一、前言
隨著我國經濟的高速發展，電能的需求量日益增長，而我國90%以上的發電廠是以煤為原料來發電的。再加上化工用煤、鋼鐵用煤（焦炭）和城鄉采暖用煤，對煤炭的需求量也越來越高。目前我國已成為世界上的第一產煤大國。
然而，在國民經濟對煤炭強烈需求，導致煤炭開采工業快速發展的情況下，煤炭開采行業出現了大量安全生產事故，帶來了極其嚴重的生命和財產損失。這一現象已引起了黨和政府的高度重視及全國人民的關注。在煤礦的安全事故中，引起事故的主要原因就是瓦斯爆炸，瓦斯治理當前已成為煤礦安全工作中的重中之重。瓦斯治理工作的基礎是瓦斯的抽放，將存在爆炸危險的瓦斯氣體通過管道引出礦井。在瓦斯抽放系統的所有設備投資中，管道所占比例很大。因此，選擇性能可靠、安裝方便，價格便宜，使用壽命長的抽放瓦斯管材，對煤礦安全和降低生產成本有著極其重要的意義。
二、煤礦用管道
1、 煤礦用管道的種類
煤礦生產需要大量的各種不同性能要求的管道，主要分為瓦斯抽放、給、排水、送風和噴漿等四大類用途。截止目前為止，上述所有種類的管道，基本上是以鋼管為主。尤其是給排水管道和瓦斯抽放管dn50—dn500之間，大口徑管材主要用于瓦斯抽放。。煤礦使用的給排水管和瓦斯抽放管，口徑大小因煤礦的具體條件而差異較大，在
2、鋼管用于煤礦所產生的問題
煤礦的工程技術人員早已發現鋼管在煤礦中應用時存在許多弊端，主要表現在如下幾方面：
（1） 使用壽命短
壽命短的主要原因是鋼管銹蝕所造成的。煤礦處于地下深處，環境潮濕陰暗，通風不良，無可避免造成鋼材銹蝕嚴重。尤其是很多礦井中的水或呈堿性或呈酸性，更加劇了管道的腐蝕，有的礦井鋼制管道的壽命甚至難以超過1年（例如邯鄲礦務局梧桐莊礦）。材料費用和更換管道的施工費用無形中大幅度增加。
（2） 安裝困難
受礦井下巷道空間的影響，安裝時不能使用起重機、吊車等安裝工具，只能靠人抬肩抗，即使常用的起重葫蘆，在井下都因缺乏合適的懸掛點而難于應用。在這種情況下，對重量大的鋼管尤其是大口徑管道，給安裝工作帶來極大困難，為此引起的工傷事故時有所見。
（3） 維護和防腐成本高
安裝前所有鋼管均需進行工序復雜的防腐工作，因環境嚴酷，防腐層易被破壞，需進行周期性維護。需相當數量的人工成本和材料成本。由于井下嚴禁動火，損壞的管道只能折卸后運至安全區域進行焊接維修工作。
（4） 安全隱患
鋼管盡管有著優異的抗靜電性能，無產生靜電火花之憂，但鋼管與金屬工具、器材等發生碰撞時仍有產生火花的可能，這就有可能成為引起瓦斯爆炸的隱患。
3、塑料管道在煤礦中的應用情況
鑒于上述鋼管在煤礦中應用所存在的問題，煤礦長期以來也在尋求質輕、防腐、價格低、性能優越的管材，無疑塑料管材是最理想的選擇。但根據煤礦用管道安全技術規程MT181的要求，煤礦用塑料管道除一定的力學要求外還必須滿足抗靜電和阻燃（通稱為雙抗）的要求。眾所周知，絕大多數樹脂都是良好的絕緣和易燃材料。為滿足抗靜電和阻燃性能的要求，需對樹脂進行改性。由于我國對各種樹脂的抗靜電劑、阻燃劑等助劑的開發相對滯后，助劑的性能低下，無形中阻礙了雙抗塑料管材的開發和應用，關鍵問題是助劑的份數少時，難以達到MT181所要求的雙抗指標，份數多時，影響樹脂的加工性能和管材的力學性能，使管材的力學強度大幅度降低。國外進口的助劑，在性能上雖然優越，添加份數少，但價格昂貴，使生產成本超過了可接受的程度。簡而言之，雙抗塑料管材開發上所遇到的是加工性能、力學性能和經濟性能三重壁壘。據調查，我國煤礦使用過的塑料管材，依時間先后順序分別是玻璃鋼管、PE（聚乙烯）雙抗管和PVC（聚氯乙烯）雙抗管，其它種類塑料管材極其少見。
（1） 玻璃鋼管
玻璃鋼管的生產工藝是在玻璃纖維基上涂覆環氧樹脂，依賴玻璃纖維來增強環氧樹脂的強度，該工藝的特點是樹脂配方對工藝的影響甚微，加工難度小，故爾可較自由地選擇改性劑及其添加份數，因而塑料管材的抗阻燃性、抗靜電性能在玻璃鋼管上得以首先突破。有些煤礦企業也自己上馬了一些生產線，生產礦用玻璃鋼管，迄今為止，玻璃鋼管在煤礦中的應用已有十余年的歷史，主要用于抽放瓦斯和給排水。
在應用中發現玻璃鋼管雖然解決了質輕和耐腐蝕的問題，但價格偏高，此外更主要的是玻璃鋼管脆性大，耐候性差，脆性隨使用時間的加長而加劇。這已成為其致命弱點，目前已被許多煤礦企業所禁用，退出煤礦領域已成定局。
（2） PE（聚乙烯）管
隨著PE抗靜電阻燃母料的研制成功，PE管的抗靜電和阻燃性能得以解決，初步消除了這方面的技術壁壘，使得較多的PE管材生產廠家具備了PE雙抗管材的生產能力。經過幾年的市場開發，在部分煤礦得到了試用或正式使用，PE雙抗管在煤礦用塑料雙抗管方面占據了相當可觀的市場份額。
這些年在實際應用中發現PE雙抗管仍有一些不足，這主要表現在一是價格較高，原因是作為基本原料的PE樹脂和阻燃與抗靜電助劑價格高；其二是PE為極其易燃的材料，使其達到MT181規定的阻燃性能，技術難度高，一些生產廠家的產品質量在該指標方面仍不達標或者不穩定；其三是由于PE管材分別要填加抗靜電助劑和阻燃助劑，二者份數相加，要多于PVC改性劑很多，原因是PVC樹脂是難燃材料，氧指數高達48，生產雙抗管時只需添加極少量的阻燃劑即可。由于阻燃劑和抗靜電劑含量的增加，PE雙抗管材的力學性能下降較大，尤其是原本十分良好的韌性丟失了許多；其四是PE管材的連接方法是熔接，需要電氣加熱的熔焊機進行焊接，鑒于礦井下不準隨意使用電源，只能采用法蘭連接，在生產廠就要先將PE材質的法蘭先焊接到PE管材兩端，但法蘭盤的外徑遠大于管材外徑，嚴重影響管材的運輸，管材裝車時中間懸空，不僅影響了裝載體積，還使管材發生彎曲，嚴重影響管材的正常安裝和使用，以上是需對PE雙抗管予以研究解決的主要問題。
（3） PVC雙抗管材、
PVC（聚氯乙烯）制品，作為建筑材料已在全世界范圍內得到了廣泛應用。通常所說的PVC是以PVC樹脂為主要原料，輔以穩定劑、增塑劑、潤滑劑、增韌劑、填充劑等添加劑在一定溫度和壓力下塑制成型，并在常溫下能保持既定形狀的PVC制品的總稱。根據增塑劑的用量大小，又可分為軟質品和硬質品。U-PVC是指不含增塑劑的硬制品。
目前在我國得到廣泛應用而又被大家所熟知的U-PVC制品是U-PVC管道和U-PVC塑鋼窗，其產量每年達到上百萬噸，并且每年以20%的速度增長。之所以得到國家政策的大力推廣和廣大用戶的接受，與PVC的優異化學、物理性能是分不開的。與眾多通用樹脂相比，PVC具有較高的拉伸強度（45MPa以上）和彈性模量（2700—3500MPa），PVC制品的邵氏硬度在D65—85之間，這些綜合力學特性決定PVC制品可以滿足建筑材料、交通運輸、包裝、家電等的需要。此外，PVC具有極佳的耐化學腐蝕性能，可耐絕大多數酸、堿的腐蝕，因而可在極嚴酷的環境條件下使用。PVC的化學穩定性良好，較其它樹脂來說，抗老化能力強，一般PVC工程材料如塑鋼窗和管道，其使用壽命都在五十年以上，遠超過鋼材和其它常用材料，尤其是在腐蝕環境下，
盡管PVC材料有如上所述優點且在其它工程領域得到普遍應用，但PVC管材在煤礦中應用的時間并不長，關鍵原因是PVC樹脂流動性差，分解溫度與加工溫度重疊，加工原料配方需對加工機械和模具的具體情況而設計，因此在添加抗靜電、阻燃劑情況下配方的設計和加工的難度就構成了較高的技術壁壘。近年來，國內在PVC雙抗管的研制方面，出現了重大突破，從根本上解決了添加的抗 靜電劑（PVC雙抗管阻燃劑對管材性能影響不大，因為添加份數少）對管材強度的影響，表面電阻（抗靜電性能指標）可優于MT181要求很多，而管材的強度受到的影響都卻極小。但這種技術卻只掌握在少數生產廠家手中。所以至今為止能生產PVC雙抗管的廠家仍為數不多。雖然U-PVC雙抗管材目前在煤礦中的應用量還遠不及PE雙抗管，但通過在使用過U-PVC雙抗管的煤礦調查發現，由于其價格較低，強度高，安裝方便，便于維修等優點，已成為PE雙抗管的強有力競爭者。
三、 PE雙抗管和U-PVC雙抗管的對比
1、 安裝與維修
在煤礦條件，U-PVC管材的安裝與維修要比PE管材方便。PVC樹脂屬極性分子材料，管材與管材或管材與管件之間的連接，可通過溶劑性專用膠粘劑來實現且可保證極高的粘接強度，這點已得到長期使用的驗證。這對井下施工和維修帶來了極大方便，施工和維修快捷、經濟。PE樹脂屬非極性分子材料，迄今為止在技術上無法實現膠粘劑粘接，只能用熔焊機焊接，受井下安全規程限制，不能隨意連接電源，只能在地面焊接法蘭后連接。對彎頭、三通、異徑等管件，焊接到管子上以后還需再焊上法蘭，方可在井下連接，費時費力且管件使用量多，成本上升。
2、經濟性
管材生產的主要成本是樹脂原料，樹脂的價格和樹脂的用量基本決定了成本的高低。樹脂的用量一是取決于樹脂的力學強度，強度越高管壁則可以越薄，也就越省料；二是取決于樹脂比重。
PE和PVC樹脂的基本性能指標見下表：
|
性能
|
拉伸強度
|
設計許用應力
|
彈性橫量
|
密度
|
|
樹脂
|
Mpa
|
MPa
|
Mpa
|
g/cm3
|
|
PVC
|
45
|
11
|
3000
|
1.43
|
|
PE
|
22
|
6.3(PE80)
|
700
|
0.93
|
（1） 正壓管材（給、排水）
煤礦用給、排水管材均為承受正壓的管材，壁厚按ISO方程計算：
2e
P= σ (1)
D-e
PD
e= (2)
2σ+P
式中：P：公稱壓力,Mpa;
D：公稱直徑,mm;
e：公稱壁厚,mm ;
σ:材料的設計許用應力,Mpa。
現以公稱直徑dn315mm，公稱壓力PN=1.0MPa的管材為例,按(2)式計算PVC和PE管材的最小壁厚:
PD 1.0×315 315
epvc= = = =13.7mm
2σ+P 2×11+1.0 23
PD 1.0×315 315
ePE= = = =23.2mm
2σ+P 2×6.3+1.0 13.6
管材的米重W分別為:
Wpvc=(D-e)·π·e·d=(315-13.7)×3.14×13.7×1.43=18.54Kg
WPE=(D-e)·π·e·d=(315-23.2)×3.14×23.2×0.98=20.83Kg
WPE/Wpvc=20.83÷18.54=1.12
由此可見,U-PVC管材較PE管材的米重要輕約10%,再考慮U-PVC管材的配方價較PE管材的要低許多,U-PVC管材的經濟性是明顯的。
（2） 負壓管材（瓦斯抽放管）
由于抽放瓦斯所用管材的直徑通常遠大于給排水所用管材的直徑，因此若以噸位計，抽放瓦斯所用管材往往占有較大比例。抽放瓦斯的管材是在負壓下工作的管材，其最小壁厚是首先計算出在特定負壓下的失穩壁厚再乘以安全系數來決定的。失穩壁厚由失穩壓力公式推導。
2E e 3
Per= ( ) （3）
1-u2 D
式中：e：管材的壁厚， mm；
Per:管材的失穩壓力，Mpa；
E:管材材料的彈性模量，Mpa；
U:管材材料的泊松比，PVC的泊松比為0.36，PE的為0.45；
D:管材的直徑， mm；
由(3)式可推導出
3 Per(1-u2 )
e= × D (4)
2E
對于公稱直徑dn315mm Per=0.1Mpa的管材其最小失穩壁厚為：
3 0.1(1-0.362)
ePVC= 315=0.02439×315=7.68mm
2×3000
3 0.1(1-0.452)
ePE= 315=0.03848×315=12.12mm
2×700
若取安全系數2,則ePVC =15.4 mm, ePE =24.3 mm
管材的米重分別是:
Wpvc=(D-e)·π·e·d=(315-15.4)×3.14×15.4×1.43=20.72kg
WPE=(D-e)·π·e·d=(315-24.3)×3.14×24.3×0.98=21.74Kg
Wpvc/ WPE=21.74÷20.72=1.05
由此可見,U-PVC管材的米重要比PE管材的米重輕約5%，再考慮樹脂原料的差價，U-PVC管材的經濟性是很可觀的。
3、 安全性
根據MT181的規定，煤礦用塑料管必須滿足抗靜電和阻燃的要求，如前所述PE樹脂是極其易燃的物質，要達到MT181規定的阻燃指標（酒精噴燈燃燒時間）具有很大難度，配方和工藝的波動，均可造成阻燃性能不合格。而PVC樹脂由于分子鏈中含有阻燃的氯原子，本身就是難燃物質，容易達到MT181所要求的阻燃指標，因此安全性要高于PE管材。
其次，PE管道連接法蘭，只能采用PE樹脂原料所生產的法蘭才能與PE管道進行熔接。但由于PE材料的硬度較低，材料的蠕變系數較大，上緊的法蘭會隨時間的增長而逐步松馳，導致接口泄漏。而PVC的硬度遠高于PE，蠕變系數與PE相比也較小，法蘭接口泄漏的可能性大大降低，使用壽命長。
從長期安全性而言，由于PVC材料的本身特性及雙抗管配方的物理改性及材料改性其雙抗性能隨管材壽命等同變化。對PVC管材而言屬永久特性，而PE管材的雙抗性能基本屬化學添加劑的改性，添加劑隨時間延長逐漸析出，雙抗性能會喪失。
四、結論
縱上所述，在煤礦中用塑料管道替代傳統的鋼管進行供、排水和瓦斯抽放，不但具有安裝、維護方便的優點，而且耐腐蝕，使用壽命長，不結垢，水利性能好。現代技術的進步，使材料的抗靜電性能和阻燃性能均可保證。而在塑料管道中U-PVC管道更是因其強度高，價格低，安裝方便，安全性高等優點而值得大力推廣。
