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      煤礦巖巷掘進(jìn)爆破封孔材料研究

      2023-04-29 00:44:03胡潔黃文堯謝平吳國群牛草原檀鑫孫寶亮孫彥臣
      爆破器材 2023年3期

      胡潔 黃文堯 謝平 吳國群 牛草原 檀鑫 孫寶亮 孫彥臣

      [關(guān)鍵詞]煤礦巖巷:掘進(jìn)爆破:封孔材料:封孔工藝:掘進(jìn)效率

      [分類號]TD263.3+1

      0引言

      由于成本較低、爆破效果較好,鉆眼爆破一直被運(yùn)用于掘進(jìn)爆破中。然而,在實際施工中,傳統(tǒng)炮孔的封堵工藝復(fù)雜,工作人員較多且效率低下。井下封孔作業(yè)時,多采用柱體黃泥為封孔材料,操作時工人需用炮棍將黃泥搗入炮孔。柱體黃泥封孔時多為不耦合狀態(tài),導(dǎo)致炮孔密封效果差,存在較大的安全隱患,易發(fā)生沖孔和火焰外泄現(xiàn)象,甚至引起瓦斯爆炸。如何提高爆破過程中的封孔效率,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究。路曉榮等在深孔爆破中使用硫鋁酸鹽水泥作為封孔材料,配合新型囊袋封孔工藝,取得良好的爆破效果:王杰等采用硅酸鹽水泥外加復(fù)合劑,降低封孔材料的凝固時間來提高爆破效率;楊威等采用水封耦合,并配合封孔器材來提高炸藥的利用率與井下爆破安全性。上述研究中的封孔技術(shù)均需要在孔口使用封孔器材,即使使用速凝水泥,仍需1h以上的封孔凝固時間,大大增加了施工的時間與成本,且操作較為復(fù)雜。

      因成本低廉、來源廣泛、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,大理石粉被廣泛應(yīng)用于輕工、建材等領(lǐng)域。獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu),遇水發(fā)生溶脹,使瓜爾膠迅速成為性能優(yōu)越的新型環(huán)保凝膠劑,同時還被廣泛應(yīng)用于食品、石油和建筑等領(lǐng)域。大理石粉、瓜爾膠和水三者按比例混合來制備封孔材料,材料成本每噸260元,相對于黃泥降低了20%.并且具有高黏度、剪切變稀、可泵送、水平放置不易流動的流體特性。配合攪拌泵送一體機(jī)將封孔材料送至炮孔,封孔模式為耦合封孔,并且孔口無需封孔器材,封孔完成即可爆破,從開始封孔到封孔結(jié)束僅需半個小時,大大地提高了掘進(jìn)爆破作業(yè)效率與安全性。該封孔材料及工藝以淮南顧北煤礦巷道掘進(jìn)施工為應(yīng)用背景,進(jìn)行了現(xiàn)場爆破實驗,炮孔利用率高,爆破效果良好,為我國煤礦快速機(jī)械化封孔提供了一個切實可行的方法。

      1封孔材料的制備與特性

      1.1封孔材料的選擇

      大理石粉,工業(yè)級,安徽軒朗新材料科技有限公司;瓜爾膠,食品級,鄭州富太化工產(chǎn)品有限公司。封孔材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比如表1所示。

      1.2封孔材料流變特性和穩(wěn)定性實驗

      大理石粉不溶于水,與水混合均勻后形成漿體。在室溫、空氣相對濕度(65±5)%的環(huán)境下,按表1配比,將大理石粉和瓜爾膠置于干凈燒杯中攪拌混合50 s,緊接著加水?dāng)嚢?00 s。流變測試采用美國TA公司生產(chǎn)的HR-20混合型旋轉(zhuǎn)流變儀,使用平行板夾具,恒溫平臺設(shè)定25℃,15 min取樣一次,每組樣品取樣3次做平行實驗,對封孔材料在不同剪切速率下的剪切應(yīng)力進(jìn)行測定。測定原理如圖1所示。上平行板以不同剪切速率旋轉(zhuǎn)帶動測試流體,從而得到不同剪切速率下的剪切應(yīng)力,隨后將樣品靜置60 min,并觀察物理狀態(tài)。

      1.3結(jié)果與分析

      各組封孔材料的流變曲線如圖2所示。其中,樣品l-a、2-a、3-a沒有屈服應(yīng)力,剪切應(yīng)力與剪切速率呈線性關(guān)系。相同條件下,剪切應(yīng)力隨著大理石粉含量的增加而增加,符合Newtonian模型。同時,實驗中發(fā)現(xiàn)這3組樣品均發(fā)生沉降分層。樣品1-b、1-c、1-d與樣品2-b、2-c、2-d存在屈服應(yīng)力,當(dāng)剪切速率在20 s-1以下時,剪切速率與剪切應(yīng)力呈曲線相關(guān),符合Herschel-Bulkley模型;剪切速率在20s-1以上時,剪切速率與剪切應(yīng)力呈線性相關(guān),符合Bingham模型。每組樣品進(jìn)行3次平行測試,流變曲線無明顯變化。樣品3-b、3-c、3-d不能形成連續(xù)相流體,無法測試流變性能。

      圖3為有、無瓜爾膠實驗樣品靜置60 min后的對比。大理石粉受自身的重力影響,產(chǎn)生沉降作用,與水分層。3種流變模型方程中,式(1)為Newtonian模型;式(2)為Herschel-Bulkley模型;式(3)為Bingham模型。

      圖4反映了大理石粉-水-瓜爾膠復(fù)合封孔材料塑性黏度的變化。未加入瓜爾膠的封孔材料塑性黏度保持恒定:大理石粉-水-瓜爾膠復(fù)合封孔材料在靜態(tài)時表現(xiàn)出極大的黏度。當(dāng)剪切速率小于20 s-1時,隨著剪切速率的增大,塑性黏度迅速降低;當(dāng)剪切速率大于20 s-1時,塑性黏度逐漸降低,最終趨于平衡,表現(xiàn)出剪切變稀的性質(zhì)。大理石粉與水質(zhì)量比(水灰比)相同的情況下,隨著瓜爾膠含量增加,封孔材料的塑性黏度呈上升趨勢,在30 min內(nèi)封孔材料的流變性能穩(wěn)定,不隨時間變化。

      1.4大理石粉與瓜爾膠的相互作用對封孔材料流變性能的影響

      對于未加入瓜爾膠的封孔材料,大理石粉內(nèi)部間隙較大,顆粒無連接性,表現(xiàn)出牛頓流體的性質(zhì),在短時間內(nèi)由于重力作用發(fā)生沉降分層,穩(wěn)定性差。圖5為實驗所用的大理石粉與瓜爾膠的SEM圖片。大理石粉為表面粗糙、形狀不規(guī)則并帶有磁性的多面體顆粒;瓜爾膠未在水中溶脹時為團(tuán)狀顆粒。瓜爾膠在水中迅速溶脹,大分子長鏈結(jié)構(gòu)在水中舒展,形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),填補(bǔ)了大理石粉顆粒之間的間隙,限制了顆粒之間的相互滑動,同時給予顆粒支撐作用,有效阻止了封孔材料沉降分層,增大了封孔材料內(nèi)部流動的阻力,形成穩(wěn)定的體系(圖6)。所以,加入瓜爾膠和降低封孔材料的水灰比,都會大幅度增加封孔材料的屈服應(yīng)力與塑性黏度。根據(jù)制備的封孔材料樣品的流變性能,以直徑55 mm的一次性塑料杯裝入100 g實驗樣品橫放不流出為標(biāo)準(zhǔn)(圖7),確定大理石粉、水、瓜爾膠三者質(zhì)量比為70:30:0.15。以此配方配制煤礦掘進(jìn)爆破最終使用的封孔材料,如需進(jìn)一步提高封孔材料強(qiáng)度,可增加瓜爾膠含量。由于瓜爾膠的加入,新型封孔材料表現(xiàn)出更加穩(wěn)定的物理性質(zhì);同時,極高的屈服應(yīng)力與塑性黏度可有效防止沖孔現(xiàn)象的發(fā)生:質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的水分可以吸收炸藥爆炸產(chǎn)生的熱量并有效抑制火焰?zhèn)鞑?,使井下掘進(jìn)爆破更加安全。

      2機(jī)械化封孔技術(shù)的研究

      2.1封孔工藝

      巷道掘進(jìn)爆破的效率受制于封孔材料與封孔工藝,傳統(tǒng)的封孔材料黃泥柱與水炮泥需要提前制備。采用一炮三泥封孔工藝和不耦合裝藥結(jié)構(gòu)(圖8)。封孔裝藥時,先用炮棍將一個長為10 cm左右的柱狀固體黃泥推入炮孔底部,隨后依次裝入炸藥、水炮泥、黃泥。其中,黃泥封孔長度不小于50 cm,整個過程需要6人配合完成。這種封孔方式的缺點在于:固體黃泥無法保證封孔的密封效果:封孔操作繁瑣使得施工效率低下:不耦合的裝藥結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致炸藥單耗高,掘進(jìn)深度較淺。

      為了提高封孔質(zhì)量與掘進(jìn)爆破速率,使用新型大理石粉-水-瓜爾膠復(fù)合封孔材料和自研的封孔材料攪拌與泵送一體機(jī)(簡稱一體機(jī))。其中,一體機(jī)主要由攪拌桶與輸送泵組成。由于流體的封孔材料黏度高,在仰角為90°時不易流出,同時炮掘工作面高的炮孔,封孔時阻力大,需要強(qiáng)大的輸送壓力;因此,攪拌桶選用螺紋葉輪混拌機(jī),輸送泵選用高性能螺桿泵,兩者均滿足煤礦井下機(jī)械設(shè)備要求。

      新型封孔工藝流程如圖9所示。封孔在裝藥結(jié)束后進(jìn)行。將氣動泵接人一體機(jī)。把提前混合好的大理石粉、瓜爾膠與水按比例加入攪拌桶,混合攪拌5 min。隨后,將輸送管插入炮孔,打開氣動泵,直到封孔材料裝滿炮孔為止。封孔機(jī)的使用可大幅提高封孔效率,在封孔作業(yè)時僅僅需要3人。1人使用自動化裝藥機(jī)進(jìn)行裝藥;1人制備封孔漿體、控制封孔機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn);1人控制輸送管與更換炮孔。和傳統(tǒng)的掘進(jìn)爆破封孔工藝相比,新型封孔工藝大幅簡化了封孔流程,減少了封孔作業(yè)人數(shù),降低了工人勞動強(qiáng)度。

      2.2裝藥結(jié)構(gòu)抗沖擊分析與破巖機(jī)理

      如圖10,大理石粉-水-瓜爾膠新型復(fù)合封孔材料取代了黃泥、水炮泥和座底泥,在流體材料受到炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊作用后,會發(fā)生彈性變形。由于流體本身的高黏度特性,與傳統(tǒng)黃泥材料相比,非牛頓(Herschel-Bulkley)流體與孔壁貼合更加緊密。該材料的黏度在靜止時很大,增大了封孔材料與孔壁之間的摩擦力,足夠的封孔長度會使向外的沖擊作用大幅減弱,可以有效防止沖孔現(xiàn)象的發(fā)生。新的封孔工藝采用流體耦合裝藥,封孔材料填補(bǔ)了炸藥與炮孔之間的空隙。這種裝藥結(jié)構(gòu),利用非牛頓流體的流變特性,流體介質(zhì)成為炸藥爆轟產(chǎn)物與巖石間的彈性緩沖層,增加了能量傳遞,延長了沖擊波的作用時間,加大了爆炸的作用范圍。實現(xiàn)耦合,可以降低炸藥單耗,提高單循環(huán)進(jìn)尺;封孔材料的高含水量可以有效抑制炸藥產(chǎn)生的火焰,降低瓦斯爆炸的風(fēng)險,同時起到降塵的作用。

      3工程應(yīng)用

      3.1工程簡介

      顧北煤礦中央1#煤頂板軌道巷為中央1#煤采區(qū)的采區(qū)軌道系統(tǒng)巷道,設(shè)計長度987 m,近似1#煤層走向布置,位于1#煤層頂板,距離1#煤層7~28 m,平均15 m;斷面規(guī)格5.4 m×4.3 m、5.8 m×4.5 m。采用錨網(wǎng)索噴支護(hù);運(yùn)用鉆裝機(jī)、錨桿、錨索鉆車施工;每個循環(huán)施工炮眼約130個。巖性主要為粉細(xì)砂巖、中細(xì)砂巖等,巖層裂隙,滑面發(fā)育;局部發(fā)育小褶曲。粉細(xì)砂巖抗壓強(qiáng)度為14.95 MPa,中細(xì)砂巖抗壓強(qiáng)度為22.6~76. 91MPa。巷道主要在1#煤頂板層位施工。

      3.2工程實驗

      根據(jù)巷道巖石分布情況,對巷道掘進(jìn)爆破進(jìn)行參數(shù)設(shè)計:炮眼直徑為42 mm;掏槽眼孔深2.40 m,裝藥4卷;中心眼2.40 m,不裝藥;輔助眼孔深2.40m:底眼孔深2.40 m,裝藥3卷;周邊眼孔深2.2 m,裝藥2卷,采用不耦合裝藥,封孔長度1m。掏槽眼、中心眼、輔助眼和底眼均使用新型封孔材料封滿。炸藥使用高威力煤礦三級煤礦許用水膠炸藥,規(guī)格為φ35 mm×330mm×330 g。將傳統(tǒng)的一炮三泥技術(shù)與新型機(jī)械化封孔進(jìn)行對比實驗,爆破效果見表2和表3。

      表2與表3中,傳統(tǒng)的封孔工藝進(jìn)行裝藥、封孔,平均炮眼128個,需要6人操作施工,134min完成,工作效率為9.95孔/(人·h),炮眼利用率為75.8%;采用新型封孔工藝,平均炮眼128個,2人封孔,1人裝藥,64 min完成,工作效率為40.18孔/(人·h),炮眼利用率達(dá)到90.4%,單循環(huán)進(jìn)尺提高14.6%,工作效率提高304%。使用新型封孔工藝,在炮孔中實現(xiàn)耦合裝藥結(jié)構(gòu),單循環(huán)進(jìn)尺顯著提高,未發(fā)生沖孔現(xiàn)象,滿足施工要求。

      4結(jié)論

      1)針對掘進(jìn)爆破中易沖孔、操作復(fù)雜等問題,研發(fā)了一種高黏度、可泵送的新型流體封孔材料。瓜爾膠使新型封孔材料擁有良好的穩(wěn)定性和剪切變稀的流體性質(zhì):隨著水灰比的減小或瓜爾膠含量的增加,該材料的塑性黏度均增加。確定大理石粉、水和瓜爾膠按照70:30:0.15的質(zhì)量比均勻混合,配制成高黏度、水平放置不流出的流體封孔材料。

      2)采用攪拌與泵送一體機(jī),實現(xiàn)了機(jī)械化封孔作業(yè),解決了掘進(jìn)爆破封孔工藝復(fù)雜、封孔效果差等難題。封孔后的裝藥結(jié)構(gòu)為流體耦合裝藥,提高了炸藥的利用率,同時可以改善爆破效果;配合封孔材料的高含水量,可以降低瓦斯爆炸的風(fēng)險。

      3)該封孔技術(shù)在顧北煤礦巷道掘進(jìn)施工中取得很好的效果,單循環(huán)進(jìn)尺提高14.6%,工作效率提高304%;現(xiàn)已在淮南多數(shù)煤礦推廣運(yùn)用。

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