程衛(wèi)民，劉國(guó)明，陳連軍

（1.山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島266590；2.山東科技大學(xué) 省部共建礦山災(zāi)害預(yù)防控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島266590）

自從新奧地利隧道施工法提出以來，錨噴支護(hù)在巷道掘進(jìn)工程中得到廣泛應(yīng)用，而噴射混凝土因其無需模板、施工速度快、工序簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)廣泛用于礦山井巷、地鐵、隧道、水工涵洞等工程的施工[1-5]。常用的有干式、潮式及濕式混凝土噴射技術(shù)，其中干噴因?yàn)榉蹓m濃度過大，已禁止在煤礦使用。在煤礦狹小的巷道空間內(nèi)，噴漿物料常采用現(xiàn)場(chǎng)拌料的方式。任何一種噴射工藝，都存在上料產(chǎn)塵和噴射產(chǎn)塵問題。噴漿粉塵的主要成分是水泥塵，水泥塵是一種分散度很高的粉塵，在空氣中極易擴(kuò)散，而且水泥粉塵具有腐蝕性，對(duì)接觸皮膚、眼睛、呼吸系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害，乃至矽肺致死[6-8]。長(zhǎng)期以來，人們對(duì)采煤工作面產(chǎn)生的煤塵或掘進(jìn)工作面產(chǎn)生的巖塵進(jìn)行了大量的研究[9-12]。然而，對(duì)于噴漿粉塵控制的研究相對(duì)較少[13-17]。為了降低噴漿粉塵濃度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過采用各種手段：攪拌過程中加入磁化水降塵[18]，開發(fā)新型無堿液體速凝劑減少噴射粉塵[19-20]，優(yōu)化噴射混凝土新工藝[19,21-23]。對(duì)于我國(guó)礦山來說，接塵工人數(shù)在全世界居于首位，而錨噴作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)為粉塵條件最差的作業(yè)場(chǎng)所之一，因此改進(jìn)現(xiàn)有錨噴作業(yè)工藝是大幅度降低作業(yè)場(chǎng)所空氣中的粉塵濃度的最有效措施。隨著預(yù)先濕（潮）拌混凝土技術(shù)及裝備的發(fā)展，噴漿干物料在濕式攪拌桶內(nèi)與水充分潤(rùn)濕混合后變成濕式物料，水泥塵等粉塵在濕式攪拌或管道輸送過程中變成水泥漿體，物料噴出后幾乎不產(chǎn)生粉塵[24-29]，但是在上料過程中依然有粉塵產(chǎn)生。因此，降低噴漿粉塵的產(chǎn)生、乃至控制煤礦塵肺和矽肺病的發(fā)生已成為煤礦開采中等重要的事情。為了更好地了解噴射混凝土粉塵，進(jìn)一步研究抑塵技術(shù)，從噴漿粉塵特性、噴漿工藝、噴漿材料及設(shè)備等方面綜述礦用噴漿粉塵控制技術(shù)，并提出目前噴漿粉塵控制的挑戰(zhàn)及發(fā)展方向，為我國(guó)煤礦噴漿粉塵的防治提供理論和技術(shù)支持。

1 礦用噴漿粉塵特點(diǎn)及影響因素

礦用噴漿粉塵有水泥塵、細(xì)砂粉末塵、碎石粉末塵等。其中，由于水泥用量較大，約440 kg/m3，而且水泥顆粒粒度小，在搬運(yùn)、上料、攪拌及噴射過程中均有水泥塵逸散發(fā)生，因此水泥塵是噴漿粉塵的重要成分。了解噴漿粉塵特性及影響因素對(duì)于控制噴漿粉塵、降低粉塵濃度具有重要的理論意義。

噴漿水泥粉塵具有很強(qiáng)的堿性，長(zhǎng)期吸入噴漿粉塵容易造成水泥塵肺。水泥塵肺與接觸噴漿粉塵的時(shí)間、粉塵濃度及分散度等因素相關(guān)，發(fā)病時(shí)間一般在10～20 年。而且，由于水泥遇水發(fā)生水化作用，在遇到汗液或水時(shí)，水泥生成氫氧化鈣等具有堿性的物質(zhì)，會(huì)刺激皮膚，導(dǎo)致出現(xiàn)毛囊炎、皮膚皸裂、干燥等皮膚病。于欣等[30-31]對(duì)采集的噴漿水泥粉塵進(jìn)行了理化性質(zhì)檢驗(yàn)，包括水泥密度檢驗(yàn)、粒度實(shí)驗(yàn)等。研究發(fā)現(xiàn)噴漿水泥塵密度約3.10 g/cm3，水泥顆粒的直徑0.1～100 μm 之間不等，其中1 μm以下的顆粒占10%，20 μm 以下的顆粒占50%，40 μm 以下的顆粒占90%。水泥粒子的平均粒徑約為23 μm。通過化學(xué)測(cè)試得出水泥塵的主要成分及含量為：SiO2（19.5%），Al2O3（6.45%），F(xiàn)e2O3（3.08%），CaO（57.6%），MgO（1.21%），SO3（2.01%），Cl（0.007%）,P2O5（0.45%）。

影響噴漿粉塵產(chǎn)生的因素很多，主要包括：噴漿材料配合比、噴漿工藝（水壓、工作風(fēng)壓、噴距、噴射角度）和噴漿設(shè)備（噴槍、噴射機(jī)等）。

1）噴漿材料配合比。實(shí)用液體外加劑，如液體速凝劑等材料，盡可能減少混凝土中干性粉塵的用量，有效降低噴射過程中粉塵濃度。

2）工作風(fēng)壓。風(fēng)壓是物料噴出的主要?jiǎng)恿υ?，隨著工作風(fēng)壓的增大，噴槍出口處壓縮空氣壓力驟降的幅度越大，體積膨脹越猛烈，干燥狀態(tài)下的水泥顆粒擴(kuò)散越劇烈，粉塵產(chǎn)生越多；但是，風(fēng)壓越小，噴射速度越小，噴漿物料難以壓實(shí)在受噴面上，影響工程質(zhì)量，而且增加了物料回彈。

3）水壓。當(dāng)噴射系統(tǒng)中工作水壓較低時(shí)，水流與噴漿物料不能深入混合，導(dǎo)致噴漿物料中的水泥顆粒潤(rùn)濕不充分，出現(xiàn)干料團(tuán)，容易在噴射過程受到剪切力的作用，產(chǎn)生粉塵。

4）噴槍結(jié)構(gòu)。在干（潮）噴過程中，干（潮）式噴漿物料在噴槍位置與水快速混合后噴向受噴面，噴槍內(nèi)部結(jié)構(gòu)直接影響了水泥等干性物料的潤(rùn)濕程度，合理的噴槍結(jié)構(gòu)可以增加水與噴漿物料的混合效果，減少干性粉塵。

2 礦用噴漿工藝與粉塵

2.1 干噴工藝及產(chǎn)塵特點(diǎn)

在干式噴漿過程中，壓縮空氣是物料噴射的主要?jiǎng)恿υ矗褔姖{料斗中的物料通過管道輸送至噴槍位置。壓力水從噴槍接水口進(jìn)入與物料混合，最后噴向受噴墻面，干式混凝土噴射技術(shù)示意圖如圖1。

圖1 干式混凝土噴射技術(shù)示意圖Fig.1 Schematic diagram of dry-mix shotcrete technology

干噴工藝具有操作簡(jiǎn)單、移動(dòng)方便、機(jī)具造價(jià)低、早期強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最廣泛的干噴機(jī)機(jī)型是轉(zhuǎn)子式干噴機(jī)。但是干噴機(jī)存在2 個(gè)明顯缺點(diǎn)：①在噴槍處加水用量的問題，往往出現(xiàn)水量加少或加多的情況，難以精確控制噴射混凝土的質(zhì)量；②由于水與干物料混合的時(shí)間很短，尤其是水泥與水的混合不足，導(dǎo)致噴射過程中粉塵污染十分嚴(yán)重。干物料與水的混合發(fā)生在噴槍內(nèi)，混合時(shí)間在0.023～0.08 s，長(zhǎng)度一般小于0.5 m，短時(shí)間內(nèi)很難形成純濕拌混凝土。而且，噴出的物料碰撞、高壓氣體的剪切等作用促進(jìn)了粉塵的發(fā)生，從噴槍中噴出的干性粉塵量能達(dá)到總水泥用量的20%～25%，噴射產(chǎn)塵比例占到全部噴漿工藝的80%。另外，干噴機(jī)由于自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題也容易產(chǎn)生粉塵，以轉(zhuǎn)子式干噴機(jī)為例，由于轉(zhuǎn)子與結(jié)合板之間長(zhǎng)時(shí)間摩擦，結(jié)合板容易磨損后形成漏氣間隙，水泥塵很容易溢出，污染噴漿作業(yè)環(huán)境。

2.2 潮噴工藝及產(chǎn)塵特點(diǎn)

基于干噴工藝特點(diǎn)，潮噴工藝改進(jìn)了加水方式和加水位置。首先將一部分水與物料攪拌混合，該操作降低了上料過程的產(chǎn)塵量，然后在噴槍處繼續(xù)加入剩余的水（與干噴工藝一致），潮式混凝土噴射技術(shù)示意圖如圖2。潮噴工藝結(jié)合了干噴的輕便快捷操作和濕噴的低產(chǎn)塵量等特點(diǎn)，而且潮噴機(jī)價(jià)格相對(duì)較低，目前廣泛應(yīng)用在煤礦井下。但是，潮噴工藝也繼承了干噴和濕噴工藝的缺點(diǎn)，由于物料與水并沒有完全混合，噴射過程中依然產(chǎn)生一定濃度的粉塵。煤礦應(yīng)用較為廣泛的潮噴機(jī)型為推鏈?zhǔn)交炷羾娚錂C(jī)。濟(jì)寧三號(hào)井煤礦采用新型推鏈?zhǔn)絿姖{機(jī)對(duì)巷道進(jìn)行噴漿支護(hù)，構(gòu)建了巷道高效噴漿機(jī)械化作業(yè)線及配套工藝，粉塵濃度較普通噴射工藝降低90%，回彈率降低50%左右[18]。但是也有資料顯示潮噴過程產(chǎn)塵占總產(chǎn)塵量的40%～45%。

圖2 潮式混凝土噴射技術(shù)示意圖Fig.2 Schematic diagram of semi-wet shotcrete technology

文獻(xiàn)[32]介紹了1 種潮式噴射機(jī)上料除塵裝置，除塵裝置主要由上料裝置、水幕除塵器及控塵裝置等組成，潮式噴射機(jī)上料除塵裝置及水幕除塵器結(jié)構(gòu)如圖3。除塵器主要由水幕除塵段、空氣引射器及動(dòng)量脫水器等組成?？貕m裝置控制噴射機(jī)工作中產(chǎn)生的粉塵，然后利用引射裝置將含塵氣流吸入到除塵器內(nèi)，然后采用噴霧進(jìn)行凈化處理。該除塵裝置在一定程度上減少了潮噴上料粉塵，但是對(duì)濕式攪拌機(jī)適應(yīng)性差，一方面由于除塵器體積較大，減少了噴漿設(shè)備的靈活性；另一方面在抽吸除塵的過程中，如果抽吸量設(shè)置不當(dāng)，會(huì)有大量的水泥和砂石被抽走，改變了混凝土配比，影響混凝土的強(qiáng)度。因此，針對(duì)濕式噴漿上料區(qū)的粉塵防治，可通過在攪拌桶上料口布置噴嘴，通過形成水霧幕控制下落粉塵和碰撞粉塵的擴(kuò)散，產(chǎn)生的霧滴通過塵霧耦合實(shí)現(xiàn)沉降。

圖3 潮式噴射機(jī)上料除塵裝置及水幕除塵器結(jié)構(gòu)[32]Fig.3 Structure of the feeding and dust removal device of semi-wet shotcrete machine and the water curtain dust collector

山東亞瑞特機(jī)電工程科技有限公司最新研發(fā)的JSLT7-L 潮（濕）式混凝土噴射機(jī)組，是全國(guó)首臺(tái)集自動(dòng)配比、攪拌、上料、噴漿、行走于一體的混凝土噴漿設(shè)備，生產(chǎn)能力≥7 m3/h。該設(shè)備采用螺旋攪拌上料、推鏈?zhǔn)剿土稀Ｏ鄬?duì)于分體式推鏈噴射機(jī)和螺旋上料攪拌機(jī)，結(jié)構(gòu)更緊湊，操控更方便。噴射機(jī)組的上料機(jī)可實(shí)現(xiàn)上下滑動(dòng)，降低了上料高度，上料過程中通過噴霧預(yù)先濕潤(rùn)水泥塵，并通過水霧幕控制粉塵的逸散，減少粉塵的產(chǎn)生，兼具高行走能力，設(shè)備采用全液壓控制，操作方便，集成自研發(fā)的油溫控制系統(tǒng)，防止液壓系統(tǒng)溫度升高；活塞快裝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)密封活塞的快速更換?，F(xiàn)場(chǎng)噴漿降塵效率達(dá)93%，回彈率控制在15%以內(nèi)，為快速低塵化噴漿支護(hù)提供技術(shù)和裝備支持。推鏈?zhǔn)交炷羾娚錂C(jī)如圖4。

圖4 推鏈?zhǔn)交炷羾娚錂C(jī)Fig.4 Push-chain shotcrete sprayer

2.3 濕噴工藝及產(chǎn)塵特點(diǎn)

相對(duì)于干噴和潮噴工藝，濕噴工藝在輸送物料形式和噴射機(jī)具等方面具有很大的不同，濕噴機(jī)常采用柱塞泵作為輸送物料的動(dòng)力源。物料泵送前，先將水泥、石子、砂子、水等材料充分?jǐn)嚢韬?，形成純濕式混凝土，通過柱塞泵輸送至噴槍位置，引入高壓氣，在高壓氣體的攜帶下噴向受噴面，濕式混凝土噴射技術(shù)示意圖如圖5。由于濕噴過程中物料與水的混合時(shí)間較長(zhǎng)，絕大部分水泥塵在攪拌過程中被水浸潤(rùn)消融，所以在噴射過程中粉塵濃度能夠降低至10 mg/m3以內(nèi)。因此，濕噴工藝具有低回彈、低粉塵、長(zhǎng)距離輸送、高質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，世界上約有一半以上的國(guó)家采用濕噴技術(shù)。濕噴工藝要求噴射前需準(zhǔn)備好新拌混凝土，由于中國(guó)煤礦巷道空間有限，很難在巷道內(nèi)建立混凝土攪拌站，通常采用小型混凝土攪拌機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)攪拌，在混凝土物料上料攪拌過程中，難免出現(xiàn)粉塵逃逸擴(kuò)散，而且增加了濕噴工藝的復(fù)雜性。

圖5 濕式混凝土噴射技術(shù)示意圖Fig.5 Schematic diagram of wet-mix shotcrete technology

濕式噴漿上料工序流程為：工人運(yùn)用鐵锨或機(jī)械抓斗將水泥、砂子、石子等干物料從礦車或者地面運(yùn)至濕式攪拌桶上方，并將物料倒入桶內(nèi)，同時(shí)加入適量的水，通過旋轉(zhuǎn)攪拌葉片將干式物料攪拌成濕式混凝土。濕式噴漿上料區(qū)物料搬運(yùn)及下落過程粉塵發(fā)生示意圖如圖6。

圖6 濕式噴漿上料區(qū)物料搬運(yùn)及下落過程粉塵發(fā)生示意圖Fig.6 Schematic diagram of dust generation during material handling and falling in the wet-mix shotcrete process

上料期間，粉塵發(fā)生主要分為2 個(gè)階段：第1 階段為“物料搬運(yùn)產(chǎn)塵”：物料在搬運(yùn)過程中受到巷道風(fēng)流吹動(dòng)而產(chǎn)生粉塵，但是由于搬運(yùn)過程中物料的堆積狀態(tài)并沒有發(fā)生變化，巷道內(nèi)擾動(dòng)風(fēng)流產(chǎn)生的塵化作用較小，所以搬運(yùn)產(chǎn)塵量較??；第2 階段為“物料下落產(chǎn)塵（卸料粉塵）”：噴漿物料下落過程中，細(xì)小的粉塵容易受到拖曳氣流和巷道擾動(dòng)風(fēng)流的影響而發(fā)生彌散，此外，顆粒流碰撞攪拌桶底板或攪拌葉片時(shí)產(chǎn)生大量的粉塵[33-34]?，F(xiàn)場(chǎng)觀察可知：上料區(qū)落料瞬間粉塵濃度高達(dá)600 mg/m3以上[35-37]。由于上料的間斷性，造成物料下落產(chǎn)塵的陣發(fā)性，多次間斷產(chǎn)生的粉塵在巷道空間疊加，導(dǎo)致粉塵運(yùn)移的復(fù)雜性。目前，噴漿上料區(qū)陣發(fā)性粉塵污染規(guī)律尚不清楚，導(dǎo)致控制產(chǎn)塵點(diǎn)微環(huán)境除塵系統(tǒng)的具體形式和參數(shù)沒有準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)依據(jù)。黃朋舉[38]采用數(shù)值模擬的方法研究了顆粒物料下落、反彈和堆積過程，通過引入建立在曳力基礎(chǔ)上的流體粒子相互作用力來實(shí)現(xiàn)對(duì)氣固兩相流中氣相和固相的雙向耦合。研究發(fā)現(xiàn)：顆粒粒徑越大、下落高度越高、密度越大對(duì)流體的擾動(dòng)也越大，同時(shí)顆粒群中的顆粒受到流體的影響比單顆粒大而且更加復(fù)雜，并不是顆粒數(shù)目簡(jiǎn)單相加的結(jié)果。

在濕噴混凝土管道輸送過程中，由于配比不合理、管理不當(dāng)造成管道堵塞問題時(shí)有發(fā)生，堵管后或噴射結(jié)束后管道清理比較困難，嚴(yán)重制約了濕噴工藝的推廣。山東威特立邦礦山設(shè)備有限公司對(duì)以上問題進(jìn)行了研究，包括針對(duì)攪拌、上料、噴射多塵源粉塵產(chǎn)生、配套機(jī)具冗雜等問題，研發(fā)了分體式礦用泵送混凝土濕式噴射機(jī)和攪拌機(jī)（配套使用），以及集泵送、攪拌、獨(dú)立行走為一體的濕式混凝土噴射機(jī)組，濕式混凝土噴射機(jī)如圖7。

圖7 濕式混凝土噴射機(jī)Fig.7 Wet-mix shotcrete machine

2 種機(jī)型均采用雙柱塞泵送式輸送噴漿物料，采用單（雙）臥軸強(qiáng)制式攪拌，泵送距離260 m 以上，現(xiàn)場(chǎng)噴漿粉塵濃度在10 mg/m3以內(nèi)，回彈率降低至10%以內(nèi)，凈化了噴漿巷道環(huán)境，極大減少了噴漿回彈物料浪費(fèi)，改善了噴漿支護(hù)質(zhì)量[39-41]。

耿力機(jī)械研制的GYP-90 系列液壓濕噴機(jī)，利用液壓泵產(chǎn)生的推力，使2 個(gè)油缸往復(fù)交替運(yùn)動(dòng)，推送稠密混凝土物料，生產(chǎn)能力在3～7 m3/h，GYP-90 系列液壓濕噴機(jī)如圖8[42]。路達(dá)機(jī)械生產(chǎn)的SP-90型液壓濕噴機(jī)泵送距離遠(yuǎn)，輸送效率高，最大生產(chǎn)能力達(dá)10 m3/h，2 款機(jī)型外形比較類似，且降塵效率顯著，機(jī)旁粉塵低于6 mg/m3，回彈率低于10%[43]。河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司研制的KBS-8A 全液壓泵送式混凝土濕噴機(jī)，機(jī)旁粉塵小于10 mg/m3[44]。山東天河科技股份有限公司引進(jìn)瑞典ALIVA 公司領(lǐng)先設(shè)計(jì)，研發(fā)了一款潮濕兩用混凝土噴射機(jī)，潮濕兩用混凝土噴射機(jī)如圖9[45]。采用鋼膠密封結(jié)構(gòu)，噴漿機(jī)機(jī)旁粉塵濃度低于8 mg/m3。采用氣動(dòng)壓緊結(jié)構(gòu)，壓緊力自動(dòng)調(diào)整，降低密封件磨損，提高密封壽命?？赏瓿沙绷稀窳蠂娚渥鳂I(yè)，濕料噴射穩(wěn)定可靠。設(shè)備體積小，質(zhì)量輕，移動(dòng)方便。噴射距離遠(yuǎn)，潮式噴漿水平噴射距離可達(dá)300 m。

圖8 GYP-90 系列液壓濕噴機(jī)Fig.8 GYP-90 series hydraulic wet spraying machine

圖9 潮濕兩用混凝土噴射機(jī)Fig.9 Semi-wet and wet concrete spraying machine

3 礦用噴漿粉塵防治技術(shù)研究進(jìn)展

3.1 濕式攪拌根源消塵技術(shù)

濕噴粉塵減少的主要原因是物料粉塵在往泵送料斗上料時(shí)已成為純濕式的新拌混凝土，即干式噴漿物料在攪拌過程中加入了足量的水使得噴漿物料為純濕料，水泥塵等粉塵盡可能的與水接觸，減少了粉塵的逸散。理想狀態(tài)下（不考慮粉塵團(tuán)聚），所有的噴漿粉塵在濕式攪拌過程中全部與水接觸，從根源上消除了粉塵。

3.2 無脈沖的濕噴混凝土泵送技術(shù)

傳統(tǒng)混凝土濕噴機(jī)采用雙柱塞泵結(jié)構(gòu)，由于雙柱塞泵的交替泵送間隔導(dǎo)致噴射脈沖大。混凝土噴射脈沖引起噴射過程回彈率高、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、噴射效率低、存在噴射盲區(qū)等問題。噴射脈沖是導(dǎo)致目前無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化噴漿的主要技術(shù)難題之一。馬官國(guó)[46]探究了傳統(tǒng)濕噴機(jī)脈沖產(chǎn)生機(jī)理，得出分配閥擺動(dòng)時(shí)主缸停止泵送和主管路中混凝土的泄壓和回流是脈沖產(chǎn)生的主要原因。針對(duì)傳統(tǒng)濕噴機(jī)分配閥擺動(dòng)時(shí)主管路中混凝土的泄壓和回流問題，設(shè)計(jì)了分配閥上的密封隔板，解決了混凝土的泄壓和回流問題；并通過分析混凝土流動(dòng)狀態(tài)，提出“削峰填谷”的方法來解決混凝土脈沖，從而設(shè)計(jì)出三缸式無脈沖濕噴機(jī)泵送結(jié)構(gòu)，有效解決了混凝土濕噴機(jī)的泵送和噴射脈沖。

3.3 智能噴漿的輔助機(jī)械手技術(shù)

傳統(tǒng)噴漿主要依靠人工作業(yè)，存在“占用人工多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、操作工藝復(fù)雜、混凝土噴射不均、噴層質(zhì)量不一”等問題，造成了噴漿作業(yè)環(huán)境差、工作負(fù)荷大、安全風(fēng)險(xiǎn)高等難題。進(jìn)入深部礦井開發(fā)階段，高地壓、高地溫等應(yīng)用環(huán)境對(duì)噴層成形質(zhì)量提出了更高的要求，安全生產(chǎn)形勢(shì)的需要對(duì)礦井無人或少人智能化作業(yè)提出了新的需求。

山東科技大學(xué)研發(fā)了2 款噴漿輔助機(jī)械手：PHS-JXS 型簡(jiǎn)易機(jī)械手和PF28-L 型越障自行走噴射輔助機(jī)械手，噴漿輔助機(jī)械手如圖10。PHS-JXS型簡(jiǎn)易機(jī)械手具有“高度可調(diào)、角度靈活、移動(dòng)方便”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，完全依靠氣動(dòng)助力，防爆性能高，作業(yè)安全可靠。適用于小斷面巷道噴射，輔助作業(yè)1人即可移動(dòng)，升降操作方面，可以有效降低噴漿手工作強(qiáng)度。PF28-L 型機(jī)械手包括底盤、動(dòng)力機(jī)構(gòu)、工作裝置以及液控系統(tǒng)，適應(yīng)28～50 m2巷道斷面，可實(shí)現(xiàn)20°坡度穩(wěn)定爬坡，噴頭擺動(dòng)±160°，實(shí)現(xiàn)了與濕噴機(jī)的高效配合，便于進(jìn)行噴射高度及位置的調(diào)整，解放了人工抱噴頭的重體力勞動(dòng)，擴(kuò)展了噴射范圍，也提高了施工質(zhì)量。然而，這2 款噴射機(jī)械手均需要人工控制，尚無法實(shí)現(xiàn)智能化自主噴漿。

圖10 噴漿輔助機(jī)械手Fig.10 Shotcrete auxiliary manipulator

HPSD2008 系列混凝土濕噴機(jī)由中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司研發(fā)，集行走、泵送和噴射功能于一體，主要用于隧道施工，設(shè)備最大理論噴射量高達(dá)20 m3/h，輸送管道管徑80、90 mm，遠(yuǎn)大于礦用濕噴混凝土輸送管道管徑（一般為60～70 mm）[47]。該機(jī)型屬于大型隧道噴漿裝備，是我國(guó)濕噴行業(yè)中大排量、大體積裝備的代表機(jī)型，最大噴射高度和最大噴射寬度分別為8 m 和15 m，但是要求最小噴射作業(yè)隧洞高度不小于3 m，較難在狹小的井下巷道空間作業(yè)。

中國(guó)鐵建重工集團(tuán)有限公司于2018 年成功研制了全智能型混凝土噴射機(jī)（機(jī)械手），主要應(yīng)用于隧道混凝土噴射，具備3D 掃描建模、自動(dòng)定位、路徑規(guī)劃、智能噴射、數(shù)據(jù)交互、自動(dòng)修正等功能，該設(shè)備是全球首臺(tái)具有自感知、自決策與自適應(yīng)功能的智能噴射機(jī)。利用全自動(dòng)3 維掃描儀對(duì)隧道輪廓進(jìn)行全方位掃描，可以自動(dòng)精準(zhǔn)識(shí)別隧道輪廓尺寸（分辨率高達(dá)0.001°），實(shí)現(xiàn)自動(dòng)規(guī)劃噴射路徑和主動(dòng)噴射作業(yè)，不再需要人工操作。全智能化濕噴機(jī)作業(yè)具有高效、高質(zhì)、精準(zhǔn)等特點(diǎn)，而且提高了噴漿作業(yè)的效率和安全性。但是該設(shè)備體積大，不防爆，尚無法在煤礦中應(yīng)用[48-49]。全智能型混凝土噴射機(jī)如圖11。

目前，實(shí)現(xiàn)礦用混凝土噴射作業(yè)的“智能化”控制是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。要想實(shí)現(xiàn)礦用噴漿的智能化，在原有噴漿機(jī)械設(shè)備的基礎(chǔ)上，首先要攻克復(fù)雜有限空間巷道快速掃描及地圖構(gòu)建、多目標(biāo)多自由度機(jī)械臂軌跡規(guī)劃及運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、管道輸送智能檢測(cè)、自主運(yùn)動(dòng)與遠(yuǎn)程協(xié)同操作等核心關(guān)鍵技術(shù)；其次，要突破智能噴漿功能的系統(tǒng)集成和防爆設(shè)計(jì)等瓶頸問題。因此，實(shí)現(xiàn)礦用噴漿智能化，還需要國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的共同努力，研制出適應(yīng)我國(guó)礦井的長(zhǎng)距離自主噴漿作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)噴漿作業(yè)的綠色、安全、高效、智能化。

圖11 全智能型混凝土噴射機(jī)Fig.11 Fully intelligent concrete sprayer

3.4 濕式噴漿粉塵控制保障技術(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和觀察，濕式噴漿噴頭處產(chǎn)生粉塵很少。但是，現(xiàn)場(chǎng)上料時(shí)，干物料的拆分、搬運(yùn)、下落、與攪拌桶底的碰撞等過程會(huì)有粉塵產(chǎn)生，多工序復(fù)雜性及多塵源點(diǎn)的分散性導(dǎo)致粉塵控制較為困難。此外，合理的噴漿材料配比、噴射工藝、管道輸送保障等是成功開展?jié)袷絿姖{的前提。

3.4.1 水泥上料粉塵控制技術(shù)

由于井下空間相對(duì)狹小，多采用現(xiàn)場(chǎng)攪拌噴射混凝土的方法?，F(xiàn)場(chǎng)上料過程中，尤其是水泥袋的拆封和上料，現(xiàn)場(chǎng)彌漫大量的水泥塵。水泥防塵拆包機(jī)有效解決了上料粉塵濃度高、難控制的問題，為濕式噴漿粉塵的控制提供了技術(shù)保障[50]。整套設(shè)備可有效對(duì)袋裝水泥進(jìn)行拆包作業(yè)，拆凈率可達(dá)98%以上。該設(shè)備自帶除塵系統(tǒng)，作業(yè)過程中無粉塵產(chǎn)生，清潔無污染。此外，水泥防塵拆包機(jī)能夠自動(dòng)收集尼龍袋，并通過除渣口排出，方便收集清理，減少了操作人員數(shù)量，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.4.2 噴漿材料管道輸送減阻排堵技術(shù)

新拌混凝土管道輸送是濕噴工藝的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[22,51-52]。濕噴混凝土在泵送過程中受到剪切力、泵送推力及重力等作用，混凝土的性能發(fā)生變化[53-54]。如果濕噴物料的管道輸送性能較差，往往引起管道堵塞。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)管道輸送性能的研究主要集中在管壁潤(rùn)滑層形成、管輸減阻技術(shù)等方面。

為了測(cè)量混凝土的管道流動(dòng)性能，多數(shù)研究學(xué)者采用先進(jìn)的混凝土流動(dòng)測(cè)量技術(shù)。其中，包括高速攝像機(jī)捕捉混凝土流動(dòng)特征以及配制特種混凝土等技術(shù)[55-58]。Le 等[58]利用PIV 粒子追蹤技術(shù)確定了混凝土管輸潤(rùn)滑層的存在，并分析了混凝土流變參數(shù)與潤(rùn)滑層厚度之間的關(guān)系；實(shí)驗(yàn)過程中，為了捕捉混凝土的流動(dòng)特性，作者采用半開管代替全管流，并證明了半開管流動(dòng)代替全管流研究的可行性。Choi 等[59-60]利用超聲探測(cè)儀測(cè)量潤(rùn)滑層的厚度，分析了粗骨料尺寸對(duì)潤(rùn)滑層厚度、混凝土流變性能及潤(rùn)滑層流變性能的影響。

對(duì)于礦用濕噴混凝土管道輸送過程中堵塞問題，學(xué)者[61]從宏觀角度論述了濕噴混凝土管道輸送堵塞的原因，分析了濕噴混凝土在管道輸送階段、堵塞階段顆粒和漿體的受力情況，并從濕噴混凝土施工過程中的骨料最大尺寸、水泥種類選取、水灰比及骨料級(jí)配等方面分析了避免發(fā)生堵管的方法。浩金牛等[62]通過對(duì)動(dòng)力傳遞和物料輸送過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)的分析，指出濕噴機(jī)的作業(yè)過程是由各個(gè)工藝環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，混凝土堵管由多方面因素造成。冉杰娃[63]針對(duì)泵送過程中混凝土堵塞的問題，首先分析了泵送混凝土堵塞的原因，然后設(shè)計(jì)了防堵機(jī)構(gòu)，并通過試驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)能夠有效地解決管道堵塞問題。由此可知，管道輸送過程中潤(rùn)滑層的形成是十分關(guān)鍵的。劉國(guó)明等[52,61,64-64]通過開展?jié)駠娀炷凉艿垒斔图盎炷羾娚鋵?shí)驗(yàn)，揭示了新拌混凝土流變性能與可泵性、可噴性的關(guān)系，確定了基于流變參數(shù)的濕噴混凝土可泵及可噴性能預(yù)測(cè)區(qū)間；并采用SPSS 多元線性回歸分析，建立了礦用濕噴混凝土可泵送性及可噴敷性能的定量預(yù)測(cè)模型。Liu 等[66]研發(fā)了減阻型礦用濕噴混凝土開關(guān)引氣劑，用環(huán)保型無患子皂粉做主要發(fā)泡材料，用開關(guān)劑、增泡劑和穩(wěn)泡劑做輔助材料，有效提高了管道輸送階段混凝土的流動(dòng)性能及物料噴射階段混凝土可噴敷性能，減少了新拌混凝土管輸堵塞概率。

3.4.3 抑塵減彈的噴漿材料及工藝

1）優(yōu)化噴漿工藝。為了減少礦用混凝土噴射對(duì)周圍環(huán)境的影響、提升礦用混凝土質(zhì)量，陸續(xù)開發(fā)了新的混凝土噴漿工藝。除了干噴工藝、潮噴工藝和濕噴工藝，還開發(fā)了水泥裹砂法、潮料摻漿法和雙裹并列法等一系列噴漿工藝。該種噴漿工藝均為提前濕潤(rùn)干拌合料，從而降低噴射中粉塵的濃度，增強(qiáng)了混凝土的強(qiáng)度，但水泥裹砂法、潮料摻漿法和雙裹并列法工藝都比較復(fù)雜，井下施工難度較高。

2）應(yīng)用外加劑材料。在噴漿拌合料中添加增黏劑，可有效地降低噴漿粉塵濃度、減小回彈損失，例如德國(guó)研發(fā)的SiliponSPR6 型增黏劑和我國(guó)生產(chǎn)的N 型增黏劑[24-25]。也可以利用速凝劑和抑塵劑來降低噴射混凝土的粉塵產(chǎn)量，比如程高峰[67]配制了噴射混凝上新型復(fù)合外加劑，組分主要有速凝物質(zhì)JA、具有高吸水性能物質(zhì)B 和高分子聚合物P，并開展了噴射混凝土降塵特性的研究，現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果表明,全塵濃度降低46.5%～62.9%，呼塵降低20%～33%，效果良好。周剛等[19]開發(fā)的新型無堿液體速凝劑，減少了噴射混凝土的凝固時(shí)間，提高了物料的黏聚力，減小了回彈損失、降低了混凝土噴射粉塵濃度。另外，在混凝土拌合料中添加纖維材料或硅粉等，可以提高混凝土的可噴性，增加礦用噴射混凝土的黏聚性，減小回彈損失和降低粉塵濃度[27-28,68-69]。曾憲桃等[18]在拌制噴射混凝土過程中摻入磁化水，而且分析了磁化水對(duì)礦用噴射混凝土回彈、產(chǎn)塵、強(qiáng)度的影響機(jī)理，結(jié)果顯示：利用磁化水拌制的礦用混凝土，噴射過程中產(chǎn)生的粉塵濃度低于普通噴漿50%以上。

3）優(yōu)化噴槍結(jié)構(gòu)。干噴和潮噴產(chǎn)生的粉塵很大程度上受噴槍結(jié)構(gòu)的影響，由于干拌合料與水在噴頭處混合時(shí)間很短，若噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理會(huì)導(dǎo)致干拌合料中一些水泥顆粒無法被濕潤(rùn)，噴射過程中產(chǎn)生大量粉塵。所以，為了減少噴射粉塵，提高噴槍潤(rùn)濕干燥水泥顆粒的能力，出現(xiàn)了不同的噴槍結(jié)構(gòu)。例如異形葫蘆結(jié)構(gòu)[70]、錐形管結(jié)構(gòu)[71]和雙水環(huán)結(jié)構(gòu)[58]噴槍，通過提高物料在噴槍中的湍流強(qiáng)度，增加水泥顆粒與水的浸潤(rùn)混合程度，并通過二次加水，補(bǔ)償未混合均勻的水泥顆粒。異形葫蘆噴槍結(jié)構(gòu)和錐形管噴槍結(jié)構(gòu)如圖12 和圖13。于天野通過研究傳統(tǒng)噴槍結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新型混拌式噴槍，此結(jié)構(gòu)先利用多水環(huán)結(jié)構(gòu)使水和干拌合料充分混合，再利用噴槍里面的被動(dòng)攪拌棒攪拌，充分潤(rùn)濕水泥顆粒，降低粉塵濃度，應(yīng)用結(jié)果顯示：混拌式噴槍比常規(guī)噴槍噴射時(shí)回彈率減小了33%，粉塵濃度下降了77%。在干噴或潮噴過程中，為了保證高速流過的干拌合料能被噴頭處的水環(huán)充分潤(rùn)濕，接入的水壓必須比風(fēng)壓高，通常情況下保持水壓比風(fēng)壓高0.05～0.1 MPa。

4 礦用噴漿粉塵控制技術(shù)挑戰(zhàn)

關(guān)于噴漿粉塵防治，大部分研究集中在噴漿工藝、噴漿新材料研發(fā)及噴槍結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面，并已取得了較好的抑塵減彈效果。但是噴漿粉塵依然存在，還需要進(jìn)一步降塵。而且，要實(shí)現(xiàn)智能化、無塵化、高質(zhì)量噴漿，要面臨眾多挑戰(zhàn)。礦用噴漿粉塵控 制技術(shù)研究現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)見表1。

圖12 異形葫蘆噴槍結(jié)構(gòu)Fig.12 Special-shaped gourd spray gun structure

圖13 錐形管噴槍結(jié)構(gòu)Fig.13 Tapered tube spray gun structure

表1 礦用噴漿粉塵控制技術(shù)研究現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)Table 1 Research status and challenges of mine shotcrete dust control technology

5 結(jié) 語

1）礦用噴漿粉塵主要成分為水泥塵。在搬運(yùn)、上料、攪拌及噴射過程中均有水泥塵逸散發(fā)生。水泥塵具有強(qiáng)堿性，對(duì)人體危害更為嚴(yán)重。影響噴漿粉塵產(chǎn)生的因素很多，主要包括：噴漿材料配合比、噴漿工藝（水壓、工作風(fēng)壓、噴距、噴射角度）和噴漿設(shè)備（噴槍、噴射機(jī)等）。

2）干噴技術(shù)由于干物料與水混合的距離和時(shí)間很短，導(dǎo)致噴射過程中粉塵污染十分嚴(yán)重。潮噴技術(shù)改進(jìn)了物料的加水方式和位置，結(jié)合了干噴和濕噴的優(yōu)點(diǎn)，具有操作方便及低噴射粉塵等優(yōu)點(diǎn)。但是，噴射過程中，依然產(chǎn)生較多粉塵。濕噴噴射粉塵濃度能夠降低至10 mg/m3以內(nèi)，但是在物料上料攪拌過程中，難免出現(xiàn)粉塵逃逸擴(kuò)散。最新研發(fā)的JSLT7-L 潮（濕）式混凝土噴射機(jī)組可實(shí)現(xiàn)煤礦快速低塵化噴漿支護(hù)。

3）基于單臥軸強(qiáng)制式濕式攪拌技術(shù)可以從根源消除噴漿粉塵。分析了傳統(tǒng)濕噴機(jī)脈沖產(chǎn)生機(jī)理，設(shè)計(jì)出三缸式無脈沖濕噴機(jī)泵送結(jié)構(gòu)，徹底解決了濕噴機(jī)的泵送和噴射脈沖，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化噴漿提供技術(shù)支持。從濕噴物料管輸減阻到抑塵減彈技術(shù)論述了噴漿粉塵控制保證技術(shù)。

4）噴漿粉塵防治已取得了較好的效果，但是要實(shí)現(xiàn)智能化、無塵化、高質(zhì)量噴漿，仍然面臨眾多挑戰(zhàn)，主要包括：濕噴物料性能調(diào)控機(jī)理噴漿裝備一體化控制技術(shù)、智能噴漿機(jī)械手空間掃描和路徑規(guī)劃技術(shù)、無塵化上料攪拌技術(shù)、濕噴堵管在線監(jiān)測(cè)及排堵技術(shù)。無塵化智能一體噴漿技術(shù)是未來噴漿發(fā)展的主要方向，降低噴漿粉塵濃度，解放噴漿勞動(dòng)力，同時(shí)提高噴漿質(zhì)量和效率。