HDPE双壁波纹管在铜镍矿巷道通风应用

2019-08-28王红列雒焕祯谢世棋刘福堂

中国矿山工程 2019年4期

仲伟, 王红列, 雒焕祯, 谢世棋, 刘福堂, 罗鸣

(金川集团股份公司，甘肃金昌 737100)

1 前言

HDPE双壁波纹管(如图1所示)主要应用于城市市政工程、住宅小区地下埋设排水排污，高速公路预埋管道，农田水利灌溉输水、排涝，化工用于流体的输送等。双壁波纹管材是以高密度聚乙烯为原料的一种新型轻质管材，具有重量轻、耐高压、韧性好、施工快寿命长等特点，其优异的管壁结构设计，与其他结构的管材相比，成本大大降低，而且由于连接方便、可靠，在国外得到广泛应用。

图1 HDPE双壁波纹管

某铜镍矿山公司将HDPE双壁波纹管应用在井下通风管路中，经过一段时间的试用，取得了良好的效果。该矿山公司多年来井下通风管道一直使用布制软风筒(如图2所示)，布制软风筒自身漏风率较高，常常由于管道的漏风，到达作业工作面的风量不足，直接影响井下现场掘进施工生产。同时，布制软风筒容易破损，也使得到达工作面的风量不足。

2 HDPE双壁波纹管性能特点

HDPE双壁波纹管本身材料为高密度聚乙烯，其化学性能稳定可靠，不易老化、氧化，不易开裂，适应多种复杂的地质环境。由其为原材料生产出来的HDPE双壁波纹管属于柔性管，其主要性能有以下几个方面。

图2 布制软风管

(1)超强的抗外压负荷能力：外壁呈环形波纹状结构(如图3所示)，同时还具有平滑内壁，外壁的波纹状结构具有很强的抗压强度和较大的弹性。内壁为平滑结构，提高了自身的刚度和韧性。具备内外壁成为双层管材结构，该结构大大增强了管材的抗压强度和自身的刚度，管道对负荷的抵抗力远高于其他管材[1-3]。

图3 外壁环形波纹状结构

(2)使用成本低：若在城市建设铺设地下管道，HDPE双壁波纹管比同材质规格的实壁管，能节约一半左右的原材料，因此HDPE双壁波纹管使用成本也较低。在井下通风管道中使用，由于HDPE双壁波纹管比布质软风筒使用寿命高，不易漏风，维护及检修简单，总体使用成本远低于布质软风筒。

(3)施工简单：HDPE双壁波纹管自身重量轻，倒运和联接简单(如图4所示)，现场施工快捷，同时维护工作简单。在井下条件差的情况下，既能保证施工质量，又能带来许多方便。

图4 联接结构图

(4)摩擦阻力小，保证可靠流量：由于采用的是摩阻系数小的高密度聚乙烯材料，且内壁为平滑表面，因此HDPE双壁波纹管比其他相同口径的管材通过的流量更大，能可靠保证介质的流量。

(5)耐低温性能强：由于HDPE双壁波纹管的脆化温度是-70℃，因此在一般低温条件下(-30℃以上)，不需特殊保温措施，对北方冬季带来许多便利条件。

(6)超强的化学稳定性：因为构成HDPE双壁波纹管的高密度聚乙烯分子是无极性的，所以HDPE双壁波纹管的化学稳定性超强。现场地质环境的土质因素、酸碱因素及温度因素都不影响管道化学稳定性，即使长时间、密闭和复杂潮湿条件下，仍然不结垢，不滋生细菌，管道内部介质流通面积不会减少，仍然可靠保证管道介质流量。目前，大多数化学介质对其不起化学作用。

(7)使用寿命长：HDPE的双壁波纹管的使用年限可达50年以上，在井下使用还会更长。

(8)耐磨性能优异：试验证明，HDPE的耐磨性甚至比钢管还要高几倍。

(9)微量的挠曲度：HDPE双壁波纹管轴向允许略微的挠曲，可以直接使用在略微不直的管沟内，特别是在井下，井下巷道由于受施工条件及地理、地质条件的影响，巷道不可能是非常的平直，但由于允许略微的挠曲，就给井下HDPE双壁波纹管带来方便，并可保证在后期的使用中稳定可靠。

3 井下HDPE双壁波纹管通风应用

该铜镍矿山井下通风一直使用的矿用FDB系列轴流风机(如图5所示)，为矿用防爆压入式对旋轴流局部通风机，该机具有性能安全可靠、维护成本低、使用寿命长、叶片叶型设计先进、噪音低、效率高、能耗低运转性能稳定等特点。该风机的气动性能满足矿井掘进面局部定量通风的要求，在接上风筒后与管网系统配合损失小，送风距离长。为减轻重量及负荷，该风机叶片使用非金属合成塑料材质。

图5 矿用FDB系列轴流风机

为保证风机与HDPE双壁波纹管联接可靠，在风机出风口端重新制作了风机与风筒的连接头(如图6所示)，并用抱箍将HDPE双壁波纹管与风机出风口紧固联接，以保证联接的可靠，在孔壁连接处装有专用橡胶密封圈。HDPE双壁波纹管之间为嵌套式直接联接，在孔壁连接处装也装有专用橡胶密封圈。在巷道转弯处采用原软风筒便于风筒转弯，软风筒用铁丝捆扎固定在HDPE双壁波纹管上，以保证联接紧固和密封。

图6 风机与风筒连接

4 HDPE双壁波纹管连接头改造

原矿用FDB系列轴流风机出风口结构便于安装软风筒(如图7所示)，其结构是一端用法兰与风机连接，另一端是向外卷边式接口，便于布制软风筒的套装及紧固，但此结构使得该出风口无法安装HDPE双壁波纹管。因此，制作了新的出风口更换掉原矿用FDB系列轴流风机出风口(如图8所示)。

图7 软风筒

图8 FDB轴流风机新出风口

新出风口一端仍采用原法兰联接结构，联接尺寸不变，保证与风机出口端联接。另一端采用一段直管结构便于安装HDPE双壁波纹管，HDPE双壁波纹管的大端套装此处，并用抱箍卡紧联接。两半抱箍用螺栓锁紧，结构简单，拆装方便。此处HDPE双壁波纹管的大端内孔与连接头外圆表面之间装有专用橡胶密封圈，保证密封可靠。

为保证此风机出口连接头扩口段与直段联接严实及使用时不漏风，制作时采用冲压一次成型的方法，因为焊接制作必须用连续焊保证严实，但焊后变形严重，且变形或受力后极易从焊缝处开裂，由此造成漏风。原风机所带的出风口的卷边也是一次冲压成型制作，能保证联接安装的强度及密封性。

抱箍的安装位置接近内部的橡胶密封圈，装1个橡胶密封圈的，抱箍位置在HDPE双壁波纹管端口与橡胶密封圈之间并靠近橡胶密封圈；装2个橡胶密封圈的，抱箍位置在两个橡胶密封圈之间。若抱箍直接装在橡胶密封圈的位置外端，则会导致橡胶密封圈在圆周上受力不均，会导致接口处漏风。

5 HDPE双壁波纹管之间联接

HDPE双壁波纹管之间采用嵌套式联接，具体形式如图9所示，在管壁之间安装相应的专用橡胶密封圈，该联接结构紧固可靠，且无漏风，同时也适应送风管道自身所具有的频繁微振的工矿条件。

图9 嵌套式联接

6 巷道转弯处软风筒联接

HDPE双壁波纹管由于自身内部结构，其仍属于硬质波纹管类，故其在实用中只能安装在较为平直的巷道中，在弯道处该矿山公司仍使用布制软风筒，以适应弯道处的转弯巷道。

为保证HDPE双壁波纹管与布制软风筒可靠联接，在布制软风筒与HDPE双壁波纹管扩口端制作了连接头(如图10所示)，在布制软风筒与HDPE双壁波纹管收口端是直接嵌套联接。

图10 波纹管与风筒接头

布制软风筒与连接头大端联接，用两道铁丝紧固，为避免布制软风筒与固定铁丝在连接头上受力滑脱，在制作连接头时在其外圆圆周上焊接有防止滑脱的钢筋条。此处需用塑料布沿圆周严密包裹，防止漏风。

连接头的另一端直接与HDPE双壁波纹管扩口端嵌套联接，内部管壁之间安装有专用的橡胶密封圈，外部用抱箍紧固。

布制软风筒与HDPE双壁波纹管收口端是直接嵌套联接，内部管壁之间安装有专用的橡胶密封圈，外部用两道铁丝紧固。此处也需用塑料布沿圆周严密包裹，防止漏风。

由于布制软风筒能在各种方向上弯曲，无论井下巷道是水平弯曲还是深度上弯曲，或是水平和深度弯曲同时在巷道转弯处，布制软风筒都能联接使用。

7 工艺风量分析

该铜镍矿山使用矿用FDB系列隔爆型压入式对旋轴流风机，以给井下掘进作业工作面提供新鲜空气为主，供风系统须保证供风系统出口供风量。

掘进工作面污浊空气的成分主要是爆破后的炮烟及各种作业工序所产生的粉尘，故局部通风所需风量是以排出炮烟和粉尘作为计算依据。

按排出炮烟计算风量为

式中：Q——压入式通风风量，m3/s；

t——通风时间， s；

A——一次爆破炸药消耗量，A=97kg；

L0——独头巷道长度，L0=100m(最长距离计算)；

S——巷道断面面积，S=19.317m2(巷道断面面积)。

HDPE双壁波纹管为刚性风筒，在风筒的安装过程中，刚性风筒出口风速较高，但柔性风筒出口的风速极低，远不能达到通风的需要，因此对巷道内风速及风量进行了测定，测定中将刚、柔风筒进行了风速、风量的测定，来考察刚性风筒及柔性风筒的通风效果。

测试结果显示：刚性风筒出口风速高达8.62m/s,风筒出口的测试风量为5.37m3/s以上，射流效果好，漏风系数低，送风效果好。柔性风筒出口风速仅为3.23m/s, 风筒出口的测试风量仅为2.73m3/s左右，射流效果弱，漏风系数高，送风效果相对差，且刚性风筒口15m处平均风速为1m/s，风筒口20m处风速为0.8 m/s，这样完全符合掘进风速要求，能够正常组织生产。

综上，HDPE双壁波纹管刚性风筒在实测中达到理论掘进用风要求，并优于布制柔性风筒，在井下掘进处使用刚性风筒来进行送风合理可靠。

8 经济概算

HDPE双壁波纹管每米约300元，按每年600m巷道约18万元，施工安装费用约3万元，合计为23万元；布制柔性风筒每米约15元，按每年600m巷道约0.9万元，，施工安装费用约5万元，合计为6万元；刚性风筒投入成本远高于柔性风筒，约为其3倍多。

但从使用寿命来看，刚性风筒一次安装后可稳定可靠使用5年以上，而柔性风筒在安装后使用1月即有破损，导致其后每月都必须风机停机更换破损风筒，直接影响井下掘进生产，一年下来仅更换柔性风筒投入的费用近5万元，按5年使用周期来算，柔性风筒发生的费用又高于刚性风筒，并且柔性风筒使用周期短，相比之下，柔性风筒对生产的影响较为严重。

综合考虑，刚性风筒在经济上还是优于柔性风筒的，虽然其前期成本及施工投入较大，但其后期使用稳定可靠，使用寿命长，综合经济成本还是比较低的。