基于低弹减尘性能的矿用喷射混凝土技术研究

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本论文结合煤矿巷道的工程背景和锚喷作业特点,通过调研锚喷工艺现状,指出在煤矿巷道狭窄作业空间条件下,降低锚喷作业面喷射料回弹和粉尘浓度,是推广和改善煤矿锚喷作业的主要方向,运用理论分析、数值模拟、实验室测定和现场应用等多种手段,坚持机具革新、材料优化与工艺改进相结合的方法,研究满足煤矿井巷行业标准、规范要求的科学、安全、高效的矿用湿喷混凝土技术。  基于流变学原理,结合宾汉姆体模型,分析了湿喷混凝土的管道流动状态,指出混凝土的配合比是影响喷射混凝土工作性和强度的主要因素;结合射流理论分析扩散射流的流动特点及射流参数,分析了施工工艺参数对喷射混凝土性能的影响;重点研究了湿喷混凝土的回弹过程,结合混凝土材料颗粒相与液体相划分的研究,建立了湿喷混凝土液体相和颗粒相的碰壁回弹模型,指出混凝土特性和壁面特性是影响湿喷混凝土回弹的主要因素,为湿喷混凝土技术研究奠定了理论基础。  调研国内外湿喷混凝土速凝剂研究现状,从材料优化的角度综合考虑实验条件、实验材料及实验方法的影响,通过单掺试验、优化复配试验及适应性测试,采用正交分析法进行配比优选,研发了满足JC477-2005标准要求且具备增粘减弹效果的新型高性能无碱液体速凝剂配方,并根据研发的速凝剂特点及施工需要,坚持机具改革相配套,进行了速凝剂泵选型和输送方式进行优化设计。  通过考虑影响湿喷混凝土性能的因素,确定了矿用湿喷混凝土的强度、工作性及可喷性设计指标,应用正交—综合评定全面系统进行基于低弹减尘性能的矿用喷射混凝土配合比设计;确定了纤维长度、纤维掺量、水灰比及砂率变化对喷射混凝土工作性和力学性能的影响,确定了符合工作性和强度性能的配合比集合;设计了考虑喷射压力、喷射距离和喷层厚度的回弹率综合测定方法,并进行综合评定。  针对喷射混凝土作业气—粒两相流动特点,建立掘进工作面气体流动的数学模型,利用基于同位网格的SIMPLE算法作为气体—颗粒两相流的数值解法,应用FLUENT软件对掘进工作面湿喷混凝土作业形成的粉尘颗粒—气体两相流动的流场进行数值模拟,重点分析了喷射混凝土的粉尘运移规律,为湿喷混凝土作业的工序配置和劳动组织的优化设计提供研究方法及依据。  根据矿用湿喷混凝土机具特点及工艺特性,结合对矿用湿喷混凝土作业进行系统分析,研究确定了湿喷混凝土作业的劳动组织及配套施工技术,研发了矿用湿喷混凝土管路快速清洗方法及矿用湿喷混凝土快速清洗装置,并对矿用湿喷混凝土技术及工艺施工效果的现场测定评价;现场试验表明基于性能设计的矿用湿喷混凝土的粉尘浓度、回弹率及强度完全符合支护规范的相关设计要求,作业条件、劳动强度及支护质量得到了显著提高,为矿工在井下创造良好的工作环境。  
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