喷浆材料智能气力输送系统设计

喷浆材料智能气力输送系统设计

高廷明

（淮北工业建筑设计院有限责任公司   安徽  淮北市   235000）

摘要：淮北矿业集团下属矿井的喷浆系统存在材料运输环节多、喷浆施工工艺复杂、用人多、生产效率低、喷浆材料质量差等问题。为解决这些难题，结合矿井生产实际，提出了喷浆材料智能气力输送系统设计，从气力输送系统原理及组成、井下矿井工程及地面土建工程、电力系统及集控系统等方面进行了详细设计，保证了系统可行可靠。

关键词：喷浆系统；喷浆材料；气力输送；系统设计

前言

在巷道支护环节中，喷浆系统是一个重要环节。目前淮北矿区喷浆料（水泥、黄沙、石子）均是通过矿车经副井入井，通过轨道运输至迎头，在迎头由人工配比后经搅拌装置搅拌，最后利用喷浆机实现喷浆。这种喷浆系统存在材料运输环节多、喷浆施工工艺复杂、用人多、生产效率低等问题，同时，喷浆材料采用人工搅拌配比，无法保证喷浆材料配比的合理性，从而无法保障喷浆质量，进而难以保证巷道喷浆支护强度。

目前淮北矿业集团大力推进盾构施工工艺，掘进进度快，圆班进尺达10m左右，传统的喷浆工艺已满足不了生产的需要，因此提出了智能喷浆系统。

1、喷浆材料智能气力输送系统

1、系统原理：该系统主要包括地面站、压风管道、物料输送管道、井下中转站、井下可移动终端和地面集中控制室，利用气力高质量输送喷浆预混料，采用PLC和工业PC结合的集中控制系统，结合WEB方式SCADA软件的应用，实现巷道喷浆材料智能化的传送和喷浆或充填。

2、系统组成：全套系统由物料制备系统、动力风系统、地面站、中转站、工作站、管道系统和通讯控制系统七个部分组成。

物料制备系统：基础物料包含水泥、4mm以下颗粒的合理级配沙子、粉煤灰等，其中沙子和粉煤灰要求为干燥物料。基础物料按照一定的比例达到喷浆料的强度要求。可直接采购预混干料成品。

动力风系统：包含压风系统和干燥冷却系统。压风机和干燥机需根据系统最终工艺设计来配置。物料输送压力0.4～0.6MPa，系统最大输送压力0.75MPa。

地面站：是系统地面总的物料储存站。包括150 m³立式筒仓、袋式收尘器、串联发料器、油水分离器和电控柜等。在地面站附近设置集中控制室，作为智能气力输送系统的控制中心，负责智能气力输送系统的运行操作和监控。

中转站：设于地面站与工作站之间，是物料输送系统的接力站。包括物料仓、袋式收尘器、串联发料器、油水分离器和电控柜等。中转站安装在巷道地面，靠近巷道侧壁，每台中转站的输送距离大约1000m。

工作站：靠近迎头需要喷浆或充填的位置。包括移动式中转料仓、可移动终端系统和电控柜等，是系统物料储存和喷浆充填操作站。可移动终端系统主要包括吊挂式搅拌充填一体泵、履带式远距离喷浆机、速凝剂添加泵、喷浆机器人等。喷浆可配备喷浆机器人，动作平稳，操作灵活，喷射均匀，回弹率低，安全稳定可靠。

管道系统：由提供动力气源的压风管道和输送喷浆材料的物料管道组成。

通讯控制系统：系统包含压风机控制、干燥器控制、地面站控制、中转站控制、工作面站控制、安全视频监控报警系统等。通讯控制系统采用工业以太网、光缆传输信息，在地面智能化集控中心进行集中操作与监控。

3、喷浆材料智能气力输送系统主要技术参数：

⑴输送能力：10m³/h。

⑵输送物料粒度：0～4mm。

⑶压风需求量：25Nm³/min。

⑷控制：全自动气动阀控。

⑸喷浆距离：300～500m

4、系统工艺流程：

预混喷浆材料（干料）成品经汽车运输至地面站，成品干料利用压风压入地面站立式筒仓，经物料管道井进入井下中转站、工作站，在迎头通过喷浆机实现喷浆。

工艺流程图如下：

2、方案设计

采用智能气力输送系统将预混成品喷浆材料（干料）直接输送至掘进迎头，利用液压转子式混凝土喷射机实现喷浆。

1、矿建工程

⑴钻孔

①压风管道井：DN250，工作管为φ273×15无缝钢管。

②物料管道井：DN125，工作管为φ168×（8+13.5）双金属耐磨合金管。

⑵井下站点设置

①井下站点安装硐室：中转站（12m³）5个，工作站（8m³）1个，中转站设备外形尺寸为20m×1.2m×2.3m（长×宽×高），工作站设备外形尺寸为15m×1.2m×2.3m（长×宽×高）。

②管道井联巷：压风管道井联巷15m、物料管道井联巷15m。

2、土建工程

在矿井工广新建压缩空气站、地面站。

⑴新建压缩空气站（空压机、干燥机）厂房及其配电室。

⑵新建地面站控制室及设备、管道基础。

⑶新建循环冷却水泵房及冷却水池。

3、机电设备及主要材料

（1）机电设备

①喷浆材料智能气力输送系统：喷浆材料智能气力输送装置地面站1台，井下中转站5台、工作站1台），配套PYC6Z 液压转子式混凝土喷射机1台。

②压缩空气站及干燥系统：在新建压缩空气站安装ML300-2S型螺杆式空压机3台（额定排气压力0.75MPa，额定排气量60.2m3/min，电机功率300KW、6kV），DV10500AVS/WVS型干燥机3套（处理量175m³/min，输入压力范围≤1.4MPa，操作温度≤45℃，环境温度1～50℃，额定压力0.4～0.6Mpa，冷却水量6.4m³/h）。C-6型储气罐3个（储气量6m

3，额定压力0.8MPa），C-3型储气罐3个（储气量3m3，额定压力0.8MPa）。

③循环冷却水系统：干燥机需配套设置循环冷却水系统。在新建循环冷却水泵房安装循环水泵2台（流量20m³/h，扬程24m，功率3kW），冷却水泵2台（流量22m³/h，扬程16m，功率2.2kW），管道增压泵1台（流量8.5m³/h，扬程30m，功率3kW），逆流式圆形冷却塔1台（处理量30m³/h，功率1.1kW），全自动软水器1套（处理量5m³/h，功率1.5kW），潜水排污泵1台（流量12.8m³/h，扬程8m，功率1.1kW）。

4、供电系统

喷浆材料气力输送系统设有压缩空气站、地面站（电气控制中心）、井下中转站（5个）、井下工作站。

经计算全部用电负荷如下（矿井6kV功率因数按0.9）：

有功负荷Pj =1215kW，视在负荷Sj=1350kVA，功率因数为0.9

（1）压缩空气站供电

压缩空气站设6kV配电室一座，本系统负荷为二级负荷，按双回路电源供电，两回路供电电源取自矿内35/6kV变电所的6kV不同母线段。任一回路电缆停发生故障停止供电时，另一回路电缆能够担负压缩空气站全部用电负荷。配电室内设高压开关柜8台，型号为KYN28A-12；动力变压器（带护罩）1台；壁挂式直流电源箱1只，压缩空气站高低压供电设备均取自本配电室。

压缩空气站设有压风机三台，单台压风机电压等级6kV，电机功率300kW，压风机采用直接启动。

（2）地面站（电气控制中心）

地面站设低压配电室，配电室内设置低压开关柜，地面站的低压用电设备的电源取自本配电室。

（3）井下供配电

井下五个中转站和一个工作站均设有配电点，供电电压等级为1140V,电源就近取自附近低压配电点。

5、集控（智能化）系统

集控系统设在地面站，各子系统通过现场总线及工业以太网连接，利用现场总线协议、实时以太网协议或者OPC方式构成一个智能化自动控制系统，可实现智能化控制，控制系统配置安全栅及安全继电器实现隔离，保证系统的井下安全。

地面智能化集控中心采用智能化的设计，实现喷浆材料从地面到井下迎头运输全过程和上料、运输、喷浆全工序智能化运行。所有操作工序均可地面总站实现“一键式”远程控制。

各中转站配置智能型压力和最大、最低料位传感器，实现低料位自动要料、满仓时自动停止要料。当下游中转站或工作面站发出要料请求时，中转站实现自动化发料，将充填料，运输送至工作面站或下一个中转站。

工作站配置智能型压力和最大、最低料位传感器，实现低料位自动要料、满仓时自动停止要料。配置可移动搅拌充填一体化充填泵，可实现自主配比、自主移动。配置履带式移动终端喷浆，水平最大喷射距离达500m。

6、视频监控系统

视频监控室可设在集控室，每个子站点设摄像头监控，对于控制系统无法监测的某些意外情况，地面站或者其他子站点，可通过摄像头实时监控每个站点的情况，减少因井下站点之间距离较远，人员的不能及时就近观察的缺点。

地面控制室大屏幕实时监控，并可以查看历史影像。同时也预留后期井下全自动化、无人值守对于系统监控要求的接口配置。

7、效益分析

年运行成本见下表：

4、结束语

智能喷浆系统相比传统的喷浆工艺，喷浆材料采用预混干料成品，相比于现有喷浆材料由人工搅拌配比，能确保喷浆材料配比的合理性及配比质量，喷浆材料采用管路运输，相比矿车运输，能够消除井下环境及其它因素对喷浆材料质量的影响，保证了材料的质量可靠，进而保障了喷浆质量，有利于及时封闭围岩，降低围岩管理难度；同时减少了人员、提高了辅助运输效率，降低劳动强度，改善作业环境，经济效益也比较明显，能够在井下推广应用。