地下矿山压气设施设计应注意的几点问题

魏国昌，王丽萍，张晓波，吴 波

中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司河北秦皇岛 066004

在 金属非金属矿山地下开采中，虽然液压设备使用越来越广，但气动设备仍是矿山生产的主要设备，如凿岩机、台车、风镐、天井钻机、气动闸门、气动碎石机等[1]。压缩空气作为动力源有以下性能特点：具有良好的可压缩性和弹性，适宜作功传递中的介质；输送方便，不凝结；对人无害，没有起火危险；资源丰富。稳定工作面的用气压力、保障供气量是提高效率的先决条件。每个矿山都是独一无二的，但是压气设施的设计还是有规律可循的。在遵循GB 50029—2014《压缩空气站设计规范》的基础上，从选型、布置、配置等方面进行研究，以达到资源合理利用、系统经济运行的目的。

1 空压机的选型

常用的空压机主要分为两大类：容积型和速度型(离心式)，容积型空压机分为往复式和回转式。我国金属非金属矿山常用的空压机以往复式为主，其次为回转式 (主要是螺杆式)。往复式空压机的产量占总产量的 70% 以上，但该类机组质量偏重、尺寸偏大，维护较复杂，发展速度已落后于离心式和螺杆式空压机。

离心式空压机具有气体不受润滑油脂污染、能长期连续运转、质量轻巧、运行平稳等优点，大容量的离心式空压机在煤炭、冶金、化工等矿山开采和物料运输中应用广泛，在世界各主要工业国家的离心式空压机的产量比例逐年上升。当排气压力为 0.7 MPa时，比功率在高效时可达 4.8 kW/(m3·min-1)，单机排量在 60 m3/min以上时，建议选择离心式空压机。

螺杆式空压机与往复式空压机相比，具有结构简单、外形紧凑、质量轻等优点，因此在移动空压机中更有优势。螺杆式空压机广泛应用于矿山开采。近年来螺杆式空压机的排气量不断向大、小两个方向发展，其使用范围也在不断扩大。当螺杆式空压机的排气压力为 0.7～ 0.8 MPa时，其比功率为 4.85～ 5.8 kW/(m3·min-1)。噪声在运转时随排气量的增大而增大，而且转子对材料要求较高，加工难度较大。就目前来看，小容量空压机以螺杆式空压机为主，大容量空压机则以活塞式和离心式为主。数据统计表明：美国、日本等国家在选择 40 m3/min以下空压机时，螺杆式空压机占 70%～ 80%[2]。

目前变频螺杆式空压机也得到推广。变频空压机可根据压缩空气调节气量，减少空压机的运行负担。变频空压机有无级调速的特点，启动平缓，对于一些用气起伏大的场合，可以迅速调节响应。变频启动减缓对设备的冲击，相应地减少了维护和维修量，降低了运行成本。变频控制系统具有精确的压力控制能力，使系统压力保持在稳定的范围内，延长了设备的使用寿命。通过变频控制，电动机转速减慢，整机温度明显降低，同时也降低了空压机运行时产生的噪音，保护现场操作人员的身心健康。

鉴于变频螺杆式空压机比工频机的价格高出许多，建议金属非金属矿山的空压机站采用工频机与变频机相结合的方式。

2 空压机站供气量的计算

以某大型地下铁矿为例，产量为 500万 t/a的矿山，在副井井口附近设置空压机站，副井井口标高为20 m，压气管网全长为 2 450 m。坑内耗气设备统计如表 1所列。

表1 坑内用气设备

矿区最大耗气量

式中：KG为高原修正系数；KL为管网漏气系数；KX为考虑吸气管、过滤器、消声器等阻力引起的压缩机生产能力下降的系数，可取 1.01；KT为气动工具工作系数；Km为气动工具磨损系数；ni为第i种气动工具的工作台数；qi为第i种气动工具的耗气量，m3/min。

该空压机站海拔高度为 20 m，上式中高原修正系数取 1。在新疆、西藏等海拔较高的地区，空气密度变小，会直接导致空压机实际生产能力变小，因此设计空压机时须考虑相应的修正系数，确定空压机的实际生产能力[3]。高海拔地区选择空压机时，根据海拔高度计算修正系数和矿区最大耗气量，同时建议采用高原电动机。

3 压力损失的计算

金属非金属地下矿山的开拓系统与矿体的赋存条件密切相关。压气设施在设计之初要考虑服务期内供给输送距离最远、用气量最多的工作面用气需要，同时要求设备的投资和运营费用最低。在矿体走向较长、埋藏较深的情况下，计算压气管道中的压力损失，避免用气设备因压力损失过大而降低效率。

该矿山地表建设集中空压机站，副井井口标高为20 m，井下服务水平为 -670、-750、-850、-895、-930 m。竖井压气主管路采用 1条φ219 mm×7 mm无缝钢管，长度按 950 m计算，管内空气流量按 91.8 m3/min考虑，该管段压力损失值为 0.014 MPa。

最低水平巷道压气管路长度为 1 500 m，管路空气流量按 57 m3/min考虑，该管段压力损失：

(1) 若选用 1条φ159 mm×4.5 mm无缝钢管，巷道压力损失为 0.044 MPa，管道总压力损失为 0.058 ＜0.1 MPa，管路压力损失满足生产要求；

(2) 若选用 1条φ133 mm×4.5 mm无缝钢管，巷道压力损失为 0.11 MPa，管道总压力损失为 0.124 ＞0.1 MPa，管路压力损失无法满足生产要求。

在满足生产使用压力的前提下，可通过计算选择合适的管道，有效地节约管道材料和安装维护费用，节省投资和运营成本。

4 空压机站的配置

根据 GB 50029—2014《压缩空气站设计规范》、AQ 2034—2011《金属非金属地下矿山压风自救系统建设规范》 等规范的要求，金属非金属地下矿山的空压机站应建在地表，并能在 10 min内启动。空压机站兼顾井下用气设备的生产用气和压风自救系统的气源。

(1) 空压机需满足井下灾变时的用气，根据最大班井下生产人员数量计算所需用气量，确定灾变时使用空压机的台数。用于压风自救系统的空压机作为一级负荷，需要配置两路电源。

(2) 空压机站的储气罐必须装安全阀。安全阀的选择应符合国家现行的《压力容器安全技术监察规程》的有关规定。同时，在储气罐出气管路正对气流方向须安装释压阀，释放压力为空压机最大工作压力的 1.2～ 1.4倍。

(3) 随着空压机结构设计越来越轻量化、易于维修化，售后服务便捷化，空压机站内无需单独设置起吊梁、起重机等设施。更多的矿山企业通过拆卸空压机外壳实现维修和保养，或者使用小型的叉车进行移动。

(4) 空压机站机器间的采暖温度不得低于 15 ℃，非工作时间机器间的温度不得低于 5 ℃。因此在温度低于 5 ℃ 的地区，空压机站需要设置采暖。风冷螺杆空压机组的空气冷却排风宜排至室外。

(5) 针对空压机余热散失浪费的现状，部分厂家推出了利用循环管道的冷水与空压机产生的热量进行热交换，既省去了矿山企业制造热水所需能源消耗，又改善了空压机的高温运行状态，节能又环保[4]。

(6) 为保障用气质量，喷油螺杆空压机应设置油水分离器，井下巷道也应在合适的位置设油水分离器。空压机压缩之后产生的废油水、乳化液和整个空压系统产生的废油水分层收集处理，达到环保排放要求。

5 结语

综上所述，在矿山设计中需仔细研究空压机站所处地理位置气候特点、生产用气要求、压风自救系统气源等实际情况，计算选择合适的压气设施，以保障空压机站满足矿山生产要求。通过对耗气量、压力损失等的计算选取合适的空压机，同时选用合适的变频空压机、余热回收装置、油水分离器等达到供气系统的经济运行要求。在空压机站设计中，通过采用各种合理措施对系统进行优化设计，能较好地实现节能降耗以及资源的合理化利用，产生良好的经济和社会效益。