全機械化超長距離高效噴漿作業(yè)線工藝技術(shù)研究與應(yīng)用

鄭文昊，劉國棟

全機械化超長距離高效噴漿作業(yè)線工藝技術(shù)研究與應(yīng)用

鄭文昊，劉國棟

（兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號煤礦，山東 濟(jì)寧市 273500）

針對濟(jì)寧三號煤礦掘進(jìn)施工速度快、噴漿支護(hù)不及時、支護(hù)強度低和服務(wù)年限短等問題，根據(jù)煤礦錨噴作業(yè)的特點，采用現(xiàn)場調(diào)研、理論分析和實驗測試等多種手段相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究了全機械化超長距離高效噴漿作業(yè)線工藝技術(shù)，并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。結(jié)果表明：全機械化超長距離高效噴漿作業(yè)線工藝技術(shù)能夠使得勞動效率大幅提高，混凝土噴射質(zhì)量顯著增強，巷道支護(hù)和后期維護(hù)成本減少，粉塵降低，噴漿距離增大，且有利于礦工職業(yè)安全健康，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，對類似礦山具有一定的參考價值和意義。

超長距離；機械化；噴漿作業(yè)線；機械手

濟(jì)寧三號煤礦的大部分開拓巷道沿煤層布置，巷道支護(hù)均采用先錨網(wǎng)（索）掘進(jìn)，再集中進(jìn)行噴漿作業(yè)[1]。但現(xiàn)有施工的開挖速度快，噴漿支護(hù)不及時，導(dǎo)致支護(hù)強度較低，特別是回風(fēng)巷內(nèi)空氣濕度大，金屬網(wǎng)嚴(yán)重腐蝕，經(jīng)常發(fā)生片幫和漏頂?shù)默F(xiàn)象，使得維護(hù)成本非常高[2]。此外，施工巷道斷面大，噴漿作業(yè)不及時，礦井的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化形象差，水平低，噴漿任務(wù)繁重。因此，急需研究一種適用于濟(jì)寧三號煤礦特點的機械化高效噴漿作業(yè)線工藝技術(shù)。

本文在前人的相關(guān)設(shè)備選型和有關(guān)研究的基礎(chǔ)上[3-4]，考慮濟(jì)寧三號煤礦的特點，研發(fā)了適用于濟(jì)寧三號煤礦的全機械化超長距離高效噴漿作業(yè)線，對高效噴射混凝土力學(xué)性能、回彈率和高效噴漿粉塵濃度進(jìn)行了測量和分析，并根據(jù)研究結(jié)果成功進(jìn)行了現(xiàn)場工程應(yīng)用。

1 全機械化超長距離高效噴漿工藝流程

經(jīng)多次調(diào)研和自主開發(fā)，確定了適合于濟(jì)寧三號煤礦超長距離巷道高效噴漿全機械化作業(yè)工藝流程。

1.1 機械化作業(yè)線

1.1.1 PJS-60礦用噴漿機械手

在施工過程中，一般采用人工噴漿作業(yè)，此工藝的要求高，勞動強度大，危險性高。因此，研發(fā)了混凝土噴漿機械手，輔助混凝土軟管升降，擺動和旋轉(zhuǎn)，通過噴嘴提升、旋轉(zhuǎn)、傾斜等提高噴漿效率，改變噴射范圍，滿足最佳噴漿的工藝要求，解決了勞動效率低下的問題。礦用噴漿機械手由5個系統(tǒng)組成，分別為行走系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、動力裝置和電力系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點：

（1）噴射角度大，噴射范圍廣，可實現(xiàn)水平面360°旋轉(zhuǎn)，垂直表面±60°擺動，噴頭成本和人工成本顯著降低；

（2）動作平穩(wěn)，操作靈活，升降氣缸可實現(xiàn)360°擺動，操作者通過推拉前后擺動調(diào)整噴漿距離，左右擺動在小區(qū)域內(nèi)調(diào)整噴漿范圍；

（3）最大工作高度約為6700 mm，最大工作寬度約為8300 mm，運行狀態(tài)外形尺寸（長×寬×高）為3400 mm×2200 mm×2100 mm?？蛇m用于15~50 m2的巷道斷面；

（4）設(shè)備具備行走功能，履帶行走速度約15 m/min；

（5）機械自動化作業(yè)，噴射均勻，回彈和產(chǎn)塵量極少。

1.1.2 PYC6Z型液壓轉(zhuǎn)子式混凝土噴射機

PYC6Z型液壓轉(zhuǎn)子式混凝土噴射機采用全液壓驅(qū)動模式，主要由行走設(shè)備、料斗、錐形供給裝置，噴射系統(tǒng)、液壓泵站、氣動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)組成，設(shè)備的所有部件都固定在行走的設(shè)備上。行走裝置包括履帶底盤和底板焊接。噴射系統(tǒng)主要包括氣室，葉輪、減速器和電動機。錐形進(jìn)料器和料斗固定在氣室中，并且材料通過錐形進(jìn)料器的定量錐形轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)供應(yīng)到氣室，相應(yīng)的液壓泵站和控制系統(tǒng)通過手動控制提供必要的液壓。

1.1.3 SYD400-8.9煤礦用帶式上料機

礦用帶式上料機工作前，下翻轉(zhuǎn)油缸并抬起主機架，離地后擺放過渡踏板，使設(shè)備處于工作準(zhǔn)備狀態(tài)；然后，設(shè)備工作時，根據(jù)施工需要存儲料倉可一次卸入多車噴漿料；其次，當(dāng)設(shè)備處于非工作或有過車時，將所有翻斗向上翻起；最后，當(dāng)設(shè)備需要轉(zhuǎn)運時，抬離過渡踏板，將主框架和裝置一體地支撐在行走裝置上，使得該裝置處于等待和行走的狀態(tài)。

1.1.4 噴漿機械化作業(yè)線工藝設(shè)計

為提高工作效率，濟(jì)寧三號煤礦在井下設(shè)置了砂、石、水泥料倉，料倉下口安裝混凝土定量配比攪拌裝載系統(tǒng)，運料流程為：首先在井下配料裝載站進(jìn)行精準(zhǔn)的原料自動化配制，然后將拌勻的噴漿料用膠輪自卸車運至料倉內(nèi)。在操作過程中，儲存容器中的噴漿料均勻連續(xù)地輸送到噴漿機的料斗中，并使用礦用噴漿機械手進(jìn)行自動噴射。

1.1.5 噴漿材料的制備技術(shù)及工藝

為保證噴漿材料的工作性要求，所用的材料必須符合國家標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定。因此，水泥選用魯珠PO42.5水泥；粗骨料選擇了連續(xù)級配、粒形良好的5~10 mm碎石，試驗測得其表觀密度為2700 kg/m3；細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.8的中砂，其表觀密度為2650 kg/m3，堆積密度為1500 kg/m3；根據(jù)質(zhì)量聯(lián)立各組分摻量，確定集中攪拌噴射混凝土設(shè)計配比為：水泥?石子?砂子=1?2?2。

1.2 高效機械化噴射混凝土作業(yè)的基本工藝參數(shù)

通過對影響噴漿混凝土技術(shù)使用效果的因素分析，確定影響噴射質(zhì)量的主要因素為噴射速度與風(fēng)壓、噴射距離、噴射角度及噴射厚度，得到了噴漿混凝土噴射的基本工藝參數(shù)：噴射風(fēng)壓為0.45 MPa，噴射距離為1.5 m，噴射角度為80°~90°之間，噴射厚度為100 mm；結(jié)合煤礦巷道噴漿混凝土技術(shù)特點和目前礦用噴射混凝土工藝的作業(yè)要求，建立噴漿混凝土作業(yè)的全套作業(yè)規(guī)范。

2 結(jié)果及其分析

2.1 井下高效噴漿力學(xué)性能測定與分析

根據(jù)噴漿材料的制備技術(shù)及工藝的要求和配比，制作立方體抗壓強度試件，尺寸為150 mm× 150 mm×150 mm，根據(jù)拌合料保存時間和砂子含水率的不同分組，每組3塊，養(yǎng)護(hù)28 d進(jìn)行抗壓強度試驗[5-7]。

表1為不同養(yǎng)護(hù)天數(shù)下，混凝土立方體試件的抗壓強度?？梢钥闯?，該配合比下的混凝土28 d平均抗壓強度達(dá)到了28.2 MPa，滿足C20混凝土的配比設(shè)計強度，由于實驗室測定過程中沒有添加液體速凝劑，因此1 d強度小于5 MPa，在井下現(xiàn)場制作添加速凝劑的混凝土混合料試件，并在井下自然養(yǎng)護(hù)，最終測得1 d抗壓強度為7 MPa以上，28 d抗壓強度達(dá)到23 MPa，均符合規(guī)范要求。

表1 不同養(yǎng)護(hù)天數(shù)下混凝土立方體試件的抗壓強度

2.2 回彈率測定與分析

噴射混凝土的回彈率測定是其工作性能的重要檢測指標(biāo)，《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定噴射混凝土的回彈率應(yīng)小于20%。

在濟(jì)寧三號煤礦六采西部膠帶巷進(jìn)行了多組回彈率測定，井下風(fēng)壓0.45 MPa，噴射距離1.5 m，由于現(xiàn)場平均噴層厚度為100 mm，測定選擇取樣100 mm，經(jīng)測定噴射100 mm深度，平均噴射時間20 s，回彈數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可以看出，混凝土噴射系統(tǒng)的噴幫回彈率為11.4%，平均回彈率為10.5%。

表2 回彈率測定結(jié)果統(tǒng)計表

圖1表明：當(dāng)5~10 mm的塑性砂漿基層形成后，粗顆粒就開始粘結(jié)在漿層上，回彈就會減少。對噴射后的測試盒中的混凝土取樣，進(jìn)行分析可以看到50 mm處有一個較為明顯的分界，0~50 mm的混凝土材料內(nèi)粗骨料顆粒較少，隨著厚度的增加，在50~ 100 mm深度的混凝土體中，粗骨料顯著增加。隨著灰漿層逐漸變厚，砂漿層起到一種緩沖襯墊作用，并在隨后的噴射中開始吸收裹有水泥漿的骨料顆粒；當(dāng)噴射厚度為50 mm時，回彈基本穩(wěn)定。

圖1 噴射體剖面

2.3 井下高效噴漿粉塵濃度測量與分析

根據(jù)《錨桿噴射混凝土支護(hù)》的規(guī)定，粉塵測定采用濾膜稱重法，測定時的測點位置、取樣數(shù)量見表3。

表3 測定粉塵濃度的測點分布表

圖2為粉塵濃度測定圖。由圖2可以看出，無論是填料處、攪拌處，還是噴頭處，各工序粉塵的濃度均明顯降低，攪拌上料處尤為明顯，噴頭處仍可清晰觀察到受噴面的噴射情況。高效噴射混凝土工藝條件下，其主要的產(chǎn)塵地點為噴射作業(yè)區(qū)，即噴槍手所在區(qū)域，與干式噴射混凝土工藝相比，該區(qū)域最高，全塵濃度和呼塵濃度分別為18.79 mg/m3和9.16 mg/m3，在攪拌、上料等工序作業(yè)區(qū)，粉塵濃度相對較低。綜合來看，噴射工藝各工序的全塵濃度最高質(zhì)基本接近國家標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍。通過數(shù)據(jù)對比可以看出，采用此混凝土噴射工藝很大程度上改善了職工的施工環(huán)境，保障了職工的身體健康。

圖2 粉塵濃度測定

3 現(xiàn)場應(yīng)用

為了準(zhǔn)確確定噴射混凝土操作全工序的人員分配及時間分配，對各施工工序的時間進(jìn)行了統(tǒng)計，根據(jù)多個班次的現(xiàn)場實際測定和統(tǒng)計分析，高效噴漿機械化作業(yè)線上料工作強度的大大降低，在進(jìn)行高效噴漿作業(yè)線上料作業(yè)時，每班減少作業(yè)人數(shù)3~4人，平均每班次噴漿約6車預(yù)拌料，平均1.5 h噴漿2車，噴漿實際施工中需求人數(shù)為噴漿手1人，輔助照燈1人，上料2~3人即可滿足連續(xù)生產(chǎn)需求，實現(xiàn)了提高勞動效率1.5倍的技術(shù)目標(biāo)。

相比傳統(tǒng)干噴工藝，高效噴漿線改善和提高了混凝土的注入質(zhì)量，大大降低了巷道支撐和后期??維護(hù)的成本，每年砂漿材料成本可節(jié)省90多萬元。此外，井下高效噴射混凝土和機械化作業(yè)顯著降低了工作面上的粉塵濃度，改善了工作面工作環(huán)境，降低了各種機電設(shè)備的粉塵腐蝕速率，延長了使用壽命，減少了維護(hù)成本，提高了礦工的安全和健康水平，可為企業(yè)節(jié)約礦工個體防護(hù)、防塵管理和技術(shù)專項資金。

4 結(jié) 論

（1）建立了適合濟(jì)寧三號煤礦的由PJS-60礦用噴漿機械手、PYC6Z型液壓轉(zhuǎn)子式混凝土噴射機、SYD400-8.9煤礦用帶式上料機組成的煤礦巷道高效噴漿機械化作業(yè)線。

（2）混凝土1 d抗壓強度在7 MPa以上，28 d抗壓強度達(dá)到23 MPa，均符合規(guī)范要求。

（3）混凝土噴射系統(tǒng)的噴幫回彈率為11.4%，平均回彈率為10.5%，當(dāng)噴射厚度在50 mm時，回彈基本穩(wěn)定。

（4）最高全塵濃度和呼塵濃度分別為18.79 mg/m3和9.16 mg/m3，在攪拌、上料等工序作業(yè)區(qū)，粉塵濃度相對較低。采用混凝土噴射工藝很大程度上改善了職工的施工環(huán)境，保障了職工的身體健康。

（5）將全機械化超長距離高效噴漿作業(yè)線工藝技術(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，使作業(yè)人數(shù)每班減少3~4人，勞動效率提高1.5倍，砂漿材料費用每年節(jié)約90余萬元，給濟(jì)寧三號煤礦帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，對相似條件的礦井也具有一定的借鑒價值和 意義。

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(2019-01-27)

鄭文昊(1984—)，男，山東棗莊人，助理工程師，主要從事井巷施工研究，Email：1640788367@qq.com。