一、研究背景
20世紀60年代起，西方發(fā)達國家開始發(fā)展?jié)駠娂夹g，濕噴混凝土噴射機已成為這些國家噴漿支護作業(yè)的主要機具，應用比例已達到80%以上。
1.存在問題
國內(nèi)濕噴技術的研究和應用與國外相比差距很大，一是濕噴技術基本處于研究階段，尚未在生產(chǎn)實踐中予以推廣應用；二是煤礦濕噴技術的關鍵技術尚未取得突破；三是在應用條件較好的領域如隧道工程中，國產(chǎn)濕噴機的技術水平和性能與國外相比差距仍很大；四是觀念和施工成本方面的考慮也或多或少的阻礙了濕噴技術研發(fā)和應用的積極性。
2.濕噴機的類型
根據(jù)其工作原理濕噴機可分為泵送型和氣送型兩種。
（1）泵送型濕噴機
泵送型濕噴機是以混凝土泵作為基本體輸送混凝土，在輸送管出口處安裝噴嘴，并在此接入壓縮空氣，將混凝土噴射出去。
柱塞泵式濕噴機是將柱塞泵做濕噴機的基體，在輸送管出口裝以噴嘴并通入壓縮空氣，將混凝土噴射出去。如瑞士MEYNADIER公司的Rohojet041與芬蘭Normet公司的spraymec9150型噴射機等。此類型濕噴機雖然輸送距離長，但設備復雜、外形大，一般較笨重。
擠壓泵式濕噴機由料斗、擠壓膠管、泵體及輸料管等組成，泵體做成圓筒形，傳動機構帶動擠壓滾輪轉(zhuǎn)動，連續(xù)擠送膠管內(nèi)的濕料，使之進入輸料管壓送至噴嘴處。如日本極東PC08-60m challenge型噴射機。這類機型結構簡單，性能穩(wěn)定，工作可靠，其主要問題是擠壓膠管壽命偏短。
（2）氣送型濕噴機
氣送型濕噴機是利用壓縮空氣將混凝土物料在輸料管中以“稀薄流”的形式輸送至噴嘴處直接噴出，主要有轉(zhuǎn)子式、轉(zhuǎn)子活塞式、螺旋式、罐式、葉輪式等，在實際應用中都存在各種各樣的不足，如輸送距離短、結構復雜、不易維護、機動性差、存在回風現(xiàn)象等。
該類濕噴機主要機型有：
TK-961型濕噴機，該機是鐵道科學研究院西南分院研制的一種轉(zhuǎn)子活塞式濕噴機，利用一組活塞將濕噴料推送至機器頂部的混合室，與空氣混合后，通過軟管輸送到噴嘴，在噴嘴處摻加速凝劑后噴出。
HTS300型氣送葉輪式濕噴機，該機是安慶恒特工程機械研究所研制，采用葉輪喂料結構，利用旋轉(zhuǎn)的葉片將濕料推送至機器下部的混合室，與壓縮空氣混合、摻加速凝劑后通過軟管輸送到噴嘴噴出。
二、主要研究內(nèi)容
1.擠壓泵式濕式混凝土噴射機的技術研究
濕噴機的主機結構型式采用氣送和擠壓泵式結構的有機結合，充分利用兩種技術的優(yōu)點，同時避免兩種技術各自的缺點。
氣送型擠壓泵式濕噴機主機，利用壓縮空氣為輸送動力，擠壓泵作為喂料機構。工作原理是當轉(zhuǎn)子架帶動擠壓泵滾轉(zhuǎn)動時，滾輪擠壓膠管，將混凝土向外泵出，同時由于擠壓膠管是成密閉狀態(tài)，膠管在自身彈性作用下要恢復原狀，則膠管的進料段產(chǎn)生負壓作用，將混凝土從料斗吸入膠管內(nèi)。料斗中的混凝土被膠管吸入，在擠壓滾的作用下被連續(xù)擠壓到氣料混合室，通過壓縮空氣在氣料混合室將混凝土打散后沿著輸送膠管輸送至噴嘴處，并與另一路壓氣輸送過來的速凝劑混凝土后噴射到受噴面。
濕噴機主要有擠壓泵、氣料混合室、粉狀速凝劑添加器、傳動系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)、行走系統(tǒng)等組成（圖1）。其中：
①擠壓泵。擠壓泵主要由擠壓膠管、擠壓滾輪、轉(zhuǎn)子架、泵殼等組成。擠壓滾輪在徑向可以調(diào)節(jié)，使擠壓膠管內(nèi)壁壓緊。
②粉狀速凝劑添加器。利用壓力平衡法采用螺旋結構定量，將粉狀速凝劑添加進速凝劑管路，再由壓縮空氣輸送至噴咀處與混凝土混合。由于添加器是在壓力狀態(tài)下工作，要求具有密封性能及耐壓能力。添加器料斗里設有撥料葉片，以避免速凝劑起拱棚料。
③傳動系統(tǒng)。傳動系統(tǒng)由電機、液力偶合器、蝸輪蝸桿減速器及鏈輪鏈條等組成，給擠壓泵及粉狀速凝劑添加器提供動力。在擠壓泵與粉狀速凝劑添加器之間的鏈傳動上設有牙嵌式離合器，以實現(xiàn)擠壓泵和粉狀速凝劑添加器可以同時工作（離合器合上）或擠壓泵單獨工作（離合器分離）。
④氣路系統(tǒng)。氣路系統(tǒng)由球閥、壓力表、管路等組成。氣路系統(tǒng)有兩條通路，一條通到氣料混合室，一條是通過速凝劑添加器攜帶速凝劑一起輸送到噴咀。氣路系統(tǒng)為混凝土輸送及噴射提供動力。
⑤噴射系統(tǒng)。噴射系統(tǒng)由輸料管路、氣料混合室、噴咀等組成。其作用是實現(xiàn)混凝土的輸送及噴射。
⑥行走系統(tǒng)。由兩對鐵輪或膠輪組成。鐵輪適用于井下有軌道場合，膠輪適用于無軌場合。
該種設計的結構具有如下特征：
①機型小，適合煤礦井下使用的特點。由于采用氣送型，擠壓泵結構和傳動方式簡單，易于實現(xiàn)設備小型化。
②擠壓泵喂料連續(xù)、均勻。
③擠壓滾輪將壓風區(qū)（擠送段）和非壓風區(qū)（吸料段）隔開，避免了壓風的返風。擠壓泵沒有漏風和返風的狀況，不會產(chǎn)生粉塵。
④擠壓泵中，除擠壓膠管外，其他零部件與混凝土沒有任何接觸，最大限度的避免了混凝土粘結問題。
⑤對擠壓膠管的耐壓要求不高（1MPa），與泵送型相比，可提高擠壓膠管的使用壽命。
2.現(xiàn)場制備混凝土技術及裝備的研究
煤礦井下實施濕噴的必要條件是現(xiàn)場制備混凝土?，F(xiàn)有攪拌機的定型產(chǎn)品機型較大，一般均需要二次上料，與濕噴機配套性不好，不適合煤礦井下；因此，研制符合井下作業(yè)條件的、與濕噴機配套使用的混凝土攪拌機，是濕噴技術在煤礦井下推廣應用的成功關鍵。
混凝土制備方案分連續(xù)制備和分批制備，攪拌方式分為強制攪拌和自落攪拌等，本項目選用單軸臥式強制攪拌方式分批制備混凝土的技術方案。
混合料、水、外加劑按一定比例投入攪拌裝置料斗內(nèi)進行攪拌，即可獲得具有一定坍落度、滿足擠壓泵要求的混凝土。將攪拌斗內(nèi)已攪拌好的混凝土快捷倒入二次料斗，并快速將攪拌斗復位，即進入下一批次的混凝土制備。
圖2 單軸臥式混凝土攪拌機簡圖
單軸臥式混凝土攪拌機主要由攪拌裝置、二次攪拌料斗、支撐架、傳動系統(tǒng)、篩網(wǎng)、行走系統(tǒng)等組成（圖2）。其中：
①攪拌裝置。主要由水平布置的主軸、料斗、攪拌葉片等組成。在水平的主軸上，分別裝有二組左右對稱布置的螺旋狀攪拌葉片，工作時，攪拌葉片一邊對物料進行攪拌，一邊又將物料推向料斗的另一端。這樣二組左右對稱的攪拌葉片就能使物料形成強烈對流攪拌，從而使物料在短時間內(nèi)被拌制成均勻的混凝土。 同時攪拌裝置的料斗可以翻轉(zhuǎn)110°，從而實現(xiàn)將攪拌好的混凝土卸入二次攪拌料斗。
②二次攪拌料斗。主要由水平布置的主軸、料斗、推料葉片等組成。其作用：一是二次攪拌作用，以避免混凝土離析；二是將混凝土推向二次攪拌料斗的出料口；三是儲存一定量的混凝土，以保證濕噴機連續(xù)工作。
③傳動系統(tǒng)。由電機、減速器、離合器及鏈輪鏈條傳動等組成。其作用是帶動攪拌裝置的主軸及二次攪拌料斗主軸轉(zhuǎn)動。在二次攪拌料斗主軸的一端設有牙嵌式離合器，這樣當電機開動后，二次攪拌料斗的主軸可以轉(zhuǎn)動（離合器合上）或不轉(zhuǎn)動（離合器分離）。
④行走系統(tǒng)。行走系統(tǒng)與濕噴機相同，由兩對鐵輪或膠輪組成。鐵輪適用于井下有軌道場合，膠輪適用于無軌場合。
3.攪拌機與濕噴機配套方案
攪拌機與濕噴機均可下道靠近巷道的邊幫布置（圖3），攪拌機二次料斗的出料口直接與擠壓泵的吸料管連接，二次料斗既起到濕噴機料斗的作用，同時還具有一定的攪拌功能，以防止混凝土離析。考慮到各結構件的整體布局及機械傳動的需要，兼顧到功能分配，二次料斗布置在攪拌斗的側(cè)下方。
圖3 攪拌機與濕噴機配套布置圖
這種配套形式具有以下特點：
①吸料高度很低，相應的二次料斗就可以布置在較低的位置，攪拌斗的上料高度僅在1.2m左右，因而使得攪拌機結構緊湊，機型小，適合煤礦井下使用。
②攪拌好的混凝土倒入二次料斗后，混凝土自動向濕噴機供料，取消了混凝土二次上料工序環(huán)節(jié)（給攪拌機上料稱為一次上料，再給濕噴機上料稱為二次上料），避免了不必要的混凝土運輸、二次上料過程。
③現(xiàn)場制備混凝土，隨拌隨噴，保證了噴射混凝土的質(zhì)量。
④擠壓泵擠出的混凝土，在擠壓泵出口設置氣料混合室，通過壓縮空氣將混凝土打散并混合在一起“稀薄流混凝土”；在輸送管路入口端設置旋流器，由特定方向的壓氣流使混凝土產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)，混凝土在管路中呈現(xiàn)旋流輸送。
4.濕式噴射機混凝土工藝、勞動組織的分析研究
先將砂石加水預濕，使砂石的含水率達到5～7%左右，再將水泥加入砂石中攪拌制成潮混合料（水泥∶砂∶石=1∶2∶2），最后將潮混合料裝入礦車推至攪拌機旁待用。
噴射作業(yè)開始后，將潮混合料加入攪拌機的料斗，同時向攪拌機料斗中加入一定量的水和減水劑進行攪拌，使混凝土的坍落度達到10-20cm，將制備好的混凝土倒入攪拌斗下方的二次料斗，并快速將攪拌斗復位，進入下一批次的混凝土制備。二次料斗中的混凝土被擠壓泵的吸料管吸入經(jīng)擠壓滾輪作用被連續(xù)擠送到氣料混合室，再在氣料混合室通過壓縮空氣將混凝土打散后輸送到噴咀處，并與另一路由壓氣輸送到噴咀處的粉狀速凝劑混合后一起噴射到受噴面上。
5.外加劑選型試驗、摻加工藝及裝置的研究
速凝劑添加可分別選擇配套壓氣平衡式粉體和柱塞泵定量添加兩種方式，并利用壓縮空氣及速凝劑管路將速凝劑輸送至噴嘴處于混凝土混合。
三、關鍵技術
1.噴射混凝土粉塵和回彈的綜合控制技術
本項目首次在國內(nèi)提出了噴射混凝土粉塵和回彈的綜合治理技術，有效降低噴射混凝土粉塵和減小了回彈。
2.混凝土噴射與后配套技術
該項目研究的風送型擠壓式濕式混凝土噴射機及后配套上料裝置為國內(nèi)首創(chuàng)。該型濕噴機輸料均勻、結構簡單、維護方便、分批攪拌上料裝置體積小、上料方便、便于煤礦井下狹小空間的施工作業(yè)；
3.定量添加速凝劑技術
該項目研制與濕噴機配套的粉塵速凝劑添加裝置利用螺旋結構及壓力平衡法直接向壓風管路中定量添加速凝劑，該裝置結構簡單、定量準確，填補了國內(nèi)空白；
四、創(chuàng)新點
1.采用擠壓泵喂料與壓縮空氣輸送相結合的結構形式，擠壓泵帶有補償機構，在擠壓膠管磨損時仍可保持正常使用；同時對擠壓膠管的耐壓要求也大大降低，有效提高了膠管的壽命。
2.攪拌機采用單軸臥式強制攪拌的方式，滿足了煤礦井下現(xiàn)場制備混凝土并給濕噴機連續(xù)供料的要求。
3.濕噴機與攪拌機的直接對接，省略了混凝土二次上料的環(huán)節(jié)。
4.粉狀速凝劑的定量添加，適應煤礦企業(yè)的現(xiàn)狀。
五、同類技術比較的先進性
1.井下現(xiàn)場拌制混凝土，混凝土可自動供給濕噴機
攪拌機和主機的配套很方便，擠壓泵吸料口與攪拌機的二次料斗出口直徑對接，攪拌機拌制的混凝土不落地自動供給噴射機，避免了混凝土二次上料，避免了不必要的混凝土運輸，避免了不必要的體力勞動。
2.混凝土旋流輸送技術
在輸送管路入口端設置的旋流器，由特定方向的壓氣流將混凝土進一步打散并產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)，使得管路中的混凝土達到“旋流”輸送狀態(tài)，噴咀出料均勻穩(wěn)定，大大提高了噴射作業(yè)的流暢性。
3.采用氣動型和擠壓泵相結合，充分發(fā)揮擠壓泵的優(yōu)勢
采用氣送型原理，相對泵送型來說，對擠壓泵的要求大大降低，特別是對擠壓膠管的耐壓要求（1MPa）大大降低，解決了擠壓膠管使用壽命較短的技術難題，并且擠壓泵沒有漏風、返風情況，無粉塵產(chǎn)生；只有擠壓膠管內(nèi)接觸混凝土，不存在混凝土粘接問題；易損件數(shù)量較少。
4.機型小、上料高度低、工藝易掌握、適合煤礦井下使用
由于擠壓泵吸料口位置低，相應的攪拌機的二次料斗就可以布置在較低的位置，才使得二次料斗可以設置攪拌裝置，攪拌都的上料高度僅為1.2m，因而整機結構緊湊，體積小，適合煤礦井下使用。
本項目研制的濕式混凝土噴射機和單軸臥式混凝土攪拌機與國內(nèi)外一些主要濕噴機的性能比較來看，本項目研制的濕噴機能力大、體積小、重量輕、結構先進、操作簡便。
本項目研制的濕噴機組與國內(nèi)外典型的濕噴機組性能比較情況見表1。
表1 國內(nèi)外濕噴機的主要技術性能
攪拌機之間通過擠壓膠管建立聯(lián)系、以擠壓泵作為供料機構的風送型結構、攪拌機帶有二次攪拌料斗和液體速凝劑添加裝置帶有控制轉(zhuǎn)閥的這些技術特點。本項目的研究成果不僅達到國內(nèi)先進，而且在濕噴機組的結構設計和抑塵劑的研制和運用均填補了空白。
六、試驗應用情況
濕噴機組在某煤礦進行了累計三個月左右時間的工業(yè)性試驗，濕噴機組的粉塵濃度、回彈率、生產(chǎn)能力、輸送距離及可靠性等各項技術指標達到設計要求。該型濕噴機組在該礦進行了推廣應用，并獲得好評。
轉(zhuǎn)化果平臺咨詢電話：4001817969
