煤矿井下湿式喷浆成套设备的研制与使用

杨平丽，赵光明

（1．晋城煤业集团成庄矿，山西 晋城 048000；2．晋城煤业集团金鼎公司，山西 晋城 048000）

·试验研究·

煤矿井下湿式喷浆成套设备的研制与使用

杨平丽1，赵光明2

（1．晋城煤业集团成庄矿，山西 晋城 048000；2．晋城煤业集团金鼎公司，山西 晋城 048000）

通过对比目前煤矿井下巷道锚杆支护中两种表面喷浆工艺：干喷工艺和湿式喷浆工艺，介绍了湿喷工艺的优点、特性和实施方案，并分析了湿式喷浆成套设备的特点、使用条件、研制路线等，总结了现场实际使用效果和研制经验，指出现有设备在使用过程中的不足和缺陷，并提供了具体的解决方案、建议和相关技术数据，可为今后湿式喷浆成套设备的研制改进和使用推广提供借鉴和参考。

湿式喷浆；巷道支护；混凝土

1 相关领域国内外发展现状

锚杆支护是井巷工程中的一项重要支护技术，近年来，喷锚支护已在我国普遍推广。喷射混凝土是锚杆支护的重要组成部分。目前，煤矿喷浆以干（潮）喷工艺为主，此工艺存在混凝土质量不易控制、回弹率高、粉尘浓度大，难以达到煤矿企业作业场所职业卫生标准，且大都是人工操作，劳动强度大。具体情况如下：

1）干（潮）喷回弹率较高，造成原料浪费。

2）干（潮）喷混凝土质量不易控制。混凝土的配比不准确，特别是混凝土的水灰比带有随意性。

3）含量过高的粉尘严重损害矿工的身体健康。一方面，由于干（潮）喷工艺采用转子活塞型喷射机与高压风送料，搅拌和输送过程中的跑风漏风在所难免，使机旁粉尘飞扬达到呼吸粉尘21．7 mg/m3、全尘102 mg/m3，另一方面，过高的回弹率也使施工现场的空气中充满粉尘。

目前，干（潮）喷工艺在隧道施工中已被禁止使用，可以预见煤矿巷道施工也会用湿式喷射混凝土技术取代干（潮）喷工艺。在隧道施工中，采用湿喷机、喷浆机械手和混凝土，实现了喷浆作业的机械化。但由于煤矿巷道断面小，还存在防爆问题，给喷浆设备的研制带来很大难度。目前，没有完全适合煤矿使用的湿式喷浆设备。这也是煤矿仍采用干（潮）喷工艺的原因之一。

当前煤矿井下喷锚支护正在探索使用机械手操作喷枪的湿式喷浆作业形式，和干（潮）喷工艺比较该种作业方式有如下优点：1）混凝土质量易控制。2）回弹率较低。湿喷的混凝土质量好，速凝剂量可控，回弹率较低。3）基本消除了机旁粉尘。4）采用机械手代替人工操作喷枪，可降低劳动强度。因此，研制上述湿式喷浆作业形式的成套设备成为煤矿井下喷锚支护发展的必然趋势。

2 国内外喷浆设备的发展趋势

1）喷浆机向着小型、轻便、高效、一机多用方向发展，这样可以使操作省力、移动方便。

2）湿式喷射因其明显的优点而得到各国的重视，很多国家已研制出多种湿喷机。

3）目前，国内外都很重视配套设备的研究，因为机组的使用改善了工作条件，简化了工序、提高了效率。

3 湿喷作业总体设计思路及方案

针对目前煤矿混凝土喷浆的现状和现场施工情

况，确定湿喷作业的总体设计方案如下：

工作原理及性能：湿式喷浆工艺为混凝土干混料按照配比调好后，通过上料装置倒入搅拌桶，按照一定的水灰比加水搅拌均匀，变成喷浆要求的湿式混凝土，倒入泵送机料斗中，通过输送管泵送到喷浆机湿喷泵料斗，经过二次搅拌泵送至机械手喷嘴处，利用带速凝剂的压缩空气把湿式混凝土喷到本喷面，完成湿式喷浆作业。湿喷混凝土水灰比应准确控制、拌合及充分水化，速凝剂按比例计量添加。一次喷层厚度比干（潮）喷大幅度提高，减少了达到设计喷层厚度的次数，简化了工序，提高了施工速度。

喷浆机混凝土的喷浆量以6 m3/h作为原始设计依据，确定各自的技术参数，机械手和湿喷机集合为一体，且能自由行走。设备采用全液压驱动和控制。喷浆机机械手自动完成混凝土的喷射工作。混凝土搅拌站以泵送能力8 m3/h作为设计依据确定各机构的设计参数，采用全液压驱动和控制，搅拌站集上料装置、搅拌机构、泵送机构于履带底盘上，可实现自由行走，该站能实现混凝土的上料、搅拌、输送功能。

湿喷作业工艺流程：上料→搅拌泵料→湿喷泵料→机械手喷浆→行走。

1）上料。人工从矿车中把沙石和水泥装入配料斗中，配料斗体积按一袋水泥所配混凝土的量设计，保证配比准确。然后，在配料斗提升缸的驱动下，上升到一定高度后，自动倒入搅拌罐中。混凝土的水灰比0．45～0．6。

2）搅拌泵料。搅拌机为单卧轴式，由液压马达驱动，搅拌罐容积为400 L，搅拌一罐时间为40 s，搅拌完成后，在搅拌罐翻转缸的驱动下，翻转倒入料斗中。然后由泵送机构压入管道，送到喷浆机的湿喷机料斗中。

3）湿喷泵料。湿喷机采用双液压缸驱动，分配阀采用S管式，控制采用液控。最大出口压力6 MPa，理论排量为0～6 m3/h可调，配备液体速凝剂计量泵。通过管路把搅拌好的混凝土输送到机械手的喷嘴处。

4）机械手喷浆作业。机械手具有6个运动关节，各关节采用手动控制。作业时，往复马达通过齿轮齿条机构实现机械手往复运动，行程1 500 mm；大臂摆动缸通过大臂折叠连杆驱动大臂回转座绕和往复臂的铰轴摆动，可使大臂折叠缩小运输长度；大臂和大臂回转座铰接，在大臂仰俯缸的驱动下做仰俯运动，伸缩臂和大臂采用滑动副，由伸缩马达通过齿轮齿条机构驱动伸缩臂在大臂内作往复运动，行程1 200 mm；喷枪转动装置和伸缩臂法兰连接，该装置的输出轴可使喷枪绕大臂轴线转动；喷枪摆动架和喷枪转动装置的输出轴通过平键固定连接并和喷枪刷动装置铰接，在喷枪摆动缸的驱动下，喷枪刷动装置绕铰轴摆动；喷枪固定在喷枪刷动装置的刷动架上，在喷枪刷动装置的驱动下做圆锥转动；通过上述运动的组合，可使喷枪移动到5 m×5 m断面巷道的任何喷浆位置。在喷枪上设有混流器，在混流器中，带有速凝剂的压缩空气和混凝土混合，通过喷嘴加速后喷到被喷面上。

在运输时，大臂前端可折叠，且大臂可绕大臂摆动轴转动到和大臂伸缩缸平行位置，保证机械手在运输时的安全。行走机构为履带行走部，液压马达驱动。

5）整机行走。喷浆机和搅拌站行走机构为履带底盘式行走部，由液压马达驱动。

机械臂式湿式喷浆机示意图见图1，混凝土搅拌站示意图见图2。

4 机械臂式湿式喷浆机成套设备性能及特点

1）配置了KJ403-F型PLC监控系统，实现了喷浆机的PLC监测、监控。主要功能包括：远程联机语音通话；联机启动；故障手动急停；对齿轮箱、油箱、电机、冷却器等关键部件进行即时温度监控、超温语音报警、自动停机。

2）行走控制阀实现了脚踏式控制，操作简单、方便、快捷。

3）喷头使用不锈钢材质，提高了喷头强度和内筒耐磨性，延长了喷头使用寿命；喷头连接方式使用快速扣接，拆卸时间明显缩短，使清洗更方便、快捷。

4）设计有喷浆机操作人员防护装置，防止作业时巷道顶板碎石掉落伤人，保障了操作人员安全。

5）随动照明灯为矿用隔爆型LED绿色照明机车灯，照明强度高，无故障照明时间长达50 000 h，该灯有节能降耗特点。

6）喷浆机料斗增加振动筛，经二次筛选，防止15 mm以上大颗粒混料进入料斗，减少了管路堵塞，降低了检修工人劳动强度。

图1 湿式喷浆机示意图

图2 混凝土搅拌站示意图

5 推广及应用

2010年，该喷浆机在晋煤集团赵庄矿13013北二回风巷进行了试验。巷道基本情况：试验巷道断面高5 m，宽6 m，全部用钢网铺设，再用9 m长锚索固定网片，要求进行混凝土锚喷支护加固。试验期间共喷浆1 000多m，并对喷浆砼块进行了抗压试验，凝土配方强度检验，达到C20标准（照标准方法制作养护的立方体试件抗压强度20 MPa）。喷帮试验厚度可以一次达到150 mm；顶部喷浆试验厚度一次可达到50～70 mm。喷浆机行走速度2 km/h，湿喷比干（潮）喷降低10%～20%回弹。湿喷粉尘浓度较潮喷大幅度降低，机旁几乎没有粉尘。试验取得了较好效果。

湿喷技术及其成套设备的应用，不仅使喷射混凝土质量提高、回弹率降低、强度提高、施工速度加快，而且使粉尘浓度大幅降低，基本消除了机旁粉尘，保护了员工身体健康，降低了劳动强度。试验中也发现存在以下问题，如混凝土输送距离较长，作业结束时输送管路中的混凝土与水无法准确判断，造成输送管路混凝土残留过多，造成浪费，还容易堵管。料斗提升系统整体尺寸过大，高度过高，离地间隙过小，还需要进一步研制小型化、简单化系列产品，以满足不同巷道断面使用要求。

Development and Usage on Wet Shotcrete Complete Equipment for Underground Coal Mine

Yang Ping-li，Zhao Guang-ming

By comparing two kinds of surface shotereting process in bolting support of the current coal mine underground roadway，namely dry spray process and wet shotcrete technology，introduces the advantages of wet shotereting process，characteristics and implementation plan，and analyses characteristics，use conditions，development route and other of wet shotcrete complete equipment，summarizes the actual use effect and development experience，points out insufficient and defect of the existing equipment in use process，and provides the specific solutions，suggestions and related technical data，can provide reference for the development，improvement and promotion use of wet shotcrete complete equipment in future．

Wet shotcrete；Roadway support；Concrete

TD4

B

1672-0652（2013）05-0044-03

2013-02-06

杨平丽（1971—），女，山西晋城人，1994年毕业于太原理工大学，工程师，主要从事矿山机械工作（E-mail）czscfwzxypl＠jccoal．com