薄噴粉體快速噴涂裝備設計和應用研究

董輝輝 吳建生

（南京科工煤炭科學技術研究有限公司，江蘇 南京 210018）

隨著煤礦快速掘進和巷道錨噴支護矛盾突顯，薄噴技術[1-2]取得了快速發展，并成為煤礦井巷支護和封閉的新工藝。薄噴材料施工噴層薄，固化后成膜性好，質地致密，能夠與受噴面良好黏結，具有抗拉強度高、延展性好、可彈性變形等優點[3-5]，因此在煤礦井巷薄噴支護和封閉具有較好的應用效果。

南京科工煤炭科學技術研究有限公司開發的薄噴支護新材料為粉狀（如圖1所示），施工設備出料連續、穩定，能有效保障材料成膜質量。密閉罐式噴射設備（如圖2所示）噴涂粉體穩定性差，間歇性施工，裝料時須停機、停氣，設備無法實現持續施工，工作效率低。密閉罐難以滿足大量薄噴材料連續噴射要求[6]。為了解決薄噴施工可靠、快速問題，開展連續式粉體噴射設備的研究，以下對粉體快速噴涂裝備進行介紹。

圖1 粉體薄噴材料

圖2 罐式噴射裝備

1 粉體快速噴涂裝備

粉體快速噴涂裝備由噴射管、螺旋軸、氣路系統、驅動部分、底盤、料斗等組成，結構簡圖如圖3所示。設備采用噴射管進行粉料的噴射和輸送，運用螺旋軸進行物料的撥送，控制元件進行氣路系統的調節和控制以及霧化水均勻混合。

設備的主要技術參數如表1所示。

表1 設備主要技術參數

圖3 裝備結構簡圖

1.1 噴射管

噴射管由文丘里管構成，進行物料的噴射和輸送。利用射流原理，由噴管噴出的一束流體無規則流動，撞擊射流兩側的靜止空氣及粉體材料，并帶動氣固兩相流一起向前運動，所以射流本身就能形成負壓抽吸作用。噴射管利用此原理，運用壓縮空氣混合并噴射粉體物料。

噴射管主要包括噴嘴、下料管、混合管，結構簡圖如圖4所示。

圖4 噴射管結構簡圖

噴嘴噴射出的高速壓縮氣體，在下料管處產生負壓以抽吸下料管內的粉料，同時氣體和粉料在混合管內進行強混合，高速氣流攜帶粉料向前運動。噴嘴帶有螺紋，可調節噴嘴口距離混合管的距離，進而調節噴射物料的輸送能力。

噴嘴直徑相關尺寸的計算[6-7]如下:

式中：

K-絕熱系數，1.4。

Pb-吸入室壓力，取為大氣壓；

P0-噴嘴前滯止狀態下壓力，取為供氣壓力；

d0-噴嘴直徑，mm；

R-常數，R=287。

噴嘴直徑設計值與計算值相當或略大，應適當留有一定的余量。噴射器的質量流量Qm與供氣壓力P0（絕對壓力）成比例關系，如果實際應用時輸送速度過大，適當降低供氣壓力即可。

輸送消耗空氣流量按5m3/min計算，空氣密度1.3kg/m3，P0依據煤礦井下壓力條件取0.5MPa計算。

求得d0=10.81mm

根據經驗及理論分析，在噴嘴實際設計和加工時尺寸修整為12mm。

為了保證設計的正確性，采用solid works軟件對噴射管進行模擬噴射分析，結果如圖5所示。通過分析，其結構尺寸合理，滿足應用需求。

圖5 噴射管模擬分析圖

1.2 螺旋軸

為防止料斗內粉體物料拱料，影響物料輸送的連續和穩定，設計螺旋軸進行輔助送料。通過螺旋軸的旋轉使粉料向下料管內移動，使下料管保持滿裝狀態。

為了對比螺旋軸輸送的效果，設計兩種結構，一種等螺距，一種變螺距，如圖6所示。變螺距螺旋軸結構，靠近下料口位置螺距減小，另外一端螺距增大，使粉料在運動過程中速度不斷降低，同時使物料被連續擠壓輸送。

圖6 螺旋軸結構簡圖

試驗證明變螺距的螺旋軸輸送效果相對更好。在電機進行變頻調速控制時，粉料輸送至下料管較密實，螺旋軸旋轉時又起到破拱作用。

1.3 氣路系統

氣路系統設有控制和調節元件，根據設定壓力自動調節控制閥以調節進氣流量。在下料管上端設有控制蝶閥，可以有效保持氣路系統和物料系統的完全分離。控制蝶閥的主要作用有兩項：一是控制氣路系統和物料系統的連通和分離；二是防止開始工作時壓氣不穩定造成料斗返氣問題，在前端噴槍等出現突發狀況時可以快速將物料關閉，防止粉塵突發。

1.4 驅動部分

為了提高設備的安全性、便捷性和施工效率，設備采用壓氣驅動，送料采用氣動馬達連接減速器驅動螺旋軸。全氣動噴射設備，無須配套防爆電氣開關、連接電纜等，提高了設備的安全性，同時大大提高了施工效率。

2 試驗

為了充分考核設備的工作可靠性，連續式粉體快速噴涂裝備在天地王坡煤礦3316回順1#避難硐室進行了工業性試驗。噴射薄噴材料對硐室壁和頂進行快速封閉，以阻止瓦斯快速滲出。

同時在煤巷及半煤巷段進行封閉、防風化、防銹蝕噴涂試驗。整個試驗過程中，噴涂材料累計約3t，設備的可靠和穩定性得到了充分考驗。噴涂較為理想的水灰比約為0.4。試驗時根據現場情況設計兩層噴漿復合工藝，每層噴漿完成后，間隔1～2d，待原噴層完全干燥后再進行復噴。材料固化后，成膜質量好，表面光滑，密實性好，且附著力強，取得較好的封閉效果（如圖7所示）。

圖7 試驗照片

3 結論

薄噴材料用粉體快速噴涂裝備為全氣動噴射設備，安全性更高，施工效率高，操作簡單，易維護，輔助配套工作量較小，噴射粉料連續。薄噴粉體裝備施工工藝簡單，與噴射混凝土相比噴射薄膜厚度減至3～5mm，可減去拌料工序，減少90%以上的材料運輸量，提高噴射施工效率3倍，噴涂用工僅需3人，并顯著降低工人勞動強度。