阿特拉斯•科普柯专题报道-高海拔的挑战

高海拔的挑战

容易开采且高品位的矿石越来越少。为了满足全球对矿物质的需求，采矿公司必须在具有挑战性的地区寻找值得开采的矿床，这自然也包括高海拔山区。

摘自：《采矿与建筑》2012年第1期

作者：Brain Fox 阿特拉斯·科普柯回转钻机部（美国）

经验表明，高海拔对人和机械都有不利影响，这种影响从海拔5,000 英尺就开始产生。当今有一些矿山在超过海拔16,400 英尺的地区开采，那里的工作条件极其严酷。

高海拔的主要问题是空气的质量密度降低。为了理解这个概念，必须首先考察空气的成分。空气分子包含氮气（78%）、氧气（21%）和其它气体（1%）。由于地心引力的作用，空气分子要承受在其上方的所有分子的重量。这个附加重量意味着在海平面空气的压力最高，并且这种高压力会随着海拔高度的增加而递减。空气质量密度的降低会产生两个问题，首先，空气分子及其密度是从钻孔内排出钻渣的介质。如果每立方英尺空气中的空气分子较少，携带钻渣的能力就降低。其次，由于在高海拔地区与在海平面氧气比率相同（21%），因此为人或发动机提供的氧气分子减少。

空气和大多数物质一样，加热时膨胀，冷却时收缩。随着热量的增加，空气分子之间的距离增大，从而减小空气密度。空气分子携带的大部分热量是从地面传导给空气，地面的热量是白天太阳照射产生的。随着空气离开热源越远，其温度以相当均匀的比率降低，大约每1,000 英尺降低3.5°F（1.9℃）。因此，高海拔形成的环境决定了我们要为钻机的正常工作提供恰当的装置。

回转钻孔和空气压缩机

在海平面，空气压缩机将一定体积的正常压力的空气压缩成体积较小的高压气体。经常有人错误地认为空气压缩机在海拔地区产生的流量会有所减少，但事实并非如此。假设我们用一个排气量为1,900 立方英尺的空气压缩机在海平面进行钻孔，它每分钟能吸入1,900立方英尺空气。

在海拔15,000 英尺（4,572 m）的高度时，这台空气压缩机每分钟仍然吸入1,900 立方英尺空气。但是，通过比较海平面的空气压力（101 kPa，14.7 psi）和高海拔的空气压力（59 kPa，8.6 psi），我们可以计算出的空气的分子数量减少了大约42%。

而为了补偿降低的空气密度，我们要用修正系数计算出与在海平面产生的性能相同的有效进气体积，而不是实际进气体积。由此可见，降低的气压会使空气压缩机的实际效能消减到与在海平面上进气容量是1,106 cfm（假设与海平面的温度相同）时的效能相同。考虑到气温较低和空气密度相应增加等因素，压缩机在气温为7°F（–14℃）时的进气容量将增加到1,221 cfm。

钻渣举升速度

要想确定到底需要多少空气，就要计算钻渣的举升速度。举升速度用进气容量和环形面积计算，环形面积是钻孔壁与钻管之间的空隙。最小举升速度经常被设定为5,000 ft/min，但在实际中经常会受到钻渣的密度、尺寸和形状、以及其它因素的影响，例如孔内的钻渣或水的压力和钻孔壁的状况

以Pit Viper 271 为例，在海平面上，用10 ⅝" 的钻头和7 ⅝" 钻管钻孔，即使在钻管磨损后，使用1,900 cfm 的空气排量也能保持正常工作(A)。而在高海拔地区，空气密度的显著降低需要人们使用较大的空气压缩机(B)（2,600 cfm）或较大的钻管直径（8 ⅝"）(C)。

最好是选择使用较大的空气压缩机，因为使用较大的钻管直径会减小钻孔壁与钻管之间的空隙，以致较大的钻渣必须被研磨到较小尺寸以后才能排出孔外，从而加速钻头磨损。选用较小的钻头直径也能提高钻渣举升速度，但是考虑到爆破要求，用小直径钻头不一定可行。

所需要的功率

柴油发动机在高海拔地区面临相当大的困难，因为柴油机要靠空气中的氧气进行燃烧。在不同的海拔高度，发动机的额定功率也有所不同。制造商可通过改变发动机正时、涡轮增压器的外形和压缩比来确保设备在一定的海拔高度上保持最大功率。而在超过限定的海拔高度后，发动机的功率将下降。

根据经验，发动机每超过其限定的海拔高度1,000 尺，额定功率就会降低3%。例如，一台800 hp 的柴油发动机的海拔高度限制可能是8,000 英尺。在15,000英尺的高度上它的功率将减少21%，即632 hp。但是，因为空气压缩机吸入的空气密度较小，每上升1,000 英尺所需要的功率减小1.5%。1,900 cfm 的空气压缩机为了提供最大排气量和压力，需要大约430 hp 功率。在海拔15,000 英尺，负荷下降22.5%，到333 hp，将总负荷从720 hp 降低到623 hp，小于发动机额定值降低后的功率，因此能安全运转。

为了达到最好的效果，应首先选择输出功率较大的大排量发动机，以补偿因海拔高度产生的功率损失。不过大功率的发动机并不是任意添加的，因为钻机从一开始就是为安装特定尺寸的发动机设计的，没有为更大发动机留出位置。

另一种选择是用电动钻机。电动发动机不需要燃烧输出功率，不存在因缺氧产生的功率损失。但电动发动机的动力在高海拔地区会有所降低。

决定选择电动钻机还需要考虑其它因素，例如如何发电和对钻机机动性的要求。在这种情况下，如果柴动钻机的配置成满足所要求，那仍不失为一个最佳的选择。电动钻机可能提供更高的产能，但是柴动钻机的机动性和更高的利用率可以弥补它的不足。

对人的影响

除了发动机、空气压缩机和冷却系统以外，海拔高度对钻机没有其它影响，而是会对在钻机上工作的操作手和技术人员产生影响。在空气稀薄的高海拔地区，人体将通过较快的呼吸和心率以及逐渐增加携带氧气的红血球（也就是所谓的环境适应性）来补偿氧气含量的降低。

采矿公司很注意保证其雇员和承包商的安全。雇员要想在如此恶劣的环境中工作，首先要通过医疗专家的体检，而且工地上也有完善的医疗服务系统帮助人们处理健康问题。归根结底，随着采矿公司推进到更高的海拔地区，自动钻孔将发挥重要作用。