一种多层复合结构井下湿喷混凝土搅拌站及其使用方法与流程

本发明属于矿山开采，具体涉及一种多层复合结构井下湿喷混凝土搅拌站及其使用方法。

背景技术：

1、随着我国矿产资源需求量的增长，深部资源开采已成为常态。为了保证矿井安全生产，井下支护也愈发重要，湿喷混凝土支护应用日益广泛。制备湿喷混凝土料浆的传统方法是在地表建立湿喷混凝土搅拌站，搅拌站承担湿喷材料配比、搅拌的任务，其优点是建造成本低，规划布置及建造相对简单，但在地表布置湿喷搅拌站需要占用较大工业场地，且制备好的湿喷混凝土料浆需要使用混凝土罐车经斜坡道运至井下工作面喷浆，混凝土罐车的购置费用和磨损费用高，所需混凝土罐车的数量多，混凝土料浆的运输费用也很高，这样做也加大了斜坡道的运输负担，同时在长距离的湿喷混凝土料浆运输中容易导致混凝土料浆随着水泥水化反应的进行而质量不断下降，如果出现斜坡道堵塞等突发问题，混凝土罐车内的料浆就可能出现板结凝固的风险，因此建立井下湿喷混凝土搅拌站成为深井开采的最佳选择。

2、由于混凝土料浆制浆设备体积相对较大，包括砂石水泥上料、制浆、装载等制浆工艺环节多，搅拌站结构相对比较复杂。地表湿喷混凝土搅拌站一般不受地表空间限制，通常采用平面布置，如水泥罐、砂石料仓、制浆系统和拌合水、外加剂系统等基本在一个高差不大的平面内。

3、如果按照地表搅拌站的建造思路设计井下搅拌站，则井下搅拌站的建设需要开挖巨大的地下空间。同时井下搅拌站的深度越大，地压显现也非常剧烈，大空间地下硐室的稳定性随之成为一个十分棘手的问题，各种高强度支护技术虽然有可能解决上述深部超大硐室的稳定性问题，但其建造成本也会成倍增加。因此传统的地表湿喷搅拌站布置方式难以适应深部高应力条件下的地下湿喷混凝土搅拌站的建造。

4、如何在深部矿山井下合理设计井下湿喷混凝土搅拌站，在最大限度减少硐室开挖空间的前提下实现井下混凝土制浆的工程需要，成为一个期待解决的工程问题。

技术实现思路

1、为了解决地下建造搅拌站的难题，最大限度减少硐室开挖，本发明提供了一种多层复合结构井下湿喷混凝土搅拌站。

2、为此，本发明采用如下技术方案：

3、一种多层复合结构井下湿喷混凝土搅拌站，包括依次连通的砂石料存储硐室、配料机硐室、搅拌机硐室和辅助材料硐室，搅拌机硐室的底板高度低于配料机硐室和辅助材料硐室的底板高度；砂石料存储硐室内设有石子仓和砂仓，石子仓和砂仓通过竖井连通地表，搅拌站所需制浆的砂石从地表运输至竖井，再由竖井自溜至井下砂石料存储硐室；砂石料存储硐室和配料机硐室之间通过铲车运输联络道连通，配料时铲车经铲车运输联络道将砂石运至配料机硐室完成配料作业；配料机硐室内设有配料机储料仓、砂石称料斗和水平运输皮带，水平运输皮带前端延伸至搅拌机硐室内；搅拌机硐室通过水泥罐车联络道连通主斜坡道，搅拌好的水泥砂浆使用水泥罐车经主斜坡道运出；搅拌机硐室内设有混凝土搅拌槽和水泥立罐，水泥立罐底部的出料口通过倾斜布设的螺旋给料机连接混凝土搅拌槽的水泥计量斗；所述水平运输皮延伸至混凝土搅拌槽的砂石待料斗，水平运输皮带将砂石运输至砂石待料斗内；辅助材料硐室内通过巷道连通主斜坡道，辅助材料硐室内设有水泥卧罐，水泥卧罐通过管道连通水泥立罐，水泥卧罐用于向水泥立罐中输送水泥；辅助材料硐室内还设有外加剂罐和拌和水箱，外加剂罐和拌和水箱通过管道连通至水泥立罐上部。

4、井下湿喷混凝土搅拌站主要包括：（1）砂石运输、存储、上料及计量与添料系统；（2）水泥运输、存储、计量及添料系统；（3）外加剂运输、存储、计量及添料系统；（4）拌和水的存储、计量及添料系统；（5）搅拌制浆系统；（6）料浆卸料、装料及运输系统；（7）操作工制浆控制系统；（8）污水沉淀及排污系统。

5、（1）砂石运输、存储、上料及计量与添料系统：砂石从地表通过砂石井下落至井下砂石料存储硐室，然后采用铲运机将砂石料转入湿喷搅拌站最上水平的配料机储料仓，配料机储料仓下部有砂石称料斗和运输皮带。制浆时，操作工通过下达指令，操作配料机储料仓下部的下料开关将砂石下放至砂石称料斗，当下放的砂石达到设定的重量后，下料开关自动关闭，下放的砂石料通过其下部的水平皮带运送至搅拌槽内。

6、特点在于：1）砂石料从地表通过砂石井下放至砂石料存储硐室，无需矿用卡车自地表通过斜坡道运至井下，缓解了斜坡道的拥堵，提高了运料效率；2）砂石储料斗建设在湿喷搅拌站的最上一层水平，直接通过水平皮带即可进入混凝土搅拌槽，无需采用料斗、斜皮带等传统砂石上料方式，非常的便捷；也有利于降低系统功耗；3）砂石储料斗、水平运输皮带与搅拌站主体结构（主要指搅拌制浆系统和料浆卸料、装料及运输系统）设计在不同的水平和空间位置，不仅减小了搅拌站主体结构硐室的空间尺寸，大幅度提高了主体结构硐室的稳定性，也简化了主体结构硐室的复杂性，降低了施工难度；4）由于砂石料通过水平皮带进入搅拌槽，相对于传统的皮带或者提升斗上料方式，减少了主体结构硐室的高度，有利于硐室施工的便捷性，也有利于硐室的稳定性和降低施工成本。

7、（2）水泥运输、存储、计量及添料系统：散装水泥自地表通过水泥罐车运至井下，通过高压风吹入水泥卧罐，再由水泥卧罐吹入水泥立罐，或者直接由高压风吹入水泥立罐。当制浆时，操作工设置好水泥掺量，开启输送水泥开关，立罐中的水泥通过螺旋给料机输送至搅拌槽上部的水泥剂量斗，当水泥重量达到设定的重量时，螺旋给料输送机自动停止，并通过水泥计量斗下部的阀门将水泥直接落入搅拌槽。

8、特点在于：1）立罐是为水泥输送及计量并加入搅拌槽的必然选择，但立罐高度大，容纳立罐的硐室开挖和支护都比较困难，采用小体积立罐，则可以很好的解决这一难题；2）小体积立罐的水泥存储量有限，不能满足制浆对于水泥消耗量及备用量的要求，因此采用了立罐+卧罐的组合结构；3）卧罐所占高度小，卧罐的容量可以通过增加卧罐的长度来实现，对于井巷工程而言，水平硐室的开挖施工、建造成本和稳定性都要明显优于高大直立型硐室。因此采用立罐+卧罐的组合方式，即解决了水泥存储量的要求，又实现了湿喷制浆必须采用立罐输送水泥的需要，也降低了主体硐室的空间体积；4）水泥卧罐布置于搅拌站主体结构硐室的另一侧（与砂石上料系统相对）的辅助材料硐室，同时将储水箱、外加剂罐也安置于该辅助材料硐室内（如图1所示），辅助材料硐室与主体硐室相连但相互独立，这样的布置方式减少了主体结构硐室的空间尺寸，有利于主体结构硐室的稳定性。该辅助材料硐室通过巷道与主斜坡道相连，方便水泥、外加剂等的运输，以及人员、车辆的进出。同时辅助材料硐室高度较低、硐室较长，有利于施工和维护其长期稳定性。

9、（3）外加剂运输、存储、计量及添料系统：外加剂自地表通过运输车辆运至井下辅助材料硐室设置的外加剂罐。外加剂罐的位置与水泥卧罐以及储水箱在同一巷道内，置于水泥卧罐以及储水箱两者之间。制浆时，操作工设置好外加剂所需掺量，开启外加剂泵送开关，外加剂罐里的外加剂泵送至搅拌槽上部的外加剂剂量斗，当泵送外加剂的重量达到设定要求后，泵自动关闭，外加剂计量斗中的外加剂继续通过下部的阀门直接落入拌合水计量斗中，并与拌合水一起进入搅拌槽。

10、特点在于：1）将外加剂罐置于水泥卧罐以及储水箱在同一巷道内的优点在于无需占用湿喷搅拌站主硐室的空间，将主硐室的空间充分利用，缓解主体结构硐室的空间尺寸，有利于主体结构硐室的稳定性。2）将外加剂罐置于储水箱与水泥卧罐之间，此设计的优点在于：外加剂可与拌合水一起进入搅拌槽，无需再设计另外管道，做到对计量及添料系统进行优化。

11、（4）拌合水输送及计量添加系统：制浆所用拌合水由井下供水管提供，供水管连接储水箱，储水箱与外加剂罐相邻。制浆时，操作工设置好拌合水所需掺量，水泵开启，水箱里的拌合水通过水泵输送至水计量斗，当泵送拌合水的重量达到设定要求后，水泵自动关闭，拌合水通过水计量斗下部的阀门直接流入搅拌槽；在水箱中设置液位计，当水面高度低于液位计时，位于水箱中的阀门自动打开，拌合水通过井下供水管对水箱进行补充用水。

12、特点在于：1）在储水箱中设置有液位计，当拌合水液面低于液位计时，水箱中的阀门自动打开，连接地表的供水管即对储水箱进行补水；2）设置储水箱可以应对井下临时停水等意外情况，既可以保障搅拌站的正常工作，也可以在井下出现临时停水时可以有足够的应急水源以清洗设备设施，避免搅拌槽等内的混凝土固化、凝结。

13、（5）搅拌制浆系统：各种物料计量完毕后，由控制系统发出指令开始顺次投料到搅拌机中进行搅拌，投料时先将全部石子和砂通过水平皮带运送至搅拌槽上方的待料斗，等待投放指令下达之后，砂石会通过待料斗进入搅拌槽进行搅拌，待砂石充分搅拌，待料斗中的水泥、外加剂以及拌合水依次投放入搅拌槽进行搅拌，在搅拌的同时，新一轮上料即刻开始，各物料计量重复上述步骤，待计量完毕后，由控制系统发出指令输送至搅拌槽上方的待料斗，等待新一轮投放指令。

14、特点在于：1）先将砂石投放，进行混合搅拌，其优点在于：先将砂石放入待料斗再加入水泥，可以避免水泥与待料斗表面长期接触容易出现板结凝固；2）在搅拌槽内投放物料的顺序为先投放砂石料和水泥，再加入拌合水，这样做的优点在于：水泥投放时会出现大量粉尘，此时加入拌合水可有效降低粉尘，达到一定除尘效果；3）当各物料都投入到搅拌槽中，即刻开始新的上料，使搅拌槽上部的储料斗始终保持满仓，这种做法的优点在于大大提高了搅拌效率，始终保持各个系统同时运作，缩短制浆循环时间。

15、（6）料浆装载、卸载及运输系统：将出料口设置在湿喷搅拌站的最下一层水平，它包括混凝土罐车通道和装载硐室，装载硐室位于搅拌机主硐室搅拌机的下方。制浆完成后，运输罐车通过混凝土运输罐车通道进入装载硐室，将罐车装料口与搅拌槽的出料口位置保持一致，再由控制系统发出下浆指令后，将搅拌槽内的料浆全部下放至混凝土罐车。待混凝土罐车装满后，可将混凝土料浆运输至井下各个喷浆地点。

16、（7）操作工作制浆控制系统：操作工控制系统由高性能工业计算机、配料控制器、弱电盘、配电控制柜等设备组成。上位机负责处理所有生产数据，同时进行生产管理，实现搅拌站生产的配料、卸料、搅拌和出砼等过程的自动化生产控制和信息管理。系统多窗口内设在线帮助，可指引操作人员操作，同时动态画面实时显示配料、称量、搅拌状况，设有在线开关量显示，能够实时了解各控制点限位开关情况，确保设备的安全生产。

17、搅拌站的各现场开关量信号和各秤重量信号，进行计算、分析和判断，实时发出各种信号，控制各执行机构的动作，完成搅拌站的各种物料的配料计量、卸料、搅拌、出砼等生产过程，并将生产数据自动记录存盘，生成用户需要的各种统计报表。

18、（8）污水沉淀及排污系统：将沉淀池设置在装载硐室正下方，其结构为内倾式，从出料口下来的污水可以流入该污水沉淀池内，不会遗撒至搅拌硐室外。同时在沉淀池上安装一层可提升式钢架，具体位置在内倾式污水沉淀池的正上方，此钢架的作用在于使混凝土罐车在其上平稳受料（如图2所示）。

19、钢架为铰链结构，设计为在钢架的端部（靠近沉淀池深部一侧）和中部两侧各安装一个铰链，并在内倾式沉淀池的上方靠近钢架端部两侧的岩体中各安装一个固定铰支座，将铰支座和铰链连接，以此固定钢架端部（如图3所示）；钢架中部铰链的作用为可以让钢架从中部铰链处折叠（如图4所示），此设计的优点在于，提升钢架时，钢架从中部铰链处折叠，折叠部分释放大量空间，因此不会对出料口以及搅拌主机主体部分造成遮挡形成干扰；

20、钢架的提升装置采用双电动卷扬机，将双电动卷扬机的安装位置选择在钢架端部（靠近沉淀池深部一侧）的上方两侧，高度与出料口位置同一水平，双电动卷扬机通过牵引钢丝绳与钢架中部铰链连接，钢架提升时，通过井下发电机向卷扬机进行供电，利用卷扬机工作对牵引钢丝绳进行收缩，从而带动钢架从中部铰链处进行提升；

21、钢架的下放与提升，对应两种不同的模式，当运输罐车进行装料时，钢架下放，保证运输罐车在钢架上平稳接料；当需要清理沉淀池淤泥时，钢架提升，铲运车可直接进入沉淀池进行清理。（如图5所示）

22、在沉淀池旁设置清水池，清水池的位置与沉淀池紧密连接，连接处开凿一个入水口，使沉淀池与清水池贯通，并在入水口处安装一层滤布，这样设计的目的在于，当沉淀池中的泥和水分离后，水从入水口处流入清水池，水流的同时滤布可阻挡多余泥浆，防止进入清水池；（如图6所示）

23、在清水池中安装清水泵以及浮球阀，浮球阀的作用在于实现对液位的控制，浮球阀通过中间继电器与清水泵连接，当清水池中的水位上升，漂浮在水面的浮球阀随着液面同时上升，当浮球阀上升到所设定上液面位置时，位于浮球阀下部的中间继电器向清水泵传递开启信号，水泵开启，将清水池的中水泵送至井下排污管，达到排污目的；当水位下降，当浮球阀下降到所设定下液面位置时，中间继电器向清水泵传递关闭信号，水泵关闭。

24、特点在于：1）将污水沉淀及排污装置设置在出料口下方，其结构为内倾斜式，此设计的优点在于清洗搅拌槽及搅拌主机的污水通过出料口直接流入沉淀池，避免污水洒落地面对搅拌硐室环境造成污染；2）在沉淀池上方设置的可提升式钢架，此钢架的优点在于，其下放与提升具有两种不同的工作模式：钢架下放时，由于钢架为骨架结构，不会影响洗搅拌槽及搅拌主机的污水流入沉淀池；同时钢架又作为沉淀池的盖板，运输罐车可以停留在该钢架上装载混凝土料浆。当沉淀池的淤泥需要清理时，可将钢架提升，铲运车可直接进入沉淀池清理；3）由于沉淀池设计为倒三角形结构，为了便于铲运机清泥，该斜坡角度不宜超过18°，因此为了扩大沉淀池容量只能通过增加沉淀池的长度从而实现。但沉淀池长度过大，又会导致架设于其上的钢架长度增加，则将钢架提升清理淤泥时，由于沉淀池上部搅拌机等设施的制约，无法将钢架整体提升以达到铲运机进出的高度。为此，提出了可折叠式提升钢架，该钢架分为两段，中间用铰链连接，钢架在提升时从中部铰链处折叠，从而不会对出料口以及搅拌主机主体部分造成遮挡形成干扰；4）清水池中清水泵以及浮球阀的设计优点在于，浮球阀可以准确控制水位高度，做到及时排水，从而保证沉淀池正常使用，清水泵也在浮球阀以及中间继电器的控制下，由浮球阀随着液位的升降从而控制泵机的开关，保证效率的同时，节省大量人力物力。

25、一种多层复合结构井下湿喷混凝土搅拌站的使用方法，包括以下步骤：

26、1）将砂石经铲车运至配料机储料仓，，操作配料机储料仓下部的下料开关将砂石下放至砂石称料斗，当下放的砂石达到设定的重量后，下料开关自动关闭，下放的砂石料通过下部的水平运输皮带运送至搅拌槽内；

27、2）散装水泥自地表运至井下，通过高压风吹入水泥卧罐，再由水泥卧罐吹入水泥立罐，或者直接由高压风吹入水泥立罐；制浆时，设置水泥掺量，开启输送水泥开关，立罐中的水泥通过螺旋给料机输送至搅拌槽上部的水泥剂量斗，当水泥重量达到设定的重量时，螺旋给料输送机自动停止，并通过水泥计量斗下部的阀门将水泥直接落入搅拌槽；

28、3）外加剂自地表运至井下，存放至外加剂罐内；制浆时，设置外加剂所需掺量，开启外加剂泵送开关，外加剂罐里的外加剂泵送至搅拌槽上部的外加剂剂量斗，当泵送外加剂的重量达到设定要求后，泵自动关闭；外加剂计量斗中的外加剂继续通过下部的阀门直接落入拌合水计量斗中，并与拌合水一起进入搅拌槽；

29、4）制浆所用拌合水由井下供水管提供；制浆时，设置拌合水所需掺量，水泵开启，拌合水通过水泵输送至水计量斗，当泵送拌合水的重量达到设定要求后，水泵自动关闭，拌合水通过水计量斗下部的阀门直接流入搅拌槽；

30、5）各种物料计量完毕后，由控制系统发出指令开始顺次投料到搅拌机中进行搅拌，等待投放指令下达之后，砂石会通过待料斗进入搅拌槽进行搅拌，待砂石充分搅拌，待料斗中的水泥、外加剂以及拌合水依次投放入搅拌槽进行搅拌，在搅拌的同时，新一轮上料即刻开始，各物料计量重复上述步骤，待计量完毕后，由控制系统发出指令输送至搅拌槽上方的待料斗，等待新一轮投放指令。

31、本发明的有益效果在于：

32、1. 砂石料从地表通过砂石井下放至砂石料存储硐室，无需矿用卡车自地表通过斜坡道运至井下，缓解了斜坡道的拥堵，提高了运料效率；

33、2. 砂石储料斗、水平运输皮带与搅拌站主体结构（主要指搅拌制浆系统和料浆卸料、装料及运输系统）设计在不同的水平和空间位置，不仅减小了搅拌站主体结构硐室的空间尺寸，大幅度提高了主体结构硐室的稳定性，也简化了主体结构硐室的复杂性，降低了施工难度；

34、3. 由于砂石料通过水平皮带进入搅拌槽，相对于传统的皮带或者提升斗上料方式，减少了主体结构硐室的高度，有利于硐室施工的便捷性，也有利于硐室的稳定性和降低施工成本；

35、4. 立罐是为水泥输送及计量并加入搅拌槽的必然选择，但立罐高度大，容纳立罐的硐室开挖和支护都比较困难，采用小体积立罐，则可以很好的解决这一难题；小体积立罐的水泥存储量有限，不能满足制浆对于水泥消耗量及备用量的要求，因此采用了立罐+卧罐的组合结构；卧罐所占高度小，卧罐的容量可以通过增加卧罐的长度来实现，对于井巷工程而言，水平硐室的开挖施工、建造成本和稳定性都要明显优于高大直立型硐室。因此采用立罐+卧罐的组合方式，即解决了水泥存储量的要求，又实现了湿喷制浆必须采用立罐输送水泥的需要，也降低了主体硐室的空间体积。