煤層頂板深孔預裂爆破高效封孔材料及工藝研究

胡亞超 ，熊祖強,2 ，王 春,2 ，王 成,2

（1.河南理工大學 能源科學與工程學院, 河南 焦作 454003；2.煤炭安全生產河南省協(xié)同創(chuàng)新中心, 河南 焦作 454003）

0 引 言

爆破封孔主要作用是阻止爆破過程中產生的爆轟氣體沖出孔外，提高爆破破巖率，減少爆炸產生的有害氣體溢出，則封孔材料的特性對封孔的效果至關重要。目前，井下爆破傳統(tǒng)封孔材料主要有黏土、砂礫、水泥類、聚氨酯等爆破封孔材料[1-3]，這些材料在大傾角深孔爆破封孔過程中存在運輸量大、封孔難度大、封孔效率低、勞動強度大等問題；黏土炮泥材料搗實程度受人為因素影響較大，并且在搗實炮泥的過程中存在損傷炮線的安全事故[4]。然而，水泥類材料凝結固化時間長[5-7]，聚氨酯材料反應溫度高等都存在局限性[8-9]。楊東輝等[10]提出一種新型炮眼堵塞器，以黏土炮泥為對比，在動靜載作用下測試其力學特性，取得了很好的效果。馬春德等[11]提出一種“水炮泥+膨脹泡沫”堵塞炮孔新方法，相比傳統(tǒng)堵塞技術具有強度高，效率快等優(yōu)勢。梁冰等[12]以黏土材料為對比，研究水泥和速凝劑在水作用下不同配比的封孔強度，但封孔需要等待6 h，爆破效率低下。因此，一種高效的封孔材料可以提高爆炸效率，擴大孔內裂隙生成、延伸和貫通，提高爆破效果，同時避免爆破產生的有毒有害氣體沖出孔外，保證煤礦安全高效的生產[13-14]。

為解決傳統(tǒng)爆破封孔材料在大傾角深孔爆破封孔過程中存在的不足，提出了一種高效封孔材料及工藝，來滿足頂板深孔爆破封孔需要。為研究高效封孔材料封孔強度，以黏土炮泥材料為對比，在RMT-150B 型巖石力學試驗機上測試其抗壓強度以及靜載作用下封孔材料的承載能力；分析高效封孔材料的封孔強度，并進行工業(yè)性試驗驗證高效封孔材料封孔效果。

1 高效封孔材料特性及封孔機理

1.1 高效封孔材料基本特性

高效封孔材料為A、B 兩種組份的無機雙液注漿材料，A 料為硫鋁酸鹽水泥熟料添加外加劑制備而成的，B 料為石灰、石膏按一定比例混合添加外加劑配制而成，外加劑主要為早強劑、速凝劑、緩凝劑和懸浮劑等；A 料、B 料分別按配比單獨加水攪拌后制備的單液材料可長時間存放不凝固、不泌水；將單液材料進行等量混合攪拌后在外加劑作用下可快速生成大量鈣礬石，其固結體的骨架結構承受外部的載荷，使高效封孔材料具有凝結固化時間短、早期強度高、泵送性強等性能；高效封孔材料采用水灰比為0.8∶1，通過實驗室試驗測得高效封孔材料的初凝時間為3.0 min，固化時間為8.0 min；反應放熱溫度不高于70 ℃；根據文獻[15]研究可知，電雷管在溫度低于125 ℃不會發(fā)生爆炸，并且乳化炸藥也不會失效，所以該溫度對于爆破施工是安全的；以黏土炮泥材料為對比（試驗的黏土炮泥材料經高溫處理后，按黏土、水質量比7∶1 的比例制備），在MRT-150B 巖石力學試驗機上測試材料的抗壓強度，試驗結果見表1。

表1 封孔材料抗壓強度Table 1 Compressive strength of sealing material

由表1 可知：高效封孔材料的抗壓強度隨著齡期的增長而增強；但齡期為0.5 h 時，高效封孔材料抗壓強度為5.96 MPa，相比炮泥材料的0.232 MPa，提高了近25 倍。

1.2 高效封孔材料封孔機理

炸藥爆炸過程中常常伴隨著高壓、高速、高溫氣體的產生，封孔材料會受到爆炸沖擊波的作用，在沖擊波的作用下使封孔材料產生一定的壓縮變形或滑移，假設封孔材料受到的沖擊力大于封孔材料抗壓強度，爆破封孔材料受到爆破沖擊在爆破孔內劃分為3 個階段，為無滑移階段、滑移階段和破壞裂隙段（圖1）；對封孔材料進行受力分析[16-17]，根據牛頓第三定律可知，封孔材料受爆炸沖擊波作用產生運動，受到摩擦力作用，則摩擦阻力公式為：

圖1 封孔結構與受力分析Fig.1 Sealing structure and force analysis diagram

式中：Ft為爆炸氣體對材料的推力，N；L為封孔長度，m；f為封孔材料與鉆孔壁之間的摩擦因數；λ為側壓系數；db為爆孔直徑，mm；P0為炸藥爆炸作用在封孔材料上的壓力，Pa；m為材料的質量；g為重力加速度，取10 m/s2；θ為爆破孔與巷道軸線的夾角。

通過封孔材料力學分析可知，高效封孔材料的摩擦阻力與封孔材料的抗壓強度、作用到材料上的壓力、封孔長度摩擦因數等因數成正比，則封孔材料的抗壓強度、摩擦因數越大，封孔材料受到的摩擦阻力越大，封孔的效果越好。文獻[12]通過研究爆破注漿封孔材料抗壓強度，分析封孔長度與材料力學特性，得到注漿封孔長度L與孔徑db、沖擊力P0為正函數關系，與封孔材料與孔壁的摩擦因數f、材料抗壓強度σ為反函數關系；測試結果表明水泥復合類材料抗壓強度達到4.42 MPa 可滿足爆破封孔需要高效封孔材料抗壓強度為5.96 MPa，可滿足爆破封孔需要；封孔長度為

由式（2）可以看出，相同封孔長度下，承受沖擊載荷的能力越大，爆破封堵的效果越好，為進一步研究高效封孔材料摩擦力的大?。ǚ饪撞牧吓c孔壁之間的封孔強度可體現摩擦力的大小），將爆破沖擊波作用在封孔材料的力簡化為準靜壓作用；以黏土炮泥材料為對照試驗，通過靜態(tài)壓縮試驗對高效封孔材料的封孔強度和承受載荷能力進行研究。

2 靜載壓縮試驗

靜載壓縮試驗以黏土炮泥封孔材料為對比；研究高效封孔材料在靜載壓縮作用下的封孔強度；為了便于試驗，采用壁厚5 mm、直徑為50 mm 鋼管來模擬爆破鉆孔，忽略壁面的粗糙度影響；向鋼管內注入不同高度的封孔材料來模擬不同的封孔長度，通過在RMT-150 型電液伺服巖石壓力試驗機上進行壓縮試驗，分析高效封孔材料的封孔效果。

2.1 試驗設備及方案

試驗設備采用RMT-150B 型電液伺服巖石力學試驗系統(tǒng)，該設備最大垂直靜載荷1 000 kN，系統(tǒng)精度小于0.5%。試驗采用力控制的加載方式，軸向加載速率為0.2 kN/s，最大軸向位移50 mm，載荷傳感器為100 kN 小力傳感器。由于試驗系統(tǒng)高度限制，設計封孔長度為50、100、150、200 mm（用編號5、10、15、20 表示）；鋼管孔內上下分別預留50 mm 空間，上方空間是為導向作用，下方空間是為封孔材料滑動預留空間。設計直徑50 mm，高度50 mm 的實心圓柱在澆筑試樣過程中預留出下方的空間，進而可以確定封孔高度；設計直徑50 mm，高100 mm 實心圓柱為壓縮過程中作為導向作用壓出孔內封孔材料；試樣加載壓縮示意圖及實物如圖2 所示。

圖2 加載壓縮示意及實物Fig.2 Load compressed schematic and physical map

高效封孔材料靜載壓縮試驗采用水灰質量比為0.8∶1，通過分析不同封孔長度下材料抗壓縮能力，判斷其封孔效果。結合爆破現場施工時間設計采用0.5 h 的齡期進行試驗。

2.2 爆破封孔材料封孔強度

以黏土炮泥材料為對比，通過靜載壓縮試驗測試高效封孔材料不同封孔長度的封孔強度，判斷該材料的封孔效果。

1）黏土炮泥材料壓縮強度。圖3 為黏土炮泥材料壓縮載荷隨封孔長度的變化規(guī)律。

圖3 黏土炮泥材料壓縮載荷隨封孔長度的變化規(guī)律Fig.3 Variation law of compression load of clay stemming material with sealing length

由圖3a 可以看出：隨著黏土炮泥材料封孔長度的加長，試樣峰值壓力逐漸變大，殘余壓力也隨之增大，封孔長度為50、200 mm 的壓縮載荷為2.37、10.53 kN；主要原因是封孔長度的加長導致封孔材料與孔壁界面的接觸面粗糙度變大，從而產生較大的承載能力；壓力降低率整體呈下降趨勢（壓力降低率為殘余壓力相比峰值壓力的降低程度），封孔長度為50、200 mm 時分別為29.156%、3.837 5%；表明隨著封孔長度的加長試樣的殘余壓力與峰值壓力差距逐漸減少。

由圖3b 可知：隨著封孔長度的增加，峰值壓力呈現出一定的規(guī)律性，通過對不同封孔長度的峰值壓力和殘余壓力進行指數函數擬合，試樣的擬合度較高，符合指數增長的規(guī)律，表明了隨著封孔長度的增加，試樣承受的壓力也逐漸變大。即封孔長度的加長可以抵抗更大的爆炸沖擊能量，可通過爆炸產生的能量推導所需的封孔長度，為爆破封孔提供理論參考。

2）高效封孔材料封孔強度。本次試驗高效封孔材料水灰比為0.8∶1，研究封孔強度隨封孔長的變化規(guī)律。

由圖4a 可以看出：隨著封孔長度的增長，高效封孔材料的峰值壓力也逐漸增大，壓力降低率呈下降趨勢，封孔長度為50、200 mm 的承受的壓縮載荷分別為11.14、89.68 kN；主要原因有2 個：隨著封孔長度的增加，孔壁接觸面粗糙度變大，導致承受的載荷變大；高效封孔材料為水泥復合材料，凝結固化過程中與孔壁接觸面變大，導致與孔壁的粘結作用變強。殘余降低率隨著封孔長度的增加，殘余壓力與峰值壓力差距逐漸減少，封孔長度為50、200 mm 的殘余壓力由47.81%降到41.32%。

圖4 高效封孔材料壓縮載荷隨封孔長度的變化規(guī)律Fig.4 Variation law of compression load of high-efficiency sealing material with sealing length

由圖4b 可知：隨著封孔長度的增加，高效封孔材料峰值壓力呈現規(guī)律性變化，得到高效封孔材料承受的峰值壓力和殘余壓力進行對數函數擬合，根據對數函數的相關系數可知，高效封孔材料的封孔強度隨封孔長度的變化規(guī)律符合對數函數的。

通過對黏土炮泥材料和高效封孔材料對比分析可知：高效封孔材料的壓縮載荷強度遠大于黏土材料，封孔長度200 mm 時，后者比前者提高了近9 倍；封孔長度為50 mm 時，后者比前者提高了近5 倍；黏土炮泥材料的壓力降低率相比高效封孔材料的較好，主要原因是黏土炮泥材料為黏塑性體，受到壓縮載荷作用時，材料吸能發(fā)生膨脹，增大摩擦力作用，導致殘余壓力較大；高效封孔材料吸能膨脹效果較黏土炮泥材料差，但高效封孔材料殘余壓力也大于炮泥材料。因此，封孔長度相同的情況下，高效封孔材料相比黏土炮泥材料具有較好的封孔效果。

3 高效封孔工藝

由于高效封孔為雙液注漿材料，現有工藝無法滿足；根據高效封孔材料凝結固化時間短，早期強度高，可泵送能力強等特性，設計了一套完整的、高效的、準確的封孔工藝體系，該封孔工藝分為囊袋孔口封孔和注漿段封孔2 部分。

3.1 囊袋孔口封孔

高效封孔材料為雙液注漿材料，孔口的封孔為注漿段封孔的關鍵；在進行爆破孔注漿封孔前要進行孔口封孔，若孔口封孔效果差或有空隙，則注漿段封孔漿液會流出，導致封孔失敗；孔口封孔采用囊袋進行封堵[18]，材質為柔性膜袋，囊袋如圖5 所示。

圖5 囊袋封孔示意Fig.5 Sealing bag principle

由圖5 可知：囊袋主要由袋體、單向閥、注漿管組成，囊袋內部裝有單向閥，單向閥保證了漿液不返流；囊袋封孔工作原理為：漿液通過注漿管由單向閥進入袋體，袋體隨著漿液的進入開始膨脹，受孔壁約束，對孔壁會產生壓力，使囊袋與孔口結合更牢固；當囊袋內充滿漿液并滲出少量水，且囊袋在人力難以拉動時，即視為孔口封口結束。

3.2 注漿段封孔

注漿段封孔的關鍵是能夠準確的、高效的完成設計的封孔長度，封孔的長短會影響深孔爆破預裂的效果，根據高效封孔材料的特性，設計了一套高效的、準確的封孔工藝；高效封孔材料現場施工工序：前期準備工作→制漿→注漿前準備→注漿→清洗注漿設備。工藝流程如圖6 所示。

圖6 封孔工藝流程示意Fig.6 Schematic diagram of sealing process

具體封孔工藝流程為：

1）前期準備工作：注漿泵和攪拌桶按設計工藝連接，并將水管和風管連接到注漿泵和攪拌桶，用清水測試注漿系統(tǒng)是否可以正常運行。

2）制漿：在裝藥完成前5 min 左右，按設計的水灰比分別向攪拌桶加入清水，打開攪拌啟動閥，加入高效封孔材料進行攪拌。

3）注漿前準備：將準備好的封孔囊袋、注漿管、返漿管送入到爆破轉孔內，囊袋底部距離孔口30 cm，防止注漿過程中將囊袋擠出孔外，以保證注漿的順利完成。

4）注漿：注漿部分包括孔口封堵和封孔段封孔；打開注漿泵，將出漿管內的清水排出，直到出現漿液，關閉注漿泵，連接囊袋快速接口，進行孔口封堵，當鉆孔有清水流出，孔口段封孔完成，之后連接注漿口快速接口，進行封孔段注漿，直到返漿管返漿，注漿結束。

5）清洗注漿設備：注漿結束后，立即用清水清洗注漿管路，避免時間過長漿液凝固，導致注漿設備損壞。

該封孔工藝實現了爆破封孔機械化作業(yè)，工藝操作簡單，整個封孔過程僅需兩人就可以完成封孔作業(yè)，注漿前的準備工作需2 人共同完成，在注漿時，需一人操作注漿泵，一人進行爆破封口工作；根據高效封孔材料泵送能力強的特性，由準備到注漿結束，10 m 封孔長度封孔時間僅需15 min；傳統(tǒng)的黏土炮泥材料在煤層頂板深孔封堵中由于鉆孔近垂直、直徑和封孔長度較大，需多人配合作業(yè)，且施工勞動強度大、搗實困難；因此，該封孔工藝相比傳統(tǒng)黏土炮泥材料封孔方法大幅提升了封孔效率，減少了封孔作業(yè)人數和勞動強度、深孔作業(yè)的難度，提高了頂板深孔爆破施工的工作效率。

4 工程應用

4.1 爆破孔參數

工程以某煤礦大采高工作面為背景，為解決臨近巷道變形嚴重問題，進行頂板深孔預留爆破技術進行卸壓。根據該礦煤層頂板地質條件，設計鉆孔與巷道中線夾角為75°，與巷道斷面夾角為0°，間距為2.0 m；爆破孔深設計為31.5 m，根據煤礦封孔長度應為炮孔長度的25%～30%[19-20]，為保證安全，設計封孔長度為10 m。爆破孔如圖7 所示。

圖7 爆破鉆孔示意Fig.7 Diagram of blasting borehole

4.2 封孔效果

采用高效封孔材料及工藝對封孔長度為10 m的爆破鉆孔進行封孔，單個爆破孔從開始到封孔結束耗時間約15 min，其中囊袋孔口封堵約2 min；由于實現了機械化作業(yè)，減少封孔時間，每班爆破達到3 個孔，加上前期準備以及對炮眼透孔、裝藥等工藝流程，總共耗時需要2 h；由于高效封孔材料具有早強的特性，封口結束0.5 h 后就可以進行爆破，解決了煤層頂板深孔爆破封孔難題，大大提高了爆破施工的效率；爆破后封孔效果如圖8 所示。

圖8 爆破后封孔效果Fig.8 Sealing effect after blasting

由圖8 可以看出：由于封孔效果較好，爆破后的注漿管和炮線仍懸掛在頂板，表明爆破后巷道頂板相對完好，檢測的CO 體積分數為5×10-6～20×10-6，符合煤礦爆破安全要求。因此，高效封孔材料及工藝相比黏土炮泥材料來說，在頂板深孔預裂爆破具有很大的優(yōu)勢，且封孔效果非常好；不但解決了大傾角深孔預裂爆破的封孔難題，實現了爆破封孔機械化作業(yè)，降低了勞動強度，還大幅提高了封孔效率，進而提高了爆破施工的進程。

5 結 論

1）高效封孔材料初凝時間為3 min，固化時間為8 min，反應放熱溫度不高于70 ℃，低于煤體引燃溫度；其0.5 h 抗壓強度為5.96 MPa，相比黏土炮泥的抗壓強度提高了近25 倍；分析注漿材料封孔機理，確定高效封孔材料抗壓強度滿足封孔需要。

2）靜載壓縮作用下，封孔材料的峰值壓力和殘余壓力隨著封孔長度增加而增加；高效封孔材料的壓縮載荷遠大于黏土炮泥材料；同一封孔長度下，高效封孔材料相比黏土炮泥材料有較好的封孔效果，且隨著封孔長度的增加，高效封孔材料封孔強度相比黏土炮泥材料增長的速率較快。

3）高效封孔工藝實現了爆破封孔機械化作業(yè)，操作簡便，封孔效率高，大大降低勞動強度，且爆破后頂板較完整，CO 濃度較低，封孔效果好；不但可解決頂板深孔封孔難題，還可以大幅提高爆破封孔效率，相比傳統(tǒng)封孔工藝取得了很大的進步。