煤矿井下潮喷混凝土产尘机理及降尘

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［摘要］通过对煤矿井下锚喷支护潮式喷射混凝土粉尘的产生来源和机理进行研究，并从施工工艺方面进行潮喷产尘的必然性分析，总结粉尘产生的主要影响因素，针对性地提出潮式喷射混凝土降尘方向和措施。

［关键词］潮式；喷射混凝土；粉尘；降尘

引言

喷射混凝土支护是我国煤矿开拓巷道锚喷支护工程的主要技术方式。经过多年发展，湿喷技术取得了较大进步，在隧道、建筑、大型煤矿巷道等工程中湿喷工艺取得了较多应用［1］。湿喷技术虽然优点很多，但由于国内煤矿井下巷道条件普遍较差，仍然以潮喷工艺为主，施工装备普遍采用转子式混凝土喷射机［2］。潮喷工艺及转子式混凝土喷射机普遍粉尘浓度较大［3］，需要对潮喷工艺和施工装备进行更加深入的分析和研究［4-6］，以更好地解决降尘关键问题。

1粉尘的来源及机理

对煤矿井下喷射混凝土施工工艺、装备及环境等进行分析，喷射混凝土产尘主要来自机旁粉尘、喷枪粉尘、巷道通风粉尘3个方面。

1.1机旁粉尘

从喷射混凝土的工序和设备分析，机旁粉尘主要来源于上料产尘和喷射机跑尘。

1.1.1上料产尘喷射混凝土上料工序是产生扬尘的主要来源。上料主要形成人工抛料扬尘和上料口漏料落尘。煤矿喷射混凝土拌料、上料普遍采用人工操作，整个过程均会产生粉尘。在上料过程中，粉尘颗粒受到机械力、重力、布朗运动以及空气的作用力，巷道的进风以及回风都是粉尘产生的重要影响因素。上料时，块、粒状物料在空气中高速运动，推动周围空气流动同时存在剪切作用，包括上料口漏料跌落时，在多种气流作用下形成粉尘。人工拌料及上料时，气流在铁锹运动的作用下形成扰动气流，但由于气体的粘滞性，物料和气流速度存在阶差，物料中的细小颗粒在气流的作用下与物料剥离，产生粉尘。物料下落过程中，随着速度增大产生扰动气流，使物料中细小粉尘随其运动，形成扬尘。

1.1.2设备跑尘摩擦板结合面跑尘、余气口排尘是转子式喷射设备机旁粉尘的主要来源。转子式喷射装备产尘点主要来源于旋转衬板与摩擦板间的结合部。粉尘产生主要是随着转子的旋转衬板和摩擦板间由于磨损形成泄漏沟槽；旋转衬板和摩擦板之间因压紧力不足以及各位置压力大小不同造成磨损不均，形成结合部漏风跑尘。转子运转时，料杯余气带动部分粉尘排出，形成具有较大运动速度喷射性粉尘，并迅速扩散到机旁及外部空间。料杯密封时内部气压为0.5MPa，压气处于受压缩状态，在转动到排气口时，压力由0.5MPa瞬间减小到大气压，气体体积发生急剧膨胀，并迅速向余气口移动，移动中夹带物料颗粒和粉尘等，形成射流性粉尘。巷道的通风和无规则气流，把沉落在设备上积尘吹起，以及喷射机的往复运动及振动等形成二次设备粉尘。

1.2喷枪粉尘

喷枪产尘是喷射混凝土产尘的主要来源。混合料从喷枪射出时，四相混合料受到高压气作用，出现物料离析，以及受喷面撞击反弹，致使大量的水泥等粉尘微粒分离、扩散，使喷枪与受喷面间产尘量急剧增加，占喷射混凝土作业产尘总量80%以上。

1.2.1气流扩散水泥、砂子、石子在喷枪与高压水混合，水化成混凝土团粒，混合料在喷枪内受到喷枪壁面的约束，当高压气带动物料以紊流射流状态从喷枪口喷出，喷枪处压缩空气的压力瞬时降低，喷枪出口混凝土以及压气体积剧烈膨胀，导致部分粉状混合物迅速扩散。压气自身高流速的气流对混凝土团粒粘结产生破坏作用。空气分子在同高速流体进行动量交换时，被动产生高速气流，破坏团粒的粘结，与空气中粉尘形成物料、气体双相流，进而造成喷射粉尘污染，工作面粉尘浓度增高。喷射气流扩散如图1所示。1.2.2团粒的相互作用由粘性流体力学理论可知，当2层流体间存在速度差时产生流体的剪切，形成漩流，使离散的颗粒以较快速度扩散。水泥、砂子、石子水化后组成的团粒粒径和质量不同，在圆形射流紊动特性影响下，输送速度、悬浮速度、受力不同，射流团粒间相互作用导致颗粒的直射、折射和旋转［7］，形成物料团粒分散，气流含尘量高。石子质量大、动能大，与水泥作用更易产生粉尘。

1.2.3物料与受喷面碰撞喷射混凝土时，在高压气流的带动下，水泥、砂子、石子及混凝土粒团高速撞击受喷面。喷枪射出的高速物料、气体两相流冲击受喷面，形成径向壁面射流扩散，如图2所示。高速射流作用时，喷射物料颗粒尺寸、质量差异大，运动速度、悬浮速度、受力方向及大小等均有较大差异。水泥、砂石、混凝土团粒与受喷面高速撞击，回弹的砂石会将团粒打散，细小粉尘脱离团粒再次形成粉尘，增加粉尘浓度。质量大的团粒动能大，更易被破坏产生粉尘。喷射混凝土过程中，不仅反弹粉尘与射流碰撞产生小粒径粉尘，而且壁面未粘结粉尘在高压气及混凝土射流作用下会形成扬尘。喷枪混凝土射流速度越大，喷枪与受喷面的距离越近，扬尘越大。

1.3巷道通风粉尘

喷射混凝土时，需要送风以保障人员呼吸，巷道送风自身带有一定浓度的粉尘，并且在大流量低压气流的扰动下，巷道侧壁黏附的细小粉尘脱落，随风流移动形成二次粉尘。通风粉尘普遍为较小粒径粉尘、煤尘等，相对其他来源粉尘数量较小，但其主要是呼吸性粉尘，危害性较大。

2喷射混凝土工艺影响

2.1潮喷方法

目前煤矿普遍使用潮混合料，受人为因素影响，拌合均匀性差、含水率不足，自身易形成粉尘。水、混合料在喷枪混合时间极短，料团粒自身粘结性较低，未被湿润的微小水泥等物料颗粒，在压气的作用下易形成粉尘。在喷顶等远距离施工时，普遍采取增大进气量的措施，这样就会产生较多粉尘。因为粉尘粒度越小，质量越小，粉尘表面积越大，其吸附空气的能力就越强。粒径小、质量小的粉尘不易沉降，会长时间悬浮在井下空气中。在远距离喷射时，压气流速越高，悬浮的尘粒数量就越多，尘粒就越大。悬浮于空气中的粉尘，具有趋向于浓度均匀化的扩散性，粉尘从高浓度区域向低浓度区域扩散移动。

2.2操作工艺

在喷射混凝土过程中，水量控制直接影响粉尘大小。操作人员不同、环境不同，水量控制也不同，极易导致产尘变化。喷枪口∞型画圆及S型摆动使混凝土、压气射流形成复合运动———旋动射流。旋动射流切向速度使喷枪内的流体旋转，射出的流体具有切向速度。旋转速度使径向、轴向产生压力梯度并影响整个射流。旋动射流扩展比无旋动普通流体快，其卷吸能力、掺混作用、轴线速度的衰减比普通射流大，大大加速粉尘产生。潮式喷射混凝土产尘比较复杂，喷射物料混合不均匀及粘性低是内在因素；压气高流速及卷吸作用，物料自碰撞及喷射物料与巷道壁面的碰撞、操作工艺是主要外部因素。潮喷粉尘浓度远超规定上限值，作业条件恶劣，为了实现对粉尘的控制，需要科学利用粉尘的特性，研究有效的技术措施达到降尘目的，改善喷射混凝土作业环境。

3降尘对策

从施工工艺、材料、除尘等方面研究潮喷支护技术，以实现工艺和装备协同控制产尘，达到降尘的目的。

3.1施工工艺

（1）气压是喷射混凝土关键参数，对粉尘浓度、回弹率影响较大。喷枪工作气压>0.1MPa时，料束速度快，冲击力大，混凝土易被高压气冲击脱落。随着喷射机工作气压的增高，喷枪粉尘浓度与耗气量呈线性关系增加。根据输送距离，应及时调整气压。（2）喷射（喷枪送料）距离对产尘量和回弹率影响次之。喷枪距离基面近，混凝土易脱落；距离远，喷混凝土密实度差，混凝土附着力下降，回弹及粉尘浓度增大。喷枪口离受喷面1m左右，粉尘浓度具有较大改善。（3）喷射角度对回弹影响较大，对粉尘也有显著影响。喷枪与基面保持垂直时，粉尘、回弹相对较小；喷射角度<70°时，骨料撞击粉尘及回弹会快速增大。根据喷射位置，喷枪要及时调整喷射角度，控制在80°～90°为宜。（4）水压对水泥的水化、润湿影响较大。水压低，水泥混合不均匀；水压大，喷枪压力大。水压应稍大于气压，以保证喷枪充分水化高速流过的物料。由于气压每隔10～20m要调整，故水压也要随之调节，并使水压比气压高0.05～0.1MPa。

3.2材料级配及添加剂

混凝土的级配不合理，喷层强度降低，严重影响工程质量。水泥等用量需进行级配试验，配比不合理，会造成物料浪费，混凝土强度低，粉尘浓度增加。喷射混凝土材料水泥∶砂子∶石子合理配比为（1∶2∶1.5）～（1∶2∶2）。通过提高混合料的含水率，加强拌制的均匀性，同时控制水灰比保持在0.4左右，对粉尘的降低具有明显效果。对喷射用混凝土外加剂进行深入研究，目的是在保证喷射混凝土性能条件下［8］，降低产尘，解决喷射混凝土的粉尘问题。通过添加外加剂，改善水泥的润湿性能，增强水泥、砂子和石子相互间粘结力［9］，提高物料与岩面附着力，有利于喷射混凝土降尘。

3.3除尘器降尘

在提高喷射装备自身降尘技术的基础上，选择配套除尘器从外部进行降尘。常见的除尘器是运用粉尘重力、惯性碰撞、静电和凝聚等特性进行综合除尘。粉尘的物理性能与除尘技术的选择有着密切关系，辅助采用化学抑尘剂等措施改变粉尘物性，可大大提高除尘效果。

4结语

潮式喷射混凝土粉尘颗粒的产生及扩散移动比较复杂，通过对产尘机理研究，提出了降低喷射混凝土粉尘的措施。为保障煤矿喷射混凝土作业环境清洁、安全，深入开展有效降低喷射混凝土粉尘的技术研究，可降低尘肺病等职业病的罹患风险，更好地保护喷射混凝土工人身体健康，促进煤矿锚喷支护技术进步。喷射混凝土支护具有诸多优点，但亦有很多技术弊端，在部分应用领域可研究替代性的支护材料。近年来国内外研究机构开发的TSL薄喷支护材料和技术，取得了较好工程效果，充分发挥了喷射支护技术优势。

［参考文献］

［1］潘刚，程卫民，陈连军，等.煤矿井巷喷射混凝土技术的发展［J］.煤矿安全，2015，46（9）:204-207．

［2］颜威合.混凝土喷射技术在煤矿支护中的应用分析及对策探讨［J］.中州煤炭，2016（9）:78-82．

［3］李定富，梁爱春，王伟黎.潮式喷射机控尘关键因素研究及应用［J］.矿业安全与环保，2016，43（4）:42-44.

［4］龚小兵，赵才华.混凝土喷射机降尘技术研究［J］.矿业安全与环保，2013，40（4）:46-49.

［5］程卫民，刘向升，阮国强，等.煤巷锚掘快速施工的封闭控尘理论与技术工艺［J］.煤炭学报，2009（2）:203-207.

［6］程高峰.喷射混凝土支护降尘技术的研究［D］.青岛:山东科技大学，2011.

［7］赵文彬，谭允祯，韩广存，等.锚喷粉尘受力及产尘机理的研究［J］.工业安全与环保，2007，33（9）:21-24.

［8］秦廉，张雄.新型喷射混凝土用无碱液体速凝剂的研制与优化配伍［J］.2007，22（4）:31-34.

［9］滕朝晖.可再分散性乳胶粉的作用机理与应用研究［J］.中国胶粘剂，2008（11）:43-45.

作者：董辉辉 单位：南京科工煤炭科学技术研究有限公司