煤矿井下炮眼堵塞技术现状及新型炮泥设计初探

庞有恒,高明玉,宁掌玄

(1.太原理工大学矿业工程学院，山西太原030024；2.大同煤矿集团有限责任公司宏泰公司，山西大同037003；3.山西大同大学煤炭工程学院，山西大同037003)

煤矿井下炮眼堵塞技术现状及新型炮泥设计初探

庞有恒1,2,高明玉1,2,宁掌玄3

(1.太原理工大学矿业工程学院，山西太原030024；2.大同煤矿集团有限责任公司宏泰公司，山西大同037003；3.山西大同大学煤炭工程学院，山西大同037003)

文章在总结了炮眼堵塞技术发展现状的基础上，提出了现代化炮泥应具有的功能要求和应用要求，提出了新型炮泥的设计理念，开发了四大类炮泥的设计方案，并对其做了可行性研究与分析。

煤矿；爆破；炮泥堵塞技术；新型炮泥

利用炸药来破碎岩石是煤炭工业建设生产中不可缺少的有效手段。尽管随着煤矿现代化进程的迈进，机械化开采代替爆破作业已成必然，但是就目前现状看，完全抛弃钻眼爆破技术还为时过早，现有的煤矿采掘机械装备水平还远不能满足立井、斜井、岩石平巷、半煤岩巷等条件下的巷道施工。根据我国现代化大型国有企业同煤集团炮掘队伍数占总掘进队数60%的现状推测，目前煤矿行业的钻眼爆破作业还十分普遍，而目前爆破技术的研究却十分有限，尤其是炮眼的堵塞技术一直停滞不前，长期以来一直使用粘土炮泥。尽管粘土炮泥具有一定的可塑性，质量密度较大、摩擦系数高、成本廉价、堵塞效果较好等一系列优点，但是从粘土类炮泥的长期使用效果来看，还存在诸多弊端，严重影响到了爆破效果、爆破质量、工作效率、劳动强度、组织管理等诸多方面。粘土炮泥与现代化矿井的安全、高效、节能和环保开采很不协调，已经跟不上时代发展的要求，跟不上当代工人心理生理的需求，为此，研发一种新型炮眼堵塞产品十分必要。

1 炮眼堵塞技术现状

从上世纪80年代始，国内外开始认识到炮眼封堵的重要性，很多学者开展了炮眼堵塞作用机理、堵塞技术、堵塞材料、堵塞结构等方面的研究，取得了一系列研究成果。

1.1 炮孔堵塞机理研究现状

1)有无堵塞对爆破效果的影响十分明显。许多研究表明，炮眼堵塞与不堵塞爆破相比,堵塞可以使炸药的爆炸反应更加充分,炸药的利用率能够得到有效提高,能够延长爆炸产物对岩体的作用时间,所以，炮眼进行有效堵塞是提高爆破效率的有效途径之一[1]。

2)爆炸冲击波和爆生气体对堵塞物的作用研究。研究表明，堵塞物在爆炸冲击波的作用下,堵塞物的颗粒会发生相互错移,产生新的粘结力,出现永久性的压缩变形。压缩时,堵塞物发生侧向膨胀,又由于孔壁约束堵塞物的径向膨胀,使得堵塞物产生了巨大的侧向压力。因此,堵塞物对爆炸冲击波的作用影响较大。堵塞物运动所受到的力包括爆生气体的推力、孔壁摩擦阻力、顶部阻力(主要是堵塞物高速运动时空气阻力、水孔中水的阻力),他随孔径、堵塞材料上部余孔孔深变化而变化[2-5]。

1.2 炮孔堵塞物运动规律研究现状

实验表明,堵塞物在孔内的运动是由加速到减速的变化过程,并依靠其与孔壁间的摩擦阻力和自身的惯性阻力完成炮孔的堵塞,堵塞效果主要取决于堵塞长度和堵塞材料[3，4]。研究表明，适当增大堵塞物的孔隙率可缓冲冲击波的冲击作用,适当增大堵塞物的比重、内摩擦角、粘结力等均可提高堵塞效果。由此可见，堵塞材料在炮孔中的运动是一个受多因素综合影响的过程[4]，其运动速度与材质、长度及炮孔尺寸和装药参数等有关,选用高摩擦系数的堵塞材料,增加其充填密度及增加堵塞长度均可达到延长堵塞物作用之目的。

1.3 炮孔合理堵塞长度的研究现状

研究表明，炮孔合理的堵塞长度受到孔网参数、炸药、岩性和堵塞物材质等许多因素的影响[4，5]。为了在理论上探究合理的堵塞长度，许多学者建立了计算堵塞物最优长度的计算模型,并应用牛顿第二定律推导出了堵塞物长度与堵塞物在炮孔中整体运动时间的关系式：

式中：爆生气体初始压力p0；炮孔直径d；堵塞物密度ρ；最小抵抗线w；岩体中纵波速度CP和表面瑞利波速度CR。

1.4 炮孔堵塞作用对爆破效果影响的研究现状

1.4.1 堵塞材料对爆破效果影响

堵塞材料本身的性质不同,爆破时在炮孔中的运动速度也不同。运动速度大,爆生气体生成物冲出炮孔早,反之则冲出晚。堵塞物的运动与其比重有关,增大堵塞材料的比重则可降低堵塞物的运动速度,增大冲出炮孔所需的时间,从而改善爆破效果[6，7]。

1.4.2 炮孔堵塞作用对爆破效果影响

大量的研究表明，炮泥的堵塞具有如下作用[1-8]：

1）提高炮孔中爆生气体压强和延长爆生气体压力的作用时间。

2）促进炸药充分反应，使之释放出最大的能量，产生最少的有毒气体。

3）阻止爆生气体的自由逸出，减少爆炸能量、爆生气体压力的损失，提高炸药的热效率和做功能力。

4）阻止炽热固体颗粒外射和爆炸火焰外喷，有效防止瓦斯与煤尘的爆炸。

5）有效调节爆炸能量的合理分配，增加破岩的有效功，降低引起空气冲击波、飞石、岩体振动等的无用功。

1.5 炮泥应用现状

概况起来目前应用的“炮泥”有4种[1-7]：

1）松散结构的固体堵塞。如岩粉、砂子、粘土，及其他们的混合物。

2）液体堵塞。如水溶液、水炮泥等。

3）机械动作式堵塞。主要结构有底椎形、楔形、膨胀螺丝形等形式，制作加工材料有塑料、橡胶、木材等。

4）化学反应型堵塞。如双组分有机溶液混合后能快速凝结固化和膨胀；还有无机反应型材料，内加膨胀剂、早强剂、快凝剂等组分，遇水发生快速反应，固结膨胀凝化。

尽管炮泥种类繁多，但能够真正应用于生产实际的还寥寥无几，目前煤矿井下还是习惯用粘土砂混合物做炮泥，其他炮泥未见大规模推广应用报道。这主要是由于粘土炮泥具有可塑性，成本廉价，堵塞效果较好，所以得到了现场的广泛认可。但是在长期的应用中，我们发现粘土炮泥存在诸多的问题：如炮泥供应不便，装填工序繁杂，工人劳动强度大，作业时间长；封堵质量难以控制，易出现“打枪”现象或者炸药拒爆现象；与煤混合后会影响煤的品质等等问题。由于上述原因，工人们为了减少劳动强度，节约工时，常常采用无可塑性的岩块、煤块、煤粉或药卷纸作炮眼堵塞以代替“炮泥”；或者干脆不封泥，采用大药量的方法来弥补炮眼堵塞的不足,其结果是造成炸药量严重浪费、围岩严重受损、断面成形差、事故率高等严重后果。

2 新型炮泥设计新理念

通过对爆破堵塞物的理论分析和前人对堵塞物优缺点的综合研究，结合爆破实际工况条件，充分考虑炮泥的功能和适应性，确定新型炮泥设计新理念如下：

1）遇到瞎炮可人为地退出。

2）依靠爆炸冲击波实现堵塞器的自闭锁。

3）具有多级缓冲胀裂摩擦的功能，根据冲击波的大小自动调整堵塞器的工作阻力。

4）实现自变形、自延伸、自粘合目的，实现运动过程中摩擦面积的增大，为爆生气体提供运动缓冲的空间和相对延长堵塞的时间，实现堵塞材料与炮眼壁的粘合渗透和再组合。

5）具备防水、耐水功能。

6）能够适应任何炮眼角度的使用。

7）能有效杜绝炮线破损、漏电、断裂等事故，杜绝拒爆现象，提高起爆质量。

8）依靠结构设计能够实现冲击力的再分配，将有效能力作用在炮眼壁上，提高破岩能力，实现岩块粒度均匀化，避免产生大块岩。

9）实现堵塞器在运动中的堵塞，能够产生一定的运动空间，防止产生反向爆破，并使能量作用在深部，避免出现大块岩的现象。

10）操作简单、运输安装方便、工作量小。

11）能够节约工时，成本低廉。

12）具有降尘、降温、排毒效果。

13）能够降低单位炸药消耗量，达到良好的爆破效果。

14）堵塞器能够阻燃，不会产生次生灾害，不会对煤质产生二次污染，可提高煤的品质。

15）能有效阻止火焰喷射和炽热颗粒的飞出，降低瓦斯爆炸概率。

3 新型炮泥可行性方案探讨

3.1 “冻冰”方案

利用防爆冷冻机、专用模具，在1～1.5 h内，将工作面的水冻结成楔体的冻冰，将楔体冰塞入炮孔，用橡胶锤捣实即可。

冻冰组成：水+降尘消烟排毒组分。

冻冰结构：楔形体。

外包装：外表面由能提高表面摩擦力的绝热材料制作而成。

加工制作：矿用防爆冷冻机。

1）优点

水的来源广，就地取材，成本低廉，制作方便，堵塞快速，劳动强度低，爆破瞬间能够气化成表面张力很大的微型气泡，对爆破有害气体、爆破粉尘具有抑制作用。爆破完毕无副作用，不会对煤质产生污染。如果出现拒爆现象，冻冰融化即可方便处理。

2）实施难点

需要配套一台防爆冷冻机，占用巷道有限空间，给施工带来一定困难；需要配置专用模具；为防止冰的融化，在装炮眼时需外套绝热包装薄膜。

3.2 “膨胀”材料类“炮泥”

1）吸水膨胀橡胶“炮泥”

采用吸水膨胀橡胶加工制作而成。

结构：芯材+吸水膨胀橡胶。

芯材采用不燃的硬塑料或者无机廉价材料制成，受到挤压时不会产生变形。采用芯材的主要目的是为了减少吸水膨胀橡胶的用量，降低“炮泥”的成本。

外包的吸水膨胀橡胶要求吸水速率快，体积膨胀率高，在2～5 min内吸水膨胀达150～300%。橡胶吸水膨胀后将“炮泥”与孔壁之间的空间充填并挤压，使“炮泥”与孔壁产生有效摩擦，实现炮眼的快速封堵[8,9]。

特点：水中浸泡后，可快速装填，劳动强度小、成本低廉、工艺简单；与水炮泥结合使用，可起到快速堵塞、除尘、消毒、降温的功效；该类炮泥还具有装填快速、对炮线损伤小，遇到瞎炮后使其干燥自然收缩，即可取出炮泥。

2）有机速凝膨胀“炮泥”

双组份有机材料组成。

双组份有机材料充分混合后，发泡膨胀，迅速凝结硬化，形成阻燃的、半弹性体材料。干固时间短，具有一定的抗压强度。

结构1：制作管状的橡胶薄膜袋，套于芯材外。将加工好的A、B干粉加水制成浆，采用人工压力泵将浆液注入橡胶薄膜袋内，并迅速放入炮眼即可。A、B组分材料产生化学反应，体积急剧膨胀，填充“炮泥”与炮眼壁之间的空隙，使“炮泥”与孔壁产生挤压，提供足够的摩擦阻力，实现炮眼的封堵。

结构2：制作管状的橡胶薄膜袋（套于芯材外），将其隔离成A、B两区，将A、B液分别置于其中，放入炮眼前，拉动两液混合机构，使A、B组分材料充分混合，随后快速装入炮眼内。由于A、B组分材料产生化学反应，体积急剧膨胀，填充“炮泥”与炮眼之间空隙，使“炮泥”与孔壁产生挤压，提供足够的摩擦阻力，实现炮眼的封堵。

特点：可快速装填，劳动强度小、成本低廉、工艺简单、与水炮泥结合使用，可起到快速堵塞、除尘、消毒、降温的功效。

3）无机速凝膨胀“炮泥”

无机材料以水玻璃或水泥为主要材料。

将松散的、能够遇水膨胀、快速凝固的干粉材料装入由高强度柔性复合材料制成的圆柱形包覆袋。在生产现场通过泵及相应装置，向袋内注入水。将其置入炮眼即可在4～6 min内完成快速膨胀及凝结硬化过程[9,10]。

材料可选用：(1)固体水玻璃、少量凝结剂、添加剂、填料;(2)特种水泥、膨胀剂、速凝剂、早强剂、填料。

特点同有机速凝膨胀“炮泥”。

3.3 结构类炮泥

由高分子材料加工制作而成。具体结构有4种：①楔形体,② 底锥体,③ 螺旋胀裂体,④ 组合体。

4 结束语

本文在总结前人研究成果的基础上，指明了新型炮泥设计的方向，提出了几种可行性的炮泥方案，并做了可行性的对比分析，该研究成果会对下一步炮泥的深入研究提供积极的促进作用。

[1]李显寅,刘恺德,蒲传金.炮孔爆破堵塞研究现状及存在的问题（一）[J].化工矿物与加工，2010（8）：35-38.

[2]罗勇,沈兆武.炮孔填塞对爆破作用效果的研究[J].工程爆破，2006，12(1)：16-18.

[3]陆文,张志呈.钻孔爆破中炮孔堵塞作用机理研究[J].爆破，2001，18(1)：16-18.

[4]罗勇,沈兆武.炮孔合理堵塞长度的研究[J].岩土工程技术，2006（1），25-28.

[5]郑文信.炮孔合理堵塞长度的试验研究[J].矿业研究与开发，2000，20(6)：44-45.

[6]吴立.关于炮孔堵塞中的几个问题[J].探矿工程：岩土钻掘工程，1988(3)：58-60.

[7]汪传松.新旧炮孔堵塞材料堵塞性能的初步比较[J].工程爆破，1998，5(4)：12-15.

[8]汪传松.三峡RCC围堰拆除爆破炮孔堵塞施工方案[J].水利水电技术，2008，39(10)：61-64.

[9]唐中华,张志呈.炮孔堵塞材料的性质[J].四川冶金，1997，19(2)：1-3.

[10]赵士奎.用化学炮泥封孔提高爆破效益[J].东北煤炭技术，1992（1）：59-60.

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

庞有恒（1964-），男，山西大同人，在读硕士，高级工程师，研究方向：煤矿开采与矿井生产管理。

〔责任编辑 石白云〕