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锚喷粉尘是井下巷道掘进施工中重要的粉尘来源,它不仅损害着职工的身体健康,同时也严重威胁着煤矿的安全生产。 论文在对锚喷粉尘的性质和空间运动受力分析的基础上,对锚喷粉尘的产生机理进行了研究。锚喷特殊的施工工艺是造成粉尘产生的主要原因;锚喷粉尘的特性和喷射物料间的粘性是锚喷粉尘产生的内因;喷口处的压强梯度力、高速喷射射流场、锚喷物料壁面弹性碰撞以及外部风流的影响是锚喷粉尘产生的外因。 运用FLUENT软件,对锚喷独头巷道内含尘风流的流场和静压分布进行三维模拟,模拟表明锚喷巷道空间内的粉尘分布是不均匀的。根据模拟结果将锚喷巷道空间粉尘分布划分为射流区、掺混区、回流区以及涡流区四个区域,得出了锚喷巷道空间四区域内粉尘浓度分布的计算公式,利用该公式计算了不同区域内粉尘浓度值,结果表明锚喷粉尘浓度最高的区域是掺混区。 对锚喷喷射过程中随高压气流喷出的水雾捕捉粉尘的性能进行研究,建立了锚喷水雾对粉尘捕捉效率的关系式。提高锚喷高压水流的捕尘效率需要对施工工艺中的喷射风压、水压、物料配比、水量大小等因素进行考虑。研究表明随锚喷高速气流喷射出的水雾润湿性能以及混凝土团粒的粘性有助于锚喷降尘。 锚喷过程中由于喷射物料不能被充分被润湿,喷口处流场空间突然变大,速度骤然降低,细小粉尘颗粒将受喷头处压强梯度场的影响,聚集于喷嘴出口。另外由于物料与粉尘颗粒的粘性较小,在锚喷高速射流的吹动、物料与壁面碰撞以及外部风流的影响也会造成锚喷产尘。降低锚喷粉尘应从粉尘产生的根源出发,通过改善锚喷水雾的表面张力,提高锚喷物料的粘性和润湿性能,加快锚喷物料中的水泥粉尘和水雾的润湿和水化反应速度为出发点来降低锚喷粉尘。 为降低锚喷粉尘,设计了四组试验方案,利用正交试验法对各试验方案的组份配比进行优化并在现场试验,确定了有机高分子聚合物P和无机蒙脱土型复合外加剂作为锚喷降尘外加剂,简称PMRD外加剂。 利用电镜扫描、红外光谱、粉尘接触角测量仪等仪器设备对PMRD外加剂的降尘机理研究,研究表明PMRD外加剂可加快水泥浆体的润湿速度,提高浆体的粘度,降低喷射混凝土的含碱量,改善了物料的电化学特性和和易性。微观结构研究表明PMRD外加剂的加入改善了混凝土的性能,减少了锚喷混凝土试块中的空隙,促进了水泥中C-S-H凝胶的形成,提高了混凝土的支护强度和粘度。 对PMRD外加剂进行现场应用测定其降尘效果,结果表明在不改变现有施工工艺的前提下,使用PMRD降尘外加剂后粉尘浓度降低60%,降尘效果显著;同时该外加剂还能明显减少锚喷回弹并能提高喷射混凝土的早期和后期强度,喷射混凝土各项性能良好。