煤矿井下混凝土湿喷系统关键技术研究(1).pdf

全日制硕士学位论文 申请人姓名 王朝阳 指 导 教 师 郭培红教授 学 位 类 别 工学硕士 专 业 名 称 机械工程 研 究 方 向 矿山装备机电一体化技术 河南理工大学机械与动力工程学院河南理工大学机械与动力工程学院 二○一六年二○一六年六六月月 煤矿井下混凝土湿喷系统关键技术研究煤矿井下混凝土湿喷系统关键技术研究 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 图分类号TD353 密 级公开 UDC621 单位代码10460 煤矿井下混凝土湿喷系统关键技术研究 Research on Key Technologies for Concrete Wet Spraying System Used in Coal Mine Underground 申请人姓名申请人姓名 王朝阳王朝阳 学 位 类 别学 位 类 别 工学硕士工学硕士 专 业 名 称专 业 名 称 机械工程机械工程 研 究 方 向研 究 方 向 矿山装备机电一体化技术矿山装备机电一体化技术 导师导师 郭培红郭培红 职称职称 教授教授 提 交 日 期提 交 日 期 2016 年年 6 月月 答 辩 日 期答 辩 日 期 2016 年年 6 月月 河南理工大学 万方数据 万方数据 致致 谢谢 本论文是在导师郭培红教授的悉心指导下完成的，论文的整个环节均倾注了 导师大量的心血与精力。郭老师科学严谨的治学态度、求实的科研作风、循循善 诱的教导方法深深地影响着我，使我终身受益。从郭老师那里我不仅学到了专业 知识，也学会了做人做事。值此论文完成之际，在此谨向导师致以崇高的敬意和 衷心的感谢。 衷心感谢朱建安教授感谢朱老师为我创造大量的实践机会，使我理论知识 和动手能力同步提高。朱老师丰富的理论基础、富有独创性的见解、理论联系实 际的工作作风使我受益匪浅。正是由于朱老师无私的帮助，我才能顺利完成该研 究论文。 衷心感谢赵铁高级工程师赵老师做事思路清晰，见解独到，富有创新精神。 感谢赵老师在岩巷湿喷机械自动化系统工艺与装备研究的过程中提出了大量宝贵 意见和建议，整个项目的研究成功离不开赵老师的指导和支持。 衷心感谢师兄、师弟、宿舍好友和同窗好友在学习生活中对我的关怀和鼓励， 正是你们的陪伴让我的研究生生活变得丰富多彩。 衷心感谢我的父母和家人，感谢他们的无私付出和默默支持，时刻给予我关 心和帮助，让我没有精神负担和生活压力，在这条求学的道路上不断前进。 衷心感谢各位专家、教授对本文的审阅和指正。最后向所有支持、关心、帮 助我的老师、同学、朋友、及家人表示深深的谢意。 万方数据 万方数据 I 摘摘 要要 由于混凝土干喷工艺存在回弹率高、施工场地粉尘很大和混凝土抗压强度较 低等问题，2011 年，国家安全监管总局与国家煤矿安监局已经将干喷机列为淘汰 产品，被禁止在煤矿使用。本文以河南理工大学与焦煤集团古汉山矿的科技合作 项目“岩巷湿喷机械自动化系统工艺与装备研究”为工作基础，研究开发一种安 全、高效，适用于煤矿井下的混凝土湿喷系统及其配套装备。 本文主要内容分为如下几个方面 （1）针对煤矿井下巷道特殊作业环境， 提出一种岩巷机械自动化湿喷工艺系 统，系统中包含了湿喷主机所需的前配套设备和后配套设备，并对各配套装备进 行了功能分析； （2）根据固液两相流理论和混凝土流变特性，研究计算了混凝土在直管、弯 管和锥管的压力损失，并对湿喷主机关键部件 S 阀进行了数值模拟，为湿喷主机 泵送压力确定提供理论依据； （3）研究全液压湿喷机的控制系统，并对阀块、液压缸等系统主要液压元件 进行了结构参数设计，为湿喷系统最终研制提供了技术基础； （4）研究混凝土喷射射流特点、射流冲击力以及喷射速度，分析各喷射参数 对喷射混凝土质量的影响关系，进行了最佳喷射参数配置； （5）样机试制与样机试验。结果表明湿喷机泵送系统换向可靠，能高效地 完成混凝土的吸料和排料动作,湿喷机液压控制系统长时间工作性能稳定， 没有发 热问题,湿喷机的输送距离大于m250。 关键词关键词混凝土；湿喷系统；管道输送；S 阀；泵送原理；全液压 万方数据 II 万方数据 III Abstract Due to the problems of dry concrete spraying machine, such as high rebound rate, high dust concentration and low compression strength, dry spraying machine has been listed as disused product and forbidden in coal mine by State Administration of Work Safety and State Administration of Coal Mine Safety in 2011. This paper is based on the project Research on the mechanical and automated wet spraying systems of rock roadway and equipment‖, which is cooperated by HeNan Polytechnic University and Guhanshan Mine of Jiaozuo coal industry. The article aims to develop and research a safe and efficient concrete wet spraying system, wet spraying machines and supporting equipment, which is suitable for coal mine underground. The article main content is as follow 1 According to the special operating environment of coal mine underground roadway, the new process system of mechanical and automated wet spraying for rock roadway is put forward. The system includes er support equipment and back-up, which is required by wet spraying machine. And research on the function of the required equipment of the concrete wet spraying systems. 2 According to the characteristics of the two-phase of the concrete flowing and evolution properties of concrete, the pressure loss of concrete is studied and calculated in straight pipe pipe, elbow pipe and cone pipe. S valve is analyzed, which is one key component of pumping system of the concrete wet spraying machine. The entire pipe resistance is analyzed, which provide a theoretical basis for the determination of wet spraying host pumping pressure. 3 Research on the full hydraulic control system of concrete wet spraying host machine. The structure parameters of hydraulic cylinders and valve blocks are designed, which provide the technical foundation for ultimate successful development of the new concrete wet spraying system. 4 Research on the jet characteristics of concrete, the impact of sprayed surface of concrete injection and the injection velocity concrete are analyzed. The influence of injection parameters on the quality of concrete is analyzed. Optimized configuration parameters are given. 万方数据 IV 5 The prototype of wet spraying machine is manufactured and tested. The test results show that the commutation condition of wet spraying pumping system is reliable, which can complete efficiently the action of suction and discharge concrete. Hydraulic control systems of wet spraying machine don’t have heating problem, and have a long stable perance. Conveying distance of wet spraying machine is greater than 250 meters. Keywords Concrete; Wet spraying system; Pipeline transportation; S valve; Pumping principle; Full hydraulic 万方数据 V 目录目录 摘摘 要要 ................................................................................................................................ I Abstract ......................................................................................................................... III 1 绪论绪论 ............................................................................................................................. 1 1.1 课题研究背景与意义 ....................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ............................................................................................... 2 1.2.1 喷浆工艺发展及研究现状 ..................................................................... 2 1.2.2 湿喷机国内外研究现状 ......................................................................... 3 1.3 本文主要工作及研究内容 ............................................................................... 5 1.4 本章小结 ........................................................................................................... 6 2 岩巷湿喷工艺系统研究岩巷湿喷工艺系统研究 ............................................................................................. 7 2.1 巷道内部作业环境 ........................................................................................... 7 2.2 湿喷工艺应用难点 ........................................................................................... 9 2.3 湿喷系统机械装备研究 .................................................................................. 11 2.4 前配套设备 ..................................................................................................... 12 2.4.1 低位翻车机 ........................................................................................... 12 2.4.2 自动配料螺旋搅拌机 ........................................................................... 13 2.5 SPB7-D 混凝土湿喷机 .................................................................................... 16 2.6 后配套设备 ..................................................................................................... 17 2.7 本章小结 ......................................................................................................... 19 3 混凝土输送管路压力损失混凝土输送管路压力损失 ....................................................................................... 21 3.1 管道中混凝土流变特性 ................................................................................. 21 3.2 直管压力损失 ................................................................................................. 24 3.3 弯管压力损失 ................................................................................................. 26 3.4 锥管压力损失 ................................................................................................. 27 3.5 湿喷机 S 阀压力损失 ..................................................................................... 29 3.5.1 多相流基本方程 ................................................................................... 30 3.5.2 双流体模型 ........................................................................................... 30 3.5.3 湍流模型 ............................................................................................... 32 3.5.4 建立模型 ............................................................................................... 33 3.5.5 参数设定 ............................................................................................... 34 3.5.6 S 阀流场数值模拟 ................................................................................. 35 万方数据 VI 3.6 本章小结 ........................................................................................................... 38 4 湿喷机液压控制系统湿喷机液压控制系统 ................................................................................................ 39 4.1 泵送系统工作原理 .......................................................................................... 39 4.2 液压系统分析 .................................................................................................. 41 4.3 液压阀块设计 .................................................................................................. 42 4.4 液压缸设计计算 .............................................................................................. 45 4.5 本章小结 .......................................................................................................... 48 5 混凝土喷射特性分析混凝土喷射特性分析 ................................................................................................ 49 5.1 混凝土喷射支护机理 ...................................................................................... 49 5.2 混凝土喷射规律 .............................................................................................. 49 5.2.1 喷射特点 ................................................................................................ 49 5.2.2 受喷面冲击力 ........................................................................................ 51 5.2.3 最佳喷射速度 ........................................................................................ 52 5.3 喷射参数对混凝土质量的影响 ...................................................................... 53 5.3.1 喷射距离 ................................................................................................ 53 5.3.2 喷射角度 ................................................................................................ 54 5.3.3 一次喷射厚度 ........................................................................................ 55 5.4 本章小结 .......................................................................................................... 56 6 试验研究试验研究 .................................................................................................................... 57 6.1 输送距离试验 .................................................................................................. 58 6.2 喷浆试验 .......................................................................................................... 60 6.3 本章小结 .......................................................................................................... 61 7 结论与展望结论与展望 ................................................................................................................ 63 7.1 结论 .................................................................................................................. 63 7.2 创新点 .............................................................................................................. 63 7.3 展望 .................................................................................................................. 64 参考文献参考文献 ........................................................................................................................ 65 作者简历作者简历 ........................................................................................................................ 69 学位论文数据集学位论文数据集 ............................................................................................................ 71 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题研究背景与意义 煤矿井下巷道支护的方法有很多类型,其中混凝土锚喷支护是主要方法，其 作用是封闭围岩，将围岩与空气隔绝，防止围岩氧化潮解破碎[1,2]。混凝土锚喷支 护方式根据加水的先后顺序分为干喷、潮喷和湿喷三种。 混凝土干喷工艺是将水泥、砂石、速凝剂等原料按一定比例投入干喷机料斗 内，搅拌后通过输送管在压缩空气的作用下将混合料送至喷枪，并在喷枪前端通 入水，混合料与水在喷枪混合后，混凝土料浆被喷到岩石面上。干喷工艺相对比 较简单，施工中用到的设备较少，但在作业时，粉尘浓度和呼吸粉尘分别达到了 3 /10080mmg、 3 /2010mmg，易导致矽肺病，对工人的身心健康造成了严重伤 害。 潮喷工艺与干喷工艺的施工方式基本相同，只是在输送原料前加入少量水， 使骨料变得潮湿，但依然干喷工艺存在着相似的问题。 目前国内煤矿对巷道进行支护大多采用干喷工艺或潮喷工艺， 不但混凝土的 抗压强度较低，同时存在着粘结强度低、韧性差、易开裂、易剥落等问题，并且 可能发生“冲切型”破坏，长期支护可能还会对巷道稳定产生影响。 鉴于干喷工艺和潮喷工艺的上述缺点，在 2011 年，国家安全监管总局与国 家煤矿安监局颁布了禁止井工煤矿使用的设备及工艺目录第三批，其中第 15 条将干喷机列为了淘汰产品[3]。 混凝土湿喷工艺是将水泥、砂石和水按一定的配比搅拌均匀，然后用湿喷机 将搅拌好的混凝土沿着铺设的输料管道送到喷枪，然后在喷枪的前端处添加速凝 剂并通入压缩空气，混凝土在风力的作用下被喷射射到岩石表面上。 湿喷工艺在煤矿井下的应用中存在着配比、搅拌、运输等问题。同时煤矿井 下特殊的作业环境，不仅一些巷道空间狭小、路面凹凸不平，使得大型设备搬运 困难，而且井下有爆炸性气体，设备需要隔爆。然而湿喷工艺与干（潮）喷工艺 相比，不仅在混凝土质量、回弹率、抗压强度等方面均有提高，而且其粉尘浓度 较低，也更环保健康。 不管是从提高煤矿巷道质量和节约原材料，还是从降低工人劳动强度、保护 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 工人身心健康角度考虑，都需要对适用于煤矿的湿喷工艺、湿喷机和配套设备进 行研究，以提高煤矿巷道喷浆机械化水平。表 1-1 为两种工艺对比 。 表表 1-1 干喷工艺与湿喷工艺对比干喷工艺与湿喷工艺对比 Tab.1-1 Dry spray process compared with the wet spraying 类型 混凝土湿喷工艺 混凝土干（潮）工艺 工艺对比 混凝土原料预先均匀搅拌， 混凝土 质量稳定 水由喷浆工人在喷头加入，混凝土质量不稳定 喷射效果 回弹率10％，粉尘较小 回弹率为 30～50，粉尘浓度极大 混凝土质量 混凝土均匀性好，密实度高，抗压 强度可达 35MPa 易出现蜂窝状，均匀性差，抗压强度 20MPa 左右 环保与健康 使用高效无碱速凝剂， 对人体无害 使用铝酸盐强碱速凝剂，会灼伤人体皮肤 1.2 国内外研究现状 1.2.1 喷浆工艺发展及研究现状 喷射混凝土在美国最早出现，刚开始是用来喷射稀薄流物质，如水泥、砂浆 等。 1907 年， 美国的一家水泥喷枪公司就已经将喷射技术用在了土木工程中； 1914 年，德国托克雷特公司首次用喷枪喷射水泥砂浆支护矿井巷道；1948～1953 年， 混凝土喷射支护技术首次被用在了奥地利的米尔隧道；在初始阶段，在工程上几 乎全部使用干喷法[4]。20 世纪 70 年代，随着湿式喷浆工艺的发展，在工程项目中 约 70的喷射混凝土均采用了湿喷工艺，使用干喷工艺和潮喷工艺在日益减少， 在欧洲最大的半岛斯堪纳维亚半岛、意大利等一些地区几乎全部使用湿喷工艺； 美国、加拿大等部分西方国家已形成了添加不同外加剂或不同速凝剂的整套混凝 土湿喷工艺，部分地区还实现了用喷浆机械手替代人工操作喷射混凝土的重大转 变[5]。最近几十年来，世界各国采用喷射混凝土方式来支护岩层在日益增加，喷 浆工艺技术也在不断发展[6,7]。 20 世纪 60 年代，在我国煤矿领域开始推广使用干喷工艺来支护巷道，并在 “六五”时期，研制成功了混凝土潮式喷射机，自此潮喷工艺被推广使用。在二 十世纪 80 年代初，我国研制了挤压式湿喷机和液体速凝剂，湿喷工艺技术最早在 隧道进行了使用。但由于该型号湿喷机及所需要的相关配套设备系统复杂庞大， 万方数据 1 绪论 3 难以满足施工要求[8]。1990 年 6 月，第五次国际锚喷支护学术会议在瑞典举行， 中国煤炭总公司首次组团参加并探讨了采用湿喷工艺喷射混凝土和钢纤维混凝土 的应用和发展前景；2004 年，在建设漳州至龙岩高速公路乌石山隧道的时候，赖 世荣等人采用了干喷工艺、湿喷工艺两种不同的混凝土喷浆工艺来支护隧道，并 对不同喷浆工艺下混凝土抗压强度进行了检测和结果分析，总结了不同的喷浆工 艺与混凝土质量之间的关系；2006 年，陈文耀、李文伟等人通过对喷射的混凝土 中添加不同种类的速凝剂进行试验并分析了结果,提出了在初期支护隧道时， 湿喷 混凝土应该选用无碱速凝剂[9]。 随着湿喷技术的不断发展，混凝土湿喷机、活塞式速凝剂计量泵、喷浆机械 臂等各种设备被用在了湿喷工艺中，它们不仅可以喷射稠密流混凝土，而且极大 拓宽了混凝土湿喷工艺的应用领域，使湿喷工艺成为喷浆技术的发展主流。 在喷浆支护领域，虽然混凝土湿喷工艺以其独特的优势已被更多的人接受， 逐渐占据主导地位，并成为一种发展潮流，但由于煤矿井下特殊的条件限制，目 前我国煤炭领域支护巷道依然普遍采用干喷或潮喷的喷射作业方法，因此需要进 一步研究适合煤矿井下巷道特点的混凝土湿喷工艺。 1.2.2 湿喷机国内外研究现状 1950 年，美国研制了世界上第一台湿喷机。自此，日本、前西德等国研制 了一系列湿喷机产品，随后在西方发达国家中湿喷技术开始推广应用。如今，湿 式喷浆机械已经成为部分西方国家重要的喷射混凝土设备，在喷浆支护时，湿喷 机械占到了 80以上，同时在一些工程则被要求只能使用湿喷机械，采用湿喷工 艺。 在各种工程项目中的所使用到的不同种类的机型, 按其原理的不同可分为气 送和泵送两种[10-12]。气送型湿喷机主要有螺旋、罐、转子、转子活塞、叶轮等几 种形式，工作原理是在压缩空气推动作用下，混凝土混合料沿着输料管道输送至 喷嘴，再喷出。其中较典型的有英国 COPERNASS-208 型湿喷机、日本德斯古马 恩、德国 BSM-903 型湿喷机。气送型混凝土湿喷机不但运送混凝土的距离近，而 且搬运也方便，维护的工作量也较大。 泵送型混凝土湿喷机主要有螺杆式、挤压式、活塞式等几种形式，工作原理 是利用输送管道将搅拌好的混凝土泵送至喷枪, 并在喷嘴处通入压缩空气, 在风 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 4 力作用下将混凝土喷射出去[13]。 在螺杆与定子相互啮合时，螺杆式混凝土湿喷机利用接触空间容积的变化输 送混凝土,虽然输送距离较远, 但产量低, 并且一些部件磨损却很严重； 挤压式 混凝土湿喷机主要由泵体、料斗和挤压胶管组成, 其中泵体部分呈筒形, 工作时 依靠传动系统驱动挤压滚轮转动, 连续不断地挤压管道内的混凝土混合物, 使其 进入输送管道, 具有结构简单等优点, 但挤压式混凝土湿喷机的挤压胶管寿命偏 短，需要经常跟换；活塞式湿喷机利用液压缸的活塞杆的伸缩，推动料活塞，将 料缸中的混凝土推送到输送管路，并在喷枪处通入的压缩空气，在风力作用下将 混凝土高速喷到岩面上，但目前许多活塞式混凝土湿喷机机体普遍笨重、体积较 大，只在一些大型工程项目中得到使用[14]。 上世纪 50 年代，我国开始进行混凝土湿喷机的相关研