風(fēng)冷螺桿式空壓機(jī)在礦井壓風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用研究

王 博

（陜西彬長(zhǎng)小莊礦業(yè)有限公司， 陜西 咸陽(yáng) 713500）

引言

井工礦井遇到突發(fā)礦難時(shí)，壓風(fēng)自救系統(tǒng)是維持井下人員呼吸的必備安全設(shè)施[1]。空壓機(jī)作為壓風(fēng)自救系統(tǒng)的主要設(shè)施，同時(shí)為井下風(fēng)動(dòng)設(shè)備提供動(dòng)力。因此空壓機(jī)的合理選型對(duì)礦井安全生產(chǎn)意義重大[2]。小莊煤礦為建設(shè)井下壓風(fēng)自救系統(tǒng)，同時(shí)為風(fēng)動(dòng)設(shè)備提供動(dòng)力，現(xiàn)需選型空壓機(jī)及適配壓風(fēng)管道。為保障礦井壓風(fēng)自救系統(tǒng)和風(fēng)動(dòng)設(shè)備可靠運(yùn)行，以小莊煤礦壓風(fēng)系統(tǒng)為研究背景，對(duì)空壓機(jī)選型方法展開(kāi)研究。

1 工程背景

小莊煤礦位于彬長(zhǎng)礦區(qū)中部，生產(chǎn)規(guī)模為6.0 Mt/年。井下壓風(fēng)主管路設(shè)計(jì)全長(zhǎng)5.5 km，支管最大長(zhǎng)度3 km。所有壓風(fēng)管路均設(shè)置供氣閥門，其中中央膠帶大巷和各采掘工作面順槽內(nèi)每隔50 m 設(shè)置一個(gè)，其他大巷內(nèi)每隔100 m 設(shè)置一個(gè)。礦井井下需要用風(fēng)設(shè)備主要有風(fēng)動(dòng)鉆機(jī)、風(fēng)泵和風(fēng)鎬等，單班入井人數(shù)約為180 人。

為滿足井下風(fēng)動(dòng)設(shè)備和壓風(fēng)自救系統(tǒng)用風(fēng)需求，現(xiàn)亟需對(duì)空壓機(jī)及適配管道設(shè)計(jì)選型。

2 礦井壓風(fēng)設(shè)備選型依據(jù)

2.1 空氣壓縮機(jī)必需排氣量

根據(jù)煤礦井下安全避險(xiǎn)有關(guān)規(guī)定：煤礦井下壓縮空氣的供給量，單人不得小于0.1 m3/min。按單班最多工作人員計(jì)算空氣壓縮機(jī)所需排氣量如式（1）：

式中：Q1為人員總耗風(fēng)量，m3/min；np為單班最多人數(shù)；qp為單人需風(fēng)量，m3/min；r 為安全系數(shù)。

根據(jù)最大作業(yè)班人員需風(fēng)量計(jì)算，目前單班下井最多人數(shù)為180 人。考慮到實(shí)際下井人員可能包含參觀人員、檢查人員等，安全系數(shù)r 取值1.5[3]。由式（1）計(jì)算得出，根據(jù)人員確定的需風(fēng)量為27.0 m3/min。根據(jù)井下生產(chǎn)需要，需使用風(fēng)動(dòng)工具型號(hào)、臺(tái)數(shù)及壓氣消耗量見(jiàn)表1。

表1 井下所需使用風(fēng)動(dòng)工具表

如表1 所示，井下風(fēng)動(dòng)工具同時(shí)工作時(shí)的耗風(fēng)量為47.6 m3/min。按風(fēng)動(dòng)工具耗氣量計(jì)算空氣壓縮機(jī)所需的排氣量公式如式（2）：

式中：Q2為設(shè)備總耗風(fēng)量，m3/min；α 為管路漏網(wǎng)系數(shù)，取1.15；β 為機(jī)械磨損耗風(fēng)量增加系數(shù)，取1.1；γ為高原修正系數(shù)，取1.04；ni為該風(fēng)動(dòng)工具數(shù)量；ki為該風(fēng)動(dòng)工具的同時(shí)工作系數(shù)；qi為該風(fēng)動(dòng)工具的額定耗風(fēng)量。

基于表1 中數(shù)據(jù)，通過(guò)式（2）中計(jì)算得出，井下風(fēng)動(dòng)工具需風(fēng)量為47.6 m3/min。礦井需風(fēng)量按照風(fēng)動(dòng)設(shè)備和人員用風(fēng)量之和進(jìn)行計(jì)算，得到所需排氣量取最大需風(fēng)量Q 為74.6 m3/min。考慮礦井未來(lái)隨產(chǎn)量提升，風(fēng)動(dòng)工具用量和人員數(shù)量可能增加，取富余系數(shù)為2.5，得到空壓機(jī)最低應(yīng)提供風(fēng)量為186.5 m3/min。

2.2 空氣壓縮機(jī)必需排氣壓力

《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50215—2005）[4]中規(guī)定用氣地點(diǎn)壓力應(yīng)高于風(fēng)動(dòng)工具的最大額定工作壓力0.1MPa。因此選型空氣壓縮機(jī)所必需排氣壓力P 可按式（3）計(jì)算。

式中：λ 為單位長(zhǎng)度壓力損失，26 Pa/m；L 為管路全長(zhǎng)，5 500 m+3 000 m=8 500 m。

(三)對(duì)外投資是全額撥款事業(yè)單位進(jìn)行資產(chǎn)資產(chǎn)升值的重要手段，為了提高資金的使用效率，采用對(duì)外投資是值得鼓勵(lì)的方法。但是，在對(duì)外投資的過(guò)程中，很多事業(yè)單位的國(guó)有資產(chǎn)并沒(méi)有達(dá)到升值和提高資金使用效率的目標(biāo)，而是暴露出很多問(wèn)題。比如：資金投資回報(bào)率比較低、投資項(xiàng)目之前并沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)的評(píng)估和商議，也沒(méi)有系統(tǒng)的書(shū)面和會(huì)議記錄，最后資產(chǎn)投資情況沒(méi)有人進(jìn)行跟蹤和負(fù)責(zé)，資產(chǎn)出現(xiàn)了虧損。國(guó)有資產(chǎn)的投資效率比較低，資金流失率比較大，得不償失。

由式（3）（4）計(jì)算得出，礦井選用空氣壓縮機(jī)所必需排氣壓力P 為0.62 MPa。

2.3 空氣壓縮機(jī)選型

常見(jiàn)空壓機(jī)主要有活塞式、離心式和螺桿式三類，對(duì)比分析三種空壓機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 不同類型空壓機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

綜合考慮表2 中不同類型空壓機(jī)的適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)，因礦井排氣壓力屬低壓，考慮減少機(jī)器維修，選用螺桿式空壓機(jī)。根據(jù)上述計(jì)算需風(fēng)量和排氣風(fēng)壓計(jì)算，確定選用LG-65/8G 型風(fēng)冷螺桿式空氣壓縮機(jī)。該型號(hào)空氣壓縮機(jī)出口壓力為0.8 MPa，額定排氣量為75 m3/min。保持運(yùn)行狀態(tài)為三開(kāi)一備用，排氣量可達(dá)195 m3/min，排氣壓力為0.8 MPa，可以滿足井下人員、設(shè)備風(fēng)量需求。

該型號(hào)空壓機(jī)具有外形尺寸小、安裝簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，其主要結(jié)構(gòu)如圖1 所示。工作流程主要為：空壓機(jī)通過(guò)空氣濾器吸收空氣進(jìn)入壓縮主機(jī)；陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子合運(yùn)動(dòng)改變壓縮主機(jī)內(nèi)體積，腔內(nèi)噴油，產(chǎn)生受熱后的油氣混合物；油氣混合物在油氣分離罐中分離；壓縮空氣進(jìn)入冷卻器冷卻后排出。

圖1 風(fēng)冷螺桿式空氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.4 壓風(fēng)管路選型

壓風(fēng)管路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮在輸送距離最遠(yuǎn)、需風(fēng)量最大的狀態(tài)下滿足風(fēng)壓和風(fēng)量需求。壓風(fēng)管徑D 可根據(jù)流體力學(xué)中的壓力損失進(jìn)行計(jì)算[3]，見(jiàn)公式（5）。

式中：G 為管內(nèi)空氣流量，N/h；R 為通用氣體常數(shù)，取287 J/（kg·K）；T 為管內(nèi)絕對(duì)溫度，取346 K；β 為摩擦因數(shù)，取2.86/G0.148；L 為管長(zhǎng)，取8 500 m；Δp 為管內(nèi)壓力損失，取105Pa；p 為管內(nèi)平均絕對(duì)壓力，取8.5×105Pa。

將式（5）簡(jiǎn)化得出壓風(fēng)管徑計(jì)算式：

式中：Q 為主管路最大通風(fēng)量，取186.5 m3/min；η 為局部損失折算系數(shù)，取1.2，L=8 500 m。

壓風(fēng)管道壓力損失通過(guò)下式得出：

式中：PH為壓縮機(jī)額定排氣壓力，MPa。

LG-65/8G 型壓縮機(jī)額定排氣壓力為0.8 MPa，即0.8-0.125＞0.62+0.05，校驗(yàn)符合要求。

3 工程應(yīng)用

根據(jù)空壓機(jī)及配套管路選型結(jié)果，小莊礦配備4 臺(tái)LG-65/8G 型風(fēng)冷螺桿式空壓機(jī)，3 臺(tái)工作，1 臺(tái)備用。單臺(tái)空壓機(jī)排氣量65m3/min，額定排氣壓力0.8 MPa，可以滿足井下風(fēng)動(dòng)設(shè)備和壓風(fēng)自救系統(tǒng)需風(fēng)量。

壓風(fēng)管路自進(jìn)風(fēng)立井井筒入井，主管路沿中央膠帶大巷鋪設(shè)Ф325 mm 無(wú)縫鋼管，中央進(jìn)風(fēng)大巷、中央輔助運(yùn)輸大巷、中央1 號(hào)回風(fēng)大巷和中央2 號(hào)回風(fēng)大巷內(nèi)鋪設(shè)Ф108 mm 無(wú)縫鋼管，各掘進(jìn)工作面巷道、采煤工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷和敷設(shè)Ф108 mm焊管。井下主管路全長(zhǎng)5 000 m，支管最大長(zhǎng)度3 000 m。壓風(fēng)管理選型和風(fēng)力損失符合煤礦安全相關(guān)規(guī)定，保證了礦井壓風(fēng)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

4 結(jié)論

1）小莊煤礦設(shè)計(jì)壓風(fēng)自救系統(tǒng)和風(fēng)動(dòng)設(shè)備數(shù)量的總需風(fēng)量為74.6 m3/min。

2）通過(guò)核算礦井所需排氣量和排氣壓力，確定壓風(fēng)系統(tǒng)選用LG-65/8G 型風(fēng)冷螺桿式空氣壓縮機(jī)，配合主管徑Φ325 mm、支管徑Φ108 mm。

3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用壓風(fēng)系統(tǒng)可以滿足井下人員和風(fēng)動(dòng)設(shè)備需求，壓風(fēng)管路選型結(jié)果經(jīng)校驗(yàn)符合要求，可以有效保障壓風(fēng)系統(tǒng)安全可靠。