全內(nèi)燃式鉆機發(fā)動機功率較大，單位時間內(nèi)油耗較多，尾氣排放量較大，隨著礦山下部臺階的推進，形成深井式開采采區(qū)后深部臺階自然通風效果減弱，大排量內(nèi)燃式設備過多時發(fā)動機排放的尾氣不易擴散，在后期環(huán)保達標治理方面比較困難。二是設備外觀尺寸較大，對施工場地要求比較苛刻。三是操作人員視野局限性較大，單臺設備所需人員配置較多，人工成本較高。四是干式除塵不利于露天礦山行業(yè)于揚塵治理。五是近年來市場上柴油價格變化浮動較大，同時與國際油價關系比較密切，易造成作業(yè)成本的不可控因素。

4.2 集中供風式鉆機系統(tǒng)優(yōu)缺點

（1）優(yōu)點。一是系統(tǒng)電力作為主要能耗，更符合國家清潔生產(chǎn)的要求，作為主要以電能為主要能耗的露天礦山工程機械來說，相比其它內(nèi)燃機工程機械更具有環(huán)保優(yōu)勢，采用的濕式降塵技術有效地抑制了穿孔鑿巖過程中產(chǎn)生的揚塵，滿足環(huán)保要求。二是鉆機結構簡單，小巧靈活，系統(tǒng)運穩(wěn)定，且采場內(nèi)不需架設高壓線路，有效地提升了操作、檢修人員的安全保障。三是集中供風鉆機系統(tǒng)鉆孔效率較高，對作業(yè)場地要求較低，且操作人員視野開闊，減少了作業(yè)人員配置，生產(chǎn)工藝簡單，避免了設備轉場時多種設備的參與，做到了高效率運行，有效地降低了生產(chǎn)作業(yè)效率。

（2）缺點。分支供風輸送管道跨臺階布設，不利于規(guī)范標準化管理。

5 集中供風式鉆機系統(tǒng)在露天礦山的應用效果

欒川龍宇鉬業(yè)南泥湖露天鉬礦日采礦量約為2.8萬t，年穿孔量約在15萬m，原采用的是電柴兩用的一體式中風壓潛孔鉆機，該鉆機能耗大，結構復雜，日常運行故障率較高，穿孔作業(yè)效率較低，對作業(yè)場地要求較高，需攜帶10 kV高壓電纜進行穿孔作業(yè)，安全風險較大，設備轉場移設費工費時。其它一體式內(nèi)燃機鉆機，受環(huán)保要求制約較大，不利于國家關于清潔生產(chǎn)要求的長期推進實施。通過對集中供風鉆機系統(tǒng)論證分析并投入使用，取得的了良好的成效，在確保安全環(huán)保的前提下，使鉆孔成本由原來的88.8元/m降至41元/m，降幅達到53.83個百分點，每年可節(jié)約穿孔成本約706萬元。

6 結論

采用集中供風式鉆機系統(tǒng)工藝技術，有效地降低了能源消耗，簡化場地管控，增強安全環(huán)保效益，消除了高壓供電式工藝對人員、設備的安全隱患，使得生產(chǎn)更便捷、更高效、更有序地進行，減低了生產(chǎn)成本，同時簡化工作管理制度，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟和社會效益。實踐證明，采用集中供風式鉆機系統(tǒng)工藝在南泥湖露天鉬礦開采的是成功的，同時結合當下對工礦類企業(yè)的安全環(huán)保要求，該工藝是一種安全效益合理、經(jīng)濟效益顯著、成本節(jié)約明顯的鉆孔工藝，具有一定的推廣價值。