一、研究背景
20世紀(jì)60年代起，西方發(fā)達(dá)國家開始發(fā)展?jié)駠娂夹g(shù)，濕噴混凝土噴射機(jī)已成為這些國家噴漿支護(hù)作業(yè)的主要機(jī)具，應(yīng)用比例已達(dá)到80%以上。
1.存在問題
國內(nèi)濕噴技術(shù)的研究和應(yīng)用與國外相比差距很大，一是濕噴技術(shù)基本處于研究階段，尚未在生產(chǎn)實(shí)踐中予以推廣應(yīng)用；二是煤礦濕噴技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)尚未取得突破；三是在應(yīng)用條件較好的領(lǐng)域如隧道工程中，國產(chǎn)濕噴機(jī)的技術(shù)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(shù)研發(fā)和應(yīng)用的積極性。
2.濕噴機(jī)的類型
根據(jù)其工作原理濕噴機(jī)可分為泵送型和氣送型兩種。
（1）泵送型濕噴機(jī)
泵送型濕噴機(jī)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(jī)是將柱塞泵做濕噴機(jī)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(jī)等。此類型濕噴機(jī)雖然輸送距離長(zhǎng)，但設(shè)備復(fù)雜、外形大，一般較笨重。
擠壓泵式濕噴機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)擠壓滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，連續(xù)擠送膠管內(nèi)的濕料，使之進(jìn)入輸料管壓送至噴嘴處。如日本極東PC08-60m challenge型噴射機(jī)。這類機(jī)型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)
氣送型濕噴機(jī)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(shí)際應(yīng)用中都存在各種各樣的不足，如輸送距離短、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易維護(hù)、機(jī)動(dòng)性差、存在回風(fēng)現(xiàn)象等。
該類濕噴機(jī)主要機(jī)型有：
TK-961型濕噴機(jī)，該機(jī)是鐵道科學(xué)研究院西南分院研制的一種轉(zhuǎn)子活塞式濕噴機(jī)，利用一組活塞將濕噴料推送至機(jī)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(jī)，該機(jī)是安慶恒特工程機(jī)械研究所研制，采用葉輪喂料結(jié)構(gòu)，利用旋轉(zhuǎn)的葉片將濕料推送至機(jī)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?jī)?nèi)容
1.擠壓泵式濕式混凝土噴射機(jī)的技術(shù)研究
濕噴機(jī)的主機(jī)結(jié)構(gòu)型式采用氣送和擠壓泵式結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合，充分利用兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免兩種技術(shù)各自的缺點(diǎn)。
氣送型擠壓泵式濕噴機(jī)主機(jī)，利用壓縮空氣為輸送動(dòng)力，擠壓泵作為喂料機(jī)構(gòu)。工作原理是當(dāng)轉(zhuǎn)子架帶動(dòng)擠壓泵滾轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾輪擠壓膠管，將混凝土向外泵出，同時(shí)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(fù)原狀，則膠管的進(jìn)料段產(chǎn)生負(fù)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(jī)主要有擠壓泵、氣料混合室、粉狀速凝劑添加器、傳動(dòng)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(jié)構(gòu)定量，將粉狀速凝劑添加進(jìn)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(shè)有撥料葉片，以避免速凝劑起拱棚料。
③傳動(dòng)系統(tǒng)。傳動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、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(dòng)力。在擠壓泵與粉狀速凝劑添加器之間的鏈傳動(dòng)上設(shè)有牙嵌式離合器，以實(shí)現(xiàn)擠壓泵和粉狀速凝劑添加器可以同時(shí)工作（離合器合上）或擠壓泵單獨(dú)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(dòng)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(shí)現(xiàn)混凝土的輸送及噴射。
⑥行走系統(tǒng)。由兩對(duì)鐵輪或膠輪組成。鐵輪適用于井下有軌道場(chǎng)合，膠輪適用于無軌場(chǎng)合。
該種設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)具有如下特征：
①機(jī)型小，適合煤礦井下使用的特點(diǎn)。由于采用氣送型，擠壓泵結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)方式簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型化。
②擠壓泵喂料連續(xù)、均勻。
③擠壓滾輪將壓風(fēng)區(qū)（擠送段）和非壓風(fēng)區(qū)（吸料段）隔開，避免了壓風(fēng)的返風(fēng)。擠壓泵沒有漏風(fēng)和返風(fēng)的狀況，不會(huì)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(jié)問題。
⑤對(duì)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(chǎng)制備混凝土技術(shù)及裝備的研究
煤礦井下實(shí)施濕噴的必要條件是現(xiàn)場(chǎng)制備混凝土。現(xiàn)有攪拌機(jī)的定型產(chǎn)品機(jī)型較大，一般均需要二次上料，與濕噴機(jī)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(jī)配套使用的混凝土攪拌機(jī)，是濕噴技術(shù)在煤礦井下推廣應(yīng)用的成功關(guān)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(qiáng)制攪拌和自落攪拌等，本項(xiàng)目選用單軸臥式強(qiáng)制攪拌方式分批制備混凝土的技術(shù)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(jìn)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(fù)位，即進(jìn)入下一批次的混凝土制備。
圖2 單軸臥式混凝土攪拌機(jī)簡(jiǎn)圖
單軸臥式混凝土攪拌機(jī)主要由攪拌裝置、二次攪拌料斗、支撐架、傳動(dòng)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(duì)稱布置的螺旋狀攪拌葉片，工作時(shí)，攪拌葉片一邊對(duì)物料進(jìn)行攪拌，一邊又將物料推向料斗的另一端。這樣二組左右對(duì)稱的攪拌葉片就能使物料形成強(qiáng)烈對(duì)流攪拌，從而使物料在短時(shí)間內(nèi)被拌制成均勻的混凝土。 同時(shí)攪拌裝置的料斗可以翻轉(zhuǎn)110°，從而實(shí)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(chǔ)存一定量的混凝土，以保證濕噴機(jī)連續(xù)工作。
③傳動(dòng)系統(tǒng)。由電機(jī)、減速器、離合器及鏈輪鏈條傳動(dòng)等組成。其作用是帶動(dòng)攪拌裝置的主軸及二次攪拌料斗主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。在二次攪拌料斗主軸的一端設(shè)有牙嵌式離合器，這樣當(dāng)電機(jī)開動(dòng)后，二次攪拌料斗的主軸可以轉(zhuǎn)動(dòng)（離合器合上）或不轉(zhuǎn)動(dòng)（離合器分離）。
④行走系統(tǒng)。行走系統(tǒng)與濕噴機(jī)相同，由兩對(duì)鐵輪或膠輪組成。鐵輪適用于井下有軌道場(chǎng)合，膠輪適用于無軌場(chǎng)合。
3.攪拌機(jī)與濕噴機(jī)配套方案
攪拌機(jī)與濕噴機(jī)均可下道靠近巷道的邊幫布置（圖3），攪拌機(jī)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(jī)料斗的作用，同時(shí)還具有一定的攪拌功能，以防止混凝土離析?？紤]到各結(jié)構(gòu)件的整體布局及機(jī)械傳動(dòng)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(jī)與濕噴機(jī)配套布置圖
這種配套形式具有以下特點(diǎn)：
①吸料高度很低，相應(yīng)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(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)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(dòng)向濕噴機(jī)供料，取消了混凝土二次上料工序環(huán)節(jié)（給攪拌機(jī)上料稱為一次上料，再給濕噴機(jī)上料稱為二次上料），避免了不必要的混凝土運(yùn)輸、二次上料過程。
③現(xiàn)場(chǎng)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(shè)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(shè)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(jī)混凝土工藝、勞動(dòng)組織的分析研究
先將砂石加水預(yù)濕，使砂石的含水率達(dá)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(jī)旁待用。
噴射作業(yè)開始后，將潮混合料加入攪拌機(jī)的料斗，同時(shí)向攪拌機(jī)料斗中加入一定量的水和減水劑進(jìn)行攪拌，使混凝土的坍落度達(dá)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(fù)位，進(jìn)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(yàn)、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(guān)鍵技術(shù)
1.噴射混凝土粉塵和回彈的綜合控制技術(shù)
本項(xiàng)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(shù)，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(shù)
該項(xiàng)目研究的風(fēng)送型擠壓式濕式混凝土噴射機(jī)及后配套上料裝置為國內(nèi)首創(chuàng)。該型濕噴機(jī)輸料均勻、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)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(shù)
該項(xiàng)目研制與濕噴機(jī)配套的粉塵速凝劑添加裝置利用螺旋結(jié)構(gòu)及壓力平衡法直接向壓風(fēng)管路中定量添加速凝劑，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、定量準(zhǔn)確，填補(bǔ)了國內(nèi)空白；
四、創(chuàng)新點(diǎn)
1.采用擠壓泵喂料與壓縮空氣輸送相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，擠壓泵帶有補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，在擠壓膠管磨損時(shí)仍可保持正常使用；同時(shí)對(duì)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(jī)采用單軸臥式強(qiáng)制攪拌的方式，滿足了煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)制備混凝土并給濕噴機(jī)連續(xù)供料的要求。
3.濕噴機(jī)與攪拌機(jī)的直接對(duì)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(yīng)煤礦企業(yè)的現(xiàn)狀。
五、同類技術(shù)比較的先進(jìn)性
1.井下現(xiàn)場(chǎng)拌制混凝土，混凝土可自動(dòng)供給濕噴機(jī)
攪拌機(jī)和主機(jī)的配套很方便，擠壓泵吸料口與攪拌機(jī)的二次料斗出口直徑對(duì)接，攪拌機(jī)拌制的混凝土不落地自動(dòng)供給噴射機(jī)，避免了混凝土二次上料，避免了不必要的混凝土運(yùn)輸，避免了不必要的體力勞動(dòng)。
2.混凝土旋流輸送技術(shù)
在輸送管路入口端設(shè)置的旋流器，由特定方向的壓氣流將混凝土進(jìn)一步打散并產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)，使得管路中的混凝土達(dá)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(dòng)型和擠壓泵相結(jié)合，充分發(fā)揮擠壓泵的優(yōu)勢(shì)
采用氣送型原理，相對(duì)泵送型來說，對(duì)擠壓泵的要求大大降低，特別是對(duì)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(shù)難題，并且擠壓泵沒有漏風(fēng)、返風(fēng)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(jī)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(yīng)的攪拌機(jī)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(shè)置攪拌裝置，攪拌都的上料高度僅為1.2m，因而整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，適合煤礦井下使用。
本項(xiàng)目研制的濕式混凝土噴射機(jī)和單軸臥式混凝土攪拌機(jī)與國內(nèi)外一些主要濕噴機(jī)的性能比較來看，本項(xiàng)目研制的濕噴機(jī)能力大、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)先進(jìn)、操作簡(jiǎn)便。
本項(xiàng)目研制的濕噴機(jī)組與國內(nèi)外典型的濕噴機(jī)組性能比較情況見表1。
表1 國內(nèi)外濕噴機(jī)的主要技術(shù)性能
攪拌機(jī)之間通過擠壓膠管建立聯(lián)系、以擠壓泵作為供料機(jī)構(gòu)的風(fēng)送型結(jié)構(gòu)、攪拌機(jī)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(shù)特點(diǎn)。本項(xiàng)目的研究成果不僅達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)，而且在濕噴機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和抑塵劑的研制和運(yùn)用均填補(bǔ)了空白。
六、試驗(yàn)應(yīng)用情況
濕噴機(jī)組在某煤礦進(jìn)行了累計(jì)三個(gè)月左右時(shí)間的工業(yè)性試驗(yàn)，濕噴機(jī)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(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該型濕噴機(jī)組在該礦進(jìn)行了推廣應(yīng)用，并獲得好評(píng)。
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