高效水炮泥+聚氨酯發(fā)泡膠新型炮孔堵塞材料試驗研究

上官劍銘，葉亦杰

(福州大學(xué) 紫金礦業(yè)學(xué)院， 福建 福州 350108)

在我國現(xiàn)行的人工爆破作業(yè)中，要提高爆破效率，除了優(yōu)化改進(jìn)爆破總體方案、參數(shù)外，改良炮孔堵塞材料也是必要的。但目前普遍采用的炮孔堵塞材料，如黏土、砂、黃泥、炮渣與鉆孔廢渣等多數(shù)為散狀顆粒物或其質(zhì)地較為柔軟，不容易形成比較牢固，阻礙力較大的堵塞物，因而常被壓力極高的爆轟氣體推出炮孔而形成“沖天炮”，造成爆炸能量損失，提高了炸藥單耗，且爆破效果差。而普通水炮泥在工程實踐中表明，降塵效果差，粉塵沉降時間長。因此，研究一種新型的炮孔堵塞材料(即高效水炮泥+聚氨酯發(fā)泡膠)就顯得尤為必要。

1 高效水炮泥

水炮泥之所以可以達(dá)到降塵的目的，實質(zhì)是用裝滿水的塑料袋代替或部分代替炮泥充填于炮眼內(nèi)，爆破時水炮泥袋破裂，在高溫高壓爆炸波的作用下，大部分水被汽化，然后重新凝結(jié)成極細(xì)的霧滴并和同時產(chǎn)生的礦塵相接觸，形成霧滴的凝結(jié)核或被霧滴所濕潤而起到降塵作用[1]。

由于純水的表面張力大，爆破后不易霧化或霧化程度不高，因此不能達(dá)到較好的降塵效果。本文研究的高效水炮泥是對普通水炮泥的改造，加入某些吸水性很強(qiáng)的無機(jī)鹽類溶液以及表面活性物質(zhì)，以降低溶液的表面張力，提高霧化程度、濕潤能力和捕捉粉塵的能力[2]。其次由于加入了無機(jī)鹽類，高效水炮泥水溶液的比重較純水大，爆炸時也更加具有迸發(fā)力，所以已汽化的溶液重新凝結(jié)成極細(xì)的霧滴與礦塵相撞時，因其所形成的凝結(jié)核或被霧滴所濕潤的礦塵比重均較大，碰撞時相對速度更大，因此其降塵效果比純水好[3]。

1.1 降塵效果(濃度)對比試驗

本次對比試驗研究對象為總粉塵(簡稱總塵)和呼吸性粉塵(簡稱呼塵)，總塵是指用直徑為40 mm濾膜，按標(biāo)準(zhǔn)粉塵測定方法采樣所得到的粉塵；呼塵是指只按呼吸性粉塵標(biāo)準(zhǔn)測定方法所采集的可進(jìn)入肺泡的粉塵粒子，其空氣動力學(xué)直徑在7.07 μm以下，空氣動力學(xué)直徑5 μm的粉塵粒子的采樣效率為50%。

普通水炮泥和高效水炮泥的粉塵濃度測量數(shù)據(jù)對比如表1所示(每次模擬爆破5個炮孔，齊發(fā)爆破，每組2次對比試驗，共進(jìn)行了10次模擬爆破試驗)[4]。

表1 不同組分比例的高效水炮泥在爆破后的呼塵、總塵濃度

由表1可以發(fā)現(xiàn)，使用高效水炮泥比普通水炮泥降塵效果明顯提高，呼塵濃度降低40%～60%左右，總塵濃度降低40%～50%左右。

1.2 粉塵沉降時間對比試驗

爆破后每隔5 min用粉塵濃度檢測儀測定一次，測定粉塵濃度結(jié)果見表2。

2種水炮泥的完全沉降時間(指粉塵濃度降到50 mg/m3所需要的時間)，高效水炮泥堵塞后完全沉降時間明顯比普通水炮泥少，降塵效果明顯提高。

表2 不同水炮泥在爆破后不同時間下的粉塵濃度

2 聚氨酯發(fā)泡膠

該產(chǎn)品具有較高的膨脹性和粘結(jié)性、超低熱傳導(dǎo)率、低吸水性、高絕緣性、并且有良好的防水、隔熱、隔音、保溫、耐震抗壓等功能。它是一種將聚氨酯預(yù)聚體﹑發(fā)泡劑﹑催化劑等組分裝填于耐壓氣霧罐中的特殊聚氨酯產(chǎn)品，應(yīng)用氣霧技術(shù)和聚氨酯泡沫技術(shù)，當(dāng)物料從氣霧罐中噴出時，沫狀的聚氨酯物料會迅速膨脹并與空氣或接觸到的基體中的水分發(fā)生固化反應(yīng)形成泡沫，基于產(chǎn)品的高膨脹性、防水、耐震抗壓等優(yōu)良特性，能便捷地應(yīng)用于爆破炮孔堵塞。

炮孔堵塞性能主要表現(xiàn)在堵塞壓力、抗滑能力、抗剪能力、延長爆生氣體在孔內(nèi)作用時間4個方面。

2.1 堵塞壓力(以摩擦力形式)

聚氨酯發(fā)泡膠凝結(jié)固化形成的堵塞物與炮孔壁間所形成的相互摩擦阻力f明顯大于傳統(tǒng)堵塞物產(chǎn)生的摩擦力，堵塞物與炮孔壁之間存在力的相互作用，堵塞物受到爆轟氣體的推力而移動，炮孔壁因為接觸面粗糙不平整而給予堵塞物一個阻礙其相對位移的摩擦力，相反，堵塞物受到孔壁的摩擦力，使氣體縱向運動受到阻礙，更多的是橫向沖擊力作用在孔壁上。另外提高了爆轟氣體膨脹后作用于孔內(nèi)巖石上的壓力，形成的沖擊波和應(yīng)力波更多地作用在孔內(nèi)巖石上，使孔內(nèi)巖石被壓碎和破壞，降低了巖石大塊率[5]。

2.2 抗滑能力

在爆轟氣體作用下，堵塞物會被貼著孔壁推出，其在炮孔中運動的加速度a與巖石接觸面的摩擦系數(shù)k和擠壓應(yīng)力σc是密切相關(guān)的。k和σc值越大，堵塞物受到的摩擦力越大，因此其運動加速度a越小，堵塞物在炮孔中的運動時長會相應(yīng)增加，此時爆轟氣體被封閉在炮孔中的時間也增加，使其能量更多地作用于孔壁巖石。一般工程中使用的黏土、砂、黃泥、炮渣與鉆孔廢渣等堵塞物的摩擦系數(shù)k都很小，而聚氨酯發(fā)泡膠膨脹固化后形成的堵塞物相對來說具有較大的摩擦系數(shù)，能較牢地附著在炮孔壁上并滲入孔壁的裂紋中，使得堵塞物與孔壁之間的摩擦力大大增加，這種約束力比傳統(tǒng)堵塞物產(chǎn)生的約束力大得多，因此聚氨酯發(fā)泡膠相較于傳統(tǒng)堵塞物有著更強(qiáng)的抗滑能力。

2.3 延長爆生氣體在孔內(nèi)作用時間

在爆轟氣體壓力的作用下，由黏土、砂、黃泥、炮渣等形成的堵塞物在運動過程中是分散的，按照不同的速度和形變規(guī)律向孔口運動。大部分堵塞物幾乎只在瞬間對爆轟氣體的膨脹具有一定的阻礙作用，之后至堵塞物完全沖出炮孔這段時間內(nèi)，這部分堵塞物雖然還存留在炮孔中，但已不能限制爆生氣體的膨脹。

聚氨酯發(fā)泡膠硬化時能固結(jié)形成一個內(nèi)聚力較強(qiáng)的整體，可以牢牢緊貼孔壁，在爆生氣體的推力作用下，它的橫向變形相對于縱向變形較小，且橫向變形以波的形式沿其縱向向孔口傳播，使爆生氣體作用的那一端始終推著其余部分的堵塞物向孔口運動。所以，堵塞物各部分之間不會因為壓縮程度的差異而引起縱向分離，即整個堵塞物始終保持一個整體形態(tài)在運動，其各部分都能對爆轟氣體的膨脹產(chǎn)生應(yīng)有的阻礙作用，使爆生氣體在孔內(nèi)作用的時間相對延長，進(jìn)而增加了炸藥化學(xué)反應(yīng)的完全程度，從而得到更充分的爆炸能量作用于孔壁形成裂隙，之后高壓氣體對其進(jìn)一步產(chǎn)生氣楔作用，氣體會向縫隙中楔入，相對提高破巖效果，并使作用于拋擲巖石的力相應(yīng)減弱，使巖石被拋擲的距離縮短，同時可降低作用于空氣的沖擊波強(qiáng)度，改善作業(yè)環(huán)境[6]。

3 結(jié) 論

顯而易見，新的炮孔堵塞材料組合(高效水炮泥+聚氨酯發(fā)泡膠)所形成的炮孔堵塞物，高效水炮泥在降溫降塵上效果顯著；聚氨酯發(fā)泡膠作為堵塞物，較傳統(tǒng)堵塞材料延長了爆轟氣體作用時間，降低了炸藥單耗，減少了爆炸能量的損失。因而，新型炮孔堵塞材料組合具有廣闊的發(fā)展前景。