薄噴粉體快速噴涂裝備設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究

董輝輝 吳建生

（南京科工煤炭科學(xué)技術(shù)研究有限公司，江蘇 南京 210018）

隨著煤礦快速掘進(jìn)和巷道錨噴支護(hù)矛盾突顯，薄噴技術(shù)[1-2]取得了快速發(fā)展，并成為煤礦井巷支護(hù)和封閉的新工藝。薄噴材料施工噴層薄，固化后成膜性好，質(zhì)地致密，能夠與受噴面良好黏結(jié)，具有抗拉強(qiáng)度高、延展性好、可彈性變形等優(yōu)點(diǎn)[3-5]，因此在煤礦井巷薄噴支護(hù)和封閉具有較好的應(yīng)用效果。

南京科工煤炭科學(xué)技術(shù)研究有限公司開發(fā)的薄噴支護(hù)新材料為粉狀（如圖1所示），施工設(shè)備出料連續(xù)、穩(wěn)定，能有效保障材料成膜質(zhì)量。密閉罐式噴射設(shè)備（如圖2所示）噴涂粉體穩(wěn)定性差，間歇性施工，裝料時(shí)須停機(jī)、停氣，設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)持續(xù)施工，工作效率低。密閉罐難以滿足大量薄噴材料連續(xù)噴射要求[6]。為了解決薄噴施工可靠、快速問題，開展連續(xù)式粉體噴射設(shè)備的研究，以下對(duì)粉體快速噴涂裝備進(jìn)行介紹。

圖1 粉體薄噴材料

圖2 罐式噴射裝備

1 粉體快速噴涂裝備

粉體快速噴涂裝備由噴射管、螺旋軸、氣路系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)部分、底盤、料斗等組成，結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。設(shè)備采用噴射管進(jìn)行粉料的噴射和輸送，運(yùn)用螺旋軸進(jìn)行物料的撥送，控制元件進(jìn)行氣路系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制以及霧化水均勻混合。

設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

圖3 裝備結(jié)構(gòu)簡圖

1.1 噴射管

噴射管由文丘里管構(gòu)成，進(jìn)行物料的噴射和輸送。利用射流原理，由噴管噴出的一束流體無規(guī)則流動(dòng)，撞擊射流兩側(cè)的靜止空氣及粉體材料，并帶動(dòng)氣固兩相流一起向前運(yùn)動(dòng)，所以射流本身就能形成負(fù)壓抽吸作用。噴射管利用此原理，運(yùn)用壓縮空氣混合并噴射粉體物料。

噴射管主要包括噴嘴、下料管、混合管，結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。

圖4 噴射管結(jié)構(gòu)簡圖

噴嘴噴射出的高速壓縮氣體，在下料管處產(chǎn)生負(fù)壓以抽吸下料管內(nèi)的粉料，同時(shí)氣體和粉料在混合管內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)混合，高速氣流攜帶粉料向前運(yùn)動(dòng)。噴嘴帶有螺紋，可調(diào)節(jié)噴嘴口距離混合管的距離，進(jìn)而調(diào)節(jié)噴射物料的輸送能力。

噴嘴直徑相關(guān)尺寸的計(jì)算[6-7]如下:

式中：

K-絕熱系數(shù)，1.4。

Pb-吸入室壓力，取為大氣壓；

P0-噴嘴前滯止?fàn)顟B(tài)下壓力，取為供氣壓力；

d0-噴嘴直徑，mm；

R-常數(shù)，R=287。

噴嘴直徑設(shè)計(jì)值與計(jì)算值相當(dāng)或略大，應(yīng)適當(dāng)留有一定的余量。噴射器的質(zhì)量流量Qm與供氣壓力P0（絕對(duì)壓力）成比例關(guān)系，如果實(shí)際應(yīng)用時(shí)輸送速度過大，適當(dāng)降低供氣壓力即可。

輸送消耗空氣流量按5m3/min計(jì)算，空氣密度1.3kg/m3，P0依據(jù)煤礦井下壓力條件取0.5MPa計(jì)算。

求得d0=10.81mm

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及理論分析，在噴嘴實(shí)際設(shè)計(jì)和加工時(shí)尺寸修整為12mm。

為了保證設(shè)計(jì)的正確性，采用solid works軟件對(duì)噴射管進(jìn)行模擬噴射分析，結(jié)果如圖5所示。通過分析，其結(jié)構(gòu)尺寸合理，滿足應(yīng)用需求。

圖5 噴射管模擬分析圖

1.2 螺旋軸

為防止料斗內(nèi)粉體物料拱料，影響物料輸送的連續(xù)和穩(wěn)定，設(shè)計(jì)螺旋軸進(jìn)行輔助送料。通過螺旋軸的旋轉(zhuǎn)使粉料向下料管內(nèi)移動(dòng)，使下料管保持滿裝狀態(tài)。

為了對(duì)比螺旋軸輸送的效果，設(shè)計(jì)兩種結(jié)構(gòu)，一種等螺距，一種變螺距，如圖6所示。變螺距螺旋軸結(jié)構(gòu)，靠近下料口位置螺距減小，另外一端螺距增大，使粉料在運(yùn)動(dòng)過程中速度不斷降低，同時(shí)使物料被連續(xù)擠壓輸送。

圖6 螺旋軸結(jié)構(gòu)簡圖

試驗(yàn)證明變螺距的螺旋軸輸送效果相對(duì)更好。在電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制時(shí)，粉料輸送至下料管較密實(shí)，螺旋軸旋轉(zhuǎn)時(shí)又起到破拱作用。

1.3 氣路系統(tǒng)

氣路系統(tǒng)設(shè)有控制和調(diào)節(jié)元件，根據(jù)設(shè)定壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)控制閥以調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量。在下料管上端設(shè)有控制蝶閥，可以有效保持氣路系統(tǒng)和物料系統(tǒng)的完全分離。控制蝶閥的主要作用有兩項(xiàng)：一是控制氣路系統(tǒng)和物料系統(tǒng)的連通和分離；二是防止開始工作時(shí)壓氣不穩(wěn)定造成料斗返氣問題，在前端噴槍等出現(xiàn)突發(fā)狀況時(shí)可以快速將物料關(guān)閉，防止粉塵突發(fā)。

1.4 驅(qū)動(dòng)部分

為了提高設(shè)備的安全性、便捷性和施工效率，設(shè)備采用壓氣驅(qū)動(dòng)，送料采用氣動(dòng)馬達(dá)連接減速器驅(qū)動(dòng)螺旋軸。全氣動(dòng)噴射設(shè)備，無須配套防爆電氣開關(guān)、連接電纜等，提高了設(shè)備的安全性，同時(shí)大大提高了施工效率。

2 試驗(yàn)

為了充分考核設(shè)備的工作可靠性，連續(xù)式粉體快速噴涂裝備在天地王坡煤礦3316回順1#避難硐室進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。噴射薄噴材料對(duì)硐室壁和頂進(jìn)行快速封閉，以阻止瓦斯快速滲出。

同時(shí)在煤巷及半煤巷段進(jìn)行封閉、防風(fēng)化、防銹蝕噴涂試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)過程中，噴涂材料累計(jì)約3t，設(shè)備的可靠和穩(wěn)定性得到了充分考驗(yàn)。噴涂較為理想的水灰比約為0.4。試驗(yàn)時(shí)根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)計(jì)兩層噴漿復(fù)合工藝，每層噴漿完成后，間隔1～2d，待原噴層完全干燥后再進(jìn)行復(fù)噴。材料固化后，成膜質(zhì)量好，表面光滑，密實(shí)性好，且附著力強(qiáng)，取得較好的封閉效果（如圖7所示）。

圖7 試驗(yàn)照片

3 結(jié)論

薄噴材料用粉體快速噴涂裝備為全氣動(dòng)噴射設(shè)備，安全性更高，施工效率高，操作簡單，易維護(hù)，輔助配套工作量較小，噴射粉料連續(xù)。薄噴粉體裝備施工工藝簡單，與噴射混凝土相比噴射薄膜厚度減至3～5mm，可減去拌料工序，減少90%以上的材料運(yùn)輸量，提高噴射施工效率3倍，噴涂用工僅需3人，并顯著降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。