礦用噴漿粉塵控制技術(shù)的研究進(jìn)展

程衛(wèi)民，劉國(guó)明，陳連軍

（1.山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島266590；2.山東科技大學(xué) 省部共建礦山災(zāi)害預(yù)防控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島266590）

自從新奧地利隧道施工法提出以來(lái)，錨噴支護(hù)在巷道掘進(jìn)工程中得到廣泛應(yīng)用，而噴射混凝土因其無(wú)需模板、施工速度快、工序簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)廣泛用于礦山井巷、地鐵、隧道、水工涵洞等工程的施工[1-5]。常用的有干式、潮式及濕式混凝土噴射技術(shù)，其中干噴因?yàn)榉蹓m濃度過(guò)大，已禁止在煤礦使用。在煤礦狹小的巷道空間內(nèi)，噴漿物料常采用現(xiàn)場(chǎng)拌料的方式。任何一種噴射工藝，都存在上料產(chǎn)塵和噴射產(chǎn)塵問(wèn)題。噴漿粉塵的主要成分是水泥塵，水泥塵是一種分散度很高的粉塵，在空氣中極易擴(kuò)散，而且水泥粉塵具有腐蝕性，對(duì)接觸皮膚、眼睛、呼吸系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害，乃至矽肺致死[6-8]。長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)采煤工作面產(chǎn)生的煤塵或掘進(jìn)工作面產(chǎn)生的巖塵進(jìn)行了大量的研究[9-12]。然而，對(duì)于噴漿粉塵控制的研究相對(duì)較少[13-17]。為了降低噴漿粉塵濃度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)采用各種手段：攪拌過(guò)程中加入磁化水降塵[18]，開(kāi)發(fā)新型無(wú)堿液體速凝劑減少?lài)娚浞蹓m[19-20]，優(yōu)化噴射混凝土新工藝[19,21-23]。對(duì)于我國(guó)礦山來(lái)說(shuō)，接塵工人數(shù)在全世界居于首位，而錨噴作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)為粉塵條件最差的作業(yè)場(chǎng)所之一，因此改進(jìn)現(xiàn)有錨噴作業(yè)工藝是大幅度降低作業(yè)場(chǎng)所空氣中的粉塵濃度的最有效措施。隨著預(yù)先濕（潮）拌混凝土技術(shù)及裝備的發(fā)展，噴漿干物料在濕式攪拌桶內(nèi)與水充分潤(rùn)濕混合后變成濕式物料，水泥塵等粉塵在濕式攪拌或管道輸送過(guò)程中變成水泥漿體，物料噴出后幾乎不產(chǎn)生粉塵[24-29]，但是在上料過(guò)程中依然有粉塵產(chǎn)生。因此，降低噴漿粉塵的產(chǎn)生、乃至控制煤礦塵肺和矽肺病的發(fā)生已成為煤礦開(kāi)采中等重要的事情。為了更好地了解噴射混凝土粉塵，進(jìn)一步研究抑塵技術(shù)，從噴漿粉塵特性、噴漿工藝、噴漿材料及設(shè)備等方面綜述礦用噴漿粉塵控制技術(shù)，并提出目前噴漿粉塵控制的挑戰(zhàn)及發(fā)展方向，為我國(guó)煤礦噴漿粉塵的防治提供理論和技術(shù)支持。

1 礦用噴漿粉塵特點(diǎn)及影響因素

礦用噴漿粉塵有水泥塵、細(xì)砂粉末塵、碎石粉末塵等。其中，由于水泥用量較大，約440 kg/m3，而且水泥顆粒粒度小，在搬運(yùn)、上料、攪拌及噴射過(guò)程中均有水泥塵逸散發(fā)生，因此水泥塵是噴漿粉塵的重要成分。了解噴漿粉塵特性及影響因素對(duì)于控制噴漿粉塵、降低粉塵濃度具有重要的理論意義。

噴漿水泥粉塵具有很強(qiáng)的堿性，長(zhǎng)期吸入噴漿粉塵容易造成水泥塵肺。水泥塵肺與接觸噴漿粉塵的時(shí)間、粉塵濃度及分散度等因素相關(guān)，發(fā)病時(shí)間一般在10～20 年。而且，由于水泥遇水發(fā)生水化作用，在遇到汗液或水時(shí)，水泥生成氫氧化鈣等具有堿性的物質(zhì)，會(huì)刺激皮膚，導(dǎo)致出現(xiàn)毛囊炎、皮膚皸裂、干燥等皮膚病。于欣等[30-31]對(duì)采集的噴漿水泥粉塵進(jìn)行了理化性質(zhì)檢驗(yàn)，包括水泥密度檢驗(yàn)、粒度實(shí)驗(yàn)等。研究發(fā)現(xiàn)噴漿水泥塵密度約3.10 g/cm3，水泥顆粒的直徑0.1～100 μm 之間不等，其中1 μm以下的顆粒占10%，20 μm 以下的顆粒占50%，40 μm 以下的顆粒占90%。水泥粒子的平均粒徑約為23 μm。通過(guò)化學(xué)測(cè)試得出水泥塵的主要成分及含量為：SiO2（19.5%），Al2O3（6.45%），F(xiàn)e2O3（3.08%），CaO（57.6%），MgO（1.21%），SO3（2.01%），Cl（0.007%）,P2O5（0.45%）。

影響噴漿粉塵產(chǎn)生的因素很多，主要包括：噴漿材料配合比、噴漿工藝（水壓、工作風(fēng)壓、噴距、噴射角度）和噴漿設(shè)備（噴槍、噴射機(jī)等）。

1）噴漿材料配合比。實(shí)用液體外加劑，如液體速凝劑等材料，盡可能減少混凝土中干性粉塵的用量，有效降低噴射過(guò)程中粉塵濃度。

2）工作風(fēng)壓。風(fēng)壓是物料噴出的主要?jiǎng)恿υ矗S著工作風(fēng)壓的增大，噴槍出口處壓縮空氣壓力驟降的幅度越大，體積膨脹越猛烈，干燥狀態(tài)下的水泥顆粒擴(kuò)散越劇烈，粉塵產(chǎn)生越多；但是，風(fēng)壓越小，噴射速度越小，噴漿物料難以壓實(shí)在受?chē)娒嫔?，影響工程質(zhì)量，而且增加了物料回彈。

3）水壓。當(dāng)噴射系統(tǒng)中工作水壓較低時(shí)，水流與噴漿物料不能深入混合，導(dǎo)致噴漿物料中的水泥顆粒潤(rùn)濕不充分，出現(xiàn)干料團(tuán)，容易在噴射過(guò)程受到剪切力的作用，產(chǎn)生粉塵。

4）噴槍結(jié)構(gòu)。在干（潮）噴過(guò)程中，干（潮）式噴漿物料在噴槍位置與水快速混合后噴向受?chē)娒?，噴槍?nèi)部結(jié)構(gòu)直接影響了水泥等干性物料的潤(rùn)濕程度，合理的噴槍結(jié)構(gòu)可以增加水與噴漿物料的混合效果，減少干性粉塵。

2 礦用噴漿工藝與粉塵

2.1 干噴工藝及產(chǎn)塵特點(diǎn)

在干式噴漿過(guò)程中，壓縮空氣是物料噴射的主要?jiǎng)恿υ矗褔姖{料斗中的物料通過(guò)管道輸送至噴槍位置。壓力水從噴槍接水口進(jìn)入與物料混合，最后噴向受?chē)妷γ妫墒交炷羾娚浼夹g(shù)示意圖如圖1。

圖1 干式混凝土噴射技術(shù)示意圖Fig.1 Schematic diagram of dry-mix shotcrete technology

干噴工藝具有操作簡(jiǎn)單、移動(dòng)方便、機(jī)具造價(jià)低、早期強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最廣泛的干噴機(jī)機(jī)型是轉(zhuǎn)子式干噴機(jī)。但是干噴機(jī)存在2 個(gè)明顯缺點(diǎn)：①在噴槍處加水用量的問(wèn)題，往往出現(xiàn)水量加少或加多的情況，難以精確控制噴射混凝土的質(zhì)量；②由于水與干物料混合的時(shí)間很短，尤其是水泥與水的混合不足，導(dǎo)致噴射過(guò)程中粉塵污染十分嚴(yán)重。干物料與水的混合發(fā)生在噴槍內(nèi)，混合時(shí)間在0.023～0.08 s，長(zhǎng)度一般小于0.5 m，短時(shí)間內(nèi)很難形成純濕拌混凝土。而且，噴出的物料碰撞、高壓氣體的剪切等作用促進(jìn)了粉塵的發(fā)生，從噴槍中噴出的干性粉塵量能達(dá)到總水泥用量的20%～25%，噴射產(chǎn)塵比例占到全部噴漿工藝的80%。另外，干噴機(jī)由于自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題也容易產(chǎn)生粉塵，以轉(zhuǎn)子式干噴機(jī)為例，由于轉(zhuǎn)子與結(jié)合板之間長(zhǎng)時(shí)間摩擦，結(jié)合板容易磨損后形成漏氣間隙，水泥塵很容易溢出，污染噴漿作業(yè)環(huán)境。

2.2 潮噴工藝及產(chǎn)塵特點(diǎn)

基于干噴工藝特點(diǎn)，潮噴工藝改進(jìn)了加水方式和加水位置。首先將一部分水與物料攪拌混合，該操作降低了上料過(guò)程的產(chǎn)塵量，然后在噴槍處繼續(xù)加入剩余的水（與干噴工藝一致），潮式混凝土噴射技術(shù)示意圖如圖2。潮噴工藝結(jié)合了干噴的輕便快捷操作和濕噴的低產(chǎn)塵量等特點(diǎn)，而且潮噴機(jī)價(jià)格相對(duì)較低，目前廣泛應(yīng)用在煤礦井下。但是，潮噴工藝也繼承了干噴和濕噴工藝的缺點(diǎn)，由于物料與水并沒(méi)有完全混合，噴射過(guò)程中依然產(chǎn)生一定濃度的粉塵。煤礦應(yīng)用較為廣泛的潮噴機(jī)型為推鏈?zhǔn)交炷羾娚錂C(jī)。濟(jì)寧三號(hào)井煤礦采用新型推鏈?zhǔn)絿姖{機(jī)對(duì)巷道進(jìn)行噴漿支護(hù)，構(gòu)建了巷道高效噴漿機(jī)械化作業(yè)線及配套工藝，粉塵濃度較普通噴射工藝降低90%，回彈率降低50%左右[18]。但是也有資料顯示潮噴過(guò)程產(chǎn)塵占總產(chǎn)塵量的40%～45%。

圖2 潮式混凝土噴射技術(shù)示意圖Fig.2 Schematic diagram of semi-wet shotcrete technology

文獻(xiàn)[32]介紹了1 種潮式噴射機(jī)上料除塵裝置，除塵裝置主要由上料裝置、水幕除塵器及控塵裝置等組成，潮式噴射機(jī)上料除塵裝置及水幕除塵器結(jié)構(gòu)如圖3。除塵器主要由水幕除塵段、空氣引射器及動(dòng)量脫水器等組成?？貕m裝置控制噴射機(jī)工作中產(chǎn)生的粉塵，然后利用引射裝置將含塵氣流吸入到除塵器內(nèi)，然后采用噴霧進(jìn)行凈化處理。該除塵裝置在一定程度上減少了潮噴上料粉塵，但是對(duì)濕式攪拌機(jī)適應(yīng)性差，一方面由于除塵器體積較大，減少了噴漿設(shè)備的靈活性；另一方面在抽吸除塵的過(guò)程中，如果抽吸量設(shè)置不當(dāng)，會(huì)有大量的水泥和砂石被抽走，改變了混凝土配比，影響混凝土的強(qiáng)度。因此，針對(duì)濕式噴漿上料區(qū)的粉塵防治，可通過(guò)在攪拌桶上料口布置噴嘴，通過(guò)形成水霧幕控制下落粉塵和碰撞粉塵的擴(kuò)散，產(chǎn)生的霧滴通過(guò)塵霧耦合實(shí)現(xiàn)沉降。

圖3 潮式噴射機(jī)上料除塵裝置及水幕除塵器結(jié)構(gòu)[32]Fig.3 Structure of the feeding and dust removal device of semi-wet shotcrete machine and the water curtain dust collector

山東亞瑞特機(jī)電工程科技有限公司最新研發(fā)的JSLT7-L 潮（濕）式混凝土噴射機(jī)組，是全國(guó)首臺(tái)集自動(dòng)配比、攪拌、上料、噴漿、行走于一體的混凝土噴漿設(shè)備，生產(chǎn)能力≥7 m3/h。該設(shè)備采用螺旋攪拌上料、推鏈?zhǔn)剿土稀Ｏ鄬?duì)于分體式推鏈噴射機(jī)和螺旋上料攪拌機(jī)，結(jié)構(gòu)更緊湊，操控更方便。噴射機(jī)組的上料機(jī)可實(shí)現(xiàn)上下滑動(dòng)，降低了上料高度，上料過(guò)程中通過(guò)噴霧預(yù)先濕潤(rùn)水泥塵，并通過(guò)水霧幕控制粉塵的逸散，減少粉塵的產(chǎn)生，兼具高行走能力，設(shè)備采用全液壓控制，操作方便，集成自研發(fā)的油溫控制系統(tǒng)，防止液壓系統(tǒng)溫度升高；活塞快裝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)密封活塞的快速更換。現(xiàn)場(chǎng)噴漿降塵效率達(dá)93%，回彈率控制在15%以?xún)?nèi)，為快速低塵化噴漿支護(hù)提供技術(shù)和裝備支持。推鏈?zhǔn)交炷羾娚錂C(jī)如圖4。

圖4 推鏈?zhǔn)交炷羾娚錂C(jī)Fig.4 Push-chain shotcrete sprayer

2.3 濕噴工藝及產(chǎn)塵特點(diǎn)

相對(duì)于干噴和潮噴工藝，濕噴工藝在輸送物料形式和噴射機(jī)具等方面具有很大的不同，濕噴機(jī)常采用柱塞泵作為輸送物料的動(dòng)力源。物料泵送前，先將水泥、石子、砂子、水等材料充分?jǐn)嚢韬?，形成純濕式混凝土，通過(guò)柱塞泵輸送至噴槍位置，引入高壓氣，在高壓氣體的攜帶下噴向受?chē)娒?，濕式混凝土噴射技術(shù)示意圖如圖5。由于濕噴過(guò)程中物料與水的混合時(shí)間較長(zhǎng)，絕大部分水泥塵在攪拌過(guò)程中被水浸潤(rùn)消融，所以在噴射過(guò)程中粉塵濃度能夠降低至10 mg/m3以?xún)?nèi)。因此，濕噴工藝具有低回彈、低粉塵、長(zhǎng)距離輸送、高質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，世界上約有一半以上的國(guó)家采用濕噴技術(shù)。濕噴工藝要求噴射前需準(zhǔn)備好新拌混凝土，由于中國(guó)煤礦巷道空間有限，很難在巷道內(nèi)建立混凝土攪拌站，通常采用小型混凝土攪拌機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)攪拌，在混凝土物料上料攪拌過(guò)程中，難免出現(xiàn)粉塵逃逸擴(kuò)散，而且增加了濕噴工藝的復(fù)雜性。

圖5 濕式混凝土噴射技術(shù)示意圖Fig.5 Schematic diagram of wet-mix shotcrete technology

濕式噴漿上料工序流程為：工人運(yùn)用鐵锨或機(jī)械抓斗將水泥、砂子、石子等干物料從礦車(chē)或者地面運(yùn)至濕式攪拌桶上方，并將物料倒入桶內(nèi)，同時(shí)加入適量的水，通過(guò)旋轉(zhuǎn)攪拌葉片將干式物料攪拌成濕式混凝土。濕式噴漿上料區(qū)物料搬運(yùn)及下落過(guò)程粉塵發(fā)生示意圖如圖6。

圖6 濕式噴漿上料區(qū)物料搬運(yùn)及下落過(guò)程粉塵發(fā)生示意圖Fig.6 Schematic diagram of dust generation during material handling and falling in the wet-mix shotcrete process

上料期間，粉塵發(fā)生主要分為2 個(gè)階段：第1 階段為“物料搬運(yùn)產(chǎn)塵”：物料在搬運(yùn)過(guò)程中受到巷道風(fēng)流吹動(dòng)而產(chǎn)生粉塵，但是由于搬運(yùn)過(guò)程中物料的堆積狀態(tài)并沒(méi)有發(fā)生變化，巷道內(nèi)擾動(dòng)風(fēng)流產(chǎn)生的塵化作用較小，所以搬運(yùn)產(chǎn)塵量較??；第2 階段為“物料下落產(chǎn)塵（卸料粉塵）”：噴漿物料下落過(guò)程中，細(xì)小的粉塵容易受到拖曳氣流和巷道擾動(dòng)風(fēng)流的影響而發(fā)生彌散，此外，顆粒流碰撞攪拌桶底板或攪拌葉片時(shí)產(chǎn)生大量的粉塵[33-34]?，F(xiàn)場(chǎng)觀察可知：上料區(qū)落料瞬間粉塵濃度高達(dá)600 mg/m3以上[35-37]。由于上料的間斷性，造成物料下落產(chǎn)塵的陣發(fā)性，多次間斷產(chǎn)生的粉塵在巷道空間疊加，導(dǎo)致粉塵運(yùn)移的復(fù)雜性。目前，噴漿上料區(qū)陣發(fā)性粉塵污染規(guī)律尚不清楚，導(dǎo)致控制產(chǎn)塵點(diǎn)微環(huán)境除塵系統(tǒng)的具體形式和參數(shù)沒(méi)有準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)依據(jù)。黃朋舉[38]采用數(shù)值模擬的方法研究了顆粒物料下落、反彈和堆積過(guò)程，通過(guò)引入建立在曳力基礎(chǔ)上的流體粒子相互作用力來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣固兩相流中氣相和固相的雙向耦合。研究發(fā)現(xiàn)：顆粒粒徑越大、下落高度越高、密度越大對(duì)流體的擾動(dòng)也越大，同時(shí)顆粒群中的顆粒受到流體的影響比單顆粒大而且更加復(fù)雜，并不是顆粒數(shù)目簡(jiǎn)單相加的結(jié)果。

在濕噴混凝土管道輸送過(guò)程中，由于配比不合理、管理不當(dāng)造成管道堵塞問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，堵管后或噴射結(jié)束后管道清理比較困難，嚴(yán)重制約了濕噴工藝的推廣。山東威特立邦礦山設(shè)備有限公司對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行了研究，包括針對(duì)攪拌、上料、噴射多塵源粉塵產(chǎn)生、配套機(jī)具冗雜等問(wèn)題，研發(fā)了分體式礦用泵送混凝土濕式噴射機(jī)和攪拌機(jī)（配套使用），以及集泵送、攪拌、獨(dú)立行走為一體的濕式混凝土噴射機(jī)組，濕式混凝土噴射機(jī)如圖7。

圖7 濕式混凝土噴射機(jī)Fig.7 Wet-mix shotcrete machine

2 種機(jī)型均采用雙柱塞泵送式輸送噴漿物料，采用單（雙）臥軸強(qiáng)制式攪拌，泵送距離260 m 以上，現(xiàn)場(chǎng)噴漿粉塵濃度在10 mg/m3以?xún)?nèi)，回彈率降低至10%以?xún)?nèi)，凈化了噴漿巷道環(huán)境，極大減少了噴漿回彈物料浪費(fèi)，改善了噴漿支護(hù)質(zhì)量[39-41]。

耿力機(jī)械研制的GYP-90 系列液壓濕噴機(jī)，利用液壓泵產(chǎn)生的推力，使2 個(gè)油缸往復(fù)交替運(yùn)動(dòng)，推送稠密混凝土物料，生產(chǎn)能力在3～7 m3/h，GYP-90 系列液壓濕噴機(jī)如圖8[42]。路達(dá)機(jī)械生產(chǎn)的SP-90型液壓濕噴機(jī)泵送距離遠(yuǎn)，輸送效率高，最大生產(chǎn)能力達(dá)10 m3/h，2 款機(jī)型外形比較類(lèi)似，且降塵效率顯著，機(jī)旁粉塵低于6 mg/m3，回彈率低于10%[43]。河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司研制的KBS-8A 全液壓泵送式混凝土濕噴機(jī)，機(jī)旁粉塵小于10 mg/m3[44]。山東天河科技股份有限公司引進(jìn)瑞典ALIVA 公司領(lǐng)先設(shè)計(jì)，研發(fā)了一款潮濕兩用混凝土噴射機(jī)，潮濕兩用混凝土噴射機(jī)如圖9[45]。采用鋼膠密封結(jié)構(gòu)，噴漿機(jī)機(jī)旁粉塵濃度低于8 mg/m3。采用氣動(dòng)壓緊結(jié)構(gòu)，壓緊力自動(dòng)調(diào)整，降低密封件磨損，提高密封壽命。可完成潮料、濕料噴射作業(yè)，濕料噴射穩(wěn)定可靠。設(shè)備體積小，質(zhì)量輕，移動(dòng)方便。噴射距離遠(yuǎn)，潮式噴漿水平噴射距離可達(dá)300 m。

圖8 GYP-90 系列液壓濕噴機(jī)Fig.8 GYP-90 series hydraulic wet spraying machine

圖9 潮濕兩用混凝土噴射機(jī)Fig.9 Semi-wet and wet concrete spraying machine

3 礦用噴漿粉塵防治技術(shù)研究進(jìn)展

3.1 濕式攪拌根源消塵技術(shù)

濕噴粉塵減少的主要原因是物料粉塵在往泵送料斗上料時(shí)已成為純濕式的新拌混凝土，即干式噴漿物料在攪拌過(guò)程中加入了足量的水使得噴漿物料為純濕料，水泥塵等粉塵盡可能的與水接觸，減少了粉塵的逸散。理想狀態(tài)下（不考慮粉塵團(tuán)聚），所有的噴漿粉塵在濕式攪拌過(guò)程中全部與水接觸，從根源上消除了粉塵。

3.2 無(wú)脈沖的濕噴混凝土泵送技術(shù)

傳統(tǒng)混凝土濕噴機(jī)采用雙柱塞泵結(jié)構(gòu)，由于雙柱塞泵的交替泵送間隔導(dǎo)致噴射脈沖大?；炷羾娚涿}沖引起噴射過(guò)程回彈率高、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、噴射效率低、存在噴射盲區(qū)等問(wèn)題。噴射脈沖是導(dǎo)致目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化噴漿的主要技術(shù)難題之一。馬官?lài)?guó)[46]探究了傳統(tǒng)濕噴機(jī)脈沖產(chǎn)生機(jī)理，得出分配閥擺動(dòng)時(shí)主缸停止泵送和主管路中混凝土的泄壓和回流是脈沖產(chǎn)生的主要原因。針對(duì)傳統(tǒng)濕噴機(jī)分配閥擺動(dòng)時(shí)主管路中混凝土的泄壓和回流問(wèn)題，設(shè)計(jì)了分配閥上的密封隔板，解決了混凝土的泄壓和回流問(wèn)題；并通過(guò)分析混凝土流動(dòng)狀態(tài)，提出“削峰填谷”的方法來(lái)解決混凝土脈沖，從而設(shè)計(jì)出三缸式無(wú)脈沖濕噴機(jī)泵送結(jié)構(gòu)，有效解決了混凝土濕噴機(jī)的泵送和噴射脈沖。

3.3 智能?chē)姖{的輔助機(jī)械手技術(shù)

傳統(tǒng)噴漿主要依靠人工作業(yè)，存在“占用人工多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、操作工藝復(fù)雜、混凝土噴射不均、噴層質(zhì)量不一”等問(wèn)題，造成了噴漿作業(yè)環(huán)境差、工作負(fù)荷大、安全風(fēng)險(xiǎn)高等難題。進(jìn)入深部礦井開(kāi)發(fā)階段，高地壓、高地溫等應(yīng)用環(huán)境對(duì)噴層成形質(zhì)量提出了更高的要求，安全生產(chǎn)形勢(shì)的需要對(duì)礦井無(wú)人或少人智能化作業(yè)提出了新的需求。

山東科技大學(xué)研發(fā)了2 款噴漿輔助機(jī)械手：PHS-JXS 型簡(jiǎn)易機(jī)械手和PF28-L 型越障自行走噴射輔助機(jī)械手，噴漿輔助機(jī)械手如圖10。PHS-JXS型簡(jiǎn)易機(jī)械手具有“高度可調(diào)、角度靈活、移動(dòng)方便”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，完全依靠氣動(dòng)助力，防爆性能高，作業(yè)安全可靠。適用于小斷面巷道噴射，輔助作業(yè)1人即可移動(dòng)，升降操作方面，可以有效降低噴漿手工作強(qiáng)度。PF28-L 型機(jī)械手包括底盤(pán)、動(dòng)力機(jī)構(gòu)、工作裝置以及液控系統(tǒng)，適應(yīng)28～50 m2巷道斷面，可實(shí)現(xiàn)20°坡度穩(wěn)定爬坡，噴頭擺動(dòng)±160°，實(shí)現(xiàn)了與濕噴機(jī)的高效配合，便于進(jìn)行噴射高度及位置的調(diào)整，解放了人工抱噴頭的重體力勞動(dòng)，擴(kuò)展了噴射范圍，也提高了施工質(zhì)量。然而，這2 款噴射機(jī)械手均需要人工控制，尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能化自主噴漿。

圖10 噴漿輔助機(jī)械手Fig.10 Shotcrete auxiliary manipulator

HPSD2008 系列混凝土濕噴機(jī)由中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司研發(fā)，集行走、泵送和噴射功能于一體，主要用于隧道施工，設(shè)備最大理論噴射量高達(dá)20 m3/h，輸送管道管徑80、90 mm，遠(yuǎn)大于礦用濕噴混凝土輸送管道管徑（一般為60～70 mm）[47]。該機(jī)型屬于大型隧道噴漿裝備，是我國(guó)濕噴行業(yè)中大排量、大體積裝備的代表機(jī)型，最大噴射高度和最大噴射寬度分別為8 m 和15 m，但是要求最小噴射作業(yè)隧洞高度不小于3 m，較難在狹小的井下巷道空間作業(yè)。

中國(guó)鐵建重工集團(tuán)有限公司于2018 年成功研制了全智能型混凝土噴射機(jī)（機(jī)械手），主要應(yīng)用于隧道混凝土噴射，具備3D 掃描建模、自動(dòng)定位、路徑規(guī)劃、智能?chē)娚?、?shù)據(jù)交互、自動(dòng)修正等功能，該設(shè)備是全球首臺(tái)具有自感知、自決策與自適應(yīng)功能的智能?chē)娚錂C(jī)。利用全自動(dòng)3 維掃描儀對(duì)隧道輪廓進(jìn)行全方位掃描，可以自動(dòng)精準(zhǔn)識(shí)別隧道輪廓尺寸（分辨率高達(dá)0.001°），實(shí)現(xiàn)自動(dòng)規(guī)劃噴射路徑和主動(dòng)噴射作業(yè)，不再需要人工操作。全智能化濕噴機(jī)作業(yè)具有高效、高質(zhì)、精準(zhǔn)等特點(diǎn)，而且提高了噴漿作業(yè)的效率和安全性。但是該設(shè)備體積大，不防爆，尚無(wú)法在煤礦中應(yīng)用[48-49]。全智能型混凝土噴射機(jī)如圖11。

目前，實(shí)現(xiàn)礦用混凝土噴射作業(yè)的“智能化”控制是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。要想實(shí)現(xiàn)礦用噴漿的智能化，在原有噴漿機(jī)械設(shè)備的基礎(chǔ)上，首先要攻克復(fù)雜有限空間巷道快速掃描及地圖構(gòu)建、多目標(biāo)多自由度機(jī)械臂軌跡規(guī)劃及運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、管道輸送智能檢測(cè)、自主運(yùn)動(dòng)與遠(yuǎn)程協(xié)同操作等核心關(guān)鍵技術(shù)；其次，要突破智能?chē)姖{功能的系統(tǒng)集成和防爆設(shè)計(jì)等瓶頸問(wèn)題。因此，實(shí)現(xiàn)礦用噴漿智能化，還需要國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者的共同努力，研制出適應(yīng)我國(guó)礦井的長(zhǎng)距離自主噴漿作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)噴漿作業(yè)的綠色、安全、高效、智能化。

圖11 全智能型混凝土噴射機(jī)Fig.11 Fully intelligent concrete sprayer

3.4 濕式噴漿粉塵控制保障技術(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和觀察，濕式噴漿噴頭處產(chǎn)生粉塵很少。但是，現(xiàn)場(chǎng)上料時(shí)，干物料的拆分、搬運(yùn)、下落、與攪拌桶底的碰撞等過(guò)程會(huì)有粉塵產(chǎn)生，多工序復(fù)雜性及多塵源點(diǎn)的分散性導(dǎo)致粉塵控制較為困難。此外，合理的噴漿材料配比、噴射工藝、管道輸送保障等是成功開(kāi)展?jié)袷絿姖{的前提。

3.4.1 水泥上料粉塵控制技術(shù)

由于井下空間相對(duì)狹小，多采用現(xiàn)場(chǎng)攪拌噴射混凝土的方法?，F(xiàn)場(chǎng)上料過(guò)程中，尤其是水泥袋的拆封和上料，現(xiàn)場(chǎng)彌漫大量的水泥塵。水泥防塵拆包機(jī)有效解決了上料粉塵濃度高、難控制的問(wèn)題，為濕式噴漿粉塵的控制提供了技術(shù)保障[50]。整套設(shè)備可有效對(duì)袋裝水泥進(jìn)行拆包作業(yè)，拆凈率可達(dá)98%以上。該設(shè)備自帶除塵系統(tǒng)，作業(yè)過(guò)程中無(wú)粉塵產(chǎn)生，清潔無(wú)污染。此外，水泥防塵拆包機(jī)能夠自動(dòng)收集尼龍袋，并通過(guò)除渣口排出，方便收集清理，減少了操作人員數(shù)量，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.4.2 噴漿材料管道輸送減阻排堵技術(shù)

新拌混凝土管道輸送是濕噴工藝的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[22,51-52]。濕噴混凝土在泵送過(guò)程中受到剪切力、泵送推力及重力等作用，混凝土的性能發(fā)生變化[53-54]。如果濕噴物料的管道輸送性能較差，往往引起管道堵塞。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)管道輸送性能的研究主要集中在管壁潤(rùn)滑層形成、管輸減阻技術(shù)等方面。

為了測(cè)量混凝土的管道流動(dòng)性能，多數(shù)研究學(xué)者采用先進(jìn)的混凝土流動(dòng)測(cè)量技術(shù)。其中，包括高速攝像機(jī)捕捉混凝土流動(dòng)特征以及配制特種混凝土等技術(shù)[55-58]。Le 等[58]利用PIV 粒子追蹤技術(shù)確定了混凝土管輸潤(rùn)滑層的存在，并分析了混凝土流變參數(shù)與潤(rùn)滑層厚度之間的關(guān)系；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了捕捉混凝土的流動(dòng)特性，作者采用半開(kāi)管代替全管流，并證明了半開(kāi)管流動(dòng)代替全管流研究的可行性。Choi 等[59-60]利用超聲探測(cè)儀測(cè)量潤(rùn)滑層的厚度，分析了粗骨料尺寸對(duì)潤(rùn)滑層厚度、混凝土流變性能及潤(rùn)滑層流變性能的影響。

對(duì)于礦用濕噴混凝土管道輸送過(guò)程中堵塞問(wèn)題，學(xué)者[61]從宏觀角度論述了濕噴混凝土管道輸送堵塞的原因，分析了濕噴混凝土在管道輸送階段、堵塞階段顆粒和漿體的受力情況，并從濕噴混凝土施工過(guò)程中的骨料最大尺寸、水泥種類(lèi)選取、水灰比及骨料級(jí)配等方面分析了避免發(fā)生堵管的方法。浩金牛等[62]通過(guò)對(duì)動(dòng)力傳遞和物料輸送過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)的分析，指出濕噴機(jī)的作業(yè)過(guò)程是由各個(gè)工藝環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，混凝土堵管由多方面因素造成。冉杰娃[63]針對(duì)泵送過(guò)程中混凝土堵塞的問(wèn)題，首先分析了泵送混凝土堵塞的原因，然后設(shè)計(jì)了防堵機(jī)構(gòu)，并通過(guò)試驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)能夠有效地解決管道堵塞問(wèn)題。由此可知，管道輸送過(guò)程中潤(rùn)滑層的形成是十分關(guān)鍵的。劉國(guó)明等[52,61,64-64]通過(guò)開(kāi)展?jié)駠娀炷凉艿垒斔图盎炷羾娚鋵?shí)驗(yàn)，揭示了新拌混凝土流變性能與可泵性、可噴性的關(guān)系，確定了基于流變參數(shù)的濕噴混凝土可泵及可噴性能預(yù)測(cè)區(qū)間；并采用SPSS 多元線性回歸分析，建立了礦用濕噴混凝土可泵送性及可噴敷性能的定量預(yù)測(cè)模型。Liu 等[66]研發(fā)了減阻型礦用濕噴混凝土開(kāi)關(guān)引氣劑，用環(huán)保型無(wú)患子皂粉做主要發(fā)泡材料，用開(kāi)關(guān)劑、增泡劑和穩(wěn)泡劑做輔助材料，有效提高了管道輸送階段混凝土的流動(dòng)性能及物料噴射階段混凝土可噴敷性能，減少了新拌混凝土管輸堵塞概率。

3.4.3 抑塵減彈的噴漿材料及工藝

1）優(yōu)化噴漿工藝。為了減少礦用混凝土噴射對(duì)周?chē)h(huán)境的影響、提升礦用混凝土質(zhì)量，陸續(xù)開(kāi)發(fā)了新的混凝土噴漿工藝。除了干噴工藝、潮噴工藝和濕噴工藝，還開(kāi)發(fā)了水泥裹砂法、潮料摻漿法和雙裹并列法等一系列噴漿工藝。該種噴漿工藝均為提前濕潤(rùn)干拌合料，從而降低噴射中粉塵的濃度，增強(qiáng)了混凝土的強(qiáng)度，但水泥裹砂法、潮料摻漿法和雙裹并列法工藝都比較復(fù)雜，井下施工難度較高。

2）應(yīng)用外加劑材料。在噴漿拌合料中添加增黏劑，可有效地降低噴漿粉塵濃度、減小回彈損失，例如德國(guó)研發(fā)的SiliponSPR6 型增黏劑和我國(guó)生產(chǎn)的N 型增黏劑[24-25]。也可以利用速凝劑和抑塵劑來(lái)降低噴射混凝土的粉塵產(chǎn)量，比如程高峰[67]配制了噴射混凝上新型復(fù)合外加劑，組分主要有速凝物質(zhì)JA、具有高吸水性能物質(zhì)B 和高分子聚合物P，并開(kāi)展了噴射混凝土降塵特性的研究，現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果表明,全塵濃度降低46.5%～62.9%，呼塵降低20%～33%，效果良好。周剛等[19]開(kāi)發(fā)的新型無(wú)堿液體速凝劑，減少了噴射混凝土的凝固時(shí)間，提高了物料的黏聚力，減小了回彈損失、降低了混凝土噴射粉塵濃度。另外，在混凝土拌合料中添加纖維材料或硅粉等，可以提高混凝土的可噴性，增加礦用噴射混凝土的黏聚性，減小回彈損失和降低粉塵濃度[27-28,68-69]。曾憲桃等[18]在拌制噴射混凝土過(guò)程中摻入磁化水，而且分析了磁化水對(duì)礦用噴射混凝土回彈、產(chǎn)塵、強(qiáng)度的影響機(jī)理，結(jié)果顯示：利用磁化水拌制的礦用混凝土，噴射過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵濃度低于普通噴漿50%以上。

3）優(yōu)化噴槍結(jié)構(gòu)。干噴和潮噴產(chǎn)生的粉塵很大程度上受?chē)姌尳Y(jié)構(gòu)的影響，由于干拌合料與水在噴頭處混合時(shí)間很短，若噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理會(huì)導(dǎo)致干拌合料中一些水泥顆粒無(wú)法被濕潤(rùn)，噴射過(guò)程中產(chǎn)生大量粉塵。所以，為了減少?lài)娚浞蹓m，提高噴槍潤(rùn)濕干燥水泥顆粒的能力，出現(xiàn)了不同的噴槍結(jié)構(gòu)。例如異形葫蘆結(jié)構(gòu)[70]、錐形管結(jié)構(gòu)[71]和雙水環(huán)結(jié)構(gòu)[58]噴槍?zhuān)ㄟ^(guò)提高物料在噴槍中的湍流強(qiáng)度，增加水泥顆粒與水的浸潤(rùn)混合程度，并通過(guò)二次加水，補(bǔ)償未混合均勻的水泥顆粒。異形葫蘆噴槍結(jié)構(gòu)和錐形管?chē)姌尳Y(jié)構(gòu)如圖12 和圖13。于天野通過(guò)研究傳統(tǒng)噴槍結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新型混拌式噴槍?zhuān)私Y(jié)構(gòu)先利用多水環(huán)結(jié)構(gòu)使水和干拌合料充分混合，再利用噴槍里面的被動(dòng)攪拌棒攪拌，充分潤(rùn)濕水泥顆粒，降低粉塵濃度，應(yīng)用結(jié)果顯示：混拌式噴槍比常規(guī)噴槍噴射時(shí)回彈率減小了33%，粉塵濃度下降了77%。在干噴或潮噴過(guò)程中，為了保證高速流過(guò)的干拌合料能被噴頭處的水環(huán)充分潤(rùn)濕，接入的水壓必須比風(fēng)壓高，通常情況下保持水壓比風(fēng)壓高0.05～0.1 MPa。

4 礦用噴漿粉塵控制技術(shù)挑戰(zhàn)

關(guān)于噴漿粉塵防治，大部分研究集中在噴漿工藝、噴漿新材料研發(fā)及噴槍結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面，并已取得了較好的抑塵減彈效果。但是噴漿粉塵依然存在，還需要進(jìn)一步降塵。而且，要實(shí)現(xiàn)智能化、無(wú)塵化、高質(zhì)量噴漿，要面臨眾多挑戰(zhàn)。礦用噴漿粉塵控 制技術(shù)研究現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)見(jiàn)表1。

圖12 異形葫蘆噴槍結(jié)構(gòu)Fig.12 Special-shaped gourd spray gun structure

圖13 錐形管?chē)姌尳Y(jié)構(gòu)Fig.13 Tapered tube spray gun structure

表1 礦用噴漿粉塵控制技術(shù)研究現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)Table 1 Research status and challenges of mine shotcrete dust control technology

5 結(jié) 語(yǔ)

1）礦用噴漿粉塵主要成分為水泥塵。在搬運(yùn)、上料、攪拌及噴射過(guò)程中均有水泥塵逸散發(fā)生。水泥塵具有強(qiáng)堿性，對(duì)人體危害更為嚴(yán)重。影響噴漿粉塵產(chǎn)生的因素很多，主要包括：噴漿材料配合比、噴漿工藝（水壓、工作風(fēng)壓、噴距、噴射角度）和噴漿設(shè)備（噴槍、噴射機(jī)等）。

2）干噴技術(shù)由于干物料與水混合的距離和時(shí)間很短，導(dǎo)致噴射過(guò)程中粉塵污染十分嚴(yán)重。潮噴技術(shù)改進(jìn)了物料的加水方式和位置，結(jié)合了干噴和濕噴的優(yōu)點(diǎn)，具有操作方便及低噴射粉塵等優(yōu)點(diǎn)。但是，噴射過(guò)程中，依然產(chǎn)生較多粉塵。濕噴噴射粉塵濃度能夠降低至10 mg/m3以?xún)?nèi)，但是在物料上料攪拌過(guò)程中，難免出現(xiàn)粉塵逃逸擴(kuò)散。最新研發(fā)的JSLT7-L 潮（濕）式混凝土噴射機(jī)組可實(shí)現(xiàn)煤礦快速低塵化噴漿支護(hù)。

3）基于單臥軸強(qiáng)制式濕式攪拌技術(shù)可以從根源消除噴漿粉塵。分析了傳統(tǒng)濕噴機(jī)脈沖產(chǎn)生機(jī)理，設(shè)計(jì)出三缸式無(wú)脈沖濕噴機(jī)泵送結(jié)構(gòu)，徹底解決了濕噴機(jī)的泵送和噴射脈沖，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化噴漿提供技術(shù)支持。從濕噴物料管輸減阻到抑塵減彈技術(shù)論述了噴漿粉塵控制保證技術(shù)。

4）噴漿粉塵防治已取得了較好的效果，但是要實(shí)現(xiàn)智能化、無(wú)塵化、高質(zhì)量噴漿，仍然面臨眾多挑戰(zhàn)，主要包括：濕噴物料性能調(diào)控機(jī)理噴漿裝備一體化控制技術(shù)、智能?chē)姖{機(jī)械手空間掃描和路徑規(guī)劃技術(shù)、無(wú)塵化上料攪拌技術(shù)、濕噴堵管在線監(jiān)測(cè)及排堵技術(shù)。無(wú)塵化智能一體噴漿技術(shù)是未來(lái)噴漿發(fā)展的主要方向，降低噴漿粉塵濃度，解放噴漿勞動(dòng)力，同時(shí)提高噴漿質(zhì)量和效率。