王 博

（陕西彬长小庄矿业有限公司， 陕西 咸阳 713500）

引言

井工矿井遇到突发矿难时，压风自救系统是维持井下人员呼吸的必备安全设施[1]。空压机作为压风自救系统的主要设施，同时为井下风动设备提供动力。因此空压机的合理选型对矿井安全生产意义重大[2]。小庄煤矿为建设井下压风自救系统，同时为风动设备提供动力，现需选型空压机及适配压风管道。为保障矿井压风自救系统和风动设备可靠运行，以小庄煤矿压风系统为研究背景，对空压机选型方法展开研究。

1 工程背景

小庄煤矿位于彬长矿区中部，生产规模为6.0 Mt/年。井下压风主管路设计全长5.5 km，支管最大长度3 km。所有压风管路均设置供气阀门，其中中央胶带大巷和各采掘工作面顺槽内每隔50 m 设置一个，其他大巷内每隔100 m 设置一个。矿井井下需要用风设备主要有风动钻机、风泵和风镐等，单班入井人数约为180 人。

为满足井下风动设备和压风自救系统用风需求，现亟需对空压机及适配管道设计选型。

2 矿井压风设备选型依据

2.1 空气压缩机必需排气量

根据煤矿井下安全避险有关规定：煤矿井下压缩空气的供给量，单人不得小于0.1 m3/min。按单班最多工作人员计算空气压缩机所需排气量如式（1）：

式中：Q1为人员总耗风量，m3/min；np为单班最多人数；qp为单人需风量，m3/min；r 为安全系数。

根据最大作业班人员需风量计算，目前单班下井最多人数为180 人。考虑到实际下井人员可能包含参观人员、检查人员等，安全系数r 取值1.5[3]。由式（1）计算得出，根据人员确定的需风量为27.0 m3/min。根据井下生产需要，需使用风动工具型号、台数及压气消耗量见表1。

表1 井下所需使用风动工具表

如表1 所示，井下风动工具同时工作时的耗风量为47.6 m3/min。按风动工具耗气量计算空气压缩机所需的排气量公式如式（2）：

式中：Q2为设备总耗风量，m3/min；α 为管路漏网系数，取1.15；β 为机械磨损耗风量增加系数，取1.1；γ为高原修正系数，取1.04；ni为该风动工具数量；ki为该风动工具的同时工作系数；qi为该风动工具的额定耗风量。

基于表1 中数据，通过式（2）中计算得出，井下风动工具需风量为47.6 m3/min。矿井需风量按照风动设备和人员用风量之和进行计算，得到所需排气量取最大需风量Q 为74.6 m3/min。考虑矿井未来随产量提升，风动工具用量和人员数量可能增加，取富余系数为2.5，得到空压机最低应提供风量为186.5 m3/min。

2.2 空气压缩机必需排气压力

《煤炭工业矿井设计规范》（GB 50215—2005）[4]中规定用气地点压力应高于风动工具的最大额定工作压力0.1MPa。因此选型空气压缩机所必需排气压力P 可按式（3）计算。

式中：λ 为单位长度压力损失，26 Pa/m；L 为管路全长，5 500 m+3 000 m=8 500 m。

(三)对外投资是全额拨款事业单位进行资产资产升值的重要手段，为了提高资金的使用效率，采用对外投资是值得鼓励的方法。但是，在对外投资的过程中，很多事业单位的国有资产并没有达到升值和提高资金使用效率的目标，而是暴露出很多问题。比如：资金投资回报率比较低、投资项目之前并没有进行系统的评估和商议，也没有系统的书面和会议记录，最后资产投资情况没有人进行跟踪和负责，资产出现了亏损。国有资产的投资效率比较低，资金流失率比较大，得不偿失。

由式（3）（4）计算得出，矿井选用空气压缩机所必需排气压力P 为0.62 MPa。

2.3 空气压缩机选型

常见空压机主要有活塞式、离心式和螺杆式三类，对比分析三种空压机的优缺点见表2。

表2 不同类型空压机优缺点对比

综合考虑表2 中不同类型空压机的适用范围及优缺点，因矿井排气压力属低压，考虑减少机器维修，选用螺杆式空压机。根据上述计算需风量和排气风压计算，确定选用LG-65/8G 型风冷螺杆式空气压缩机。该型号空气压缩机出口压力为0.8 MPa，额定排气量为75 m3/min。保持运行状态为三开一备用，排气量可达195 m3/min，排气压力为0.8 MPa，可以满足井下人员、设备风量需求。

该型号空压机具有外形尺寸小、安装简单、维护方便等优点，其主要结构如图1 所示。工作流程主要为：空压机通过空气滤器吸收空气进入压缩主机；阴阳转子合运动改变压缩主机内体积，腔内喷油，产生受热后的油气混合物；油气混合物在油气分离罐中分离；压缩空气进入冷却器冷却后排出。

图1 风冷螺杆式空气压缩机结构图

2.4 压风管路选型

压风管路设计时，应当考虑在输送距离最远、需风量最大的状态下满足风压和风量需求。压风管径D 可根据流体力学中的压力损失进行计算[3]，见公式（5）。

式中：G 为管内空气流量，N/h；R 为通用气体常数，取287 J/（kg·K）；T 为管内绝对温度，取346 K；β 为摩擦因数，取2.86/G0.148；L 为管长，取8 500 m；Δp 为管内压力损失，取105Pa；p 为管内平均绝对压力，取8.5×105Pa。

将式（5）简化得出压风管径计算式：

式中：Q 为主管路最大通风量，取186.5 m3/min；η 为局部损失折算系数，取1.2，L=8 500 m。

压风管道压力损失通过下式得出：

式中：PH为压缩机额定排气压力，MPa。

LG-65/8G 型压缩机额定排气压力为0.8 MPa，即0.8-0.125＞0.62+0.05，校验符合要求。

3 工程应用

根据空压机及配套管路选型结果，小庄矿配备4 台LG-65/8G 型风冷螺杆式空压机，3 台工作，1 台备用。单台空压机排气量65m3/min，额定排气压力0.8 MPa，可以满足井下风动设备和压风自救系统需风量。

压风管路自进风立井井筒入井，主管路沿中央胶带大巷铺设Ф325 mm 无缝钢管，中央进风大巷、中央辅助运输大巷、中央1 号回风大巷和中央2 号回风大巷内铺设Ф108 mm 无缝钢管，各掘进工作面巷道、采煤工作面运输巷、回风巷和敷设Ф108 mm焊管。井下主管路全长5 000 m，支管最大长度3 000 m。压风管理选型和风力损失符合煤矿安全相关规定，保证了矿井压风系统安全可靠运行。

4 结论

1）小庄煤矿设计压风自救系统和风动设备数量的总需风量为74.6 m3/min。

2）通过核算矿井所需排气量和排气压力，确定压风系统选用LG-65/8G 型风冷螺杆式空气压缩机，配合主管径Φ325 mm、支管径Φ108 mm。

3）现场应用压风系统可以满足井下人员和风动设备需求，压风管路选型结果经校验符合要求，可以有效保障压风系统安全可靠。