魏國昌，王麗萍，張曉波，吳 波

中冶沈勘秦皇島工程設(shè)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(shè)備使用越來越廣，但氣動設(shè)備仍是礦山生產(chǎn)的主要設(shè)備，如鑿巖機、臺車、風(fēng)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(zhì)；輸送方便，不凝結(jié)；對人無害，沒有起火危險；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。每個礦山都是獨一無二的，但是壓氣設(shè)施的設(shè)計還是有規(guī)律可循的。在遵循GB 50029—2014《壓縮空氣站設(shè)計規(guī)范》的基礎(chǔ)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(tǒng)經(jīng)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(fù)式和回轉(zhuǎn)式。我國金屬非金屬礦山常用的空壓機以往復(fù)式為主，其次為回轉(zhuǎn)式 (主要是螺桿式)。往復(fù)式空壓機的產(chǎn)量占總產(chǎn)量的 70% 以上，但該類機組質(zhì)量偏重、尺寸偏大，維護較復(fù)雜，發(fā)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(xù)運轉(zhuǎn)、質(zhì)量輕巧、運行平穩(wěn)等優(yōu)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(yīng)用廣泛，在世界各主要工業(yè)國家的離心式空壓機的產(chǎn)量比例逐年上升。當(dāng)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(fù)式空壓機相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、外形緊湊、質(zhì)量輕等優(yōu)點，因此在移動空壓機中更有優(yōu)勢。螺桿式空壓機廣泛應(yīng)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(fā)展，其使用范圍也在不斷擴大。當(dāng)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(zhuǎn)時隨排氣量的增大而增大，而且轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)統(tǒng)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(jù)壓縮空氣調(diào)節(jié)氣量，減少空壓機的運行負(fù)擔(dān)。變頻空壓機有無級調(diào)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(diào)節(jié)響應(yīng)。變頻啟動減緩對設(shè)備的沖擊，相應(yīng)地減少了維護和維修量，降低了運行成本。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)，延長了設(shè)備的使用壽命。通過變頻控制，電動機轉(zhuǎn)速減慢，整機溫度明顯降低，同時也降低了空壓機運行時產(chǎn)生的噪音，保護現(xiàn)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(jié)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(chǎn)量為 500萬 t/a的礦山，在副井井口附近設(shè)置空壓機站，副井井口標(biāo)高為20 m，壓氣管網(wǎng)全長為 2 450 m?？觾?nèi)耗氣設(shè)備統(tǒng)計如表 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生產(chǎn)能力下降的系數(shù)，可取 1.01；KT為氣動工具工作系數(shù)；Km為氣動工具磨損系數(shù)；ni為第i種氣動工具的工作臺數(shù)；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(shù)取 1。在新疆、西藏等海拔較高的地區(qū)，空氣密度變小，會直接導(dǎo)致空壓機實際生產(chǎn)能力變小，因此設(shè)計空壓機時須考慮相應(yīng)的修正系數(shù)，確定空壓機的實際生產(chǎn)能力[3]。高海拔地區(qū)選擇空壓機時，根據(jù)海拔高度計算修正系數(shù)和礦區(qū)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(tǒng)與礦體的賦存條件密切相關(guān)。壓氣設(shè)施在設(shè)計之初要考慮服務(wù)期內(nèi)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(shè)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(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無縫鋼管，長度按 950 m計算，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(chǎn)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(chǎn)要求。

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

4 空壓機站的配置

根據(jù) GB 50029—2014《壓縮空氣站設(shè)計規(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站應(yīng)建在地表，并能在 10 min內(nèi)啟動。空壓機站兼顧井下用氣設(shè)備的生產(chǎn)用氣和壓風(fēng)自救系統(tǒng)的氣源。

(1) 空壓機需滿足井下災(zāi)變時的用氣，根據(jù)最大班井下生產(chǎn)人員數(shù)量計算所需用氣量，確定災(zāi)變時使用空壓機的臺數(shù)。用于壓風(fēng)自救系統(tǒng)的空壓機作為一級負(fù)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(yīng)符合國家現(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，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(jié)構(gòu)設(shè)計越來越輕量化、易于維修化，售后服務(wù)便捷化，空壓機站內(nèi)無需單獨設(shè)置起吊梁、起重機等設(shè)施。更多的礦山企業(yè)通過拆卸空壓機外殼實現(xiàn)維修和保養(yǎng)，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(qū)，空壓機站需要設(shè)置采暖。風(fēng)冷螺桿空壓機組的空氣冷卻排風(fēng)宜排至室外。

(5) 針對空壓機余熱散失浪費的現(xiàn)狀，部分廠家推出了利用循環(huán)管道的冷水與空壓機產(chǎn)生的熱量進行熱交換，既省去了礦山企業(yè)制造熱水所需能源消耗，又改善了空壓機的高溫運行狀態(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壓縮之后產(chǎn)生的廢油水、乳化液和整個空壓系統(tǒng)產(chǎn)生的廢油水分層收集處理，達到環(huán)保排放要求。

5 結(jié)語

綜上所述，在礦山設(shè)計中需仔細(xì)研究空壓機站所處地理位置氣候特點、生產(chǎn)用氣要求、壓風(fēng)自救系統(tǒng)氣源等實際情況，計算選擇合適的壓氣設(shè)施，以保障空壓機站滿足礦山生產(chǎn)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(tǒng)的經(jīng)濟運行要求。在空壓機站設(shè)計中，通過采用各種合理措施對系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，能較好地實現(xiàn)節(jié)能降耗以及資源的合理化利用，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟和社會效益。