矿用混凝土湿喷机喷嘴流场的研究

摘要

在我国煤矿巷道混凝土喷射支护技术中，混凝土湿喷技术由于粉尘浓度低、回弹率低、效率高、喷射质量高等优点，逐渐取代“干喷”和“潮喷”技术成为主流工艺。尽管湿喷混凝土技术能够解决干喷混凝土技术中存在的问题，但是湿喷混凝土技术在国内外仍处于理论研究和探索阶段。目前，针对于混凝土湿喷技术的研究多集中于混凝土的管道流动性，即可泵性。对混凝土湿喷技术中混凝土射流结构基础研究理论和试验却非常的少，仍存在一定的问题，在一定程度上限制了湿喷工艺的优点。本文运用理论分析、数值模拟、设备研发、试验研究和现场应用等多种手段，研究混凝土湿喷机喷嘴流场分布特点，找出最优的操作工艺，满足煤矿井巷规范的要求。
　　借助于水射流机理对混凝土射流机理进行了分析，对混凝土射流结构中流速分布、冲击力、最佳喷射速度、进行了研究，并根据产尘机理和回弹机理提出了降低喷射时粉尘浓度与回弹率的措施；介绍了湿喷机喷嘴的工作原理并提出了湿喷机喷嘴的一般评价指标；建立了SPB7-T型湿喷机喷嘴内流场与外流场的物理模型，并结合 Fluent模拟软件对 SPB7-T型湿喷机喷嘴射流流场进行了模拟；分析了该喷嘴流场中压力、各相速度、体积分数等参数随着喷射距离的变化情况；利用Origin软件拟合出了喷嘴内流场中轴线上压力与液相速度的拟合公式。
　　研发设计了国内外首个混凝土湿喷机喷嘴射流流场测试平台，并利用该平台进行了 SPB7-T型混凝土湿喷机喷嘴的流量分布测试试验以及混凝土拌合料组分空间分布测试试验，得出喷射混凝土射流截面内混凝土质量分布在射流轴心处最多，沿着半径方向呈钟状形分布减少和在任意射流截面处沿着射流截面半径的增大，石子和砂子所占的比例逐渐缩小，而水泥浆所占的比例逐渐增大，即在射流外围处水泥浆所占比例增大现象与混凝土管道输送过程中―润滑层‖的作用机理相似的结论。
　　在模拟和试验研究的基础上，提出了混凝土湿喷优化技术。将该优化技术在唐口煤矿630轨道大巷进行了测试应用。结果表明，该优化技术有效降低喷射产尘浓度，改善工作环境，降低回弹率，节约材料，提高支护强度。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题的提出

1.2 喷射混凝土射流流场国内外研究现状

1.3 课题研究的主要内容与意义

1.4 技术路线图

2 湿喷混凝土技术射流机理

2.1 水射流的基本结构与特性

2.2 湿喷混凝土射流基本结构特性

2.3 湿喷混凝土射流产尘机理

2.4 湿喷混凝土射流回弹机理

2.5 本章小结

3 SPB7-T型混凝土湿喷机喷嘴流场的仿真分析

3.1 湿喷机喷嘴工作原理与评价指标的建立

3.2 SPB7-T型混凝土湿喷机喷嘴内流场数值模拟

3.3 SPB7-T型混凝土湿喷机喷嘴外流场数值模拟

3.4 本章小结

4 混凝土湿喷机喷嘴射流流场测试平台的研发

4.1 电脑控制系统与湿喷系统

4.2 喷嘴控制系统

4.3 受喷面测试系统

4.4高速摄像机

4.5压力测试系统

4.6本章小结

5 SPB7-T型混凝土湿喷机喷嘴射流结构测试实验

5.1 试验前期准备

5.2 喷嘴流量测试试验与分析

5.3 湿喷混凝土射流截面内拌合料组分空间分布分析

5.4本章小结

6 SPB7-T型混凝土湿喷机喷嘴射流理论的现场应用

6.1 唐口煤矿630轨道大巷简介

6.2 现场应用

6.3本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 主要创新点

7.3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要成果