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智能化远距离喷浆技术在矿井施工的应用

2023-12-06 16 上传者：管理员

摘要：通过分析“智能化远距离喷浆系统”特点和巷道喷浆支护工艺施工属性，以及动力传输、材料特性等因素，经过一系列调研论证，最终形成了涵盖喷浆材料、喷浆设备、输送管路、施工工艺等一体远距离智能化喷浆系统方案，在实际应用中产生了良好的封堵支护效果。

关键词：
喷浆封堵支护
无机新材料研发
智能化
智能化远程喷浆
矿压
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随着当前煤矿生产的延续，矿井生产水平也不断向地表纵深延展，不可避免地导致矿压增大，一些服务年限较长的巷道，比如生产水平人行、运输、回风大巷等，随着矿压的增大就会产生不同程度的形变、开裂，甚至出现墙体大面积地脱落，给生产运输、人员行走埋下安全隐患[1,2,3]。

对此，山西某矿无机新材料项目组成立了矿井远距离智能化喷浆系统研究小组，多次深入煤矿、设备厂家进行调研论证，研发试验出一种无机新型预制喷浆材料，经反复讨论，最终形成了涵盖喷浆材料、喷浆设备、输送管路、施工工艺等一体化远距离智能化喷浆系统方案。

1、矿井概况

山西某矿位于山西省霍西煤田汾孝矿区东部，孝义市南约10km处，行政区划属孝义市下栅乡管辖。2009年经山西省煤炭资源整合领导小组办公室批准为单独保留矿井，2011年7月开工建设，2013年2月经山西省煤炭厅批准进入联合试运转，2014年8月取得各种证件，成为正式生产矿井。矿区西邻山西联盛兴跃煤矿有限公司，南邻山西义棠煤矿有限责任公司，东侧和北侧为空白区，井田范围内无其它小窑和古空区，井田面积16.1463km2,资源总量2.089亿t，设计可采储量1.053亿t。矿井设计生产能力120万t/年，设计服务年限69.8年。由于自身构造原因，该矿掘进工程量大、特别是随着TBM盾构机的推广使用，传统喷浆作业进度远远跟不上巷道掘进速度，导致喷浆工作滞后带来大量安全隐患。目前井下喷浆距离大多集中在600～900m。因此，急需一套适合井下远距离喷浆支护工艺加以解决。

2、远距离智能化喷浆设备选型

2.1 远程喷浆机组设备

2.1.1 远距离混凝土喷设机组

根据调研发现，现有喷浆机喷浆距离普遍在200m以内，喷浆距离若要实现600～900m远距离操作，矿井原有喷浆设备已不能满足，需要采用远距离喷浆专业的喷浆机。

为此，选择远距离混凝土喷设机，该型喷浆机工作能力≥7m3/h、工作气压>0.6MPa、耗气量12m3/min、最大骨料直径15mm、驱动方式全液压传动的混凝土喷射机组，喷射出的混凝土浆体流量大、无分离，而且空气动力驱动传输，完全满足现有的矿井对远距离喷浆作业的需求。

2.1.2 喷浆机器人装置

矿用喷浆机器人装置是适用于湿式混凝土喷射机的专用辅助设备，可明显降低劳动强度，提高工作效率和喷射质量，设备具备行走能力，尤其适用于大断面巷道、隧道等的混凝土喷射作业。该机智能化喷浆系统深度结合成熟的人工喷浆工艺，采用三维激光扫描仪进行作业对象的智能定位、智能扫描、智能提取、智能识别，利用先进的串联多关节臂架控制策略和轨迹规划算法，智能驱动臂架按照工艺流程进行自主喷浆而无需人工干预，系统兼容手动操作模式。辅助喷射装置为伸缩臂式，适用于高度不小于2.5m且不大于8m的小型井巷或隧道，人员不再需要搭建操作台，杜绝高空施工安全问题。辅助喷射机器人，如图1所示。

图1 辅助喷射机器人

2.1.2 喷浆机器人装置技术特点

第一，台车定位，确定喷浆机与巷道待喷面之间的位置关系。

第二，三维激光扫描，生成作业对象三维模型。

第三，点云识别，提取钢拱架位置、间距，已喷面与未喷面过渡段。

第四，超欠挖分析，与巷道设计参数对比，生成超欠挖数据、方量统计。

第五，喷涂运动控制，根据路径轨迹规划文件，控制臂架智能运动。

第六，全程三维可视化显示。

第七，喷射质量检验、回弹率统计、平整度检测等。喷浆机器人装置如图2所示，喷浆机器人装置作业时喷射手臂工作范围如图3所示。

2.2 配套混凝土增压器和喷浆管

2.2.1 风量增压器

通过在输送管的一定距离上设置风量增压器，通过井下的主风管对输送管内进行补压，对半流体的混凝土浆体在输送管内的流动性进行了增强。让浆体经过长距离的输送过程中，既能保证浆体内的砂石与水始终充分混合，不存在分离的现象，又不会在输送管的局部发生凝固、堵管，最终达到远距离输送后喷浆作业的目的。主风管必须安装到喷浆位置（主风管直径大于直径104mm），每80～100m加装一个增压器。

图2 喷浆机器人装置

图3 喷射手臂工作范围

2.2.2 喷浆输送管

采用耐磨专用喷浆输送管，保证了井下输送管路的耐磨性，降低了使用单位的维修成本。

2.3 喷浆材料的选择

目前的喷浆工艺中最影响效率、最占用人员、最耽误时间就是拌料环节，大多矿井都采用井下现场拌料的方式，不论是人工搅拌和料还是螺旋拌料送料，都需要占用大量人员，且极易引起扬尘，导致工人劳动强度大、作业环境差，对职工职业健康带来不小的伤害。为彻底解决这个问题，项目组提出采用公司自主研制的“喷浆用添加剂”，即在地面预制搅拌干混砂浆装袋方式，就是将水泥、烘干砂和石子以及无机新型喷浆添加材料按照1:2:2:0.3的比例进行均匀掺配搅拌，并将搅拌好的预制干混砂浆装入50kg一袋的防水防潮包装袋中。这样可以省去井下拌料这个环节，保持施工连续性，大大减少作业人员、降低劳动强度、避免粉尘产生，显著提供施工效率、降低综合成本。

添加了无机新型喷浆添加材料后混凝土的优势：无机新型喷浆添加材料是根据喷射混凝土的施工特点而研制的一种复合型建筑化学外加剂。加入后混凝土和易性明显提升，在提高流动性的同时，强化了粘聚性，在管路运输过程中有很好的悬浮能力，喷射出的混凝土粘结力强、耐久性好，不坍塌、不开裂。配合上述远程喷浆机组设备与专业输送管路能够轻松达到50～800m距离的输送。添加了无机新型喷浆添加材料后混凝土还具有凝结硬化快、早期强度高、粘结性能好、保水能力强、有一定的收缩补偿和防渗堵水能力等特点，使用后回弹率可降至8%以下，呼吸性粉尘得到有效控制，3天即可达到C20的强度。无机喷浆添加剂为粉剂，对钢筋无锈蚀作用，由于在混凝土施工过程中使用方便、性价比高，具有很好的经济效益，特别适用于各种喷射混凝土工程。

3、远距离智能化喷浆工艺及施工组织

原传统喷浆工艺一般需要人员6至7人，2人负责前头喷浆，4至5人负责后部拌料、上料。往往一次拌料需要40～60min，而喷浆则是有10min左右，考虑到职工的劳动强度，一个班次下来也只能有4～5个循环。

采用远距离智能化喷浆系统的工艺，喷浆只需要人员3至4人。前头喷浆有机器人辅助喷射车，无需人操作，完全采取智能识别路径的方式进行，巷道高度较高时也无需搭设操作平台。

后部上料及控制喷浆机只需要2至3人，其中1至2人负责倒料操作主机，另外1人负责输送管路的巡检，检查沿途图管路运输气路连接情况、风量调配及设备运转情况。以上共计3至4人即可。

4、远距离智能化喷浆与原始喷浆对比分析

采用远距离喷浆系统喷浆与原始喷浆工艺相比较，人员精简、施工环节减少、施工效率提高、总体成本降低。

施工环节减少、人员精简：采用远距离喷浆系统喷浆减少了现场拌料、喷浆料搬运、喷浆设备移动以及搭设操作平台等环节。施工人员3至4人/每班，原始喷浆工艺施工人员需要6至7人/每班，每班能减少3人。

施工效率提高：采用预制干混砂浆无需现场拌料，远距离喷浆机组智能行走无需频繁移动设备，大断面施工无需人工搭设操作台，添加了无机新型喷浆添加材料的喷射混凝土基本能全部上墙，可实现连续高效率作业，喷浆效率提高3～5倍。

综合成本降低：远距离智能化喷浆系统需要投入新的喷浆机组设备，喷浆材料需要更换，但建成后施工人员每班减少3人次、回弹料减少70%、施工效率提升3～5倍，整体综合成本大幅下降。

作业环境改善：系统建成后，现场呼吸性粉尘及扬尘将得到有效控制，作业环境将得到明显改善，职工的职业健康安全将得到更好的保障，带来经济效益的同时，更加彰显了社会效益。

5、结束语

虽然远距离智能化喷浆系统在国内有一些煤矿已经进行了尝试，也具有了一定的经验。但此次提出的从材料、设备、工艺、流程等一体化的建设方案，属于集合多元素创新模式，在山西某矿得到了很好地应用。采用智能化远距离喷浆系统在矿井施工中取得了很大的成效，与原有传统喷浆支护比较，工艺具有环节少、可操作性强、省时省力、快捷高效等优点。

今后，相关研发人员将与使用单位密切配合，争取做出更加合理、更加科学、更具操作性和可复制的实施方案，以便更好地为煤矿喷浆工艺和材料的改革做出新的贡献。

参考文献:

[1]康红普,姜鹏飞,杨建威,等.煤矿千米深井巷道松软煤体高压锚注-喷浆协同控制技术[J].煤炭学报,2021,46(3):747-762.

[2]尤威,田博文,秦广鹏.特厚煤层掘进巷道过老巷冒空区探查与支护技术实践[J].中国矿业,2023,32(S2):13-143.

[3]李乾.快速掘进条件下回采巷道支护优化研究[J].矿业装备,2021(6):10-11.

文章来源:张建.智能化远距离喷浆技术在矿井施工的应用[J].矿业装备,2023(12):38-40.