薄喷粉体快速喷涂装备设计和应用研究

2020-09-02董辉辉吴建生

山东煤炭科技 2020年8期

董辉辉吴建生

（南京科工煤炭科学技术研究有限公司，江苏南京 210018）

随着煤矿快速掘进和巷道锚喷支护矛盾突显，薄喷技术[1-2]取得了快速发展，并成为煤矿井巷支护和封闭的新工艺。薄喷材料施工喷层薄，固化后成膜性好，质地致密，能够与受喷面良好黏结，具有抗拉强度高、延展性好、可弹性变形等优点[3-5]，因此在煤矿井巷薄喷支护和封闭具有较好的应用效果。

南京科工煤炭科学技术研究有限公司开发的薄喷支护新材料为粉状（如图1所示），施工设备出料连续、稳定，能有效保障材料成膜质量。密闭罐式喷射设备（如图2所示）喷涂粉体稳定性差，间歇性施工，装料时须停机、停气，设备无法实现持续施工，工作效率低。密闭罐难以满足大量薄喷材料连续喷射要求[6]。为了解决薄喷施工可靠、快速问题，开展连续式粉体喷射设备的研究，以下对粉体快速喷涂装备进行介绍。

图1 粉体薄喷材料

图2 罐式喷射装备

1 粉体快速喷涂装备

粉体快速喷涂装备由喷射管、螺旋轴、气路系统、驱动部分、底盘、料斗等组成，结构简图如图3所示。设备采用喷射管进行粉料的喷射和输送，运用螺旋轴进行物料的拨送，控制元件进行气路系统的调节和控制以及雾化水均匀混合。

设备的主要技术参数如表1所示。

表1 设备主要技术参数

图3 装备结构简图

1.1 喷射管

喷射管由文丘里管构成，进行物料的喷射和输送。利用射流原理，由喷管喷出的一束流体无规则流动，撞击射流两侧的静止空气及粉体材料，并带动气固两相流一起向前运动，所以射流本身就能形成负压抽吸作用。喷射管利用此原理，运用压缩空气混合并喷射粉体物料。

喷射管主要包括喷嘴、下料管、混合管，结构简图如图4所示。

图4 喷射管结构简图

喷嘴喷射出的高速压缩气体，在下料管处产生负压以抽吸下料管内的粉料，同时气体和粉料在混合管内进行强混合，高速气流携带粉料向前运动。喷嘴带有螺纹，可调节喷嘴口距离混合管的距离，进而调节喷射物料的输送能力。

喷嘴直径相关尺寸的计算[6-7]如下:

式中：

K-绝热系数，1.4。

Pb-吸入室压力，取为大气压；

P0-喷嘴前滞止状态下压力，取为供气压力；

d0-喷嘴直径，mm；

R-常数，R=287。

喷嘴直径设计值与计算值相当或略大，应适当留有一定的余量。喷射器的质量流量Qm与供气压力P0（绝对压力）成比例关系，如果实际应用时输送速度过大，适当降低供气压力即可。

输送消耗空气流量按5m3/min计算，空气密度1.3kg/m3，P0依据煤矿井下压力条件取0.5MPa计算。

求得d0=10.81mm

根据经验及理论分析，在喷嘴实际设计和加工时尺寸修整为12mm。

为了保证设计的正确性，采用solid works软件对喷射管进行模拟喷射分析，结果如图5所示。通过分析，其结构尺寸合理，满足应用需求。

图5 喷射管模拟分析图

1.2 螺旋轴

为防止料斗内粉体物料拱料，影响物料输送的连续和稳定，设计螺旋轴进行辅助送料。通过螺旋轴的旋转使粉料向下料管内移动，使下料管保持满装状态。

为了对比螺旋轴输送的效果，设计两种结构，一种等螺距，一种变螺距，如图6所示。变螺距螺旋轴结构，靠近下料口位置螺距减小，另外一端螺距增大，使粉料在运动过程中速度不断降低，同时使物料被连续挤压输送。

图6 螺旋轴结构简图

试验证明变螺距的螺旋轴输送效果相对更好。在电机进行变频调速控制时，粉料输送至下料管较密实，螺旋轴旋转时又起到破拱作用。

1.3 气路系统

气路系统设有控制和调节元件，根据设定压力自动调节控制阀以调节进气流量。在下料管上端设有控制蝶阀，可以有效保持气路系统和物料系统的完全分离。控制蝶阀的主要作用有两项：一是控制气路系统和物料系统的连通和分离；二是防止开始工作时压气不稳定造成料斗返气问题，在前端喷枪等出现突发状况时可以快速将物料关闭，防止粉尘突发。

1.4 驱动部分

为了提高设备的安全性、便捷性和施工效率，设备采用压气驱动，送料采用气动马达连接减速器驱动螺旋轴。全气动喷射设备，无须配套防爆电气开关、连接电缆等，提高了设备的安全性，同时大大提高了施工效率。

2 试验

为了充分考核设备的工作可靠性，连续式粉体快速喷涂装备在天地王坡煤矿3316回顺1#避难硐室进行了工业性试验。喷射薄喷材料对硐室壁和顶进行快速封闭，以阻止瓦斯快速渗出。

同时在煤巷及半煤巷段进行封闭、防风化、防锈蚀喷涂试验。整个试验过程中，喷涂材料累计约3t，设备的可靠和稳定性得到了充分考验。喷涂较为理想的水灰比约为0.4。试验时根据现场情况设计两层喷浆复合工艺，每层喷浆完成后，间隔1～2d，待原喷层完全干燥后再进行复喷。材料固化后，成膜质量好，表面光滑，密实性好，且附着力强，取得较好的封闭效果（如图7所示）。