煤礦井下炮眼堵塞技術(shù)現(xiàn)狀及新型炮泥設(shè)計(jì)初探

龐有恒,高明玉,寧掌玄

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西太原030024；2.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司宏泰公司，山西大同037003；3.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003)

煤礦井下炮眼堵塞技術(shù)現(xiàn)狀及新型炮泥設(shè)計(jì)初探

龐有恒1,2,高明玉1,2,寧掌玄3

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西太原030024；2.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司宏泰公司，山西大同037003；3.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003)

文章在總結(jié)了炮眼堵塞技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了現(xiàn)代化炮泥應(yīng)具有的功能要求和應(yīng)用要求，提出了新型炮泥的設(shè)計(jì)理念，開發(fā)了四大類炮泥的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其做了可行性研究與分析。

煤礦；爆破；炮泥堵塞技術(shù)；新型炮泥

利用炸藥來破碎巖石是煤炭工業(yè)建設(shè)生產(chǎn)中不可缺少的有效手段。盡管隨著煤礦現(xiàn)代化進(jìn)程的邁進(jìn)，機(jī)械化開采代替爆破作業(yè)已成必然，但是就目前現(xiàn)狀看，完全拋棄鉆眼爆破技術(shù)還為時(shí)過早，現(xiàn)有的煤礦采掘機(jī)械裝備水平還遠(yuǎn)不能滿足立井、斜井、巖石平巷、半煤巖巷等條件下的巷道施工。根據(jù)我國現(xiàn)代化大型國有企業(yè)同煤集團(tuán)炮掘隊(duì)伍數(shù)占總掘進(jìn)隊(duì)數(shù)60%的現(xiàn)狀推測，目前煤礦行業(yè)的鉆眼爆破作業(yè)還十分普遍，而目前爆破技術(shù)的研究卻十分有限，尤其是炮眼的堵塞技術(shù)一直停滯不前，長期以來一直使用粘土炮泥。盡管粘土炮泥具有一定的可塑性，質(zhì)量密度較大、摩擦系數(shù)高、成本廉價(jià)、堵塞效果較好等一系列優(yōu)點(diǎn)，但是從粘土類炮泥的長期使用效果來看，還存在諸多弊端，嚴(yán)重影響到了爆破效果、爆破質(zhì)量、工作效率、勞動(dòng)強(qiáng)度、組織管理等諸多方面。粘土炮泥與現(xiàn)代化礦井的安全、高效、節(jié)能和環(huán)保開采很不協(xié)調(diào)，已經(jīng)跟不上時(shí)代發(fā)展的要求，跟不上當(dāng)代工人心理生理的需求，為此，研發(fā)一種新型炮眼堵塞產(chǎn)品十分必要。

1 炮眼堵塞技術(shù)現(xiàn)狀

從上世紀(jì)80年代始，國內(nèi)外開始認(rèn)識(shí)到炮眼封堵的重要性，很多學(xué)者開展了炮眼堵塞作用機(jī)理、堵塞技術(shù)、堵塞材料、堵塞結(jié)構(gòu)等方面的研究，取得了一系列研究成果。

1.1 炮孔堵塞機(jī)理研究現(xiàn)狀

1)有無堵塞對(duì)爆破效果的影響十分明顯。許多研究表明，炮眼堵塞與不堵塞爆破相比,堵塞可以使炸藥的爆炸反應(yīng)更加充分,炸藥的利用率能夠得到有效提高,能夠延長爆炸產(chǎn)物對(duì)巖體的作用時(shí)間,所以，炮眼進(jìn)行有效堵塞是提高爆破效率的有效途徑之一[1]。

2)爆炸沖擊波和爆生氣體對(duì)堵塞物的作用研究。研究表明，堵塞物在爆炸沖擊波的作用下,堵塞物的顆粒會(huì)發(fā)生相互錯(cuò)移,產(chǎn)生新的粘結(jié)力,出現(xiàn)永久性的壓縮變形。壓縮時(shí),堵塞物發(fā)生側(cè)向膨脹,又由于孔壁約束堵塞物的徑向膨脹,使得堵塞物產(chǎn)生了巨大的側(cè)向壓力。因此,堵塞物對(duì)爆炸沖擊波的作用影響較大。堵塞物運(yùn)動(dòng)所受到的力包括爆生氣體的推力、孔壁摩擦阻力、頂部阻力(主要是堵塞物高速運(yùn)動(dòng)時(shí)空氣阻力、水孔中水的阻力),他隨孔徑、堵塞材料上部余孔孔深變化而變化[2-5]。

1.2 炮孔堵塞物運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究現(xiàn)狀

實(shí)驗(yàn)表明,堵塞物在孔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是由加速到減速的變化過程,并依靠其與孔壁間的摩擦阻力和自身的慣性阻力完成炮孔的堵塞,堵塞效果主要取決于堵塞長度和堵塞材料[3，4]。研究表明，適當(dāng)增大堵塞物的孔隙率可緩沖沖擊波的沖擊作用,適當(dāng)增大堵塞物的比重、內(nèi)摩擦角、粘結(jié)力等均可提高堵塞效果。由此可見，堵塞材料在炮孔中的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)受多因素綜合影響的過程[4]，其運(yùn)動(dòng)速度與材質(zhì)、長度及炮孔尺寸和裝藥參數(shù)等有關(guān),選用高摩擦系數(shù)的堵塞材料,增加其充填密度及增加堵塞長度均可達(dá)到延長堵塞物作用之目的。

1.3 炮孔合理堵塞長度的研究現(xiàn)狀

研究表明，炮孔合理的堵塞長度受到孔網(wǎng)參數(shù)、炸藥、巖性和堵塞物材質(zhì)等許多因素的影響[4，5]。為了在理論上探究合理的堵塞長度，許多學(xué)者建立了計(jì)算堵塞物最優(yōu)長度的計(jì)算模型,并應(yīng)用牛頓第二定律推導(dǎo)出了堵塞物長度與堵塞物在炮孔中整體運(yùn)動(dòng)時(shí)間的關(guān)系式：

式中：爆生氣體初始?jí)毫0；炮孔直徑d；堵塞物密度ρ；最小抵抗線w；巖體中縱波速度CP和表面瑞利波速度CR。

1.4 炮孔堵塞作用對(duì)爆破效果影響的研究現(xiàn)狀

1.4.1 堵塞材料對(duì)爆破效果影響

堵塞材料本身的性質(zhì)不同,爆破時(shí)在炮孔中的運(yùn)動(dòng)速度也不同。運(yùn)動(dòng)速度大,爆生氣體生成物沖出炮孔早,反之則沖出晚。堵塞物的運(yùn)動(dòng)與其比重有關(guān),增大堵塞材料的比重則可降低堵塞物的運(yùn)動(dòng)速度,增大沖出炮孔所需的時(shí)間,從而改善爆破效果[6，7]。

1.4.2 炮孔堵塞作用對(duì)爆破效果影響

大量的研究表明，炮泥的堵塞具有如下作用[1-8]：

1）提高炮孔中爆生氣體壓強(qiáng)和延長爆生氣體壓力的作用時(shí)間。

2）促進(jìn)炸藥充分反應(yīng)，使之釋放出最大的能量，產(chǎn)生最少的有毒氣體。

3）阻止爆生氣體的自由逸出，減少爆炸能量、爆生氣體壓力的損失，提高炸藥的熱效率和做功能力。

4）阻止熾熱固體顆粒外射和爆炸火焰外噴，有效防止瓦斯與煤塵的爆炸。

5）有效調(diào)節(jié)爆炸能量的合理分配，增加破巖的有效功，降低引起空氣沖擊波、飛石、巖體振動(dòng)等的無用功。

1.5 炮泥應(yīng)用現(xiàn)狀

概況起來目前應(yīng)用的“炮泥”有4種[1-7]：

1）松散結(jié)構(gòu)的固體堵塞。如巖粉、砂子、粘土，及其他們的混合物。

2）液體堵塞。如水溶液、水炮泥等。

3）機(jī)械動(dòng)作式堵塞。主要結(jié)構(gòu)有底椎形、楔形、膨脹螺絲形等形式，制作加工材料有塑料、橡膠、木材等。

4）化學(xué)反應(yīng)型堵塞。如雙組分有機(jī)溶液混合后能快速凝結(jié)固化和膨脹；還有無機(jī)反應(yīng)型材料，內(nèi)加膨脹劑、早強(qiáng)劑、快凝劑等組分，遇水發(fā)生快速反應(yīng)，固結(jié)膨脹凝化。

盡管炮泥種類繁多，但能夠真正應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的還寥寥無幾，目前煤礦井下還是習(xí)慣用粘土砂混合物做炮泥，其他炮泥未見大規(guī)模推廣應(yīng)用報(bào)道。這主要是由于粘土炮泥具有可塑性，成本廉價(jià)，堵塞效果較好，所以得到了現(xiàn)場的廣泛認(rèn)可。但是在長期的應(yīng)用中，我們發(fā)現(xiàn)粘土炮泥存在諸多的問題：如炮泥供應(yīng)不便，裝填工序繁雜，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)時(shí)間長；封堵質(zhì)量難以控制，易出現(xiàn)“打槍”現(xiàn)象或者炸藥拒爆現(xiàn)象；與煤混合后會(huì)影響煤的品質(zhì)等等問題。由于上述原因，工人們?yōu)榱藴p少勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約工時(shí)，常常采用無可塑性的巖塊、煤塊、煤粉或藥卷紙作炮眼堵塞以代替“炮泥”；或者干脆不封泥，采用大藥量的方法來彌補(bǔ)炮眼堵塞的不足,其結(jié)果是造成炸藥量嚴(yán)重浪費(fèi)、圍巖嚴(yán)重受損、斷面成形差、事故率高等嚴(yán)重后果。

2 新型炮泥設(shè)計(jì)新理念

通過對(duì)爆破堵塞物的理論分析和前人對(duì)堵塞物優(yōu)缺點(diǎn)的綜合研究，結(jié)合爆破實(shí)際工況條件，充分考慮炮泥的功能和適應(yīng)性，確定新型炮泥設(shè)計(jì)新理念如下：

1）遇到瞎炮可人為地退出。

2）依靠爆炸沖擊波實(shí)現(xiàn)堵塞器的自閉鎖。

3）具有多級(jí)緩沖脹裂摩擦的功能，根據(jù)沖擊波的大小自動(dòng)調(diào)整堵塞器的工作阻力。

4）實(shí)現(xiàn)自變形、自延伸、自粘合目的，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過程中摩擦面積的增大，為爆生氣體提供運(yùn)動(dòng)緩沖的空間和相對(duì)延長堵塞的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)堵塞材料與炮眼壁的粘合滲透和再組合。

5）具備防水、耐水功能。

6）能夠適應(yīng)任何炮眼角度的使用。

7）能有效杜絕炮線破損、漏電、斷裂等事故，杜絕拒爆現(xiàn)象，提高起爆質(zhì)量。

8）依靠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)沖擊力的再分配，將有效能力作用在炮眼壁上，提高破巖能力，實(shí)現(xiàn)巖塊粒度均勻化，避免產(chǎn)生大塊巖。

9）實(shí)現(xiàn)堵塞器在運(yùn)動(dòng)中的堵塞，能夠產(chǎn)生一定的運(yùn)動(dòng)空間，防止產(chǎn)生反向爆破，并使能量作用在深部，避免出現(xiàn)大塊巖的現(xiàn)象。

10）操作簡單、運(yùn)輸安裝方便、工作量小。

11）能夠節(jié)約工時(shí)，成本低廉。

12）具有降塵、降溫、排毒效果。

13）能夠降低單位炸藥消耗量，達(dá)到良好的爆破效果。

14）堵塞器能夠阻燃，不會(huì)產(chǎn)生次生災(zāi)害，不會(huì)對(duì)煤質(zhì)產(chǎn)生二次污染，可提高煤的品質(zhì)。

15）能有效阻止火焰噴射和熾熱顆粒的飛出，降低瓦斯爆炸概率。

3 新型炮泥可行性方案探討

3.1 “凍冰”方案

利用防爆冷凍機(jī)、專用模具，在1～1.5 h內(nèi)，將工作面的水凍結(jié)成楔體的凍冰，將楔體冰塞入炮孔，用橡膠錘搗實(shí)即可。

凍冰組成：水+降塵消煙排毒組分。

凍冰結(jié)構(gòu)：楔形體。

外包裝：外表面由能提高表面摩擦力的絕熱材料制作而成。

加工制作：礦用防爆冷凍機(jī)。

1）優(yōu)點(diǎn)

水的來源廣，就地取材，成本低廉，制作方便，堵塞快速，勞動(dòng)強(qiáng)度低，爆破瞬間能夠氣化成表面張力很大的微型氣泡，對(duì)爆破有害氣體、爆破粉塵具有抑制作用。爆破完畢無副作用，不會(huì)對(duì)煤質(zhì)產(chǎn)生污染。如果出現(xiàn)拒爆現(xiàn)象，凍冰融化即可方便處理。

2）實(shí)施難點(diǎn)

需要配套一臺(tái)防爆冷凍機(jī)，占用巷道有限空間，給施工帶來一定困難；需要配置專用模具；為防止冰的融化，在裝炮眼時(shí)需外套絕熱包裝薄膜。

3.2 “膨脹”材料類“炮泥”

1）吸水膨脹橡膠“炮泥”

采用吸水膨脹橡膠加工制作而成。

結(jié)構(gòu)：芯材+吸水膨脹橡膠。

芯材采用不燃的硬塑料或者無機(jī)廉價(jià)材料制成，受到擠壓時(shí)不會(huì)產(chǎn)生變形。采用芯材的主要目的是為了減少吸水膨脹橡膠的用量，降低“炮泥”的成本。

外包的吸水膨脹橡膠要求吸水速率快，體積膨脹率高，在2～5 min內(nèi)吸水膨脹達(dá)150～300%。橡膠吸水膨脹后將“炮泥”與孔壁之間的空間充填并擠壓，使“炮泥”與孔壁產(chǎn)生有效摩擦，實(shí)現(xiàn)炮眼的快速封堵[8,9]。

特點(diǎn)：水中浸泡后，可快速裝填，勞動(dòng)強(qiáng)度小、成本低廉、工藝簡單；與水炮泥結(jié)合使用，可起到快速堵塞、除塵、消毒、降溫的功效；該類炮泥還具有裝填快速、對(duì)炮線損傷小，遇到瞎炮后使其干燥自然收縮，即可取出炮泥。

2）有機(jī)速凝膨脹“炮泥”

雙組份有機(jī)材料組成。

雙組份有機(jī)材料充分混合后，發(fā)泡膨脹，迅速凝結(jié)硬化，形成阻燃的、半彈性體材料。干固時(shí)間短，具有一定的抗壓強(qiáng)度。

結(jié)構(gòu)1：制作管狀的橡膠薄膜袋，套于芯材外。將加工好的A、B干粉加水制成漿，采用人工壓力泵將漿液注入橡膠薄膜袋內(nèi)，并迅速放入炮眼即可。A、B組分材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，體積急劇膨脹，填充“炮泥”與炮眼壁之間的空隙，使“炮泥”與孔壁產(chǎn)生擠壓，提供足夠的摩擦阻力，實(shí)現(xiàn)炮眼的封堵。

結(jié)構(gòu)2：制作管狀的橡膠薄膜袋（套于芯材外），將其隔離成A、B兩區(qū)，將A、B液分別置于其中，放入炮眼前，拉動(dòng)兩液混合機(jī)構(gòu)，使A、B組分材料充分混合，隨后快速裝入炮眼內(nèi)。由于A、B組分材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，體積急劇膨脹，填充“炮泥”與炮眼之間空隙，使“炮泥”與孔壁產(chǎn)生擠壓，提供足夠的摩擦阻力，實(shí)現(xiàn)炮眼的封堵。

特點(diǎn)：可快速裝填，勞動(dòng)強(qiáng)度小、成本低廉、工藝簡單、與水炮泥結(jié)合使用，可起到快速堵塞、除塵、消毒、降溫的功效。

3）無機(jī)速凝膨脹“炮泥”

無機(jī)材料以水玻璃或水泥為主要材料。

將松散的、能夠遇水膨脹、快速凝固的干粉材料裝入由高強(qiáng)度柔性復(fù)合材料制成的圓柱形包覆袋。在生產(chǎn)現(xiàn)場通過泵及相應(yīng)裝置，向袋內(nèi)注入水。將其置入炮眼即可在4～6 min內(nèi)完成快速膨脹及凝結(jié)硬化過程[9,10]。

材料可選用：(1)固體水玻璃、少量凝結(jié)劑、添加劑、填料;(2)特種水泥、膨脹劑、速凝劑、早強(qiáng)劑、填料。

特點(diǎn)同有機(jī)速凝膨脹“炮泥”。

3.3 結(jié)構(gòu)類炮泥

由高分子材料加工制作而成。具體結(jié)構(gòu)有4種：①楔形體,② 底錐體,③ 螺旋脹裂體,④ 組合體。

4 結(jié)束語

本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，指明了新型炮泥設(shè)計(jì)的方向，提出了幾種可行性的炮泥方案，并做了可行性的對(duì)比分析，該研究成果會(huì)對(duì)下一步炮泥的深入研究提供積極的促進(jìn)作用。

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Current Situation of Borehole Stemming in Underground Coal Mine and Design of New Stemming

PANG You-heng1,2，GAO Ming-yu1,2，NING Zhang-xuan3
(1.School of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi,030024；2.Hongtai Company of Datong Coal Mine Group，Datong Shanxi,037003；3.School of Coal Engineering，Shanxi Datong University，Datong Shanxi,037003)

Based on summary of current situation of borehole stemming technology,this paper presents functional applied require?ments of modern stemming and design concept of new stemming.On this basis,design of 4 types of stemming is presented and feasibili?ty study and analysis are done.

borehole;blasting;stemming technology;new stemming

TD262

A

1674-0874(2014)04-0061-04

2014-05-16

龐有恒（1964-），男，山西大同人，在讀碩士，高級(jí)工程師，研究方向：煤礦開采與礦井生產(chǎn)管理。

〔責(zé)任編輯 石白云〕