煤礦井下潮噴混凝土產塵機理及降塵

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了煤礦井下潮噴混凝土產塵機理及降塵范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

［摘要］通過對煤礦井下錨噴支護潮式噴射混凝土粉塵的產生來源和機理進行研究，并從施工工藝方面進行潮噴產塵的必然性分析，總結粉塵產生的主要影響因素，針對性地提出潮式噴射混凝土降塵方向和措施。

［關鍵詞］潮式；噴射混凝土；粉塵；降塵

引言

噴射混凝土支護是我國煤礦開拓巷道錨噴支護工程的主要技術方式。經過多年發(fā)展，濕噴技術取得了較大進步，在隧道、建筑、大型煤礦巷道等工程中濕噴工藝取得了較多應用［1］。濕噴技術雖然優(yōu)點很多，但由于國內煤礦井下巷道條件普遍較差，仍然以潮噴工藝為主，施工裝備普遍采用轉子式混凝土噴射機［2］。潮噴工藝及轉子式混凝土噴射機普遍粉塵濃度較大［3］，需要對潮噴工藝和施工裝備進行更加深入的分析和研究［4-6］，以更好地解決降塵關鍵問題。

1粉塵的來源及機理

對煤礦井下噴射混凝土施工工藝、裝備及環(huán)境等進行分析，噴射混凝土產塵主要來自機旁粉塵、噴槍粉塵、巷道通風粉塵3個方面。

1.1機旁粉塵

從噴射混凝土的工序和設備分析，機旁粉塵主要來源于上料產塵和噴射機跑塵。

1.1.1上料產塵噴射混凝土上料工序是產生揚塵的主要來源。上料主要形成人工拋料揚塵和上料口漏料落塵。煤礦噴射混凝土拌料、上料普遍采用人工操作，整個過程均會產生粉塵。在上料過程中，粉塵顆粒受到機械力、重力、布朗運動以及空氣的作用力，巷道的進風以及回風都是粉塵產生的重要影響因素。上料時，塊、粒狀物料在空氣中高速運動，推動周圍空氣流動同時存在剪切作用，包括上料口漏料跌落時，在多種氣流作用下形成粉塵。人工拌料及上料時，氣流在鐵鍬運動的作用下形成擾動氣流，但由于氣體的粘滯性，物料和氣流速度存在階差，物料中的細小顆粒在氣流的作用下與物料剝離，產生粉塵。物料下落過程中，隨著速度增大產生擾動氣流，使物料中細小粉塵隨其運動，形成揚塵。

1.1.2設備跑塵摩擦板結合面跑塵、余氣口排塵是轉子式噴射設備機旁粉塵的主要來源。轉子式噴射裝備產塵點主要來源于旋轉襯板與摩擦板間的結合部。粉塵產生主要是隨著轉子的旋轉襯板和摩擦板間由于磨損形成泄漏溝槽；旋轉襯板和摩擦板之間因壓緊力不足以及各位置壓力大小不同造成磨損不均，形成結合部漏風跑塵。轉子運轉時，料杯余氣帶動部分粉塵排出，形成具有較大運動速度噴射性粉塵，并迅速擴散到機旁及外部空間。料杯密封時內部氣壓為0.5MPa，壓氣處于受壓縮狀態(tài)，在轉動到排氣口時，壓力由0.5MPa瞬間減小到大氣壓，氣體體積發(fā)生急劇膨脹，并迅速向余氣口移動，移動中夾帶物料顆粒和粉塵等，形成射流性粉塵。巷道的通風和無規(guī)則氣流，把沉落在設備上積塵吹起，以及噴射機的往復運動及振動等形成二次設備粉塵。

1.2噴槍粉塵

噴槍產塵是噴射混凝土產塵的主要來源?；旌狭蠌膰姌屔涑鰰r，四相混合料受到高壓氣作用，出現(xiàn)物料離析，以及受噴面撞擊反彈，致使大量的水泥等粉塵微粒分離、擴散，使噴槍與受噴面間產塵量急劇增加，占噴射混凝土作業(yè)產塵總量80%以上。

1.2.1氣流擴散水泥、砂子、石子在噴槍與高壓水混合，水化成混凝土團粒，混合料在噴槍內受到噴槍壁面的約束，當高壓氣帶動物料以紊流射流狀態(tài)從噴槍口噴出，噴槍處壓縮空氣的壓力瞬時降低，噴槍出口混凝土以及壓氣體積劇烈膨脹，導致部分粉狀混合物迅速擴散。壓氣自身高流速的氣流對混凝土團粒粘結產生破壞作用?？諝夥肿釉谕咚倭黧w進行動量交換時，被動產生高速氣流，破壞團粒的粘結，與空氣中粉塵形成物料、氣體雙相流，進而造成噴射粉塵污染，工作面粉塵濃度增高。噴射氣流擴散如圖1所示。1.2.2團粒的相互作用由粘性流體力學理論可知，當2層流體間存在速度差時產生流體的剪切，形成漩流，使離散的顆粒以較快速度擴散。水泥、砂子、石子水化后組成的團粒粒徑和質量不同，在圓形射流紊動特性影響下，輸送速度、懸浮速度、受力不同，射流團粒間相互作用導致顆粒的直射、折射和旋轉［7］，形成物料團粒分散，氣流含塵量高。石子質量大、動能大，與水泥作用更易產生粉塵。

1.2.3物料與受噴面碰撞噴射混凝土時，在高壓氣流的帶動下，水泥、砂子、石子及混凝土粒團高速撞擊受噴面。噴槍射出的高速物料、氣體兩相流沖擊受噴面，形成徑向壁面射流擴散，如圖2所示。高速射流作用時，噴射物料顆粒尺寸、質量差異大，運動速度、懸浮速度、受力方向及大小等均有較大差異。水泥、砂石、混凝土團粒與受噴面高速撞擊，回彈的砂石會將團粒打散，細小粉塵脫離團粒再次形成粉塵，增加粉塵濃度。質量大的團粒動能大，更易被破壞產生粉塵。噴射混凝土過程中，不僅反彈粉塵與射流碰撞產生小粒徑粉塵，而且壁面未粘結粉塵在高壓氣及混凝土射流作用下會形成揚塵。噴槍混凝土射流速度越大，噴槍與受噴面的距離越近，揚塵越大。

1.3巷道通風粉塵

噴射混凝土時，需要送風以保障人員呼吸，巷道送風自身帶有一定濃度的粉塵，并且在大流量低壓氣流的擾動下，巷道側壁黏附的細小粉塵脫落，隨風流移動形成二次粉塵。通風粉塵普遍為較小粒徑粉塵、煤塵等，相對其他來源粉塵數量較小，但其主要是呼吸性粉塵，危害性較大。

2噴射混凝土工藝影響

2.1潮噴方法

目前煤礦普遍使用潮混合料，受人為因素影響，拌合均勻性差、含水率不足，自身易形成粉塵。水、混合料在噴槍混合時間極短，料團粒自身粘結性較低，未被濕潤的微小水泥等物料顆粒，在壓氣的作用下易形成粉塵。在噴頂等遠距離施工時，普遍采取增大進氣量的措施，這樣就會產生較多粉塵。因為粉塵粒度越小，質量越小，粉塵表面積越大，其吸附空氣的能力就越強。粒徑小、質量小的粉塵不易沉降，會長時間懸浮在井下空氣中。在遠距離噴射時，壓氣流速越高，懸浮的塵粒數量就越多，塵粒就越大。懸浮于空氣中的粉塵，具有趨向于濃度均勻化的擴散性，粉塵從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴散移動。

2.2操作工藝

在噴射混凝土過程中，水量控制直接影響粉塵大小。操作人員不同、環(huán)境不同，水量控制也不同，極易導致產塵變化。噴槍口∞型畫圓及S型擺動使混凝土、壓氣射流形成復合運動———旋動射流。旋動射流切向速度使噴槍內的流體旋轉，射出的流體具有切向速度。旋轉速度使徑向、軸向產生壓力梯度并影響整個射流。旋動射流擴展比無旋動普通流體快，其卷吸能力、摻混作用、軸線速度的衰減比普通射流大，大大加速粉塵產生。潮式噴射混凝土產塵比較復雜，噴射物料混合不均勻及粘性低是內在因素；壓氣高流速及卷吸作用，物料自碰撞及噴射物料與巷道壁面的碰撞、操作工藝是主要外部因素。潮噴粉塵濃度遠超規(guī)定上限值，作業(yè)條件惡劣，為了實現(xiàn)對粉塵的控制，需要科學利用粉塵的特性，研究有效的技術措施達到降塵目的，改善噴射混凝土作業(yè)環(huán)境。

3降塵對策

從施工工藝、材料、除塵等方面研究潮噴支護技術，以實現(xiàn)工藝和裝備協(xié)同控制產塵，達到降塵的目的。

3.1施工工藝

（1）氣壓是噴射混凝土關鍵參數，對粉塵濃度、回彈率影響較大。噴槍工作氣壓>0.1MPa時，料束速度快，沖擊力大，混凝土易被高壓氣沖擊脫落。隨著噴射機工作氣壓的增高，噴槍粉塵濃度與耗氣量呈線性關系增加。根據輸送距離，應及時調整氣壓。（2）噴射（噴槍送料）距離對產塵量和回彈率影響次之。噴槍距離基面近，混凝土易脫落；距離遠，噴混凝土密實度差，混凝土附著力下降，回彈及粉塵濃度增大。噴槍口離受噴面1m左右，粉塵濃度具有較大改善。（3）噴射角度對回彈影響較大，對粉塵也有顯著影響。噴槍與基面保持垂直時，粉塵、回彈相對較小；噴射角度<70°時，骨料撞擊粉塵及回彈會快速增大。根據噴射位置，噴槍要及時調整噴射角度，控制在80°～90°為宜。（4）水壓對水泥的水化、潤濕影響較大。水壓低，水泥混合不均勻；水壓大，噴槍壓力大。水壓應稍大于氣壓，以保證噴槍充分水化高速流過的物料。由于氣壓每隔10～20m要調整，故水壓也要隨之調節(jié)，并使水壓比氣壓高0.05～0.1MPa。

3.2材料級配及添加劑

混凝土的級配不合理，噴層強度降低，嚴重影響工程質量。水泥等用量需進行級配試驗，配比不合理，會造成物料浪費，混凝土強度低，粉塵濃度增加。噴射混凝土材料水泥∶砂子∶石子合理配比為（1∶2∶1.5）～（1∶2∶2）。通過提高混合料的含水率，加強拌制的均勻性，同時控制水灰比保持在0.4左右，對粉塵的降低具有明顯效果。對噴射用混凝土外加劑進行深入研究，目的是在保證噴射混凝土性能條件下［8］，降低產塵，解決噴射混凝土的粉塵問題。通過添加外加劑，改善水泥的潤濕性能，增強水泥、砂子和石子相互間粘結力［9］，提高物料與巖面附著力，有利于噴射混凝土降塵。

3.3除塵器降塵

在提高噴射裝備自身降塵技術的基礎上，選擇配套除塵器從外部進行降塵。常見的除塵器是運用粉塵重力、慣性碰撞、靜電和凝聚等特性進行綜合除塵。粉塵的物理性能與除塵技術的選擇有著密切關系，輔助采用化學抑塵劑等措施改變粉塵物性，可大大提高除塵效果。

4結語

潮式噴射混凝土粉塵顆粒的產生及擴散移動比較復雜，通過對產塵機理研究，提出了降低噴射混凝土粉塵的措施。為保障煤礦噴射混凝土作業(yè)環(huán)境清潔、安全，深入開展有效降低噴射混凝土粉塵的技術研究，可降低塵肺病等職業(yè)病的罹患風險，更好地保護噴射混凝土工人身體健康，促進煤礦錨噴支護技術進步。噴射混凝土支護具有諸多優(yōu)點，但亦有很多技術弊端，在部分應用領域可研究替代性的支護材料。近年來國內外研究機構開發(fā)的TSL薄噴支護材料和技術，取得了較好工程效果，充分發(fā)揮了噴射支護技術優(yōu)勢。

［參考文獻］

［1］潘剛，程衛(wèi)民，陳連軍，等.煤礦井巷噴射混凝土技術的發(fā)展［J］.煤礦安全，2015，46（9）:204-207．

［2］顏威合.混凝土噴射技術在煤礦支護中的應用分析及對策探討［J］.中州煤炭，2016（9）:78-82．

［3］李定富，梁愛春，王偉黎.潮式噴射機控塵關鍵因素研究及應用［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2016，43（4）:42-44.

［4］龔小兵，趙才華.混凝土噴射機降塵技術研究［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2013，40（4）:46-49.

［5］程衛(wèi)民，劉向升，阮國強，等.煤巷錨掘快速施工的封閉控塵理論與技術工藝［J］.煤炭學報，2009（2）:203-207.

［6］程高峰.噴射混凝土支護降塵技術的研究［D］.青島:山東科技大學，2011.

［7］趙文彬，譚允禎，韓廣存，等.錨噴粉塵受力及產塵機理的研究［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2007，33（9）:21-24.

［8］秦廉，張雄.新型噴射混凝土用無堿液體速凝劑的研制與優(yōu)化配伍［J］.2007，22（4）:31-34.

［9］滕朝暉.可再分散性乳膠粉的作用機理與應用研究［J］.中國膠粘劑，2008（11）:43-45.

作者：董輝輝 單位：南京科工煤炭科學技術研究有限公司