煤矿巷道湿式喷射混凝土机械手智能支护与回弹率粉尘协同控制实操指南

榆林北部某千万吨级矿井的胶带运输大巷，设计断面净宽5.4米、净高4.2米，锚网喷联合支护，喷层设计厚度100毫米，强度等级C25。2023年掘进队按老办法干喷：压风机一开，干料从喷射机吹到喷头，在喷头处才加水。一个班下来，喷浆手满脸灰白，只露两只眼睛，护目镜擦三遍还是看不清顶板，喷头往哪儿指全靠班长在后面喊。

验收时的账本很难看。当月领用水泥、砂石合计68吨喷料，实际成型在巷道壁面的混凝土折算只有47吨，回弹料和落地料约21吨，回弹率30.9%。回弹的并不是“废料”：落下来的多是粗骨料，粒径大于5毫米的石子，喷层里剩下的偏偏是细砂和水泥浆，灰骨比变了，喷层强度钻芯取样只有设计值的78%。底角和拱肩位置回弹更狠，喷出来的混凝土被反弹的石子打掉，反复补喷，局部厚度到了160毫米，拱顶却只有60毫米，用钢筋探针一戳就透。

粉尘是另一本账。班前班后用个体粉尘采样器挂在喷浆手呼吸带，测得总粉尘平均浓度218mg/m³，呼吸性粉尘（5μm以下）占34%，游离二氧化硅含量按岩样测定为9.6%。国家职业接触限值里，游离二氧化硅10%~50%的粉尘总尘限值是1mg/m³，不到10%的限值是4mg/m³。218对4，超标五十多倍。矿上一年体检，喷浆岗位30人里有6人胸片出现可疑阴影，井下喷浆这个岗位几乎成了“尘肺高危岗”。

现场总结下来，人工喷浆有三个死结：

1. 手持喷头靠经验，距离和角度失控。 喷嘴离壁面最合适的距离是0.8~1.2米，角度垂直于受喷面。人站在松软的新喷层前，手臂举着十几公斤的喷管，两分钟就开始抖，距离很快拉到2米以上，速度衰减，回弹立刻上升。
2. 粉尘、回弹、厚度三件事互相拖累，却由三个班组各管各的。 通风队管粉尘，掘进队管进尺，技术科管强度，没人把“水灰比、风压、距离”当一组参数调。风量开大了，料冲得急，回弹和粉尘一起涨；风量开小了，堵管。
3. 看不见的盲区没人兜底。 喷层厚度只在验收时用钢钎抽查几个点，漏喷的拱肩、两帮与顶板交角、锚杆托盘背后的空腔，常常在三个月后掉皮时才暴露。

要同时压住回弹率和粉尘，思路不是多加几台喷雾，而是把喷浆这道工序整体机械化、参数化，让机械手按断面扫描结果走轨迹，让湿喷工艺从源头不起尘。巷道围岩本身的变形规律，可参阅深部软岩巷道大变形支护技术解析；本文只讲喷层这一道工序怎么做到位。

湿式喷射与干式、潮式的根本区别在于：水泥、砂石和水在喷射机前端已经拌合成流态混凝土，用混凝土泵送到喷嘴，喷嘴处再用压缩空气把拌合物吹散加速，同时液体速凝剂在喷嘴前0.5米的混合环处计量注入。料里本来就含水，喷出来不是一团干灰，粉尘的源头先被掐掉大半。

如图1所示，一套完整的井下湿喷机械手由五个部分组成：混凝土泵（常用型号如TK-961型、HPS-30型湿喷机，理论排量20~30m³/h）、六自由度液压臂架、喷头旋转摆动机构、激光测距扫描仪、速凝剂计量泵与防爆电控箱。臂架整体装在履带式底盘上，宽度控制在2.2米以内，能通过4米宽的巷道并留出人行道。

先说回弹率为什么会降。回弹的物理过程很朴素：高速颗粒打到壁面，如果浆体足够黏、能“吃住”粗骨料，骨料就嵌进去；浆体太干或速度太高，骨料就被弹回来。湿喷把含水率控制在合适范围，浆体包裹骨料，嵌入概率大幅提高。再配合以下几项现场参数，回弹率能从30%压到8%~10%：

• 骨料粒径上限10毫米，连续级配，砂率控制在50%~55%。 粗骨料多了必弹，砂率过高又会收缩开裂。
• 水胶比0.42~0.46，坍落度控制在140~180毫米。 坍落度小于120毫米，泵管容易堵；大于200毫米，喷层挂不住，拱顶会流淌。
• 速凝剂掺量为水泥质量的3%~5%，用液体无碱速凝剂，在喷嘴处计量。 掺量不足，喷层初凝慢，一遇淋水就脱落；掺量过高，后期强度损失超过15%。
• 喷射风量12~16m³/min，风压0.5~0.7MPa。 风量是调节颗粒速度的“油门”，不是越大越好。

再说粉尘。干喷的粉尘主要来自三处：喷射机口、喷嘴雾化、回弹料二次扬起。湿喷把第一处和第二处基本消除，回弹料少了，第三处也同步下降。再叠加喷浆区域的通风与净化，就是一套组合：在喷浆点后方15米处设置风幕机，局部通风机吹入的新鲜风由压入式风筒送到喷浆点后方，抽出式除尘风机（处理风量300~400m³/min）在喷射点后8~10米处抽走含尘空气，经湿式除尘器净化后再排入回风。除尘风机与风幕的配置要点，在综掘机风幕控尘与湿式除尘风机配套技术指南里有更细的计算，这里不重复。

机械手的智能部分，核心是“看见断面”。激光扫描仪装在臂架根部，每喷一个循环前先对本循环的巷道断面扫描一遍，得到每隔100毫米一个点的实际轮廓，与设计断面对比，算出每个点需要补多厚。控制系统据此生成喷射轨迹：从两帮底角自下而上、再到拱顶，采用S形往复，每道轨迹行距300毫米，喷头以直径约400毫米的小圆圈划动，保证每一处喷层叠压均匀。

下面这张表，是该矿对比三种工艺的实测对账：

这里要说明，表中机械手的数据是该矿运行三个月、共完成1860延米巷道后的统计平均，不是单次最优值。头一周磨合期回弹率曾到14%，原因是操作员不熟悉速凝剂计量，后面章节会逐项复盘。

调试机械手，最容易犯的错误是只盯一个参数。回弹率、粉尘、强度三者相互牵制，必须成组整定。

该矿技术科张工带着两名调试工程师，在一条试验段巷道上做了为期五天的正交试验：喷嘴距离取0.6、1.0、1.4米三档，风量取10、13、16m³/min三档，水胶比取0.40、0.44、0.48三档，共27组，每组喷1平方米的试验板，回收落地料称重，同时在喷嘴后方1米处布粉尘采样器。

如图2所示，现场的站位是固定的：机械手臂架前伸，喷嘴对准拱顶；操作员站在底盘后方30米外的人行道一侧，手持防爆遥控器，旁边悬挂着防爆摄像头的监视屏。27组试验得出的结论并不玄乎：

1. 喷嘴距离1.0米是最佳点。 0.6米时冲击力太大，新喷层被冲出凹坑，回弹率16%；1.4米时颗粒速度衰减，附着差，回弹率13%；1.0米时回弹率最低，为8.2%。
2. 风量13m³/min最合适。 10m³/min时泵管偶发脉动，喷层出现“鱼鳞纹”；16m³/min时粉尘上升到14mg/m³。
3. 水胶比0.44最稳。 0.40时堵管两次；0.48时拱顶流淌，局部下垂12毫米。

最后确定一套基准参数，写进机械手的工艺卡：喷距1.0米±0.1，喷射角度与壁面法线夹角不超过10度，风量13m³/min，水胶比0.44，速凝剂掺量4%，臂架行进速度每秒0.15米，喷头摆圈直径400毫米。

调参的原则，现场总结成三句顺口溜，班组都会背：“太弹先看距离，太尘先看水，流淌先看速凝剂。” 举个例子，如果某一班回弹率突然升高，先去看激光测距读数是不是偏离了1米；如果粉尘上升，先看湿喷机的坍落度，是不是砂石含水率变了，导致实际水胶比偏低；如果拱顶流淌，先去看速凝剂计量泵的流量，是不是管路里进了空气，掺量变少了。

下面这张表是现场调参速查对账表，每一条都是真实发生过的故障：

机械手系统一旦出故障，后果比人工更需要规范处置：混凝土泵送压力高达10MPa，一旦管路爆裂，喷出的高压浆料比刀子还伤人；臂架有300公斤的末端载荷，意外摆动也会伤人。该矿制定的处置流程，要求班长、泵送司机、遥控操作员三人都能背诵，按下面五步走。

• 第一步：立即停泵泄压，按下急停，严禁在带压状态靠近管路
  任何一个人发现泵管抖动异常、压力表读数在两秒内升过12MPa或喷头不出料，第一时间拍下遥控器和泵站的红色急停，泵送缸立即反向卸压，泄压阀打开。泄压表读数降到0.5MPa以下之前，所有人员退到管路侧后方10米外，严禁有人站在管路拐弯处、泵管接头正面。
• 第二步：臂架收回至安全位并机械锁定，确认喷头朝向无人区
  操作员用遥控器将臂架缩回至水平收回位，落下臂架液压锁，确认喷嘴不再指向人行道方向。如果臂架液压回路失灵，立即关闭底盘主泵电机，使用手动应急截止阀，禁止带电手动掰动臂架。
• 第三步：分段排查堵点，从喷头向泵送端逐段拆卸，先卸喷头再卸弯管
  排堵人员必须佩戴面罩与防护手套，从喷头端的快速接头开始拆卸，每拆一段先用手背敲击管壁，听声音判断堵塞位置。堵塞处用专用橡胶锤轻敲，严禁用高压风吹堵或明火烘烤。常见堵点在变径管与弯管处，一次堵管通常堵在2~3米内的位置。
• 第四步：清理管路并复核配合比，排除骨料超径或含水率漂移原因
  堵管料倒入专用料斗，用坍落度桶复测当班混凝土，对比配合比单。如果砂石含水率偏离，需要及时调整加水量；如果骨料超径，更换料斗筛网。现场必须取样留痕，记录堵管时间、位置与原因。
• 第五步：试喷合格后方可恢复作业，并填写故障台账向队长和技术科报告
  恢复前先对着废料池喷射两分钟，确认泵压稳定在8~10MPa、料束聚拢、无脉动，再恢复喷射。台账上必须写清：堵管桩号、持续时长、处理人、原因和改进措施，月底由技术科统计分析堵管趋势。

该矿的实际数据显示，实行五步法后，平均每次堵管处理时间由48分钟缩短到19分钟，爆管事故由三个月内发生两次降到零次，人员受伤降为零。

很多矿长问，上一套湿喷机械手要花多少钱，几年能回本。该矿的账本如下，所有数据已脱敏，并按一条1200米运输大巷折算。

设备投入：湿喷机械手整机（含泵、臂架、激光扫描、计量系统）约185万元，配套抽出式除尘风机与湿式除尘器约38万元，防爆电控与监控系统约22万元，合计约245万元。

如图3所示，臂架末端的旋转喷头内有环形速凝剂注入腔，计量泵用变频电机驱动柱塞，流量精度±1.5%。这套计量泵组是整套设备最容易出问题的部位，现场每班要用量杯做一次校验：开泵1分钟接速凝剂，称重对比设定值。

下面是一条1200米大巷的材料与人工对账表：

这条大巷节省约68万元，按矿井年掘进支护5000延米折算，年节约约280万元，设备投入245万元，回本周期约10个月。当然这不是每个矿都一样，如果矿井年掘进量不足2000米，回本周期会拉长到两年以上，就要考虑多个队组共用一台。

回弹料回收也算一笔账。湿喷回弹料含水含浆，不能像干喷回弹料那样直接回掺。该矿的做法是：在喷浆区底板铺设聚丙烯编织布，回弹料落在布上，班末收集，经破碎、筛分后，粒径大于5毫米的粗骨料可用作巷道底板垫层或充填，不允许回掺进喷料，否则会降低强度。这一项每月大约可回收12吨，折合材料价值约0.5万元。

粉尘联动是这套系统的另一个亮点。喷射点布置两台激光粉尘传感器（量程0~500mg/m³，精度±10%），数据实时接入机械手的控制系统，采用三档阈值联动：

• 浓度小于8mg/m³：正常作业，绿灯。
• 浓度8~15mg/m³：黄灯，自动降低喷射风量10%，并提示检查除尘风机滤芯。
• 浓度大于15mg/m³：红灯，机械手暂停喷射，除尘风机自动转为高速，待降到8mg/m³以下方可恢复。

粉尘与爆炸性评价的关系，也要同步关注。煤矿巷道里的煤尘属于爆炸危险性粉尘，喷浆区域的积尘清扫和岩粉棚设置，需要符合行业标准，具体鉴定方法可参考煤尘爆炸性鉴定与岩粉棚设置标准解读。

机械手把喷浆做得均匀，只是前半程，后半程是用数据证明喷层合格。该矿建立了“实验室+现场”两套验收体系。

如图4所示，试验室里的流程分为三类取样。第一类是大板切割试件：在现场用模具喷射一块450×350×120毫米的大板，养护7天后切割成100×100×100毫米的立方体试块，标准养护28天测抗压强度，每50米巷道或每喷射50立方米至少取一组（3块）。第二类是现场钻芯：在喷层上用直径75毫米钻机取芯，每100米至少取3个，测量芯样长度（即喷层厚度）和抗压强度。第三类是早期强度检测：用贯入阻力仪在喷射后1小时与8小时测试，要求1小时强度不低于0.2MPa，8小时不低于2MPa，这是防止拱顶脱落的关键指标。

现场验收则以激光扫描为主。每完成一个循环（通常2~3米），机械手重新扫描一遍断面，生成一张喷层厚度云图，凡厚度低于设计值90%的点位自动标红，补喷轨迹自动生成。之前做不到的是锚杆托盘背后的空腔，现在用敲击法加雷达法抽检，每300米用地质雷达沿拱顶扫描一次，空腔深度大于30毫米的点需要重新补喷或注浆。

该矿的验收指标写进了掘进工程质量管理办法：

喷层是否真的起到了支护作用，还得和围岩监测联起来看。顶板离层与锚杆索受力的动态数据，可以直接反映喷层加锚杆组合结构的工作状态，参见采动巷道顶板离层与锚杆索应力在线监测预警指南。如果喷层厚度合格，但离层仪仍有加速变形，说明问题不在喷浆，要回头检查锚杆长度和间排距。

还有一点：掘进前若能利用随钻测量技术提前判明顶板岩性变化，喷层设计厚度就可以分段调整，在破碎带加厚到150毫米，在完整砂岩段保持80毫米，省下的材料和提前预防的冒顶风险一起算。相关方法参见巷道随钻超前地质探测技术指南。

如图5所示，决定一个矿要不要上湿喷机械手，不能只看设备报价，而要把回弹率、粉尘、强度、人工四张账放到同一张桌子上。建议矿总工程师、掘进副总与通风副总联合推进以下三项行动：