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Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 自从新奥地利隧道施工法提出以来，锚喷支护 在巷道掘进工程中得到广泛应用，而喷射混凝土因 其无需模板、 施工速度快、 工序简单、 机动灵活的特 点广泛用于矿山井巷、 地铁、 隧道、 水工涵洞等工程 的施工[1-5]。常用的有干式、 潮式及湿式混凝土喷射 技术， 其中干喷因为粉尘浓度过大， 已禁止在煤矿使 用。在煤矿狭小的巷道空间内，喷浆物料常采用现 场拌料的方式。任何一种喷射工艺，都存在上料产 尘和喷射产尘问题。喷浆粉尘的主要成分是水泥 尘，水泥尘是一种分散度很高的粉尘，在空气中极 易扩散， 而且水泥粉尘具有腐蚀性， 对接触皮肤、 眼 睛、 呼吸系统造成严重危害， 乃至矽肺致死[6-8]。长期 以来，人们对采煤工作面产生的煤尘或掘进工作面 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2017YFC0805203） ； 国家 自然科学基金资助项目 （51974177） 矿用喷浆粉尘控制技术的研究进展 程卫民 1， 2， 刘国明1， 2， 陈连军1， 2 （1.山东科技大学 安全与环境工程学院， 山东 青岛 266590； 2.山东科技大学 省部共建矿山灾害预防控制国家重点实验室 培育基地， 山东 青岛 266590 ） 摘要 喷射混凝土 （喷浆） 技术作为新奥法巷道支护的主要手段， 广泛应用于矿山巷道掘进支 护。 喷浆过程中难免产生粉尘， 喷浆粉尘是煤矿井下主要尘源之一。 介绍了喷浆粉尘的特点及产 尘影响因素； 从喷浆工艺出发， 分别介绍了干式混凝土喷射技术、 潮式混凝土喷射技术、 湿式混 凝土喷射技术及其产尘特点。基于国内外喷浆技术发展现状， 综述了喷浆粉尘控制技术和装备 进展 湿式搅拌除尘、 无脉冲泵送、 智能喷浆及喷浆保障技术。结合目前煤矿开采和职业安全健 康需求， 通过对比现有的技术及装备， 指出我国喷浆粉尘控制技术的发展方向。 关键词 喷浆； 粉尘控制； 智能喷浆； 无脉冲技术； 巷道支护 中图分类号 TD712文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 10-0087-11 Research Progress of Mine Shotcrete Dust Control Technology CHENG Weimin1,2, LIU Guoming1,2, CHEN Lianjun1,2 （1.College of Safety and Environmental Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2.State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China） Abstract Shotcrete technology, as the main mean of the new Austrian tunneling , has been widely used in mining roadway tunneling support. Dust is unavoidable during the shotcreting process, and shotcrete dust is one of the main sources of dust in coal mines. This article introduces the characteristics of shotcrete dust and the influencing factors of dust generation. Starting from the shotcrete technology, dry concrete shotcrete technology, tidal concrete shotcrete technology, wet concrete shotcrete technology and their dust production characteristics are introduced respectively. Based on the development status of shotcrete dusting technology at home and abroad, the progress of spraying dust control technology and equipment is reviewed wet mixing dust removal, pulseless pumping, intelligent spraying and spraying support technology. Combining the current coal mining and occupational safety and health requirements, and comparing the existing technology and equipment, it points out the development direction of shotcrete dust control technology in China. Key words shotcrete; dust control; intelligent shotcrete; pulseless technology; roadway support DOI10.13347/ki.mkaq.2020.10.014 程卫民， 刘国明， 陈连军．矿用喷浆粉尘控制技术的研究进展 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （10） 87-97. CHENG Weimin, LIU Guoming, CHEN Lianjun. Research Progress of Mine Shotcrete Dust Control Technolo－ gy[J].Safety in Coal Mines, 2020, 51 （10） 87-97. 移动扫码阅读 87 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 图 1干式混凝土喷射技术示意图 Fig.1Schematic diagram of dry-mix shotcrete technology 产生的岩尘进行了大量的研究[9-12]。然而， 对于喷浆 粉尘控制的研究相对较少[13-17]。为了降低喷浆粉尘 浓度，国内外学者通过采用各种手段搅拌过程中 加入磁化水降尘[18]， 开发新型无碱液体速凝剂减少 喷射粉尘[19-20]， 优化喷射混凝土新工艺[19, 21-23]。对于 我国矿山来说，接尘工人数在全世界居于首位， 而 锚喷作业现场为粉尘条件最差的作业场所之一， 因 此改进现有锚喷作业工艺是大幅度降低作业场所空 气中的粉尘浓度的最有效措施。随着预先湿 （潮） 拌 混凝土技术及装备的发展，喷浆干物料在湿式搅拌 桶内与水充分润湿混合后变成湿式物料，水泥尘等 粉尘在湿式搅拌或管道输送过程中变成水泥浆体， 物料喷出后几乎不产生粉尘[24-29]， 但是在上料过程 中依然有粉尘产生。因此， 降低喷浆粉尘的产生、 乃 至控制煤矿尘肺和矽肺病的发生已成为煤矿开采中 等重要的事情。为了更好地了解喷射混凝土粉尘， 进一步研究抑尘技术， 从喷浆粉尘特性、 喷浆工艺、 喷浆材料及设备等方面综述矿用喷浆粉尘控制技 术， 并提出目前喷浆粉尘控制的挑战及发展方向， 为 我国煤矿喷浆粉尘的防治提供理论和技术支持。 1矿用喷浆粉尘特点及影响因素 矿用喷浆粉尘有水泥尘、 细砂粉末尘、 碎石粉末 尘等。其中， 由于水泥用量较大， 约 440 kg/m3， 而且 水泥颗粒粒度小， 在搬运、 上料、 搅拌及喷射过程中 均有水泥尘逸散发生，因此水泥尘是喷浆粉尘的重 要成分。了解喷浆粉尘特性及影响因素对于控制喷 浆粉尘、 降低粉尘浓度具有重要的理论意义。 喷浆水泥粉尘具有很强的碱性，长期吸入喷浆 粉尘容易造成水泥尘肺。水泥尘肺与接触喷浆粉尘 的时间、粉尘浓度及分散度等因素相关，发病时间 一般在 1020 年。而且，由于水泥遇水发生水化作 用，在遇到汗液或水时，水泥生成氢氧化钙等具有 碱性的物质， 会刺激皮肤， 导致出现毛囊炎、 皮肤 皲裂、 干燥等皮肤病。于欣等[30-31]对采集的喷浆水泥 粉尘进行了理化性质检验，包括水泥密度检验、 粒 度实验等。研究发现喷浆水泥尘密度约 3.10 g/cm3， 水泥颗粒的直径 0.1100 μm 之间不等，其中 1 μm 以下的颗粒占 10， 20 μm 以下的颗粒占 50， 40 μm 以下的颗粒占 90。水泥粒子的平均粒径约为 23 μm。通过化学测试得出水泥尘的主要成分及含 量为 SiO2（19.5） ， Al2O3（6.45） ， Fe2O3（3.08） ， CaO （57.6 ） ， MgO （1.21 ） ， SO3（2.01 ） ， Cl（0.007） , P2O5（0.45） 。 影响喷浆粉尘产生的因素很多， 主要包括 喷浆 材料配合比、 喷浆工艺 （水压、 工作风压、 喷距、 喷射 角度） 和喷浆设备 （喷枪、 喷射机等） 。 1） 喷浆材料配合比。实用液体外加剂， 如液体 速凝剂等材料，尽可能减少混凝土中干性粉尘的用 量， 有效降低喷射过程中粉尘浓度。 2） 工作风压。风压是物料喷出的主要动力源， 随着工作风压的增大，喷枪出口处压缩空气压力骤 降的幅度越大， 体积膨胀越猛烈， 干燥状态下的水泥 颗粒扩散越剧烈， 粉尘产生越多； 但是， 风压越小， 喷射速度越小， 喷浆物料难以压实在受喷面上， 影响 工程质量， 而且增加了物料回弹。 3） 水压。当喷射系统中工作水压较低时， 水流 与喷浆物料不能深入混合，导致喷浆物料中的水泥 颗粒润湿不充分， 出现干料团， 容易在喷射过程受到 剪切力的作用， 产生粉尘。 4） 喷枪结构。在干 （潮） 喷过程中， 干 （潮） 式喷 浆物料在喷枪位置与水快速混合后喷向受喷面， 喷 枪内部结构直接影响了水泥等干性物料的润湿程 度，合理的喷枪结构可以增加水与喷浆物料的混合 效果， 减少干性粉尘。 2矿用喷浆工艺与粉尘 2.1干喷工艺及产尘特点 在干式喷浆过程中，压缩空气是物料喷射的主 要动力源，把喷浆料斗中的物料通过管道输送至喷 枪位置。压力水从喷枪接水口进入与物料混合， 最后 喷向受喷墙面， 干式混凝土喷射技术示意图如图 1。 干喷工艺具有操作简单、移动方便、机具造价 低、早期强度高等优点，应用最广泛的干喷机机型 是转子式干喷机。但是干喷机存在 2 个明显缺点 ①在喷枪处加水用量的问题，往往出现水量加少或 加多的情况，难以精确控制喷射混凝土的质量； ② 由于水与干物料混合的时间很短，尤其是水泥与水 88 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 图 4推链式混凝土喷射机 Fig.4Push-chain shotcrete sprayer 的混合不足，导致喷射过程中粉尘污染十分严重。 干物料与水的混合发生在喷枪内，混合时间在 0.023～0.08 s， 长度一般小于 0.5 m， 短时间内很难形 成纯湿拌混凝土。而且， 喷出的物料碰撞、 高压气体 的剪切等作用促进了粉尘的发生，从喷枪中喷出的 干性粉尘量能达到总水泥用量的 20～25， 喷射产 尘比例占到全部喷浆工艺的 80。另外， 干喷机由 于自身结构设计问题也容易产生粉尘，以转子式干 喷机为例，由于转子与结合板之间长时间摩擦， 结 合板容易磨损后形成漏气间隙，水泥尘很容易溢 出， 污染喷浆作业环境。 2.2潮喷工艺及产尘特点 基于干喷工艺特点，潮喷工艺改进了加水方式 和加水位置。首先将一部分水与物料搅拌混合， 该 操作降低了上料过程的产尘量，然后在喷枪处继续 加入剩余的水 （与干喷工艺一致） ， 潮式混凝土喷射 技术示意图如图 2。潮喷工艺结合了干喷的轻便快 捷操作和湿喷的低产尘量等特点，而且潮喷机价格 相对较低， 目前广泛应用在煤矿井下。但是， 潮喷工 艺也继承了干喷和湿喷工艺的缺点，由于物料与水 并没有完全混合，喷射过程中依然产生一定浓度的 粉尘。煤矿应用较为广泛的潮喷机型为推链式混凝 土喷射机。济宁三号井煤矿采用新型推链式喷浆机 对巷道进行喷浆支护，构建了巷道高效喷浆机械化 作业线及配套工艺，粉尘浓度较普通喷射工艺降低 90， 回弹率降低 50左右[18]。但是也有资料显示潮 喷过程产尘占总产尘量的 4045。 文献[32]介绍了 1 种潮式喷射机上料除尘装 置，除尘装置主要由上料装置、水幕除尘器及控尘 装置等组成，潮式喷射机上料除尘装置及水幕除尘 器结构如图 3。 除尘器主要由水幕除尘段、 空气引射 器及动量脱水器等组成。控尘装置控制喷射机工作 中产生的粉尘，然后利用引射装置将含尘气流吸入 到除尘器内，然后采用喷雾进行净化处理。该除尘 装置在一定程度上减少了潮喷上料粉尘，但是对湿 式搅拌机适应性差，一方面由于除尘器体积较大， 减少了喷浆设备的灵活性；另一方面在抽吸除尘的 过程中， 如果抽吸量设置不当， 会有大量的水泥和砂 石被抽走， 改变了混凝土配比， 影响混凝土的强度。 因此， 针对湿式喷浆上料区的粉尘防治， 可通过在搅 拌桶上料口布置喷嘴，通过形成水雾幕控制下落粉 尘和碰撞粉尘的扩散，产生的雾滴通过尘雾耦合实 现沉降。 山东亚瑞特机电工程科技有限公司最新研发的 JSLT7-L 潮 （湿） 式混凝土喷射机组， 是全国首台集 自动配比、 搅拌、 上料、 喷浆、 行走于一体的混凝土 喷浆设备， 生产能力≥7 m3/h。该设备采用螺旋搅拌 上料、推链式送料。相对于分体式推链喷射机和螺 旋上料搅拌机， 结构更紧凑， 操控更方便。喷射机组 的上料机可实现上下滑动， 降低了上料高度， 上料 过程中通过喷雾预先湿润水泥尘， 并通过水雾幕控 制粉尘的逸散， 减少粉尘的产生， 兼具高行走能力， 设备采用全液压控制， 操作方便， 集成自研发的油 温控制系统， 防止液压系统温度升高； 活塞快装系 统，实现密封活塞的快速更换。现场喷浆降尘效率 达 93， 回弹率控制在 15以内， 为快速低尘化喷 浆支护提供技术和装备支持。推链式混凝土喷射机 如图 4。 图 2潮式混凝土喷射技术示意图 Fig.2Schematic diagram of semi-wet shotcrete technology 图 3潮式喷射机上料除尘装置及水幕除尘器结构[32] Fig.3Structure of the feeding and dust removal device of semi-wet shotcrete machine and the water curtain dust collector 89 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 图 7湿式混凝土喷射机 Fig.7Wet-mix shotcrete machine 2.3湿喷工艺及产尘特点 相对于干喷和潮喷工艺，湿喷工艺在输送物料 形式和喷射机具等方面具有很大的不同，湿喷机常 采用柱塞泵作为输送物料的动力源。物料泵送前， 先将水泥、 石子、 砂子、 水等材料充分搅拌好， 形成 纯湿式混凝土，通过柱塞泵输送至喷枪位置，引入 高压气，在高压气体的携带下喷向受喷面，湿式混 凝土喷射技术示意图如图 5。由于湿喷过程中物料 与水的混合时间较长，绝大部分水泥尘在搅拌过程 中被水浸润消融，所以在喷射过程中粉尘浓度能够 降低至 10 mg/m3以内。 因此， 湿喷工艺具有低回弹、 低粉尘、 长距离输送、 高质量等优点， 世界上约有一 半以上的国家采用湿喷技术。湿喷工艺要求喷射前 需准备好新拌混凝土，由于中国煤矿巷道空间有 限，很难在巷道内建立混凝土搅拌站，通常采用小 型混凝土搅拌机进行现场搅拌，在混凝土物料上料 搅拌过程中，难免出现粉尘逃逸扩散，而且增加了 湿喷工艺的复杂性。 湿式喷浆上料工序流程为工人运用铁锨或机 械抓斗将水泥、砂子、石子等干物料从矿车或者地 面运至湿式搅拌桶上方，并将物料倒入桶内，同时 加入适量的水，通过旋转搅拌叶片将干式物料搅拌 成湿式混凝土。湿式喷浆上料区物料搬运及下落过 程粉尘发生示意图如图 6。 上料期间， 粉尘发生主要分为 2 个阶段 第 1 阶 段为 “物料搬运产尘” 物料在搬运过程中受到巷道 风流吹动而产生粉尘，但是由于搬运过程中物料的 堆积状态并没有发生变化，巷道内扰动风流产生的 尘化作用较小，所以搬运产尘量较小；第 2 阶段为 “物料下落产尘（卸料粉尘） ” 喷浆物料下落过程 中，细小的粉尘容易受到拖曳气流和巷道扰动风流 的影响而发生弥散， 此外， 颗粒流碰撞搅拌桶底板或 搅拌叶片时产生大量的粉尘[33-34]。现场观察可知 上 料区落料瞬间粉尘浓度高达 600 mg/m3以上[35-37]。 由 于上料的间断性， 造成物料下落产尘的阵发性， 多次 间断产生的粉尘在巷道空间叠加，导致粉尘运移的 复杂性。目前，喷浆上料区阵发性粉尘污染规律尚 不清楚，导致控制产尘点微环境除尘系统的具体形 式和参数没有准确的设计依据。黄朋举[38]采用数值 模拟的方法研究了颗粒物料下落、反弹和堆积过 程，通过引入建立在曳力基础上的流体粒子相互作 用力来实现对气固两相流中气相和固相的双向耦 合。研究发现 颗粒粒径越大、 下落高度越高、 密度 越大对流体的扰动也越大，同时颗粒群中的颗粒受 到流体的影响比单颗粒大而且更加复杂，并不是颗 粒数目简单相加的结果。 在湿喷混凝土管道输送过程中，由于配比不合 理、 管理不当造成管道堵塞问题时有发生， 堵管后或 喷射结束后管道清理比较困难，严重制约了湿喷工 艺的推广。山东威特立邦矿山设备有限公司对以上 问题进行了研究， 包括针对搅拌、 上料、 喷射多尘源 粉尘产生、 配套机具冗杂等问题， 研发了分体式矿用 泵送混凝土湿式喷射机和搅拌机 （配套使用） ， 以及 集泵送、 搅拌、 独立行走为一体的湿式混凝土喷射机 组， 湿式混凝土喷射机如图 7。 2 种机型均采用双柱塞泵送式输送喷浆物料， 采用单（双） 卧轴强制式搅拌，泵送距离 260 m 以 图 5湿式混凝土喷射技术示意图 Fig.5Schematic diagram of wet-mix shotcrete technology 图 6湿式喷浆上料区物料搬运及下落过程 粉尘发生示意图 Fig.6Schematic diagram of dust generation during material handling and falling in the wet-mix shotcrete process 90 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 图 8GYP-90 系列液压湿喷机 Fig.8GYP-90 series hydraulic wet spraying machine 图 9潮湿两用混凝土喷射机 Fig.9Semi-wet and wet concrete spraying machine 上， 现场喷浆粉尘浓度在 10 mg/m3以内， 回弹率降 低至 10以内， 净化了喷浆巷道环境， 极大减少了 喷浆回弹物料浪费， 改善了喷浆支护质量[39-41]。 耿力机械研制的 GYP-90 系列液压湿喷机， 利 用液压泵产生的推力，使 2 个油缸往复交替运动， 推送稠密混凝土物料，生产能力在 3～7 m3/h， GYP- 90 系列液压湿喷机如图 8[42]。路达机械生产的 SP- 90型液压湿喷机泵送距离远， 输送效率高， 最大生产 能力达 10 m3/h， 2 款机型外形比较类似，且降尘效率 显著， 机旁粉尘低于 6 mg/m3， 回弹率低于 10[43]。河 南省煤炭科学研究院有限公司研制的 KBS-8A 全液 压泵送式混凝土湿喷机， 机旁粉尘小于 10 mg/m3[44]。 山东天河科技股份有限公司引进瑞典 ALIVA 公司 领先设计，研发了一款潮湿两用混凝土喷射机， 潮 湿两用混凝土喷射机如图 9[45]。采用钢胶密封结构， 喷浆机机旁粉尘浓度低于 8 mg/m3。采用气动压紧 结构， 压紧力自动调整， 降低密封件磨损， 提高密封 寿命。可完成潮料、 湿料喷射作业， 湿料喷射稳定可 靠。 设备体积小， 质量轻， 移动方便。 喷射距离远， 潮 式喷浆水平喷射距离可达 300 m。 3矿用喷浆粉尘防治技术研究进展 3.1湿式搅拌根源消尘技术 湿喷粉尘减少的主要原因是物料粉尘在往泵送 料斗上料时已成为纯湿式的新拌混凝土，即干式喷 浆物料在搅拌过程中加入了足量的水使得喷浆物料 为纯湿料， 水泥尘等粉尘尽可能的与水接触， 减少了 粉尘的逸散。理想状态下 （不考虑粉尘团聚） ， 所有 的喷浆粉尘在湿式搅拌过程中全部与水接触，从根 源上消除了粉尘。 3.2无脉冲的湿喷混凝土泵送技术 传统混凝土湿喷机采用双柱塞泵结构，由于双 柱塞泵的交替泵送间隔导致喷射脉冲大。混凝土喷 射脉冲引起喷射过程回弹率高、 工人劳动强度大、 喷 射效率低、存在喷射盲区等问题。喷射脉冲是导致 目前无法实现自动化、智能化喷浆的主要技术难题 之一。 马官国[46]探究了传统湿喷机脉冲产生机理， 得 出分配阀摆动时主缸停止泵送和主管路中混凝土的 泄压和回流是脉冲产生的主要原因。针对传统湿喷 机分配阀摆动时主管路中混凝土的泄压和回流问 题，设计了分配阀上的密封隔板，解决了混凝土的 泄压和回流问题； 并通过分析混凝土流动状态， 提出 “削峰填谷” 的方法来解决混凝土脉冲， 从而设计出 三缸式无脉冲湿喷机泵送结构，有效解决了混凝土 湿喷机的泵送和喷射脉冲。 3.3智能喷浆的辅助机械手技术 传统喷浆主要依靠人工作业，存在“占用人工 多、 劳动强度大、 操作工艺复杂、 混凝土喷射不均、 喷层质量不一” 等问题， 造成了喷浆作业环境差、 工 作负荷大、安全风险高等难题。进入深部矿井开发 阶段，高地压、高地温等应用环境对喷层成形质量 提出了更高的要求，安全生产形势的需要对矿井无 人或少人智能化作业提出了新的需求。 山东科技大学研发了 2 款喷浆辅助机械手 PHS-JXS 型简易机械手和 PF28-L 型越障自行走喷 射辅助机械手， 喷浆辅助机械手如图 10。PHS-JXS 型简易机械手具有“高度可调、角度灵活、移动方 便” 的结构特点， 完全依靠气动助力， 防爆性能高， 作业安全可靠。 适用于小断面巷道喷射， 辅助作业 1 人即可移动， 升降操作方面， 可以有效降低喷浆手工 作强度。PF28-L 型机械手包括底盘、动力机构、 工 作装置以及液控系统，适应 28～50 m2巷道断面， 可 实现 20坡度稳定爬坡， 喷头摆动160， 实现了与 湿喷机的高效配合，便于进行喷射高度及位置的调 91 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 图 10喷浆辅助机械手 Fig.10Shotcrete auxiliary manipulator 图 11全智能型混凝土喷射机 Fig.11Fully intelligent concrete sprayer 整，解放了人工抱喷头的重体力劳动，扩展了喷射 范围， 也提高了施工质量。然而， 这 2 款喷射机械手 均需要人工控制， 尚无法实现智能化自主喷浆。 HPSD2008 系列混凝土湿喷机由中国铁建重工 集团股份有限公司研发，集行走、泵送和喷射功能 于一体，主要用于隧道施工，设备最大理论喷射量 高达 20 m3/h， 输送管道管径 80、 90 mm， 远大于矿用 湿喷混凝土输送管道管径 （一般为 6070 mm） [47]。 该 机型属于大型隧道喷浆装备，是我国湿喷行业中大 排量、大体积装备的代表机型，最大喷射高度和最 大喷射宽度分别为 8 m 和 15 m， 但是要求最小喷射 作业隧洞高度不小于 3 m，较难在狭小的井下巷道 空间作业。 中国铁建重工集团有限公司于 2018 年成功研 制了全智能型混凝土喷射机 （机械手） ， 主要应用于 隧道混凝土喷射， 具备 3D 扫描建模、 自动定位、 路 径规划、 智能喷射、 数据交互、 自动修正等功能， 该 设备是全球首台具有自感知、自决策与自适应功能 的智能喷射机。利用全自动 3 维扫描仪对隧道轮廓 进行全方位扫描，可以自动精准识别隧道轮廓尺寸 （分辨率高达 0.001） ，实现自动规划喷射路径和主 动喷射作业，不再需要人工操作。全智能化湿喷机 作业具有高效、 高质、 精准等特点， 而且提高了喷浆 作业的效率和安全性。但是该设备体积大， 不防爆， 尚无法在煤矿中应用[48-49]。全智能型混凝土喷射机 如图 11。 目前， 实现矿用混凝土喷射作业的 “智能化” 控 制是国内外研究的热点。要想实现矿用喷浆的智能 化，在原有喷浆机械设备的基础上，首先要攻克复 杂有限空间巷道快速扫描及地图构建、多目标多自 由度机械臂轨迹规划及运动控制技术、管道输送智 能检测、自主运动与远程协同操作等核心关键技 术；其次，要突破智能喷浆功能的系统集成和防爆 设计等瓶颈问题。因此， 实现矿用喷浆智能化， 还需 要国内外专家学者的共同努力，研制出适应我国矿 井的长距离自主喷浆作业机器人系统，实现喷浆作 业的绿色、 安全、 高效、 智能化。 3.4湿式喷浆粉尘控制保障技术 根据现场实测和观察，湿式喷浆喷头处产生粉 尘很少。但是， 现场上料时， 干物料的拆分、 搬运、 下 落、 与搅拌桶底的碰撞等过程会有粉尘产生， 多工序 复杂性及多尘源点的分散性导致粉尘控制较为困 难。此外， 合理的喷浆材料配比、 喷射工艺、 管道输 送保障等是成功开展湿式喷浆的前提。 3.4.1水泥上料粉尘控制技术 由于井下空间相对狭小，多采用现场搅拌喷射 混凝土的方法。现场上料过程中，尤其是水泥袋的 拆封和上料，现场弥漫大量的水泥尘。水泥防尘拆 包机有效解决了上料粉尘浓度高、难控制的问题， 为湿式喷浆粉尘的控制提供了技术保障[50]。整套设 备可有效对袋装水泥进行拆包作业，拆净率可达 98以上。 该设备自带除尘系统， 作业过程中无粉尘 产生， 清洁无污染。此外， 水泥防尘拆包机能够自动 收集尼龙袋， 并通过除渣口排出， 方便收集清理， 减 少了操作人员数量， 降低了劳动强度。 3.4.2喷浆材料管道输送减阻排堵技术 新拌混凝土管道输送是湿喷工艺的一个重要环 节[22, 51-52]。湿喷混凝土在泵送过程中受到剪切力、 泵 送推力及重力等作用， 混凝土的性能发生变化[53-54]。 如果湿喷物料的管道输送性能较差，往往引起管道 堵塞。国内外学者针对管道输送性能的研究主要集 中在管壁润滑层形成、 管输减阻技术等方面。 为了测量混凝土的管道流动性能，多数研究学 92 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 者采用先进的混凝土流动测量技术。其中，包括高 速摄像机捕捉混凝土流动特征以及配制特种混凝土 等技术[55-58]。Le 等[58]利用 PIV 粒子追踪技术确定了 混凝土管输润滑层的存在，并分析了混凝土流变参 数与润滑层厚度之间的关系；实验过程中，为了捕 捉混凝土的流动特性，作者采用半开管代替全管 流，并证明了半开管流动代替全管流研究的可行 性。 Choi 等[59-60]利用超声探测仪测量润滑层的厚度， 分析了粗骨料尺寸对润滑层厚度、混凝土流变性能 及润滑层流变性能的影响。 对于矿用湿喷混凝土管道输送过程中堵塞问 题， 学者[61]从宏观角度论述了湿喷混凝土管道输送 堵塞的原因，分析了湿喷混凝土在管道输送阶段、 堵塞阶段颗粒和浆体的受力情况，并从湿喷混凝土 施工过程中的骨料最大尺寸、水泥种类选取、水灰 比及骨料级配等方面分析了避免发生堵管的方法。 浩金牛等[62]通过对动力传递和物料输送过程中的各 个环节的分析，指出湿喷机的作业过程是由各个工 艺环节串联而成，混凝土堵管由多方面因素造成。 冉杰娃[63]针对泵送过程中混凝土堵塞的问题， 首先 分析了泵送混凝土堵塞的原因，然后设计了防堵机 构，并通过试验证明该设计能够有效地解决管道堵 塞问题。由此可知，管道输送过程中润滑层的形成 是十分关键的。 刘国明等[52, 61, 64-64]通过开展湿喷混凝 土管道输送及混凝土喷射实验，揭示了新拌混凝土 流变性能与可泵性、可喷性的关系，确定了基于流 变参数的湿喷混凝土可泵及可喷性能预测区间； 并 采用 SPSS 多元线性回归分析， 建立了矿用湿喷混凝 土可泵送性及可喷敷性能的定量预测模型。 Liu 等[66] 研发了减阻型矿用湿喷混凝土开关引气剂，用环保 型无患子皂粉做主要发泡材料，用开关剂、增泡剂 和稳泡剂做辅助材料，有效提高了管道输送阶段混 凝土的流动性能及物料喷射阶段混凝土可喷敷性 能， 减少了新拌混凝土管输堵塞概率。 3.4.3抑尘减弹的喷浆材料及工艺 1） 优化喷浆工艺。为了减少矿用混凝土喷射对 周围环境的影响、提升矿用混凝土质量，陆续开发 了新的混凝土喷浆工艺。除了干喷工艺、 潮喷工艺和 湿喷工艺，还开发了水泥裹砂法、潮料掺浆法和双 裹并列法等一系列喷浆工艺。该种喷浆工艺均为提 前湿润干拌合料，从而降低喷射中粉尘的浓度， 增 强了混凝土的强度，但水泥裹砂法、潮料掺浆法和 双裹并列法工艺都比较复杂， 井下施工难度较高。 2） 应用外加剂材料。在喷浆拌合料中添加增黏 剂， 可有效地降低喷浆粉尘浓度、 减小回弹损失， 例 如德国研发的 SiliponSPR6 型增黏剂和我国生产的 N 型增黏剂[24-25]。也可以利用速凝剂和抑尘剂来降 低喷射混凝土的粉尘产量， 比如程高峰[67]配制了喷 射混凝上新型复合外加剂，组分主要有速凝物质 JA、 具有高吸水性能物质 B 和高分子聚合物 P， 并开 展了喷射混凝土降尘特性的研究， 现场结果表明,全 尘浓度降低 46.5～62.9，呼尘降低 20～33， 效 果良好。 周刚等[19]开发的新型无碱液体速凝剂， 减少 了喷射混凝土的凝固时间， 提高了物料的黏聚力， 减 小了回弹损失、 降低了混凝土喷射粉尘浓度。另外， 在混凝土拌合料中添加纤维材料或硅粉等，可以提 高混凝土的可喷性， 增加矿用喷射混凝土的黏聚性， 减小回弹损失和降低粉尘浓度[27-28, 68-69]。曾宪桃等[18] 在拌制喷射混凝土过程中掺入磁化水，而且分析了 磁化水对矿用喷射混凝土回弹、 产尘、 强度的影响机 理， 结果显示 利用磁化水拌制的矿用混凝土， 喷射 过程中产生的粉尘浓度低于普通喷浆 50以上。 3） 优化喷枪结构。干喷和潮喷产生的粉尘很大 程度上受喷枪结构的影响，由于干拌合料与水在喷 头处混合时间很短，若喷头结构设计不合理会导致 干拌合料中一些水泥颗粒无法被湿润，喷射过程中 产生大量粉尘。所以， 为了减少喷射粉尘， 提高喷枪 润湿干燥水泥颗粒的能力， 出现了不同的喷枪结构。 例如异形葫芦结构[70]、 锥形管结构[71]和双水环结构[58] 喷枪， 通过提高物料在喷枪中的湍流强度， 增加水 泥颗粒与水的浸润混合程度，并通过二次加水， 补偿未混合均匀的水泥颗粒。异形葫芦喷枪结构和 锥形管喷枪结构如图 12 和图 13。于天野通过研究 传统喷枪结构， 设计了一种新型混拌式喷枪， 此结 构先利用多水环结构使水和干拌合料充分混合， 再 利用喷枪里面的被动搅拌棒搅拌，充分润湿水泥颗 粒， 降低粉尘浓度， 应用结果显示 混拌式喷枪比 常规喷枪喷射时回弹率减小了 33， 粉尘浓度下降 了 77。在干喷或潮喷过程中， 为了保证高速流过 的干拌合料能被喷头处的水环充分润湿，接入的水 压必须比风压高，通常情况下保持水压比风压高 0.05～0.1 MPa。 4矿用喷浆粉尘控制技术挑战 关于喷浆粉尘防治，大部分研究集中在喷浆工 艺、 喷浆新材料研发及喷枪结构优化等方面， 并已取 得了较好的抑尘减弹效果。但是喷浆粉尘依然存 在， 还需要进一步降尘。而且， 要实现智能化、 无尘 93 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 图 12异形葫芦喷枪结构 Fig.12Special-shaped gourd spray gun structure 图 13锥形管喷枪结构 Fig.13Tapered tube spray gun structure 项目目前现状挑战方向 喷浆装备一体化 控制技术 目前喷浆设备处于混凝土搅拌、 泵送、 喷浆各部分环节独立 控制， 各环节协同通过灯光或者喊话的形式人工协调， 尚无 一套对搅拌、 泵送、 喷浆以及风压/风量一体化控制系统 长距离一体化控制系统以及风压/风量自动匹配技术是目前 的研究难点。 智能喷浆机械手 空间扫描和路径 规划技术 常用的喷浆机械手为人工遥控操作， 智能化自主喷浆技术尚 处于理论研究阶段； 能完成喷浆机械手对待喷空间智能识别 以及自动喷浆技术 智能化喷浆涉及复杂巷道空间巷道快速精准扫描及地图构 建、 多目标多自由度机械臂轨迹规划及运动控制技术是目前 研究的难点。 混凝土喷浆机 脉冲控制技术 目前常用的喷浆机， 无论是湿喷还是潮喷， 由于其结构原理 问题， 不可避免存在喷浆脉冲， 易造成喷浆回弹和喷射 “盲 区” 。目前脉冲补偿技术处于理论分析和试验阶段。 喷浆设备脉冲控制技术及优化是目前研究的难点。 无尘化上料搅拌 技术 采用的强制式搅拌机或者螺旋上料机等， 通过增设加水或喷 雾形式均可实现低尘化搅拌。 但是无法避免干物料进入搅拌 机过程中粉尘的发生。 喷浆干物料在搬运、下落过程中受到剪切诱导气流的影响， 粉尘容易逸散。控制上料过程中粉尘的发生， 实现无尘化上 料搅拌技术是目前研究的难点 湿喷堵管在线 监测及排堵技术 泵送过程缺少堵管实时监测技术， 依靠工人观察以及堵管后 敲管判断堵管位置。或者在沿程管道多点布置压力传感器， 通过相邻传感器的异常变化判断堵塞区域。排堵技术 通过 正反泵操作， 严重时拆卸塞管道， 用高压水冲击洗刷。 自主快速精准识别堵管的位置， 反馈给泵送操作系统， 通过 正反泵或更先进的方式快速疏堵。 湿喷物料性能 调控机理 通过添加矿物掺和料或化学添加剂， 改变湿喷物料泵送性能 和喷射性能。但是， 湿喷外加剂种类， 作用机理呈现多样化。 不同地区的混凝土物料性能， 如石子的材质、 孔隙率等不同， 掺入外加剂后， 作用机理发生变化。 因此， 建立不同地区湿喷 物料的性能资料库及性能调控机理是目前研究难点。 表 1矿用喷浆粉尘控制技术研究现状及挑战 Table 1Research status and challenges of mine shotcrete dust contr