煤矿巷道长距离集中喷浆关键设备及工艺的研究与应用

李 博，詹东阳，颜威合，刘欢欢

(河南省煤炭科学研究院有限公司，河南 郑州 450001)

自20世纪50年代奥地利学者Rabcewicz教授创立了以最大限度发挥岩石自支撑能力为理论基础的新奥法以来，混凝土喷射技术得到了飞速发展。纵观当今世界的混凝土喷射，喷浆的管路输送方式不外乎分为2种：①依靠压风的稀薄流输送；②依靠较高外部压力实现在管道内的稠密流输送后，在末端通过压风喷射出去。迫于井下空间限制，大型湿喷设备无法使用，目前普遍使用的仍然是转子式混凝土喷射机。这种方式的输送主要靠压风形成的稀薄流输送，输送距离一般不超过100 m。超过100 m时会出现堵管频繁，喷射脉冲大、喷射回弹增大等现象[1-3]。但到目前为止，仅有部分煤矿根据自身需要对长距离喷浆做了少量尝试，尚缺乏有力的理论及技术支撑。这一方面需要研究的内容还有很多，比如风压、风量与输送距离的理论关系，输送量对输送距离的影响，干拌混凝土密度对输送距离的影响，输送管路直径对风压、风量、输送距离的影响，管路弯曲对输送距离影响的定量分析等，很多还需要在实践中不断探索。由于这些问题目前国内外尚无成熟的研究成果可以借鉴，因此开展长距离无轨道运输系统巷道集中喷浆工艺相关研究，具有重要的研究意义和推广价值。

1 长距离喷浆的影响因素

喷浆支护过程中对输送距离的影响因素见表1。

表1 输送距离的影响因素

根据表1可知，要实现喷浆时的长距离输送，应从5个方面采取措施：①根据喷浆时的输送距离，对单位时间内的喷浆量进行调整，单位时间内的喷浆量越低，输送距离越远。②输送管路用钢管或内径摩擦阻力小的其他管路代替普通橡胶软管，以降低输送管道摩擦阻力。③在符合潮喷要求(水灰比在0.2～0.4)的前提下，尽可能降低喷浆料及压风中的含水率，重点是降低喷浆原料中砂子的含水率。④在安全气压(0～0.8 MPa)范围内，尽量保证较高的气压。鉴于长距离输送、气压消耗较大，在输送中间段，向输送管道内补充压风。但充足的气量是保证气压的前提。⑤输送距离越长，气流速度越高，气压越低。气流速度太高时，会造成脉冲增大，喷浆手不易操作，同时也会加大喷射回弹。另一方面，若气压不足或流量不足时，长距离输送会导致堵管。同时导致喷头出口混凝土料速度过低，导致喷射面致密度减小。因此，集中喷浆时的输送距离应该有一个合理范围。

2 长距离喷浆工艺系统

长距离喷浆工艺系统主要由压风净化器、上料机、专用喷浆机、输送软管、输送钢管、压风加压装置等组成，如图1所示。

图1 喷浆方案示意

(1)压风净化器。作用是：①降低压风的含水率；②去除压风长距离输送时形成的锈泥、金属粉末、橡胶细末等杂质。布置于喷浆机进风管路前端。

(2)上料机。采用螺旋搅拌上料机，螺旋叶片通过特殊处理，耐磨且防止黏结。将砂石料和水泥按比例混合、搅拌后送至专用喷浆机。降低作业人员劳动强度的同时，提高砂石料与水泥拌合的均匀性。

(3)专用喷浆机。研制适用于巷道修复、适合长距离输送的专用喷浆机，喷射能力适当，结构更加紧凑，体积小，质量轻，方便井下移动。设计生产能力为4～5 m3/h，具有减小喷浆粉尘排放的除尘功能，并配备喷浆下料量调节装置。如图2所示，通过调整料斗座外的螺栓，来调节调节板与转子体下料孔之间的开合程度，实现对单位时间喷浆量的无级调节，以适应长距离输送时对喷浆量的调节要求。

图2 喷浆下料量调节装置

(4)压风加压装置。采用文丘里原理，喷浆输送距离达到100 m左右时，可以在2根输送钢管之间布置压风加压装置，向喷浆输送管路中补充压风，延长喷浆输送距离。压风加压装置如图3所示。

图3 压风加压装置

3 实施过程及有关参数的测定

现场试验施工工艺如图4所示。

图4 现场试验施工工艺

3.1 测试数据及分析

3.1.1 综合测试情况

生产能力、耗风量与喷射距离的关系如图5、图6所示。由图5、图6可知，随着喷射距离增加，耗风量逐渐增大，而生产能力逐步下降。综合来说，同等条件下，下山喷浆生产能力>平巷喷浆生产能力>上山喷浆生产能力，上山喷浆耗风量>平巷喷浆耗风量>下山喷浆耗风量。喷浆过程中，两端采用普通喷砂管，中间采用DN50钢管，上下山的坡度为17°45′。

图6 耗风量与喷射距离的关系

3.1.2 回弹率的测定

回弹率与喷射距离的关系如图7所示，拱顶喷浆时的回弹率明显高于巷帮。回弹率与很多因素有关，特别是砂石干湿程度、料流的速度大小和稳定性、风压、速凝剂的添加比例以及喷射手的熟练程度、喷射距离远近、射流角度等关系密切，掌握得当能够有效降低回弹率。

图7 回弹率与喷射距离的关系

3.2 喷层强度的测定

喷层强度主要取决于原材料的质量和配比，但也与风压、机器的自身结构和正确使用有关。在试验巷道中，设计混凝土强度等级为C20，选用复合硅酸盐水泥，黄沙(中细度模数3.0～2.6)，粒径20 mm以内碎石，配合比约为1∶2∶2。螺旋上料机连续、均匀供料保证了水泥与砂石料配比的准确性，同时采用高压风进行搅拌，使得搅拌一致性好、料流稳定、料速适中。喷射时可根据喷射效果适当调整速凝剂的添加量，从而从多方面保证喷层均匀、平整，巷道成型良好，工程质量高，而且还可以在保证喷层强度基础上尽可能降低粉尘污染。在巷道喷浆过程中，制作试样36块(12种工况，每种工况3个)，标准养护后，进行了28 d龄期的强度值测试，测定平均强度值为20.8 MPa，表明混凝土参数设计的合理性和喷浆机组的可靠性。综合来看，喷浆要实现长距离输送必须有一定的风压和风量，对喷浆机的密封提出了更高的要求。该项目在制定合理工艺和研制科学的喷浆设备的前提下，现场粉尘大幅降低，回弹率明显降低，喷射面强度有所提高，较好地保证了喷射混凝土支护效果。

4 结语

本文研究的是长距离喷浆。理论上，当输送量足够小时，输送距离可以达到很长，甚至可以到千米以上，但输送量太小时，效率很低，喷浆时间大幅增加，在实际的喷射作业时意义不大。为适应现场实际生产需求，经过试验，确定了长距离喷浆相关技术工艺参数，建议上山喷浆输送距离为200 m以内，生产能力在3.5 m3/h以上；平巷喷浆输送距离为240 m以内，生产能力在4.0 m3/h以上；下山喷浆输送距离300 m以内，生产能力为3.7 m3/h以上。长距离喷浆设备和工艺的应用，将作业现场粉尘浓度降低到10 mg/m3以下，有效保护了作业人员的身心健康，降低了工人的劳动强度，提高了喷射面质量，对煤矿井下一些老、旧、变形严重或地质条件复杂，设备和原材料不易运输的巷道，结合锚杆、锚网等形成完整的支护体系，实现快速支护，防止巷道片帮、冒顶等大变形现象，消除或减少灾害隐患，对煤矿的安全生产至关重要。