煤礦井下潮噴混凝土產(chǎn)塵機(jī)理及降塵

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

［關(guān)鍵詞］潮式；噴射混凝土；粉塵；降塵

引言

噴射混凝土支護(hù)是我國(guó)煤礦開拓巷道錨噴支護(hù)工程的主要技術(shù)方式。經(jīng)過多年發(fā)展，濕噴技術(shù)取得了較大進(jìn)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(yīng)用［1］。濕噴技術(shù)雖然優(yōu)點(diǎn)很多，但由于國(guó)內(nèi)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(zhuǎn)子式混凝土噴射機(jī)［2］。潮噴工藝及轉(zhuǎn)子式混凝土噴射機(jī)普遍粉塵濃度較大［3］，需要對(duì)潮噴工藝和施工裝備進(jìn)行更加深入的分析和研究［4-6］，以更好地解決降塵關(guān)鍵問題。

1粉塵的來源及機(jī)理

對(duì)煤礦井下噴射混凝土施工工藝、裝備及環(huán)境等進(jìn)行分析，噴射混凝土產(chǎn)塵主要來自機(jī)旁粉塵、噴槍粉塵、巷道通風(fēng)粉塵3個(gè)方面。

1.1機(jī)旁粉塵

從噴射混凝土的工序和設(shè)備分析，機(jī)旁粉塵主要來源于上料產(chǎn)塵和噴射機(jī)跑塵。

1.1.1上料產(chǎn)塵噴射混凝土上料工序是產(chǎn)生揚(yáng)塵的主要來源。上料主要形成人工拋料揚(yáng)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(gè)過程均會(huì)產(chǎn)生粉塵。在上料過程中，粉塵顆粒受到機(jī)械力、重力、布朗運(yùn)動(dòng)以及空氣的作用力，巷道的進(jìn)風(fēng)以及回風(fēng)都是粉塵產(chǎn)生的重要影響因素。上料時(shí)，塊、粒狀物料在空氣中高速運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)周圍空氣流動(dòng)同時(shí)存在剪切作用，包括上料口漏料跌落時(shí)，在多種氣流作用下形成粉塵。人工拌料及上料時(shí)，氣流在鐵鍬運(yùn)動(dòng)的作用下形成擾動(dòng)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(xì)小顆粒在氣流的作用下與物料剝離，產(chǎn)生粉塵。物料下落過程中，隨著速度增大產(chǎn)生擾動(dòng)氣流，使物料中細(xì)小粉塵隨其運(yùn)動(dòng)，形成揚(yáng)塵。

1.1.2設(shè)備跑塵摩擦板結(jié)合面跑塵、余氣口排塵是轉(zhuǎn)子式噴射設(shè)備機(jī)旁粉塵的主要來源。轉(zhuǎn)子式噴射裝備產(chǎn)塵點(diǎn)主要來源于旋轉(zhuǎn)襯板與摩擦板間的結(jié)合部。粉塵產(chǎn)生主要是隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)襯板和摩擦板間由于磨損形成泄漏溝槽；旋轉(zhuǎn)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(jié)合部漏風(fēng)跑塵。轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，料杯余氣帶動(dòng)部分粉塵排出，形成具有較大運(yùn)動(dòng)速度噴射性粉塵，并迅速擴(kuò)散到機(jī)旁及外部空間。料杯密封時(shí)內(nèi)部氣壓為0.5MPa，壓氣處于受壓縮狀態(tài)，在轉(zhuǎn)動(dòng)到排氣口時(shí)，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(dòng)，移動(dòng)中夾帶物料顆粒和粉塵等，形成射流性粉塵。巷道的通風(fēng)和無規(guī)則氣流，把沉落在設(shè)備上積塵吹起，以及噴射機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)及振動(dòng)等形成二次設(shè)備粉塵。

1.2噴槍粉塵

噴槍產(chǎn)塵是噴射混凝土產(chǎn)塵的主要來源?；旌狭蠌膰姌屔涑鰰r(shí)，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(kuò)散，使噴槍與受噴面間產(chǎn)塵量急劇增加，占噴射混凝土作業(yè)產(chǎn)塵總量80%以上。

1.2.1氣流擴(kuò)散水泥、砂子、石子在噴槍與高壓水混合，水化成混凝土團(tuán)粒，混合料在噴槍內(nèi)受到噴槍壁面的約束，當(dāng)高壓氣帶動(dòng)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(shí)降低，噴槍出口混凝土以及壓氣體積劇烈膨脹，導(dǎo)致部分粉狀混合物迅速擴(kuò)散。壓氣自身高流速的氣流對(duì)混凝土團(tuán)粒粘結(jié)產(chǎn)生破壞作用?？諝夥肿釉谕咚倭黧w進(jìn)行動(dòng)量交換時(shí)，被動(dòng)產(chǎn)生高速氣流，破壞團(tuán)粒的粘結(jié)，與空氣中粉塵形成物料、氣體雙相流，進(jìn)而造成噴射粉塵污染，工作面粉塵濃度增高。噴射氣流擴(kuò)散如圖1所示。1.2.2團(tuán)粒的相互作用由粘性流體力學(xué)理論可知，當(dāng)2層流體間存在速度差時(shí)產(chǎn)生流體的剪切，形成漩流，使離散的顆粒以較快速度擴(kuò)散。水泥、砂子、石子水化后組成的團(tuán)粒粒徑和質(zhì)量不同，在圓形射流紊動(dòng)特性影響下，輸送速度、懸浮速度、受力不同，射流團(tuán)粒間相互作用導(dǎo)致顆粒的直射、折射和旋轉(zhuǎn)［7］，形成物料團(tuán)粒分散，氣流含塵量高。石子質(zhì)量大、動(dòng)能大，與水泥作用更易產(chǎn)生粉塵。

1.2.3物料與受噴面碰撞噴射混凝土?xí)r，在高壓氣流的帶動(dòng)下，水泥、砂子、石子及混凝土粒團(tuán)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(kuò)散，如圖2所示。高速射流作用時(shí)，噴射物料顆粒尺寸、質(zhì)量差異大，運(yùn)動(dòng)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(tuán)粒與受噴面高速撞擊，回彈的砂石會(huì)將團(tuán)粒打散，細(xì)小粉塵脫離團(tuán)粒再次形成粉塵，增加粉塵濃度。質(zhì)量大的團(tuán)粒動(dòng)能大，更易被破壞產(chǎn)生粉塵。噴射混凝土過程中，不僅反彈粉塵與射流碰撞產(chǎn)生小粒徑粉塵，而且壁面未粘結(jié)粉塵在高壓氣及混凝土射流作用下會(huì)形成揚(yáng)塵。噴槍混凝土射流速度越大，噴槍與受噴面的距離越近，揚(yáng)塵越大。

1.3巷道通風(fēng)粉塵

噴射混凝土?xí)r，需要送風(fēng)以保障人員呼吸，巷道送風(fēng)自身帶有一定濃度的粉塵，并且在大流量低壓氣流的擾動(dòng)下，巷道側(cè)壁黏附的細(xì)小粉塵脫落，隨風(fēng)流移動(dòng)形成二次粉塵。通風(fēng)粉塵普遍為較小粒徑粉塵、煤塵等，相對(duì)其他來源粉塵數(shù)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(shí)間極短，料團(tuán)粒自身粘結(jié)性較低，未被濕潤(rùn)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?shù)冗h(yuǎn)距離施工時(shí)，普遍采取增大進(jìn)氣量的措施，這樣就會(huì)產(chǎn)生較多粉塵。因?yàn)榉蹓m粒度越小，質(zhì)量越小，粉塵表面積越大，其吸附空氣的能力就越強(qiáng)。粒徑小、質(zhì)量小的粉塵不易沉降，會(huì)長(zhǎng)時(shí)間懸浮在井下空氣中。在遠(yuǎn)距離噴射時(shí)，壓氣流速越高，懸浮的塵粒數(shù)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(kuò)散性，粉塵從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散移動(dòng)。

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(dǎo)致產(chǎn)塵變化。噴槍口∞型畫圓及S型擺動(dòng)使混凝土、壓氣射流形成復(fù)合運(yùn)動(dòng)———旋動(dòng)射流。旋動(dòng)射流切向速度使噴槍內(nèi)的流體旋轉(zhuǎn)，射出的流體具有切向速度。旋轉(zhuǎn)速度使徑向、軸向產(chǎn)生壓力梯度并影響整個(gè)射流。旋動(dòng)射流擴(kuò)展比無旋動(dòng)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(chǎn)生。潮式噴射混凝土產(chǎn)塵比較復(fù)雜，噴射物料混合不均勻及粘性低是內(nèi)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(yuǎn)超規(guī)定上限值，作業(yè)條件惡劣，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)粉塵的控制，需要科學(xué)利用粉塵的特性，研究有效的技術(shù)措施達(dá)到降塵目的，改善噴射混凝土作業(yè)環(huán)境。

3降塵對(duì)策

從施工工藝、材料、除塵等方面研究潮噴支護(hù)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)工藝和裝備協(xié)同控制產(chǎn)塵，達(dá)到降塵的目的。

3.1施工工藝

（1）氣壓是噴射混凝土關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)粉塵濃度、回彈率影響較大。噴槍工作氣壓>0.1MPa時(shí)，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(jī)工作氣壓的增高，噴槍粉塵濃度與耗氣量呈線性關(guān)系增加。根據(jù)輸送距離，應(yīng)及時(shí)調(diào)整氣壓。（2）噴射（噴槍送料）距離對(duì)產(chǎn)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(yuǎn)，噴混凝土密實(shí)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(duì)回彈影響較大，對(duì)粉塵也有顯著影響。噴槍與基面保持垂直時(shí)，粉塵、回彈相對(duì)較小；噴射角度<70°時(shí)，骨料撞擊粉塵及回彈會(huì)快速增大。根據(jù)噴射位置，噴槍要及時(shí)調(diào)整噴射角度，控制在80°～90°為宜。（4）水壓對(duì)水泥的水化、潤(rùn)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(yīng)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(diào)整，故水壓也要隨之調(diào)節(jié)，并使水壓比氣壓高0.05～0.1MPa。

3.2材料級(jí)配及添加劑

混凝土的級(jí)配不合理，噴層強(qiáng)度降低，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量。水泥等用量需進(jìn)行級(jí)配試驗(yàn)，配比不合理，會(huì)造成物料浪費(fèi)，混凝土強(qiáng)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(qiáng)拌制的均勻性，同時(shí)控制水灰比保持在0.4左右，對(duì)粉塵的降低具有明顯效果。對(duì)噴射用混凝土外加劑進(jìn)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(chǎn)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(rùn)濕性能，增強(qiáng)水泥、砂子和石子相互間粘結(jié)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(shù)的基礎(chǔ)上，選擇配套除塵器從外部進(jìn)行降塵。常見的除塵器是運(yùn)用粉塵重力、慣性碰撞、靜電和凝聚等特性進(jìn)行綜合除塵。粉塵的物理性能與除塵技術(shù)的選擇有著密切關(guān)系，輔助采用化學(xué)抑塵劑等措施改變粉塵物性，可大大提高除塵效果。

4結(jié)語

潮式噴射混凝土粉塵顆粒的產(chǎn)生及擴(kuò)散移動(dòng)比較復(fù)雜，通過對(duì)產(chǎn)塵機(jī)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(shù)研究，可降低塵肺病等職業(yè)病的罹患風(fēng)險(xiǎn)，更好地保護(hù)噴射混凝土工人身體健康，促進(jìn)煤礦錨噴支護(hù)技術(shù)進(jìn)步。噴射混凝土支護(hù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但亦有很多技術(shù)弊端，在部分應(yīng)用領(lǐng)域可研究替代性的支護(hù)材料。近年來國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)開發(fā)的TSL薄噴支護(hù)材料和技術(shù)，取得了較好工程效果，充分發(fā)揮了噴射支護(hù)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

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作者：董輝輝 單位：南京科工煤炭科學(xué)技術(shù)研究有限公司