连续喷射式薄喷机具与工业试验的应用

　　为验证新型薄喷机在矿井施工环境中的适应性问题，对薄喷粉体喷射机的工作原理、主要结构进行设计和计算，并选定平煤二矿典型巷道对新型设备的喷射特性与施工效果进行工业试验验证。现场试验结果表明，新型喷射机不仅关键特性优良，而且可对巷道岩面进行快速有效封闭施工，改进后的新设备提高了薄喷工艺的施工效率与封闭效果。

　　［关键词］薄喷技术；设计；连续喷射；工业试验

　　薄喷技术是煤矿井巷支护和封闭的新工艺［1-2］。薄喷材料固化成膜性好，具有较大的抗拉强度和较好的弹性变形特性等优点［3-4］，在煤矿井巷薄喷支护和封闭具有较好的应用效果。在使用旧式封闭罐式喷射设备工作过程中，输送粉体物料的稳定性不佳。当罐中粉料多时，输送物料量偏多；在粉料少时，输送料量偏少。每次装料时必须停机、停气；设备效率低，难以满足大量材料施工与连续喷射要求。由于薄喷材料为粉状，喷射施工时设备要求出料连续、稳定，可靠的喷射机具对材料成膜质量的影响较大［5］。为解决薄喷以上问题，针对连续式粉体喷射设备关键混合器结构进行重新设计，并对实际喷射支护效果进行工业性试验验证。

　　1薄喷机具设计

　　薄喷机主机结构如图1所示。该设备主要由底盘、支撑架、驱动部、联轴器、料斗、螺杆、闸阀、混合器等组成，主要利用混合器进行粉体材料的喷射和输送，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，以及雾化水和粉体逆向、均匀混合技术。（1）混合器。混合器利用文丘里管进行物料的喷射和输送。采用射流的原理，由喷出流体的无规则流动，撞击射流两侧的静止空气（及粉体材料），并带动它们一起向前运动，所以射流本身就具有形成负压抽吸作用。混合器利用此原理，运用压缩空气混合和喷射粉体物料。混合器主要包括喷嘴、下料管和混合管，结构如图2所示。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［6-7］。喷嘴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。（2）螺旋轴。为了防止料斗内粉体物料拱料，影响物料的输送的连续，设计有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，使下料管保持满状态。为了验证螺旋轴输送的效果，设计2种结构，一种等螺距，一种变螺距，如图3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。试验证明变螺距的螺旋轴输送效果好，粉料输送密实，同时螺旋轴可以起到明显的破拱作用。（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，一是控制气路系统和物料系统的连通和分离；二是防止开始时压气不稳定造成料斗返气。在前端喷枪等出现突发状况时可快速将物料关闭，保障料斗内不返气。（4）喷枪。喷枪对水和粉料的混合效果影响较大，区别于常见的喷射混凝土喷枪，新喷枪的结构采用水和物料的逆向混合技术，整体进行轻量化设计。喷嘴结构采用成品锥形雾化喷嘴，可依据供水的压力变化调节水的喷射量，防止水体流量急增急减。为了减轻喷枪重量，进行了轻量化的设计。喷枪采用尼龙材质，不仅结构强度大而且重量轻，人工可轻松操作，同时不易生锈、方便清理。喷枪结构如图4所示。（5）驱动部分。在地面试验时，采用电机连接减速器驱动螺旋轴。电机配套变频控制器调节电机的转速，检验螺旋轴的输送效果。为了保持设备动力的单一性和井下应用的方便，下井样机采用气动马达连接减速器驱动螺旋轴。全气动喷射设备，无须采用电气开关、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薄喷机具的工业试验

　　2.1试验条件

　　选定平煤二矿庚组下部某巷道作为工业试验地点，巷道为半煤岩巷开拓，设计为梯形断面，巷宽5.4m、中高3.1m，断面面积16.7m2，其中煤层平均厚度约1.94m。首先启动供风与供水系统，然后启动自动搅拌设备，按比例将粉料和水进行混合，搅拌均匀后将浆料置于螺旋挤压泵料仓中即可开始开机进行喷浆操作，并在操作中对以下关键参数进行测算。

　　2.2设备关键部件性能检验

　　2.2.1混合器选型与输送能力测试为验证混合器技术和结构设计的可靠性，对混合器进行了样件试验。试验过程中分别设计和加工了准38mm、准50mm2种规格胶管配套的混合器，以便比较选择。不同管径的工作能力对比如表1所示。均达到12m/d以上，且喷射施工时几乎无粉尘，正常工作时无噪音，表明喷射器其设计尺寸和结构均满足实际施工需求。2.2.2连续式喷射机关键技术指标测算（1）喷射能力。在工业试验中，薄喷机单次上料在30～60kg，每次搅拌约需要5min，喷射施工持续15～20min，喷射能力实测>450kg/h，单次最大可喷涂面积100m2/h，送料连续、均匀，达到技术指标。（2）输送性能。试验管路采用不同长度的防爆管，喷浆设备额定工作压力（风压）在0.5MPa以下，实测输送距离与压降的关系如图5所示。实测可得，物料在输送距离为3m时压力降为0.4MPa，在5m时压力为0.3MPa，压降随距离变化其损失基本不变，压力值可满足物料的喷射需求。（3）施工速度。喷射过程快速、稳定，可完成1~2m2/mm的喷涂施工，按照现有断面面积测算，进尺时间约在20min/m，按照每班正常施工7h计算，每班的进尺约为21m。2.2.3喷射工艺参数测算（1）喷射厚度。按照10m/min的速度匀速平移，并辅之以顺时针或逆时针缓慢绕动，可保证喷射的厚度与均匀性，可获得较均匀的喷射厚度。利用埋点法进行实测，堆积厚度在3~5mm。（2）粉尘浓度。试验中测试的速喷薄衬材料为浆体，喷射施工中粉尘浓度<10mg/m3，达到了计划指标，作业场所环境得到了良好的保护。（3）回弹率。速喷薄衬材料在喷涂作业过程基本无回弹，即使在顶板施工中也几乎无滴落现象，回弹率≤1%，达到了计划指标。

　　2.3机具施工效果考察

　　由喷射效果可以看出，喷出浆体能够在煤体表面及金属支护物上形成致密包覆层，有效隔绝空气与潮湿淋水。表明采用连续式薄喷机进行薄喷支护封闭后，隔绝了巷道壁面的水体溢出，使巷道金属支护构件得到了有效的封闭和保护。此次工业性试验验证了连续式喷射机与薄喷支护工艺，其生产能力与适用性符合煤矿井下特定的使用条件。新型速喷一体机集成了制浆和喷浆功能于一身，通过速喷材料井上预制并混合，真正实现了湿喷操作，确保了速喷材料的质量稳定和均一，避免了拌料的粉尘污染并减少井下施工的工作强度，拌料系统的生产速度显著高于输送喷浆速度，保证了喷浆施工的持续与稳定。

　　3结论

　　（1）针对现有薄喷设备难以满足材料施工量大与喷射不连续的问题，对薄喷粉体喷射机关键结构，包含螺旋轴、气路系统与喷枪进行了重新设计，得到了一种物料可连续输送并施工的新型薄喷施工机具。（2）工业性试验数据表明，新型喷射机施工速度快、喷射质量优良，符合平煤二矿井下施工要求，新设备的施工特性和喷射效果得到了充分认可，可进行接下来的推广使用。

　　［参考文献］

　　［1］张少波.煤矿薄喷技术的理论与实践［J］.能源技术与管理，2016（增刊1）:17-22.

　　［2］张少波，吴建生，闫坤，等.煤矿巷道薄喷支护技术研究［J］.煤矿支护，2011（4）:8-14.

　　［3］吴建生.薄喷封闭技术在避难硐室瓦斯治理中的应用［J］.能源技术与管理，2016，41（6）:15-17.

　　［4］刘凤文,张少波,吴建生.薄喷支护技术在东欢坨矿的试验研究［J］.煤矿爆破，2018（1）:6-9.

　　［5］王强，李国义.湿式薄喷技术及应用［J］.科技风，2014，（16）:61.

　　［6］吴健伟.粉煤灰气力输送喷射器的设计与应用［J］.应用能源技术，2010（10）:40-42.

　　［7］魏同成.混合器与文丘里管的设计［J］.化工设计，1993（6）:23-27.

　　作者：孙海良 董辉辉 吴建生