CN105626097A - 薄喷封闭材料及薄喷封闭方法、开放式粉体喷射设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种薄喷封闭材料，包含重量百分比的组分为RD型聚合物粉体15-55%、无机填料30-60%、无机成膜剂14.5-40%、其他助剂0.5-5%。本发明的薄喷封闭材料采用RD型聚合物粉体为主要成膜组分，加水可喷涂成膜，无副产物、VOC和反应热，装、运、贮、用方便、低廉；具有良好的成膜性、延展性、渗透性、环保性、阻燃性，并可以达到足够的强度，在锚喷支护技术中可取代喷射混凝土支护。本发明还提供了一种结构简单，噪音较小，无粉尘排放的适合本发明薄喷封闭材料使用的开放式粉体喷射设备，它包括文丘里气料混合管、落料管、压缩空气源，喷枪通过输送管与文丘里气料混合管的出料口相通，在喷枪上还设置有与喷枪相通用于向喷枪内喷入雾化水的喷咀。
Description
技术领域
本发明涉及一种薄喷封闭材料、其薄喷封闭方法以及开放式粉体喷射设备，特别适用于煤矿井下矿山井下巷道使用。
背景技术
目前，国内矿井主要采用锚喷支护作为巷道支护的主要技术手段。锚喷支护可以有效的控制巷道围岩的变形，保证巷道的稳定性，促进矿山巷道支护技术改革。其中，喷射混凝土是锚喷支护技术体系中的重要内容，其作用是对围岩进行封闭和加固。
然而经过数十年来的实践检验，人们重新认识到喷射混凝土的承载能力、适用范围及环境安全问题：
1.粉尘浓度大，易使操作人员罹患尘肺等职业病。
2.喷射混凝土回弹率高，物料浪费严重。
3.混凝土喷层支护能力不确定：包括较难射进岩体裂缝，降低围岩凹凸处应力集中作用不明显等。
4.混凝土喷层难与岩体共同变形，易断裂、脱落，形成新的安全隐患。
5.无论喷射混凝土工艺目的是承载、封闭、堵漏等，由于其材料特性均需厚喷，易造成过度支护，使得其喷射速度慢，用人多，不利于减人提效。
近年来，有研究者根据部分矿区的锚喷支护效果观察，发现混凝土喷层并不起主导承载作用，经过理论分析和现场试验，提出了只要适当调整锚网支护参数，完全可以在锚喷支护巷道取消喷射混凝土支护工序。但取消喷射混凝土工序后，势必造成巷道围岩、锚网裸露，从而导致围岩风化、锚网锈蚀和煤层自燃。
国内外目前类似技术与成果较少，国内文献以“一种矿山支护乳体喷浆材料及支护喷浆施工方法”为代表，采用水玻璃与石粉混合制成基料并与固化剂配套使用，具有无回弹、阻燃、凝固快、强度高及施工成本低等特点，但需现场配浆，工艺复杂，清理繁琐，作业环境不清洁，且薄膜附着力较小、延展性差。国外基本采用双组份的反应型材料，具有粘结力强、固化迅速、力学性能优异、填充缝隙能力及延展性能优越等特点，但易生反应热和刺鼻气味，不利于矿山井下施工。因此，无论是薄喷材料，以及相配套的工艺，现有技术与成果均难以满足我国矿山要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有良好成膜性、延展性、渗透性、环保性、阻燃性的非反应型粉末状薄喷封闭材料。
本薄喷封闭材料，包含按重量百分比计的以下组分：RD型聚合物粉体15-55%、无机填料30-60%、无机成膜剂14.5-40%、其他助剂0.5-5%。
优选的，所述无机填料为惰性粉体材料。
优选的，所述无机填料为炭黑和/或石粉。
优选的，所述无机成膜剂为活性粉体材料。
优选的，所述无机成膜剂为硅酸钠、石膏、白水泥中的两种或者三种，其中硅酸钠重量百分比为0～40%，石膏重量百分比为0～40%，白水泥重量百分比为20%～90%。
优选的，所述助剂为消泡剂、纤维素醚和/或淀粉醚。
优选的，当无机填料含量大于等于30%时，所述助剂还包括焦磷酸钠和/或六偏磷酸钠。
本发明还公开了上述薄喷封闭材料的薄喷封闭方法，其步骤包括：将薄喷封闭材料的各组分混合，然后与水混合后喷出，喷厚2mm-20mm，喷速5m/min-20m/min。
优选的，使用开放式粉体喷射设备来实现薄喷封闭材料的薄喷封闭方法，其步骤包括：将混合后的薄喷封闭材料推送到与文丘里气料混合管的进料口相通的落料管，从文丘里气料混合管的进气口通入文丘里气料混合管的压缩空气，在负压作用下将薄喷封闭材料吸进文丘里气料混合管与压缩空气混合，薄喷封闭材料在压缩空气的带动下，通过输送管吹送至喷枪，在喷枪内与通过喷咀喷入的雾化水混合后喷出。
本发明还提供了一种结构简单，工作可靠，正常工作时设备噪音较小，无粉尘排放的适合本发明薄喷封闭材料使用的薄喷封闭方法中使用的开放式粉体喷射设备。
薄喷封闭方法中使用的开放式粉体喷射设备，包括文丘里气料混合管、落料管、输送管、压缩空气源以及喷枪，落料管与文丘里气料混合管的进料口相通，压缩空气源与文丘里气料混合管的进气口相通，喷枪通过输送管与文丘里气料混合管的出料口相通，在喷枪上还设置有与喷枪相通用于向喷枪内喷入雾化水的喷咀。
优选的，还包括料斗，所述料斗底部设置用于推动物料的螺旋轴，上下设置的落料管的上部入口与螺旋轴的出料端相通。
本发明的有益效果：
本发明的薄喷封闭材料采用RD型聚合物粉体为主要成膜组分，使用时按一定配比加水可喷涂成膜，无副产物、VOC和反应热，装、运、贮、用方便、低廉；RD型聚合物粉体有效提高矿山薄喷支护粉体材料的强度与弹性；纤维素醚可改善粉状材料干、湿状态拉伸粘结强度及保水性和增稠性能，提高了矿山薄喷粉体材料成膜能力；引入无机填料作为成膜骨架，有效地提高了矿山薄喷封闭材料的机械强度、耐水性及抗粉化性能；硅酸钠与石膏反应会生成硫酸钠（Na2SO4），在制品间隙内结晶膨胀，有效地增强了矿山薄喷封闭材料的补偿收缩性能；利用消泡剂具备的破坏气泡膜界面张力平衡的特性，消除了水化材料的气泡的生成和稳定性，有效增强了矿山薄喷封闭材料的致密性能和强度；当无机填料含量比较高时，焦磷酸钠和/或六偏磷酸钠作为分散剂可以降低颗粒表面张力，改善无机填料的快速润湿、分散、成浆的能力，优化了矿山薄喷封闭材料各组分得分散混合效果，增强了各组分的配比均匀性，提高了矿山薄喷封闭材料的性能。
本发明的薄喷封闭材料具有良好的成膜性、延展性、渗透性、环保性、阻燃性，并可以达到足够的强度，从而在锚喷支护技术体系中取代喷射混凝土支护。
本发明采用的开放式粉体喷射设备，供料采用开放式结构，采用文丘里结构原理使气体高速流动产生负压作用，将物料吸进文丘里气料混合管中，以输送、喷射粉体物料。储存物料的料斗为开放式结构，无需压力平衡设计。气体管路只需一进、一出；下料管内气体压力较小，为负压状态，压力在-0.02MPa以下。螺旋轴的作用仅仅是将料斗内物料拨送到下料管内，无需定量给料作用。只要保持料斗内持续有物料，物料可以靠自重及滑动作用被吸入下料管内。无需拨料刮片、控制闸门、多条气路控制管路、阀门等设计，结构简单，使用寿命长，工作可靠，正常工作时设备噪音较小，无粉尘。该开放式粉体设备可连续上料、喷射粉体物料，解决了之前的密闭罐式粉体喷射设备须采用耐压、密闭罐体存储物料，待罐中物料喷射完后须停机、停气，再进行上料方式的间断式上料、喷射的问题。本开放式粉体喷射设备，管路控制***得到较大的简化，无需压力平衡等控制管路和不用设置控制闸门。工作时粉体物料输送连续性和均匀性较好，解决原来设备的喷射粉体物料不均匀，喷射工作时物料开始出料较多，后期较少的问题，同时设备整体外形尺寸和重量等技术参数同罐式设备也有较大程度的降低。
附图说明
图1是开放式粉体喷射设备的示意图；
图2是图1的侧视图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面用具体实例来详细说明本发明的技术方案，但是本发明并不局限于此。
实施例1
本发明包含的非反应型粉末状薄喷封闭材料包括按重量份计以下组分：RD型聚合物粉体55份，无机填料30份，无机成膜剂14.5份，助剂约0.5份。
所述的RD型聚合物粉体质地均匀一致，无结块，无板结，可在水中快速分散。
所述的无机填料均为石粉混合物，石粉粒度过20目（0.9mm）分析筛，色泽均匀一致，无砂粒感，无结块及异味、异臭。
所述的无机成膜剂包括5.8份的硅酸钠、5.8份的石膏和2.9份的白水泥，硅酸钠符合国家标准（GB/T4209-2008），石膏符合国家标准（GB/T9776-2008），白水泥符合国家准备（GB175-2007）。
所述的助剂，消泡剂占0.2份，符合国家标准（GB/T26527-2011），纤维素醚占0.3份，符合行业标准（JC/T2190-2013）。
所述的RD型聚合物粉体、无机填料、无机成膜剂、其他助剂，均需要合格证，过期失效严禁使用。
对薄喷封闭材料的主要理化性能和工程性能测试，结果如表1。
国家涂料质量监督检验中心根据《室内装饰装修材料内墙涂料中有害物质限量（水性墙面腻子）》（GB18582-2008）予以测试，测试结果见表2，这表明研制的薄喷封闭材料的环保性能完全达到该项国标的技术要求。
表1实施例1薄喷封闭材料的主要理化性能和工程性能
表2
注：挥发性有机化合物（VOC）的检出限为2g/L；游离甲醛的检出限为5mg/kg；可溶性铅（Pb）的检出限为0.04mg/kg；可溶性镉（Cd）的检出限为0.0025mg/kg；可溶性汞（Hg）的检出限为0.04mg/kg；苯、甲苯、乙苯、二甲苯总和的检出限为50mg/kg。
实施例2
本发明包含的非反应型粉末状薄喷封闭材料包括按重量份比计以下组分：RD型聚合物粉体15份，无机填料60份，无机成膜剂22份，其它助剂约2份。
所述的RD型聚合物粉体质地均匀一致，无结块，无板结，可在水中快速分散。
所述的无机填料中，10份为炭黑，50份为石粉混合物，其中炭黑符合国家标准（GB/T3780.10-2009），石粉粒度过20目（0.9mm）分析筛，色泽均匀一致，无砂粒感，无结块及异味、异臭。
所述的无机成膜剂包括6.6份的硅酸钠和15.4份的白水泥。所述的无机成膜剂，硅酸钠符合国家标准（GB/T4209-2008），白水泥符合国家准备（GB175-2007）。
所述的助剂，消泡剂占0.2份，符合国家标准（GB/T26527-2011），纤维素醚占0.3份，符合行业标准（JC/T2190-2013），分散剂占1.5份，所用分散剂粉体质地均匀一致，无结块，无板结，可在水中快速分散。
所述的RD型聚合物粉体、无机填料、无机成膜剂、其他助剂，均需要合格证，过期失效严禁使用。
实施例3
本发明包含的非反应型粉末状薄喷封闭材料包括按重量份计以下组分：RD型聚合粉体28份，无机填料30份，无机成膜剂40份，其它助剂约2份。
所述的RD型聚合物粉体质地均匀一致，无结块，无板结，可在水中快速分散。
所述的无机填料均为炭黑，其中炭黑符合国家标准（GB/T3780.10-2009），色泽均匀一致，无砂粒感，无结块及异味、异臭。
所述的无机成膜剂包括4份石膏和36份的白水泥。所述的无机成膜剂，石膏符合国家标准（GB/T9776-2008），白水泥符合国家准备（GB175-2007）。
所述的助剂，消泡剂占0.2份，符合国家标准（GB/T26527-2011），淀粉醚占0.3份，符合行业标准（JC/T2190-2013），分散剂占1.5份，所用分散剂粉体质地均匀一致，无结块，无板结，可在水中快速分散。
所述的RD型聚合物粉体、无机填料、无机成膜剂、其他助剂，均需要合格证，过期失效严禁使用。
实施例4
如图1、2所示的开放式粉体喷射设备，在移动底盘1上设置连接架2，在连接架上设置动力装置3、料斗5，通过联轴器4与动力装置相连的螺旋轴6伸入到料斗的底部，上下设置的落料管7的上部入口在螺旋轴的出料端下部。落料管的下端出口与文丘里气料混合管8的侧壁上的进料口相通，压缩空气源与文丘里气料混合管的进气口9相通。喷枪（未示出）通过输送管与文丘里气料混合管的出料口相通，在喷枪上还设置有与喷枪相通用于向喷枪内喷入雾化水的喷咀。
开放式粉体喷射设备工作过程是人工将粉体物料上至料斗内，在气动马达带动下，经减速器及联轴器驱动螺旋轴，粉体物料经螺旋轴挤压推送至落料管，文丘里气料混合管进气口端通有压缩空气，利用文丘里原理产生的负压作用将粉体吸进文丘里气料混合管，在文丘里气料混合管内压缩空气与粉体物料充分混合，物料在低压、高流速气体的混合带动下，通过输送管吹送至前端喷枪，在喷枪混合区内物料与喷咀喷入均匀的雾化水混合均匀后喷射至受喷面，完成喷射。
实施例5
以下测试中所用本发明材料为本发明实施例1的薄喷封闭材料。
1薄喷地面试验
试验温度范围：-6℃～20℃；试验用物料1次为水泥粉，3次为新研制的薄喷封闭材料；每次喷射量在50kg～250kg，喷射机装料量以100～125kg为宜；管道直径规格为25mm和40mm两种，管道长度为20m～60m；试验喷射面为水泥墙面、柱面和木质三合板。
按照供风、供水、供料流程进行试验，调整喷射浆液水灰比约为1：2，待供料稳定后，进行薄喷地面试验，最终得到均匀的喷浆效果。
薄喷装备采用实施例4中的开放式粉体喷射设备，负载运转正常稳定，各项参数设置正确且调整方便；薄喷封闭材料具有良好的喷射成膜特性，固化强度达到技术指标要求；喷射过程粉尘、回弹得到了较好控制。
2薄喷井下工业试验
2.1巷道地质条件
试验在开滦（集团）东欢坨矿业分公司开拓二区南一采区回风大巷布置在-690水平的机掘巷道进行。此巷开口层位为煤12-2顶板，岩性为深灰色粉砂岩，条带状结构，泥质胶结，主要担负-690水平及-950水平南翼采区的回风任务。巷道掘进过程中易出现煤层顶底板裂隙水，预计巷道最大涌水量0.34m3/min，正常涌水量0.25m3/min。
2.2试验过程
（1）喷射机装料量先为100～125kg，喷射正常后加至250kg；管道直径规格为25mm，水平喷射长度为40m～60m。
（2）启动设备
首先启动供风的空压机，吹扫送风管路；然后，启动水泵进行供水，出料口水实现雾状的抛洒；根据水压条件，调整两个风压，保证三压一致。根据计算所得的供料量，初步的调整供水量，水灰比约为1：2。待供水、供风条件稳定后开启送料口，待送料稳定，根据情况微调供水量，达到浆体喷射上墙后无明显粉尘、反弹也无流挂的效果。
（3）喷浆
①喷浆操作中，喷浆手应保持和喷射面约1.5m左右的距离，喷射浆体的抛洒面宽度约为0.5m左右，喷射口保持与喷射面垂直，按照约20m/min的速度均匀平移，并以顺时针或逆时针缓慢画圈方法保证喷射厚度和均匀度。
②喷射时，调整风压、水压，使出料平稳均匀，喷射力量适中，既不会因为力量不足导致浆提无法上墙，也不会因为力量过大导致回弹；水灰比例适宜，配水均匀；喷口出料抛洒面积和物料分布固定。
（4）结束喷浆
结束喷浆首先停止送料，并在此后继续通水和送风1～2min，以清洗管路避免堵塞。随后，分别关闭水源和风源，拆撤管路，清洗设备。
2.3薄喷性能检验
（1）***喷射性能考核
工业试验中，井下风压稳定，通过负压抽吸粉料、排料连续、均匀。
输送性能。工业试验中，输送距离不少于40m，工作压力为0.2MPa，喷涂出料均匀、连续，料束聚拢，无脉冲现象，输送性能极好。
水灰比控制及水化效果。控制薄喷机喷头的水阀开口大小，可以非常方便的调节薄喷作业的水灰比，水化效果良好。
间歇作业方式井下适应性。相对于喷射混凝土而言，薄喷支护的喷射量大大降低，试验样机的一斗料为250L，足够封闭一个班的进尺，薄喷机采用的间歇作业方式，完全满足井下作业要求。
薄喷支护（封闭）材料的井下成膜性及厚度。可水化成膜，对岩壁的附着性良好。
喷射速度。喷射过程快速、稳定，每米巷道喷射时间仅需10～20min。
（2）***总体技术指标测试
喷射厚度
按照约20m/min的速度均匀平移，并以顺时针或逆时针缓慢画圈方法保证喷射厚度和均匀度，得到较为均衡的喷射厚度5mm。
粉尘浓度
试验中薄喷作业粉尘浓度低于10mg/m3，达到了计划指标，作业场所环境得到了良好改善。
回弹率
试验中测试的薄喷作业平均回弹率不超过15%，达到了计划指标。
（3）主要技术参数测试
生产能力
喷射能力实测为1m3/h，达到了预设技术指标。
额定工作压力
试验中一直使用40m输送距离，工作压力为0.2MPa，远低于薄喷机所能承受的额定工作压力。
（4）作业工艺验证
在矿山井下实际使用条件下，新型薄喷机间歇式的作业方式、粉料采用压气输送、喷头加水湿化的作业工艺，经工业性试验，验证了其可行性，符合矿山井下特定的使用条件。
Claims (10)
1.一种薄喷封闭材料，其特征在于：包含按重量百分比计的以下组分：RD型聚合物粉体15-55%、无机填料30-60%、无机成膜剂14.5-40%、其他助剂0.5-5%。
2.根据权利要求1所述的薄喷封闭材料，其特征是：所述无机填料为惰性粉体材料。
3.根据权利要求2所述的薄喷封闭材料，其特征是：所述无机填料为炭黑和/或石粉。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的薄喷封闭材料，其特征是：所述无机成膜剂为活性粉体材料。
5.根据权利要求4所述的薄喷封闭材料，其特征是：所述无机成膜剂为硅酸钠、石膏、白水泥中的两种或者三种，其中硅酸钠重量百分比为0～40%，石膏重量百分比为0～40%，白水泥重量百分比为20%～90%。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的薄喷封闭材料，其特征是：所述助剂为消泡剂、纤维素醚和/或淀粉醚。
7.根据权利要求6中任一项所述的薄喷封闭材料，其特征是：当无机填料含量大于等于30%时，所述助剂还包括焦磷酸钠和/或六偏磷酸钠。
8.权利要求1-7中任一项所述的薄喷封闭材料的薄喷封闭方法，其步骤包括：将薄喷封闭材料的各组分混合，然后与水混合后喷出，喷厚2mm-20mm，喷速5m/min-20m/min。
9.如权利要求8所述的薄喷封闭方法，其步骤包括：将混合后的薄喷封闭材料推送到与文丘里气料混合管的进料口相通的落料管，从文丘里气料混合管的进气口通入文丘里气料混合管的压缩空气，在负压作用下将薄喷封闭材料吸进文丘里气料混合管与压缩空气混合，薄喷封闭材料在压缩空气的带动下，通过输送管吹送至喷枪，在喷枪内与通过喷咀喷入的雾化水混合后喷出。
10.薄喷封闭方法中使用的开放式粉体喷射设备，其特征是：它包括文丘里气料混合管、落料管、输送管、压缩空气源以及喷枪，落料管与文丘里气料混合管的进料口相通，压缩空气源与文丘里气料混合管的进气口相通，喷枪通过输送管与文丘里气料混合管的出料口相通，在喷枪上还设置有与喷枪相通用于向喷枪内喷入雾化水的喷咀。
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