集中供风式钻机系统在南泥湖钼矿中的应用

葛虎胜

（栾川龙宇钼业有 公司）

南泥湖钼矿区位于河南省栾川县境内，矿区面积为3.98 km²，主矿体东西长为2 600 m，南北宽度为1 000～1 400 m，最大矿体厚度为420.12 m。探明钼保有工业矿石量约为7亿t，地质品位为0.072%，钼金属量约为50万t，有用组分除辉钼矿外，还伴生有白钨矿，是以钼为主的钼、钨特大型矿床，是以生产钼矿为主的有色金属矿山企业，矿石普氏硬度系数f=12～16，矿岩密度2.73 t/m3，计划爆破穿孔量约为17万m/a，原使用采场移动式送电法，中风压潜孔钻机穿孔，该穿孔效率低、成本高、安全风险大［1］。为打造绿色矿山，提升企业形象，保证生产运行安全，经技术论证确定使用一种穿孔工艺先进，符合国家节能环保要求的集中供风式钻机系统，达到降本增效节能环保的目的。

1 原中风压潜孔钻机使用状况分析

1.1 设备概况

原钻机系CS165E型一体式中风压潜孔钻机，于2010年11月投入运行，投用10 a来平均单台钻机已运行约1.3万h，穿孔进尺约为14.3万m。自2018年以来故障率明显升高、检修投入增大、运行成本增加、穿孔作业效率下降。钻机结构复杂且智能化技术水平较低，钻机运行检修、保养等所需部件通用性较差、替代困难，且购置费用较高。原设计与现新型钻机相比技术性能比较落后，普遍存在钻架及钻杆库基座变形、变位机构支座设计缺陷、液压系统压力不稳定且漏油频繁、动作不同步、电气装置及线路老化、驾驶室锈蚀严重、空压机主机轴承（进口轴承）磨损、机械密封老化、电机密封及部分管路老化等问题。在日常生产、安全运行上的可靠性较差。

1.2 运行分析

1.2.1 直接成本

经对原钻机在2018—2020年综合材料消耗、穿孔作业量进行统计核算，累计运行约为2.2万h，累计穿孔约为21.69万m，直接穿孔成本约为46.55元/m。具体明细见表1。

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1.2.2 其它成本

依据南泥湖露天矿山的实际情况，在满足生产需求的情况下，结合原中风压一体式潜孔钻机的性能特点，钻机穿孔作业共配备操作人员25人、维修电钳工12人、管理人员2名。按照该职业的实际工资水平，依据2018—2020年累计穿孔量进行核算，该钻机运行实际人工成本约为26.57元/m。另根据钻机的购置费用和该矿山机械的使用寿命，其设备折旧成本约为15.68元/m。具体明细见表2。

通过对2018—2020年钻机日常运行作业的作业量、材料消耗、能耗等数据进行汇总，结合人工成本、设备折旧等客观事实进行核算，CS165E型一体式中风压潜孔钻机运行成本约88.8元/m，较目前市场上在用的主流潜孔钻机的穿孔成本高出约50%。且该钻机结构复杂笨重，外观尺寸比较庞大，操作人员视野局限性较大，对穿孔场地要求较高，转场移设效率较低，人员需求较多。

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2 同规格全内燃式一体化钻机运行情况分析

以目前大型露天矿山使用较为广泛的阿特拉斯L8型一体式全内燃式潜孔钻机为例。从该品牌钻机使用单位了解，该钻机在购置使用约4 a时间内，累计穿孔进尺约29万m，累计运行约为1.8万h，穿孔效率约为16.1 m/h。

该钻机技术性能比较稳定，外观尺寸相对较小，未携带10 kV高压变配电系统，移设比较灵活，操作系统设计更优化合理［2］，操作人员视野比较开阔等因素，该钻机在大大缩减了人员需求，其检修投入也相应大幅降低。经核算该钻机运行成本约为53.52元/m。

3 集中供风式钻机系统可行性研究

3.1 基本概况

集中供风式钻机系统通过建立集中供风站，利用无缝钢管在上部非开采台阶环绕采场设置主供风管道，结合采场推进情况，在主供风管道上预留向下部开采台阶供风的分支管路速接插口，利用高分子轻型柔性保压输气管向穿孔作业的钻机提供风压，以满足穿孔施工需求，该施工系统能耗主要是电力。

3.2 集中供风式钻机系统组成

集中供风式钻机系统主要由空压机站、箱式变电站、送风管路、潜孔钻机4个部分组成，并结合智能化远程操控技术，实现了空压机站的无人值守。该系统总体构成简单，拆装移设便捷，具有省时、高效、环保、节能的特点。

（1）空压机站。空压机站占地面积约为600 m2，地基采用C25商混浇筑，抗压强度为25 MPa，其特点在于耐久性，耐火性好，抗震性强，满足露天采场爆破抗震强度。空压机放置地面用绿色环保地坪漆进行处理，并做地面防潮处理。采用镀锌方钢结构建造树脂瓦雨棚，以满足空压机防雨需求。场地外场加装1.8 m高围栏，空压机放置范围加装1 m围栏。图1为空压机站平面布局。

（2）箱式变电站。变电站采用ZBW型预装式箱式变电站，是将高压开关设备、变压器和低压开关设备安装在3个不同的隔室内，通过电缆或母线按一定接线方案组合成一体。气候条件适应性较强，可满足高海拔地理区域的使用需求，气温适用范围在40～-20℃，适用额定电压为12 kV及以下，额定频率为50 Hz，完全满足工矿企业、大型工地等施工场所的环网供电或终端供电。

ZBW型预装式变电站由高压配电装置、变压器及低压配电装置联接而成，分成3个功能隔室，即高压室、变压室器和低压室，高、低压室功能齐全。高压侧一次供电系统可布置成环网供电、终端供电、双电源供电等多种供电方式，装设高压计量元件，满足高压计量的要求［3］。低压室有动力配电、照明配电、无功功率补偿、电能计量和电量测量等多种功能，满足其他低压用电设备的不同要求，并方便用户的供电管理和提高供电质量。采用自然通风和强迫通风2种方式、使通风冷却良好。变压器室和低压室均有通风道，排风扇有温控装置，按设定温度能自动启动和关闭，确保变压器带负荷运行时温升控制在标准范围内。

（3）送风管道。送风管道由主送风管道和分支送风管道2部分组成。主送风管道一般选用无缝钢管，管道主管径为160 mm，均为可移动拆卸式，配置有跨公路门架，长度随生产需要增加。主管道连接可采用焊接，安装和拆卸方便，可将几根无缝钢管先焊接，然后用法兰连接，后经刷漆处理，耐腐蚀性强。

分支管道采用高分子轻型柔性保压输气管，可耐高温+80℃，低温-40℃，伸长率小于万分之一，耐油、耐酸腐蚀，单管长度达100 m，质量为传统材料（钢管、胶管）管道的十分之一，直径为65 mm，单位质量仅0.55 kg/m，可承受1.3～3.0 MPa的工作压力，爆破承载力可达到6.1 MPa。

（4）潜孔钻机。采用CDZY458型履带式高风压矿山专用深孔钻机，是一种高效多功能的钻凿设备。利用发动机液压油泵组为钻机的液压马达行走、回转、推进及提升、油缸摆角定位等提供动力。以压缩空气为动力，驱动冲击器，实现冲击凿岩功能。该钻机适用于各类矿山工程爆破、锚固支护、探矿作业；也可采用套管跟进护壁成孔工艺钻凿水电围堰注浆孔、堤坝防渗注浆孔、基础加固注浆孔及锚孔等。双回转马达提供高扭矩输出，大提升力钻孔效率，广泛应用于大孔径或者深孔作业，具有耗风量低，回转扭矩大、稳定性好等特点。主要技术参数见表3。

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3.3 集中供风式钻机系统主要组件技术性能分析

3.3.1 螺杆式空压机

Cdzy80型型螺杆压缩机是一种工作容积作回转运动的容积式压缩机械，气体的压缩依靠容积的变化来实现，而容积的变化又是借助压缩机的一对转子在机壳内作回转运动来实现［4］。主要通过进气、压缩、排气3个过程完成空气压缩提供风能。

（1）进气过程。转子转动时，阴阳转子的齿沟空间在转至进气端壁开口时，其空间最大，此时转子齿沟空间与进气口相同，因齿沟的气体被完全排出，排期完成时，齿沟处于真空状态，当转至进气口时，外界气体即被吸入，沿轴向进入阴阳转子的齿沟内。当气体充满了整个齿沟时，转子进气侧端面转离机外壳进气口，在齿沟的气体即被封闭。

（2）压缩过程。阴阳转子在吸气结束时，其阴阳转子齿轮尖会与机壳封闭，此时气体在齿沟内不再外流。其啮合面逐渐向排气端移动。啮合面与排气口之间的齿沟空间逐渐减小，齿沟内的气体被压缩压力提高。

（3）排气过程。党转子的啮合端面转到与机壳排气口相同时，被压缩的气体开始排出，直至齿尖与齿沟的啮合面移至排气端面，此时阴阳转子的啮合面与机壳排气口的齿沟空间为零，即完成排气过程，在此同时转子的啮合面与机壳进气口之间的齿沟长度又达到最长，进气过程再一次进行。

Cdzy80型螺杆式空压机额定功率为220 kW，额定电压为380 V，额定电流为400 A，空压机出口压力为1.7 MPa，每分钟出风量为20～30 m³，排气压力为0.75～1.05 MPa。经并联集中后，最终达到总风压1.6～2.4 MPa。由4台Cdzy80型螺杆式空压机组成的集中式供风站，输出总风量为80 m³/min，可满足采场多台钻机用风需求。

3.3.2 供配电系统ZBW预装式变电站负载核算

根据工程量，单台空压机的额定功率为220 kW，额定电压为380 V，额定电流为400 A，共投运4台空压机，其中备用1台，总额定功率为880 kW。

根据《电力工程设计手册》，对于平稳负荷供电的单台变压器，变压器容量负荷率一般取80%左右，为满足20%的负荷余量，保证站内其他用电设备的供电稳定，ZBW型预装式变电站容量为1 250 kVA，可保证空压机站供电要求，保证其正常稳定运行。

变压器可负荷量=1 250×80%=1 000 kW。

综上所述，ZBW预装式变电站容量，为1 250 kVA可满足1 000 kW运行负荷量，完全满足空压机站880 kW的总负荷。ZBW预装式变电站主要技术参数见表4。

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3.3.3 送风系统管路风压损失核算

压风管道的选择，应满足钻机工作风压不小于1.2 MPa，空压机站生产的压缩空气的压力一般在1.6～2.4 MPa［5］，为保证工作风压，钢管终端的风压不得小于1.3 MPa，通过柔性保压输气管输送至钻机的工作风压不小于1.3 MPa。

压缩空气在输送过程中，由于关闭摩擦、接头、阀门等产生的阻力，其压力会减小，一般称压力损失。根据达西公式，钢管的风压损失△P可按照以下公式计算。

式中，λ为摩擦阻力系数，见表4；L为送风管道长度，m；d为送风管内径，m；g为重力加速度，取9.81 m/s²；γ为压缩空气容重。温度为t℃时，其容重则为γ1=；此时，压力为P的压缩空气的容重；p为空压机生产的压缩空气的压力，MPa，由空压机性能可知；v为压缩空气在风管中的速度，m/s，根据风量和风管面积可得。

本期管道全长为L=820 m，tmin=-20℃；风管摩擦阻力系数λ值，采用φ160 mm管道，内径为150 mm，则λ=0.026 4，如表5。

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根据满足钻机工作风压不小于1.2 MPa，空压机站生产的压缩空气的压力一般在1.6～2.4 MPa，经过820 m传输，压力损失为0.000 465 3 MPa＜0.4 MPa，可以忽略不计，即管道传输满足钻机工作需求。

3.3.4 CDZY458型履带式高风压矿山专用深孔钻机技术及环保性能

（1）技术性能。CDZY458型履带式高风压矿山专用深孔钻机，主要由动力系统、液压系统、机械系统、电气器系统、湿式降尘系统5部分组成，结构简单，设备灵活，对作业区域工况条件要求较低，采用高风压潜孔冲击装置，穿孔效率较高，且多种钻具配置可满足160～110 mm的穿孔直径需求，能够满足露天矿山中深孔爆破、浅孔爆破、预裂孔爆破的需求。

（2）环保性能。CDZY458型履带式高风压露天潜孔钻机设计装备有湿式除尘系统，用于防止凿岩时粉尘污染大气和对人体伤害。工作原理为在高压气流进入冲击器之前，将风水混合在一起送入岩孔底部。当气流湿度适中时，凿岩产生的粉尘凝聚成颗粒状态随废气排出孔外，沉积在孔边周围，达到除尘目的。配备使用WA76—II型粉尘采样器，用质量法在下风向距钻机不同距离处测得粉尘浓度：在2 m处测得2.0 mg/m³，在10 m处测得1.4 mg/m³，在15 m处测得0.6 mg/m³，达到《大气污染物综合排放标准》的排放要求。

综上分析，集中供风钻机系统在安全环保、技术性能等方面均能满足实际生产需求，且以电力作为主要能耗，更能满足目前国家关于露天矿山的环保要求，且解决了电力远程移动输送问题，增强了安全保障，具有很好的应用前景。

4 不同穿孔模式优略性对比

4.1 一体式全内燃钻机优缺点

（1）优点。单台设备比较独立，不涉及其它辅助设施，移设比较方便。

（2）缺点。一是全内燃式钻机发动机功率较大，单位时间内油耗较多，尾气排放量较大，随着矿山下部台阶的推进，形成深井式开采采区后深部台阶自然通风效果减弱，大排量内燃式设备过多时发动机排放的尾气不易扩散，在后期环保达标治理方面比较困难。二是设备外观尺寸较大，对施工场地要求比较苛刻。三是操作人员视野局限性较大，单台设备所需人员配置较多，人工成本较高。四是干式除尘不利于露天矿山行业于扬尘治理。五是近年来市场上柴油价格变化浮动较大，同时与国际油价关系比较密切，易造成作业成本的不可控因素。

4.2 集中供风式钻机系统优缺点

（1）优点。一是系统电力作为主要能耗，更符合国家清洁生产的要求，作为主要以电能为主要能耗的露天矿山工程机械来说，相比其它内燃机工程机械更具有环保优势，采用的湿式降尘技术有效地抑制了穿孔凿岩过程中产生的扬尘，满足环保要求。二是钻机结构简单，小巧灵活，系统运稳定，且采场内不需架设高压线路，有效地提升了操作、检修人员的安全保障。三是集中供风钻机系统钻孔效率较高，对作业场地要求较低，且操作人员视野开阔，减少了作业人员配置，生产工艺简单，避免了设备转场时多种设备的参与，做到了高效率运行，有效地降低了生产作业效率。

（2）缺点。分支供风输送管道跨台阶布设，不利于规范标准化管理。

5 集中供风式钻机系统在露天矿山的应用效果

栾川龙宇钼业南泥湖露天钼矿日采矿量约为2.8万t，年穿孔量约在15万m，原采用的是电柴两用的一体式中风压潜孔钻机，该钻机能耗大，结构复杂，日常运行故障率较高，穿孔作业效率较低，对作业场地要求较高，需携带10 kV高压电缆进行穿孔作业，安全风险较大，设备转场移设费工费时。其它一体式内燃机钻机，受环保要求制约较大，不利于国家关于清洁生产要求的长期推进实施。通过对集中供风钻机系统论证分析并投入使用，取得的了良好的成效，在确保安全环保的前提下，使钻孔成本由原来的88.8元/m降至41元/m，降幅达到53.83个百分点，每年可节约穿孔成本约706万元。

6 结论

采用集中供风式钻机系统工艺技术，有效地降低了能源消耗，简化场地管控，增强安全环保效益，消除了高压供电式工艺对人员、设备的安全隐患，使得生产更便捷、更高效、更有序地进行，减低了生产成本，同时简化工作管理制度，创造了良好的经济和社会效益。实践证明，采用集中供风式钻机系统工艺在南泥湖露天钼矿开采的是成功的，同时结合当下对工矿类企业的安全环保要求，该工艺是一种安全效益合理、经济效益显著、成本节约明显的钻孔工艺，具有一定的推广价值。