高效水炮泥+聚氨酯发泡胶新型炮孔堵塞材料试验研究

上官剑铭，叶亦杰

(福州大学 紫金矿业学院， 福建 福州 350108)

在我国现行的人工爆破作业中，要提高爆破效率，除了优化改进爆破总体方案、参数外，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、黄泥、炮渣与钻孔废渣等多数为散状颗粒物或其质地较为柔软，不容易形成比较牢固，阻碍力较大的堵塞物，因而常被压力极高的爆轰气体推出炮孔而形成“冲天炮”，造成爆炸能量损失，提高了炸药单耗，且爆破效果差。而普通水炮泥在工程实践中表明，降尘效果差，粉尘沉降时间长。因此，研究一种新型的炮孔堵塞材料(即高效水炮泥+聚氨酯发泡胶)就显得尤为必要。

1 高效水炮泥

水炮泥之所以可以达到降尘的目的，实质是用装满水的塑料袋代替或部分代替炮泥充填于炮眼内，爆破时水炮泥袋破裂，在高温高压爆炸波的作用下，大部分水被汽化，然后重新凝结成极细的雾滴并和同时产生的矿尘相接触，形成雾滴的凝结核或被雾滴所湿润而起到降尘作用[1]。

由于纯水的表面张力大，爆破后不易雾化或雾化程度不高，因此不能达到较好的降尘效果。本文研究的高效水炮泥是对普通水炮泥的改造，加入某些吸水性很强的无机盐类溶液以及表面活性物质，以降低溶液的表面张力，提高雾化程度、湿润能力和捕捉粉尘的能力[2]。其次由于加入了无机盐类，高效水炮泥水溶液的比重较纯水大，爆炸时也更加具有迸发力，所以已汽化的溶液重新凝结成极细的雾滴与矿尘相撞时，因其所形成的凝结核或被雾滴所湿润的矿尘比重均较大，碰撞时相对速度更大，因此其降尘效果比纯水好[3]。

1.1 降尘效果(浓度)对比试验

本次对比试验研究对象为总粉尘(简称总尘)和呼吸性粉尘(简称呼尘)，总尘是指用直径为40 mm滤膜，按标准粉尘测定方法采样所得到的粉尘；呼尘是指只按呼吸性粉尘标准测定方法所采集的可进入肺泡的粉尘粒子，其空气动力学直径在7.07 μm以下，空气动力学直径5 μm的粉尘粒子的采样效率为50%。

普通水炮泥和高效水炮泥的粉尘浓度测量数据对比如表1所示(每次模拟爆破5个炮孔，齐发爆破，每组2次对比试验，共进行了10次模拟爆破试验)[4]。

表1 不同组分比例的高效水炮泥在爆破后的呼尘、总尘浓度

由表1可以发现，使用高效水炮泥比普通水炮泥降尘效果明显提高，呼尘浓度降低40%～60%左右，总尘浓度降低40%～50%左右。

1.2 粉尘沉降时间对比试验

爆破后每隔5 min用粉尘浓度检测仪测定一次，测定粉尘浓度结果见表2。

2种水炮泥的完全沉降时间(指粉尘浓度降到50 mg/m3所需要的时间)，高效水炮泥堵塞后完全沉降时间明显比普通水炮泥少，降尘效果明显提高。

表2 不同水炮泥在爆破后不同时间下的粉尘浓度

2 聚氨酯发泡胶

该产品具有较高的膨胀性和粘结性、超低热传导率、低吸水性、高绝缘性、并且有良好的防水、隔热、隔音、保温、耐震抗压等功能。它是一种将聚氨酯预聚体﹑发泡剂﹑催化剂等组分装填于耐压气雾罐中的特殊聚氨酯产品，应用气雾技术和聚氨酯泡沫技术，当物料从气雾罐中喷出时，沫状的聚氨酯物料会迅速膨胀并与空气或接触到的基体中的水分发生固化反应形成泡沫，基于产品的高膨胀性、防水、耐震抗压等优良特性，能便捷地应用于爆破炮孔堵塞。

炮孔堵塞性能主要表现在堵塞压力、抗滑能力、抗剪能力、延长爆生气体在孔内作用时间4个方面。

2.1 堵塞压力(以摩擦力形式)

聚氨酯发泡胶凝结固化形成的堵塞物与炮孔壁间所形成的相互摩擦阻力f明显大于传统堵塞物产生的摩擦力，堵塞物与炮孔壁之间存在力的相互作用，堵塞物受到爆轰气体的推力而移动，炮孔壁因为接触面粗糙不平整而给予堵塞物一个阻碍其相对位移的摩擦力，相反，堵塞物受到孔壁的摩擦力，使气体纵向运动受到阻碍，更多的是横向冲击力作用在孔壁上。另外提高了爆轰气体膨胀后作用于孔内岩石上的压力，形成的冲击波和应力波更多地作用在孔内岩石上，使孔内岩石被压碎和破坏，降低了岩石大块率[5]。

2.2 抗滑能力

在爆轰气体作用下，堵塞物会被贴着孔壁推出，其在炮孔中运动的加速度a与岩石接触面的摩擦系数k和挤压应力σc是密切相关的。k和σc值越大，堵塞物受到的摩擦力越大，因此其运动加速度a越小，堵塞物在炮孔中的运动时长会相应增加，此时爆轰气体被封闭在炮孔中的时间也增加，使其能量更多地作用于孔壁岩石。一般工程中使用的黏土、砂、黄泥、炮渣与钻孔废渣等堵塞物的摩擦系数k都很小，而聚氨酯发泡胶膨胀固化后形成的堵塞物相对来说具有较大的摩擦系数，能较牢地附着在炮孔壁上并渗入孔壁的裂纹中，使得堵塞物与孔壁之间的摩擦力大大增加，这种约束力比传统堵塞物产生的约束力大得多，因此聚氨酯发泡胶相较于传统堵塞物有着更强的抗滑能力。

2.3 延长爆生气体在孔内作用时间

在爆轰气体压力的作用下，由黏土、砂、黄泥、炮渣等形成的堵塞物在运动过程中是分散的，按照不同的速度和形变规律向孔口运动。大部分堵塞物几乎只在瞬间对爆轰气体的膨胀具有一定的阻碍作用，之后至堵塞物完全冲出炮孔这段时间内，这部分堵塞物虽然还存留在炮孔中，但已不能限制爆生气体的膨胀。

聚氨酯发泡胶硬化时能固结形成一个内聚力较强的整体，可以牢牢紧贴孔壁，在爆生气体的推力作用下，它的横向变形相对于纵向变形较小，且横向变形以波的形式沿其纵向向孔口传播，使爆生气体作用的那一端始终推着其余部分的堵塞物向孔口运动。所以，堵塞物各部分之间不会因为压缩程度的差异而引起纵向分离，即整个堵塞物始终保持一个整体形态在运动，其各部分都能对爆轰气体的膨胀产生应有的阻碍作用，使爆生气体在孔内作用的时间相对延长，进而增加了炸药化学反应的完全程度，从而得到更充分的爆炸能量作用于孔壁形成裂隙，之后高压气体对其进一步产生气楔作用，气体会向缝隙中楔入，相对提高破岩效果，并使作用于抛掷岩石的力相应减弱，使岩石被抛掷的距离缩短，同时可降低作用于空气的冲击波强度，改善作业环境[6]。

3 结 论

显而易见，新的炮孔堵塞材料组合(高效水炮泥+聚氨酯发泡胶)所形成的炮孔堵塞物，高效水炮泥在降温降尘上效果显著；聚氨酯发泡胶作为堵塞物，较传统堵塞材料延长了爆轰气体作用时间，降低了炸药单耗，减少了爆炸能量的损失。因而，新型炮孔堵塞材料组合具有广阔的发展前景。