高寒高海拔装备安全技术要求与典型案例

李富伟 深部金属矿安全智能开采国家矿山安全监察局金 属 矿 山 安 全 技 术 国 家 重 点 实 验 室金属非金属矿山重大灾害事故分析鉴定实验室国 家 安 全 生 产 长 沙 矿 山 机 电 检 测 检 验 中 心长沙矿山研究院有限责任公司 高寒高海拔装备安全现状一二三四机械部件安全技术要求及案例电气部件安全技术要求及案例非金属材料安全技术要求及案例五通风与个体防护安全技术要求及案例六高寒高海拔装备安全展望 1.高寒高海拔装备安全现状 1.1高寒高海拔装备安全现状 近年来，资源供给与消费需求矛盾日益突出，西部地区是重要的矿产储备基地和接替地区，铜矿新增资源量占全国的70%，铅锌矿新增资源量更达83%，矿业向西部转移是必然趋势。西部地区普遍为高原，高寒高海拔地区开展矿业开发面临显著的低温、低氧、低气压等因素影响，导致开采装备存在工作效率低下、安全性和可靠性降低等问题。 1. 2高寒高海拔装备安全现状 p高寒高海拔环境特点 Ø低气压：海拔每升高1000米大气压力下降约100kPa；海拔在4000m以上，年平均气压544~620kPa，为平原的60%~70%。 Ø低温：极端低温可达-40℃以上，年平均气温-2℃~8℃、全年热量条件严重不足；昼夜温差极大，超过20℃。 Ø低氧：当海拔为4000m时，氧含量在12%～14%之间，仅为海平面的60%。 Ø高 辐 射 ： 青 藏 高 原 年 总 辐 射 量 超 过1 8 0 0kWh/㎡，相比之下，四川盆地等地区年总辐射量低于1000 kWh/㎡。 1.3高寒高海拔装备安全现状 p高寒高海拔矿区常见装备 Ø适用于高原高海拔露天与地下开采的装备与低海拔地区矿山开采种类相同，但因低温、低氧、低气压、高辐射“三低一高”的特殊环境，对机械装备、电气装备、非金属材料、通风系统及个体防护装备的可靠性和安全性提出了新的要求，包括柴油机、液压系统、空压机、电气系统、输送带等关键部件。 1. 4高寒高海拔装备安全现状 p高寒高海拔环境因素对设备的主要影响 Ø低气压：电气绝缘强度降低、散热能力降低、密封性能下降、通风系统的压力 Ø低温：材料脆性增加、油黏度增大、蓄电池容量衰减 Ø低氧：动力效率下降、积炭与磨损加剧、设备效率降低 Ø高辐射：非金属材料加速老化、材料表面粉化 设备性能衰减，人工效率下降，安全风险加大 2.机械部件安全技术要求及案例 2.1机械部件安全技术要求——综合影响 n功率下降n排气冒黑烟高寒高海拔环境下，“低温、低气压”的双重作用会对机械设备的安全性能产生不利影响，具体表现为功率下降、燃烧不充分、油黏度增大以及结构件强度降低等问题 n燃烧不充分 n功率下降 Ø低氧环境导致燃料燃烧不完全，未燃烧的燃料颗粒随废气排出，形成冒黑烟，污染环境且降低燃油利用率 Ø低气压导致发动机进气量不足、燃烧不充分，直接造成设备功率下降 n油黏度增大 n结构件强度降低 Ø低温削弱金属韧性、增强脆性，叠加低气压下设备受力变化，导致受力件损伤、开裂甚至结构失效 Ø低温环境使润滑油、液压油、冷却液黏度增大，造成使用性能降低 2.1机械部件安全技术要求——综合影响 高海拔高寒环境通过“低温、低气压”叠加作用下，会对矿山设备的柴油机、液压系统、空压机及金属结构件分别产生不同负面影响 2.2机械部件安全技术要求——柴油机 在高寒、高海拔矿山环境下，柴油动力设备因技术成熟、动力输出稳定且对复杂环境适应性较强成为主要选择，但受“低温、低气压”叠加影响，柴油机存在动力衰减、启动困难等问题 2.2机械部件安全技术要求——柴油机 p1、柴油机动力衰减 针对高寒高海拔环境下柴油机动力衰减问题，可采用4项关键措施：（1）合理选配高效增压器；（2）采用压力脉冲排气管；（3）合理选配喷油器；（4）采用恒温润滑系统 常见措施1：合理选配高效增压器 p采用高原高寒专用增压器，增加进气压力，改善燃烧，弥补低气压和低温导致的进气不足 •气缸排出的废气进入排气歧管后驱动涡轮旋转，涡轮通过轴带动压气机叶轮转动，将来自空滤的空气压缩，压缩后的空气流向进气管为发动机提供更充足的进气，从而提升发动机动力；驱动涡轮后的废气则流向排气管排出 2.2机械部件安全技术要求——柴油机 p1、柴油机动力衰减 常见措施4：采用恒温润滑系统 常见措施3：合理选配喷油器 常见措施2：采用压力脉冲排气管 Ø机油泵消耗功率降低Ø发动机部分负荷时摩擦功减 Ø减少排气阻力Ø提高废气能量利用率Ø增加发动机低负荷效率 Ø进气更加均匀混合Ø提升燃烧效率Ø减少油耗和积碳 2.2机械部件安全技术要求——柴油机 p2、柴油机启动困难 针对高寒高海拔柴油机启动困难问题，可采取进气系统预热、燃油加热、燃油管路加热及油底壳加热措施进行改善，达到提升进气温度、保证燃油流动性、避免管路燃油结冰效果 Ø常见措施1：进气系统预热装置 通过柴油机进气加热装置，对柴油机进气进行加热，降低进气中燃油的冷凝趋势，提高混合气形成质量，使柴油机在低温环境下能顺利启动并稳定运行。图2除了进气歧管，还有额外的蓝色管路和部件，这些就是用来给进气加热的预热装置，能帮柴油机在低温环境下更容易启动。 2.2机械部件安全技术要求——柴油机 p2、柴油机启动困难 低温会让柴油粘稠、结蜡，堵塞燃油系统核心部件，造成供油不足，引发柴油机启动失败、功率骤降或熄火等问题 Ø常见措施2：燃油加热器 •在发动机上装配液体燃油加热器，保障低温条件下发动机启动可靠性。同时，对搭载该加热器的柴油机开展整车低温仓打火试验，进一步验证其在低温环境下的正常启动性能，确保适配高海拔高寒矿山的使用需求 2.2机械部件安全技术要求——柴油机 p2、柴油机启动困难 Ø常见措施3：燃油管路加热 •可以快速提升油温，为柴油机提供适宜温度的燃油，减轻柴油机磨损以延长其使用寿命，同时适用于该环境下矿山机械燃油系统的预热保温 p技术原理 •防冻冷却液经进水口进入管路加热器水路，柴油由进油口流入油路，二者在此完成热交换。冷却液降温后从出水口流出，返回循环加热系统；加热后的柴油经出油口输送至柴油机等设备，既保障柴油适配工作温度，又提升油料雾化与燃烧效率，延长柴油机使用寿命 2.2机械部件安全技术要求——柴油机 p2、柴油机启动困难 Ø常见措施4：油底壳加热 •油底壳加热器置于柴油机油底壳内，通过外置水暖加热器提供的防冻冷却液，经散热管为润滑油加热，降低其油粘度、增强流动性，保障柴油机正常启动并延长使用寿命 2.3机械部件安全技术要求——液压系统 p液压系统安全技术要求 高原的低气压环境会减小液压系统吸油压力，导致吸油不足并引发空化。同时，泵、阀等元件因局部压力突变和结构不合理，容易产生气蚀，破坏系统稳定性与正常运行 p技术措施1 •采用带抗气蚀结构的泵、阀，如泵的配流盘增加卸荷槽，阀口采用流线型设计，减少局部压力损失 p技术措施2 •可以采用惰性气体（如氮气）增压，使油箱内压力维持在一定范围，补偿低气压导致的吸油压力不足。右图中红色为惰性气体，蓝色为液压油 2.4机械部件安全技术要求——空压机 p技术要求：高原高海拔环境气压低、氧气含量低，在此环境下固定式空压机需符合AQ2055-2016标准：配备有效排气压力自动控制装置，公称容积流量不小于0.85Qe；公称容积流量＞20m³/min时，第一压缩级后装安全阀，≤20m³/min时于末级压缩级后安装，适配高原环境下的稳定运行需求 Ø针对“进气压力不足、吸气量不稳定”的技术措施 •采用低气压吸气增压技术，在空压机进气口串联机械增压装置（如罗茨式增压器），通过皮带传动与空压机主轴联动提升进气压力；增压器与进气流量传感器联动，根据海拔自动调节增压比，确保吸气量稳定 2.4机械部件安全技术要求——空压机 Ø针对“进气含沙尘等杂质、易堵塞滤芯、污染设备”的技术措施•配置“粗滤（10μm）+中滤（5μm）+精滤（1μm）”三级过滤系统，进气滤芯选用覆膜玻纤材料•配备压差传感器，当滤芯堵塞导致压差大于设定值时，触发声光报警并提示更换，避免进气不畅 Ø针对“排气压力不足、管网压力波动大”的技术措施•选用高海拔专用螺杆空压机，优化转子型线设计，将压缩比提升至11-15（平原工况常规压缩比8-10），确保海拔3000-5000m时仍能输出额定排气压力•搭 配 大 容 量 压 力 缓 冲 罐， 使 管 网 压 力 波 动≤±0.05MPa，保障压力稳定输出 2.6机械部件安全技术要求——带式输送机 对带式输送机的影响：高寒高海拔环境对长距离大运量带式输送机的输送带、传动系统、制动系统、托辊、清扫器等关键部件影响很大，整体运行效率降低、安全风险增大 2.6机械部件安全技术要求——带式输送机 2.7机械部件安全技术要求——钻探设备除尘 p相较于平原，高寒环境空气对流减缓，粉尘颗粒悬浮更久，钻探作业使粉尘浓度骤升，危害作业人员健康。 GB 16423《金属非金属矿山安全规程》 p技术措施：采用高规格、干湿混合的除尘系统，冬季用通风机除尘防止结冰，夏季用湿式除尘增强力度，有效降低钻机作业产生粉尘浓度。 2.8案例——整机加热 p整机加热系统（解决低温问题） Ø某厂家针对高寒高海拔地区铲装运设备，加装了整机加热系统 •该系统搭载单缸柴油机，在主柴油机启动前提前启动该系统，加热冷却液并驱动其在专用回路中循环，精准预热燃油、液压油、驾驶室、柴油机及缸体等关键部件（其中泵仅负责提供循环动力，不具备加热功能），能有效消除低温对装备的影响，保障设备在高寒高海拔环境下顺利启动、稳定运行 2.9案例——高原隧道挖掘机 p高原隧道挖掘机（解决低温、低氧、低气压问题） Ø某厂家开发了高原自适应程序，可实时根据发动机进气含氧量变化，调整发动机的喷油提前角和喷油策略，通过整车控制器和发动机控制器通信协同，匹配控制发动机油门加载斜率和液压泵功率的加载响应，解决缺氧导致的功率下降和冒黑烟问题 Ø配置发动机进气加热格栅对进气进行加热，配置大功率启动马达，使启动转速更快、转矩更大，满足-30℃冷启动需求Ø根据使用的海拔及温度，加大风扇叶片角度，增加散热器组的进风量，改善散热能力 2.10案例——带式输送机 目前某矿山的带式输送机下运高差达到566米，最大运量可达11000吨/小时，并具备下运发电功能。 Ø项目使用ST6300智能型线圈防撕裂耐寒钢丝绳芯输送带等，能够在-40℃的极寒环境中稳定运行，满足9公里、11000吨/小时长距离原矿输送需求。 2.11案例——某工程 p某工程的平均海拔3100米，昼夜温差达40℃，其中，最大埋深达2400米。 Ø某厂家等企业通过涡轮增压技术优化发动机功率，采用航空级低温液压油液，使设备在Ø-30℃环境下稳定运行，海拔3000米处功率保持率提升至85%以上 3.电气部件安全技术要求及案例 3.1电气部件安全技术要求——综合影响 高寒高海拔环境严重影响电气设备的绝缘性能、散热效率、启动性能，导致设备运行风险急剧增加 3.1电气部件安全技术要求——综合影响 2 3.2电气部件安全技术要求——开关设备 p为应对低气压、低温等特殊环境对电气安全的制约，采用复合绝缘材料、耐低温材料，并依海拔修正电气间隙，以双重措施确保设备在低气压、低温环境下的绝缘安全 与常规产品的区别 技术要求 p技术措施 产品选型：宜选用更高容量的产品或选用采取了增强散热措施的产品。 采用复合绝缘材料：如陶瓷与硅橡胶的结合，可显著提高设备的绝缘性能，有效降低电气击穿风险。选用耐低温材料：采用抗寒能力强，结构性能稳定的材料，或采取必要防护措施以保证产品在低气压、低温环境下的防护等级不会失效。 3.3电气部件安全技术要求——旋转电机 p为应对低气压、低温等特殊环境对旋转电机的影响，采用提高功率等级、温升、绝缘等级以及耐低温复合绝缘材料选型等措施，来确保旋