基于TQC理論的某礦巷道噴混凝土回彈率及粉塵濃度降低措施*

余一松

(長沙有色冶金設計研究院有限公司)

貴州省某地下鋁土礦巷道主要采用噴混凝土及噴錨網支護方式，該支護方式支護效率高、操作簡單、工人勞動強度低，為礦山安全高效生產創造了良好的條件。但根據現場支護效果調查發現，噴混凝土及噴錨網支護過程中，在噴射混凝土的回彈率一直較高，不僅導致支護工作面粉塵濃度過高，嚴重損害了工人的身體健康，而且嚴重浪費了支護材料，影響了工程質量和進度。全面質量管理(Total quality control，TQC)[1]是20世紀中期在歐美和日本廣泛應用的質量管理方法，我國從20世紀80年代開始引進和推廣該方法，截至目前，TQC理論在金融、制造業等領域應用較多，但在礦山領域應用較少[2]。為降低礦山支護成本，改善支護工作面的工作環境，根據TQC理論，對巷道噴混凝土支護中回彈率和粉塵濃度的降低思路進行研究。根據TQC理論[2-3]，同時查閱相關資料[4-5]，本研究的預期目標為：①通過對施工工藝的控制，使得噴混凝土支護過程中混凝土的回彈率降低至20%以內；②改善施工作業環境，使得噴混凝土支護工作面的平均粉塵濃度下降至50 mg/m3以下。根據TQC原理，按照PDCA質量控制程序，本研究工作實施步驟包括4個階段，即：計劃階段(P)、實施階段(D)、檢查階段(C)及總結階段(A)。

1 計劃階段(P)

1.1 噴混凝土回彈率及粉塵濃度現狀調查

該礦山于2017年9月分別在井下-125 m中段9-8進路、10-10進路，-95 m中段11-21進路及-110 m中段6-19進路選取了10處成型較好的巷道進行了回彈試驗，試驗巷道長度為10 m，每處進行2次試驗，分別測量計算了噴混凝土回彈率及粉塵濃度，試驗結果見表1。

分析表1可知：各試驗點噴混凝土回彈率的平均值達到了38.84%，粉塵濃度平均值高達267.1 mg/m3。根據《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》(GB 50086—2015)有關“噴射混凝土的回彈率不應大于25%”的要求，礦山井下巷道噴混凝土支護的回彈率大大超過了規定，同時工作面粉塵濃度嚴重超標，亟需對該礦現有的噴混凝土支護工藝進行優化。

表1 噴混凝土回彈率和粉塵濃度測試值

1.2 原因分析

根據TQC理論，一般造成施工工序質量不佳的因素主要有五大類，即：“人、機、料、法、環”。本研究分析認為，造成該礦噴混凝土支護回彈率高及粉塵濃度大的5個因素主要為施工人員、施工機械、支護材料、施工方法及施工工藝[6-8]。施工人員影響因素包括操作人員水平不高、質量意識不強、主觀放松操作標準等；施工機械影響因素主要包括供水設施水壓不足、氣壓不穩定、噴混凝土設備老舊等[6]；支護材料影響因素主要包括級配不均勻、砂石選材不佳、含水過高等；施工方法、施工工藝的影響因素主要包括噴射順序無章法、噴射角不利、一次混凝土噴射厚度、間隔時間隨意等(圖1)。

圖1 各影響因素的關聯性

根據圖1，經過現場調查及討論分析，確定了礦山噴混凝土支護回彈率高的主要原因，并針對主要原因分別制定了對應的處理措施，結果見表2。

表2 處理對策

2 實施階段(D)

根據計劃階段確定的主要原因及制定的各種對策，分別從管理措施、噴混凝土原材料優化、設備配置優化及噴混凝土工藝參數優化4個方面分析具體的實施措施。

2.1 管理措施

針對操作工人自身原因，采取的管理措施為：①統一思想認識，端正工作態度，進一步加強職業健康衛生教育，加大勞保用品的使用監督；②通過開展勞動競賽，讓工人明確噴混凝土支護的操作目標，同時質檢人員從嚴把關，一切以施工質量、進度為中心，對施工質量好、進度快的班組進行獎勵，對施工質量差且進度緩慢的班組進行處罰；③建立學習交流機制，對施工人員進行培訓考核，對施工人員不斷提供技術指導與幫助[9]。

2.2 噴混凝土原材料優化

為提高噴混凝土的施工質量，降低噴混凝土支護回彈率，對比分析了碎石砂料和卵石砂料的級配、含泥量、片狀含量及料源情況，認為石英質卵石具有級配合理、含泥量低、料源豐富、產量大、質量穩定等優勢[10-11]，故選擇粒徑為5～15 mm的石英質卵石砂礫作為噴混凝土的原材料，同時改善了礦山噴混凝土骨料級配[12]，結果見表3。

表3 噴射混凝土骨料累計重量百分數級配

2.3 設備配置優化

淘汰礦山現有的噴混凝土設備，新購2臺混凝土噴射機及強制式攪拌機(自動計量、自動上料)，將攏料管加長至1.0 m，配料采用雙環加水方式。

2.4 噴混凝土工藝參數優化

根據分析，影響噴混凝土質量的相關工藝參數主要有工作風壓、水壓、噴射角度、噴頭與巖面的距離等[13]。首先在供風設備風壓為0.4～0.6 MPa的情況下，對不同的噴射角度及噴頭與巖面的距離分別進行了現場試驗，結果見表4。分析表4可知：當噴頭距離巖面0.8～1.2 m、噴頭與巖面的法向夾角大于15°時，回彈率基本控制在20%以內，達到了預期目標。

表4 噴混凝土工藝參數優化試驗結果

進一步分析表4可知：噴混凝土支護的粉塵濃度較高，認為粉塵濃度不達標的原因主要為：①工藝參數不佳，主要包括風速不當、噴頭風壓過大、噴頭水壓不當等；②操作人員因素，主要包括責任心不強、環境意識差等；③原材料因素，主要包括砂石含水率低、卵石含水量小等[14-16]。在上述分析的基礎上，結合現場調查，分析得出噴混凝土料含水量偏小、噴頭風壓偏大以及操作人員責任心不強為主要原因[17]。為此，首先將噴混凝土料含水率由2%～4%調整至8%～10%，并且在攪拌時，確保攪拌均勻；其次將噴混凝土的風壓由0.4 MPa調整至0.08～0.15 MPa。實踐表明：上述措施實施后，工作面粉塵含量大大降低，基本達到設定的50 mg/m3目標值。

3 檢查階段(C)

根據實施階段(D)對礦山噴混凝土工藝的優化設計，在井下-125，-9，-110 m中段新掘進路選取了12處成型較好的巷道，進行了噴混凝土支護檢查試驗，試驗巷道長度為10 m，每處進行1次試驗，分別測量計算了噴混凝土回彈率及粉塵濃度，結果見表5。

表5 噴混凝土工藝優化后的檢查試驗結果

分析表5可知：根據TQC理論對礦山噴混凝土支護設備、人員管理方案及工藝參數進行優化后，噴混凝土支護的回彈率平均值為18.6%，工作面粉塵濃度平均值為49.2 mg/m3，雖然個別數據超限，但噴射混凝土施工過程中并未出現異常現象，生產活動處于較穩定的狀態。

4 總結階段(A)

根據TQC理論，從影響噴混凝土回彈率及粉塵濃度的關鍵因素入手，通過不斷探討和現場試驗，最終確定了噴混凝土施工的參數控制范圍，制定了標準工藝，達到了預期效果，使噴混凝土回彈量得到了大幅降低，節約了大量支護材料，支護工作面的工作環境得到了大幅改善，為作業人員創造了良好的工作環境。

5 結 論

(1)礦山噴混凝土支護原材料盡可能采用級配和質地較好的材料，細骨料選用細度模數大于2.5的中粗砂，粗骨料選用潔凈的粒度為5～15 mm的石英質卵石砂礫，噴混凝土料含水率應控制在8%～10%，速凝劑應選用與水泥適應性良好且各項性能符合要求的外加劑，混合料的配合必須嚴格遵循設計的配合比，攪拌時間不宜小于90 s。

(2)噴射機選用濕式噴射機，密封性能應良好，輸料連續均勻；攪拌采用強制式攪拌機，空壓機工作風壓約為0.1 MPa，供水設施應確保噴頭處有0.15～0.20 MPa的水壓。

(3)噴混凝土作業應分段分片依次進行，噴射順序為先下后上，噴頭巖面的距離以0.8～1.2 m為佳，噴頭與巖面的法向夾角應大于15°。