煤礦巷道長距離集中噴漿關(guān)鍵設(shè)備及工藝的研究與應(yīng)用

李 博，詹東陽，顏威合，劉歡歡

(河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

自20世紀(jì)50年代奧地利學(xué)者Rabcewicz教授創(chuàng)立了以最大限度發(fā)揮巖石自支撐能力為理論基礎(chǔ)的新奧法以來，混凝土噴射技術(shù)得到了飛速發(fā)展。縱觀當(dāng)今世界的混凝土噴射，噴漿的管路輸送方式不外乎分為2種：①依靠壓風(fēng)的稀薄流輸送；②依靠較高外部壓力實(shí)現(xiàn)在管道內(nèi)的稠密流輸送后，在末端通過壓風(fēng)噴射出去。迫于井下空間限制，大型濕噴設(shè)備無法使用，目前普遍使用的仍然是轉(zhuǎn)子式混凝土噴射機(jī)。這種方式的輸送主要靠壓風(fēng)形成的稀薄流輸送，輸送距離一般不超過100 m。超過100 m時會出現(xiàn)堵管頻繁，噴射脈沖大、噴射回彈增大等現(xiàn)象[1-3]。但到目前為止，僅有部分煤礦根據(jù)自身需要對長距離噴漿做了少量嘗試，尚缺乏有力的理論及技術(shù)支撐。這一方面需要研究的內(nèi)容還有很多，比如風(fēng)壓、風(fēng)量與輸送距離的理論關(guān)系，輸送量對輸送距離的影響，干拌混凝土密度對輸送距離的影響，輸送管路直徑對風(fēng)壓、風(fēng)量、輸送距離的影響，管路彎曲對輸送距離影響的定量分析等，很多還需要在實(shí)踐中不斷探索。由于這些問題目前國內(nèi)外尚無成熟的研究成果可以借鑒，因此開展長距離無軌道運(yùn)輸系統(tǒng)巷道集中噴漿工藝相關(guān)研究，具有重要的研究意義和推廣價值。

1 長距離噴漿的影響因素

噴漿支護(hù)過程中對輸送距離的影響因素見表1。

表1 輸送距離的影響因素

根據(jù)表1可知，要實(shí)現(xiàn)噴漿時的長距離輸送，應(yīng)從5個方面采取措施：①根據(jù)噴漿時的輸送距離，對單位時間內(nèi)的噴漿量進(jìn)行調(diào)整，單位時間內(nèi)的噴漿量越低，輸送距離越遠(yuǎn)。②輸送管路用鋼管或內(nèi)徑摩擦阻力小的其他管路代替普通橡膠軟管，以降低輸送管道摩擦阻力。③在符合潮噴要求(水灰比在0.2～0.4)的前提下，盡可能降低噴漿料及壓風(fēng)中的含水率，重點(diǎn)是降低噴漿原料中砂子的含水率。④在安全氣壓(0～0.8 MPa)范圍內(nèi)，盡量保證較高的氣壓。鑒于長距離輸送、氣壓消耗較大，在輸送中間段，向輸送管道內(nèi)補(bǔ)充壓風(fēng)。但充足的氣量是保證氣壓的前提。⑤輸送距離越長，氣流速度越高，氣壓越低。氣流速度太高時，會造成脈沖增大，噴漿手不易操作，同時也會加大噴射回彈。另一方面，若氣壓不足或流量不足時，長距離輸送會導(dǎo)致堵管。同時導(dǎo)致噴頭出口混凝土料速度過低，導(dǎo)致噴射面致密度減小。因此，集中噴漿時的輸送距離應(yīng)該有一個合理范圍。

2 長距離噴漿工藝系統(tǒng)

長距離噴漿工藝系統(tǒng)主要由壓風(fēng)凈化器、上料機(jī)、專用噴漿機(jī)、輸送軟管、輸送鋼管、壓風(fēng)加壓裝置等組成，如圖1所示。

圖1 噴漿方案示意

(1)壓風(fēng)凈化器。作用是：①降低壓風(fēng)的含水率；②去除壓風(fēng)長距離輸送時形成的銹泥、金屬粉末、橡膠細(xì)末等雜質(zhì)。布置于噴漿機(jī)進(jìn)風(fēng)管路前端。

(2)上料機(jī)。采用螺旋攪拌上料機(jī)，螺旋葉片通過特殊處理，耐磨且防止黏結(jié)。將砂石料和水泥按比例混合、攪拌后送至專用噴漿機(jī)。降低作業(yè)人員勞動強(qiáng)度的同時，提高砂石料與水泥拌合的均勻性。

(3)專用噴漿機(jī)。研制適用于巷道修復(fù)、適合長距離輸送的專用噴漿機(jī)，噴射能力適當(dāng)，結(jié)構(gòu)更加緊湊，體積小，質(zhì)量輕，方便井下移動。設(shè)計生產(chǎn)能力為4～5 m3/h，具有減小噴漿粉塵排放的除塵功能，并配備噴漿下料量調(diào)節(jié)裝置。如圖2所示，通過調(diào)整料斗座外的螺栓，來調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)板與轉(zhuǎn)子體下料孔之間的開合程度，實(shí)現(xiàn)對單位時間噴漿量的無級調(diào)節(jié)，以適應(yīng)長距離輸送時對噴漿量的調(diào)節(jié)要求。

圖2 噴漿下料量調(diào)節(jié)裝置

(4)壓風(fēng)加壓裝置。采用文丘里原理，噴漿輸送距離達(dá)到100 m左右時，可以在2根輸送鋼管之間布置壓風(fēng)加壓裝置，向噴漿輸送管路中補(bǔ)充壓風(fēng)，延長噴漿輸送距離。壓風(fēng)加壓裝置如圖3所示。

圖3 壓風(fēng)加壓裝置

3 實(shí)施過程及有關(guān)參數(shù)的測定

現(xiàn)場試驗施工工藝如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場試驗施工工藝

3.1 測試數(shù)據(jù)及分析

3.1.1 綜合測試情況

生產(chǎn)能力、耗風(fēng)量與噴射距離的關(guān)系如圖5、圖6所示。由圖5、圖6可知，隨著噴射距離增加，耗風(fēng)量逐漸增大，而生產(chǎn)能力逐步下降。綜合來說，同等條件下，下山噴漿生產(chǎn)能力>平巷噴漿生產(chǎn)能力>上山噴漿生產(chǎn)能力，上山噴漿耗風(fēng)量>平巷噴漿耗風(fēng)量>下山噴漿耗風(fēng)量。噴漿過程中，兩端采用普通噴砂管，中間采用DN50鋼管，上下山的坡度為17°45′。

圖6 耗風(fēng)量與噴射距離的關(guān)系

3.1.2 回彈率的測定

回彈率與噴射距離的關(guān)系如圖7所示，拱頂噴漿時的回彈率明顯高于巷幫。回彈率與很多因素有關(guān)，特別是砂石干濕程度、料流的速度大小和穩(wěn)定性、風(fēng)壓、速凝劑的添加比例以及噴射手的熟練程度、噴射距離遠(yuǎn)近、射流角度等關(guān)系密切，掌握得當(dāng)能夠有效降低回彈率。

圖7 回彈率與噴射距離的關(guān)系

3.2 噴層強(qiáng)度的測定

噴層強(qiáng)度主要取決于原材料的質(zhì)量和配比，但也與風(fēng)壓、機(jī)器的自身結(jié)構(gòu)和正確使用有關(guān)。在試驗巷道中，設(shè)計混凝土強(qiáng)度等級為C20，選用復(fù)合硅酸鹽水泥，黃沙(中細(xì)度模數(shù)3.0～2.6)，粒徑20 mm以內(nèi)碎石，配合比約為1∶2∶2。螺旋上料機(jī)連續(xù)、均勻供料保證了水泥與砂石料配比的準(zhǔn)確性，同時采用高壓風(fēng)進(jìn)行攪拌，使得攪拌一致性好、料流穩(wěn)定、料速適中。噴射時可根據(jù)噴射效果適當(dāng)調(diào)整速凝劑的添加量，從而從多方面保證噴層均勻、平整，巷道成型良好，工程質(zhì)量高，而且還可以在保證噴層強(qiáng)度基礎(chǔ)上盡可能降低粉塵污染。在巷道噴漿過程中，制作試樣36塊(12種工況，每種工況3個)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，進(jìn)行了28 d齡期的強(qiáng)度值測試，測定平均強(qiáng)度值為20.8 MPa，表明混凝土參數(shù)設(shè)計的合理性和噴漿機(jī)組的可靠性。綜合來看，噴漿要實(shí)現(xiàn)長距離輸送必須有一定的風(fēng)壓和風(fēng)量，對噴漿機(jī)的密封提出了更高的要求。該項目在制定合理工藝和研制科學(xué)的噴漿設(shè)備的前提下，現(xiàn)場粉塵大幅降低，回彈率明顯降低，噴射面強(qiáng)度有所提高，較好地保證了噴射混凝土支護(hù)效果。

4 結(jié)語

本文研究的是長距離噴漿。理論上，當(dāng)輸送量足夠小時，輸送距離可以達(dá)到很長，甚至可以到千米以上，但輸送量太小時，效率很低，噴漿時間大幅增加，在實(shí)際的噴射作業(yè)時意義不大。為適應(yīng)現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)需求，經(jīng)過試驗，確定了長距離噴漿相關(guān)技術(shù)工藝參數(shù)，建議上山噴漿輸送距離為200 m以內(nèi)，生產(chǎn)能力在3.5 m3/h以上；平巷噴漿輸送距離為240 m以內(nèi)，生產(chǎn)能力在4.0 m3/h以上；下山噴漿輸送距離300 m以內(nèi)，生產(chǎn)能力為3.7 m3/h以上。長距離噴漿設(shè)備和工藝的應(yīng)用，將作業(yè)現(xiàn)場粉塵濃度降低到10 mg/m3以下，有效保護(hù)了作業(yè)人員的身心健康，降低了工人的勞動強(qiáng)度，提高了噴射面質(zhì)量，對煤礦井下一些老、舊、變形嚴(yán)重或地質(zhì)條件復(fù)雜，設(shè)備和原材料不易運(yùn)輸?shù)南锏溃Y(jié)合錨桿、錨網(wǎng)等形成完整的支護(hù)體系，實(shí)現(xiàn)快速支護(hù)，防止巷道片幫、冒頂?shù)却笞冃维F(xiàn)象，消除或減少災(zāi)害隱患，對煤礦的安全生產(chǎn)至關(guān)重要。