HDPE雙壁波紋管在銅鎳礦巷道通風(fēng)應(yīng)用

仲 偉, 王紅列, 雒煥禎, 謝世棋, 劉福堂, 羅 鳴

(金川集團(tuán)股份公司， 甘肅 金昌 737100)

1 前言

HDPE雙壁波紋管(如圖1所示)主要應(yīng)用于城市市政工程、住宅小區(qū)地下埋設(shè)排水排污，高速公路預(yù)埋管道，農(nóng)田水利灌溉輸水、排澇，化工用于流體的輸送等。雙壁波紋管材是以高密度聚乙烯為原料的一種新型輕質(zhì)管材，具有重量輕、耐高壓、韌性好、施工快壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，其優(yōu)異的管壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，與其他結(jié)構(gòu)的管材相比，成本大大降低，而且由于連接方便、可靠，在國(guó)外得到廣泛應(yīng)用。

圖1 HDPE雙壁波紋管

某銅鎳礦山公司將HDPE雙壁波紋管應(yīng)用在井下通風(fēng)管路中，經(jīng)過一段時(shí)間的試用，取得了良好的效果。該礦山公司多年來井下通風(fēng)管道一直使用布制軟風(fēng)筒(如圖2所示)，布制軟風(fēng)筒自身漏風(fēng)率較高，常常由于管道的漏風(fēng)，到達(dá)作業(yè)工作面的風(fēng)量不足，直接影響井下現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)施工生產(chǎn)。同時(shí)，布制軟風(fēng)筒容易破損，也使得到達(dá)工作面的風(fēng)量不足。

2 HDPE雙壁波紋管性能特點(diǎn)

HDPE雙壁波紋管本身材料為高密度聚乙烯，其化學(xué)性能穩(wěn)定可靠，不易老化、氧化，不易開裂，適應(yīng)多種復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境。由其為原材料生產(chǎn)出來的HDPE雙壁波紋管屬于柔性管，其主要性能有以下幾個(gè)方面。

圖2 布制軟風(fēng)管

(1)超強(qiáng)的抗外壓負(fù)荷能力：外壁呈環(huán)形波紋狀結(jié)構(gòu)(如圖3所示)，同時(shí)還具有平滑內(nèi)壁，外壁的波紋狀結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度和較大的彈性。內(nèi)壁為平滑結(jié)構(gòu)，提高了自身的剛度和韌性。具備內(nèi)外壁成為雙層管材結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)大大增強(qiáng)了管材的抗壓強(qiáng)度和自身的剛度，管道對(duì)負(fù)荷的抵抗力遠(yuǎn)高于其他管材[1-3]。

圖3 外壁環(huán)形波紋狀結(jié)構(gòu)

(2)使用成本低：若在城市建設(shè)鋪設(shè)地下管道，HDPE雙壁波紋管比同材質(zhì)規(guī)格的實(shí)壁管，能節(jié)約一半左右的原材料，因此HDPE雙壁波紋管使用成本也較低。在井下通風(fēng)管道中使用，由于HDPE雙壁波紋管比布質(zhì)軟風(fēng)筒使用壽命高，不易漏風(fēng)，維護(hù)及檢修簡(jiǎn)單，總體使用成本遠(yuǎn)低于布質(zhì)軟風(fēng)筒。

(3)施工簡(jiǎn)單：HDPE雙壁波紋管自身重量輕，倒運(yùn)和聯(lián)接簡(jiǎn)單(如圖4所示)，現(xiàn)場(chǎng)施工快捷，同時(shí)維護(hù)工作簡(jiǎn)單。在井下條件差的情況下，既能保證施工質(zhì)量，又能帶來許多方便。

圖4 聯(lián)接結(jié)構(gòu)圖

(4)摩擦阻力小，保證可靠流量：由于采用的是摩阻系數(shù)小的高密度聚乙烯材料，且內(nèi)壁為平滑表面，因此HDPE雙壁波紋管比其他相同口徑的管材通過的流量更大，能可靠保證介質(zhì)的流量。

(5)耐低溫性能強(qiáng)：由于HDPE雙壁波紋管的脆化溫度是-70℃，因此在一般低溫條件下(-30℃以上)，不需特殊保溫措施，對(duì)北方冬季帶來許多便利條件。

(6)超強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性：因?yàn)闃?gòu)成HDPE雙壁波紋管的高密度聚乙烯分子是無極性的，所以HDPE雙壁波紋管的化學(xué)穩(wěn)定性超強(qiáng)。現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)環(huán)境的土質(zhì)因素、酸堿因素及溫度因素都不影響管道化學(xué)穩(wěn)定性，即使長(zhǎng)時(shí)間、密閉和復(fù)雜潮濕條件下，仍然不結(jié)垢，不滋生細(xì)菌，管道內(nèi)部介質(zhì)流通面積不會(huì)減少，仍然可靠保證管道介質(zhì)流量。目前，大多數(shù)化學(xué)介質(zhì)對(duì)其不起化學(xué)作用。

(7)使用壽命長(zhǎng)：HDPE的雙壁波紋管的使用年限可達(dá)50年以上，在井下使用還會(huì)更長(zhǎng)。

(8)耐磨性能優(yōu)異：試驗(yàn)證明，HDPE的耐磨性甚至比鋼管還要高幾倍。

(9)微量的撓曲度：HDPE雙壁波紋管軸向允許略微的撓曲，可以直接使用在略微不直的管溝內(nèi)，特別是在井下，井下巷道由于受施工條件及地理、地質(zhì)條件的影響，巷道不可能是非常的平直，但由于允許略微的撓曲，就給井下HDPE雙壁波紋管帶來方便，并可保證在后期的使用中穩(wěn)定可靠。

3 井下HDPE雙壁波紋管通風(fēng)應(yīng)用

該銅鎳礦山井下通風(fēng)一直使用的礦用FDB系列軸流風(fēng)機(jī)(如圖5所示)，為礦用防爆壓入式對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)，該機(jī)具有性能安全可靠、維護(hù)成本低、使用壽命長(zhǎng)、葉片葉型設(shè)計(jì)先進(jìn)、噪音低、效率高、能耗低運(yùn)轉(zhuǎn)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。該風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能滿足礦井掘進(jìn)面局部定量通風(fēng)的要求，在接上風(fēng)筒后與管網(wǎng)系統(tǒng)配合損失小，送風(fēng)距離長(zhǎng)。為減輕重量及負(fù)荷，該風(fēng)機(jī)葉片使用非金屬合成塑料材質(zhì)。

圖5 礦用FDB系列軸流風(fēng)機(jī)

為保證風(fēng)機(jī)與HDPE雙壁波紋管聯(lián)接可靠，在風(fēng)機(jī)出風(fēng)口端重新制作了風(fēng)機(jī)與風(fēng)筒的連接頭(如圖6所示)，并用抱箍將HDPE雙壁波紋管與風(fēng)機(jī)出風(fēng)口緊固聯(lián)接，以保證聯(lián)接的可靠，在孔壁連接處裝有專用橡膠密封圈。HDPE雙壁波紋管之間為嵌套式直接聯(lián)接，在孔壁連接處裝也裝有專用橡膠密封圈。在巷道轉(zhuǎn)彎處采用原軟風(fēng)筒便于風(fēng)筒轉(zhuǎn)彎，軟風(fēng)筒用鐵絲捆扎固定在HDPE雙壁波紋管上，以保證聯(lián)接緊固和密封。

圖6 風(fēng)機(jī)與風(fēng)筒連接

4 HDPE雙壁波紋管連接頭改造

原礦用FDB系列軸流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口結(jié)構(gòu)便于安裝軟風(fēng)筒(如圖7所示)，其結(jié)構(gòu)是一端用法蘭與風(fēng)機(jī)連接，另一端是向外卷邊式接口，便于布制軟風(fēng)筒的套裝及緊固，但此結(jié)構(gòu)使得該出風(fēng)口無法安裝HDPE雙壁波紋管。因此，制作了新的出風(fēng)口更換掉原礦用FDB系列軸流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口(如圖8所示)。

圖7 軟風(fēng)筒

圖8 FDB軸流風(fēng)機(jī)新出風(fēng)口

新出風(fēng)口一端仍采用原法蘭聯(lián)接結(jié)構(gòu)，聯(lián)接尺寸不變，保證與風(fēng)機(jī)出口端聯(lián)接。另一端采用一段直管結(jié)構(gòu)便于安裝HDPE雙壁波紋管，HDPE雙壁波紋管的大端套裝此處，并用抱箍卡緊聯(lián)接。兩半抱箍用螺栓鎖緊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆裝方便。此處HDPE雙壁波紋管的大端內(nèi)孔與連接頭外圓表面之間裝有專用橡膠密封圈，保證密封可靠。

為保證此風(fēng)機(jī)出口連接頭擴(kuò)口段與直段聯(lián)接嚴(yán)實(shí)及使用時(shí)不漏風(fēng)，制作時(shí)采用沖壓一次成型的方法，因?yàn)楹附又谱鞅仨氂眠B續(xù)焊保證嚴(yán)實(shí)，但焊后變形嚴(yán)重，且變形或受力后極易從焊縫處開裂，由此造成漏風(fēng)。原風(fēng)機(jī)所帶的出風(fēng)口的卷邊也是一次沖壓成型制作，能保證聯(lián)接安裝的強(qiáng)度及密封性。

抱箍的安裝位置接近內(nèi)部的橡膠密封圈，裝1個(gè)橡膠密封圈的，抱箍位置在HDPE雙壁波紋管端口與橡膠密封圈之間并靠近橡膠密封圈；裝2個(gè)橡膠密封圈的，抱箍位置在兩個(gè)橡膠密封圈之間。若抱箍直接裝在橡膠密封圈的位置外端，則會(huì)導(dǎo)致橡膠密封圈在圓周上受力不均，會(huì)導(dǎo)致接口處漏風(fēng)。

5 HDPE雙壁波紋管之間聯(lián)接

HDPE雙壁波紋管之間采用嵌套式聯(lián)接，具體形式如圖9所示，在管壁之間安裝相應(yīng)的專用橡膠密封圈，該聯(lián)接結(jié)構(gòu)緊固可靠，且無漏風(fēng)，同時(shí)也適應(yīng)送風(fēng)管道自身所具有的頻繁微振的工礦條件。

圖9 嵌套式聯(lián)接

6 巷道轉(zhuǎn)彎處軟風(fēng)筒聯(lián)接

HDPE雙壁波紋管由于自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其仍屬于硬質(zhì)波紋管類，故其在實(shí)用中只能安裝在較為平直的巷道中，在彎道處該礦山公司仍使用布制軟風(fēng)筒，以適應(yīng)彎道處的轉(zhuǎn)彎巷道。

為保證HDPE雙壁波紋管與布制軟風(fēng)筒可靠聯(lián)接，在布制軟風(fēng)筒與HDPE雙壁波紋管擴(kuò)口端制作了連接頭(如圖10所示)，在布制軟風(fēng)筒與HDPE雙壁波紋管收口端是直接嵌套聯(lián)接。

圖10 波紋管與風(fēng)筒接頭

布制軟風(fēng)筒與連接頭大端聯(lián)接，用兩道鐵絲緊固，為避免布制軟風(fēng)筒與固定鐵絲在連接頭上受力滑脫，在制作連接頭時(shí)在其外圓圓周上焊接有防止滑脫的鋼筋條。此處需用塑料布沿圓周嚴(yán)密包裹，防止漏風(fēng)。

連接頭的另一端直接與HDPE雙壁波紋管擴(kuò)口端嵌套聯(lián)接，內(nèi)部管壁之間安裝有專用的橡膠密封圈，外部用抱箍緊固。

布制軟風(fēng)筒與HDPE雙壁波紋管收口端是直接嵌套聯(lián)接，內(nèi)部管壁之間安裝有專用的橡膠密封圈，外部用兩道鐵絲緊固。此處也需用塑料布沿圓周嚴(yán)密包裹，防止漏風(fēng)。

由于布制軟風(fēng)筒能在各種方向上彎曲，無論井下巷道是水平彎曲還是深度上彎曲，或是水平和深度彎曲同時(shí)在巷道轉(zhuǎn)彎處，布制軟風(fēng)筒都能聯(lián)接使用。

7 工藝風(fēng)量分析

該銅鎳礦山使用礦用FDB系列隔爆型壓入式對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)，以給井下掘進(jìn)作業(yè)工作面提供新鮮空氣為主，供風(fēng)系統(tǒng)須保證供風(fēng)系統(tǒng)出口供風(fēng)量。

掘進(jìn)工作面污濁空氣的成分主要是爆破后的炮煙及各種作業(yè)工序所產(chǎn)生的粉塵，故局部通風(fēng)所需風(fēng)量是以排出炮煙和粉塵作為計(jì)算依據(jù)。

按排出炮煙計(jì)算風(fēng)量為

式中：Q——壓入式通風(fēng)風(fēng)量，m3/s；

t——通風(fēng)時(shí)間， s；

A——一次爆破炸藥消耗量，A=97kg；

L0——獨(dú)頭巷道長(zhǎng)度，L0=100m(最長(zhǎng)距離計(jì)算)；

S——巷道斷面面積，S=19.317m2(巷道斷面面積)。

HDPE雙壁波紋管為剛性風(fēng)筒，在風(fēng)筒的安裝過程中，剛性風(fēng)筒出口風(fēng)速較高，但柔性風(fēng)筒出口的風(fēng)速極低，遠(yuǎn)不能達(dá)到通風(fēng)的需要，因此對(duì)巷道內(nèi)風(fēng)速及風(fēng)量進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)定中將剛、柔風(fēng)筒進(jìn)行了風(fēng)速、風(fēng)量的測(cè)定，來考察剛性風(fēng)筒及柔性風(fēng)筒的通風(fēng)效果。

測(cè)試結(jié)果顯示：剛性風(fēng)筒出口風(fēng)速高達(dá)8.62m/s,風(fēng)筒出口的測(cè)試風(fēng)量為5.37m3/s以上，射流效果好，漏風(fēng)系數(shù)低，送風(fēng)效果好。柔性風(fēng)筒出口風(fēng)速僅為3.23m/s, 風(fēng)筒出口的測(cè)試風(fēng)量?jī)H為2.73m3/s左右，射流效果弱，漏風(fēng)系數(shù)高，送風(fēng)效果相對(duì)差，且剛性風(fēng)筒口15m處平均風(fēng)速為1m/s，風(fēng)筒口20m處風(fēng)速為0.8 m/s，這樣完全符合掘進(jìn)風(fēng)速要求，能夠正常組織生產(chǎn)。

綜上，HDPE雙壁波紋管剛性風(fēng)筒在實(shí)測(cè)中達(dá)到理論掘進(jìn)用風(fēng)要求，并優(yōu)于布制柔性風(fēng)筒，在井下掘進(jìn)處使用剛性風(fēng)筒來進(jìn)行送風(fēng)合理可靠。

8 經(jīng)濟(jì)概算

HDPE雙壁波紋管每米約300元，按每年600m巷道約18萬(wàn)元，施工安裝費(fèi)用約3萬(wàn)元，合計(jì)為23萬(wàn)元；布制柔性風(fēng)筒每米約15元，按每年600m巷道約0.9萬(wàn)元，，施工安裝費(fèi)用約5萬(wàn)元，合計(jì)為6萬(wàn)元；剛性風(fēng)筒投入成本遠(yuǎn)高于柔性風(fēng)筒，約為其3倍多。

但從使用壽命來看，剛性風(fēng)筒一次安裝后可穩(wěn)定可靠使用5年以上，而柔性風(fēng)筒在安裝后使用1月即有破損，導(dǎo)致其后每月都必須風(fēng)機(jī)停機(jī)更換破損風(fēng)筒，直接影響井下掘進(jìn)生產(chǎn)，一年下來僅更換柔性風(fēng)筒投入的費(fèi)用近5萬(wàn)元，按5年使用周期來算，柔性風(fēng)筒發(fā)生的費(fèi)用又高于剛性風(fēng)筒，并且柔性風(fēng)筒使用周期短，相比之下，柔性風(fēng)筒對(duì)生產(chǎn)的影響較為嚴(yán)重。

綜合考慮，剛性風(fēng)筒在經(jīng)濟(jì)上還是優(yōu)于柔性風(fēng)筒的，雖然其前期成本及施工投入較大，但其后期使用穩(wěn)定可靠，使用壽命長(zhǎng)，綜合經(jīng)濟(jì)成本還是比較低的。

9 結(jié)論

通過該礦山公司井下在通風(fēng)系統(tǒng)試用HDPE雙壁波紋管近一年，使用良好，沒有出現(xiàn)破口漏風(fēng)，通風(fēng)順暢，風(fēng)量輸送正常，輸送時(shí)管道振動(dòng)和噪音都很小，證明HDPE雙壁波紋管應(yīng)用于井下巷道通風(fēng)管道是可行的。