煤礦巖巷掘進爆破封孔材料研究

胡潔　黃文堯　謝平　吳國群　牛草原　檀鑫　孫寶亮　孫彥臣

[關鍵詞]煤礦巖巷：掘進爆破：封孔材料：封孔工藝：掘進效率

[分類號]TD263.3+1

0引言

由于成本較低、爆破效果較好，鉆眼爆破一直被運用于掘進爆破中。然而，在實際施工中，傳統炮孔的封堵工藝復雜，工作人員較多且效率低下。井下封孔作業時，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，導致炮孔密封效果差，存在較大的安全隱患，易發生沖孔和火焰外泄現象，甚至引起瓦斯爆炸。如何提高爆破過程中的封孔效率，國內外學者進行了廣泛的研究。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，且操作較為復雜。

因成本低廉、來源廣泛、物理化學性質穩定，大理石粉被廣泛應用于輕工、建材等領域。獨特的分子結構，遇水發生溶脹，使瓜爾膠迅速成為性能優越的新型環保凝膠劑，同時還被廣泛應用于食品、石油和建筑等領域。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束僅需半個小時，大大地提高了掘進爆破作業效率與安全性。該封孔材料及工藝以淮南顧北煤礦巷道掘進施工為應用背景，進行了現場爆破實驗，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，鄭州富太化工產品有限公司。封孔材料的質量分數配比如表1所示。

1.2封孔材料流變特性和穩定性實驗

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，緊接著加水攪拌200 s。流變測試采用美國TA公司生產的HR-20混合型旋轉流變儀，使用平行板夾具，恒溫平臺設定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力進行測定。測定原理如圖1所示。上平行板以不同剪切速率旋轉帶動測試流體，從而得到不同剪切速率下的剪切應力，隨后將樣品靜置60 min，并觀察物理狀態。

1.3結果與分析

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沒有屈服應力，剪切應力與剪切速率呈線性關系。相同條件下，剪切應力隨著大理石粉含量的增加而增加，符合Newtonian模型。同時，實驗中發現這3組樣品均發生沉降分層。樣品1-b、1-c、1-d與樣品2-b、2-c、2-d存在屈服應力，當剪切速率在20 s^-1以下時，剪切速率與剪切應力呈曲線相關，符合Herschel-Bulkley模型；剪切速率在20s^-1以上時，剪切速率與剪切應力呈線性相關，符合Bingham模型。每組樣品進行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-瓜爾膠復合封孔材料在靜態時表現出極大的黏度。當剪切速率小于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，表現出剪切變稀的性質。大理石粉與水質量比（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內封孔材料的流變性能穩定，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，大理石粉內部間隙較大，顆粒無連接性，表現出牛頓流體的性質，在短時間內由于重力作用發生沉降分層，穩定性差。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、形狀不規則并帶有磁性的多面體顆粒；瓜爾膠未在水中溶脹時為團狀顆粒。瓜爾膠在水中迅速溶脹，大分子長鏈結構在水中舒展，形成連續的網絡結構，填補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，增大了封孔材料內部流動的阻力，形成穩定的體系（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力與塑性黏度。根據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準（圖7），確定大理石粉、水、瓜爾膠三者質量比為70：30：0.15。以此配方配制煤礦掘進爆破最終使用的封孔材料，如需進一步提高封孔材料強度，可增加瓜爾膠含量。由于瓜爾膠的加入，新型封孔材料表現出更加穩定的物理性質；同時，極高的屈服應力與塑性黏度可有效防止沖孔現象的發生：質量分數30%的水分可以吸收炸藥爆炸產生的熱量并有效抑制火焰傳播，使井下掘進爆破更加安全。

2機械化封孔技術的研究

2.1封孔工藝

巷道掘進爆破的效率受制于封孔材料與封孔工藝，傳統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構（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：不耦合的裝藥結構會導致炸藥單耗高，掘進深度較淺。

為了提高封孔質量與掘進爆破速率，使用新型大理石粉-水-瓜爾膠復合封孔材料和自研的封孔材料攪拌與泵送一體機（簡稱一體機）。其中，一體機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，需要強大的輸送壓力；因此，攪拌桶選用螺紋葉輪混拌機，輸送泵選用高性能螺桿泵，兩者均滿足煤礦井下機械設備要求。

新型封孔工藝流程如圖9所示。封孔在裝藥結束后進行。將氣動泵接人一體機。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。封孔機的使用可大幅提高封孔效率，在封孔作業時僅僅需要3人。1人使用自動化裝藥機進行裝藥；1人制備封孔漿體、控制封孔機的運轉；1人控制輸送管與更換炮孔。和傳統的掘進爆破封孔工藝相比，新型封孔工藝大幅簡化了封孔流程，減少了封孔作業人數，降低了工人勞動強度。

2.2裝藥結構抗沖擊分析與破巖機理

如圖10，大理石粉-水-瓜爾膠新型復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生的沖擊作用后，會發生彈性變形。由于流體本身的高黏度特性，與傳統黃泥材料相比，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象的發生。新的封孔工藝采用流體耦合裝藥，封孔材料填補了炸藥與炮孔之間的空隙。這種裝藥結構，利用非牛頓流體的流變特性，流體介質成為炸藥爆轟產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。實現耦合，可以降低炸藥單耗，提高單循環進尺；封孔材料的高含水量可以有效抑制炸藥產生的火焰，降低瓦斯爆炸的風險，同時起到降塵的作用。

3工程應用

3.1工程簡介

顧北煤礦中央1#煤頂板軌道巷為中央1#煤采區的采區軌道系統巷道，設計長度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;斷面規格5.4 m×4.3 m、5.8 m×4.5 m。采用錨網索噴支護；運用鉆裝機、錨桿、錨索鉆車施工；每個循環施工炮眼約130個。巖性主要為粉細砂巖、中細砂巖等，巖層裂隙，滑面發育；局部發育小褶曲。粉細砂巖抗壓強度為14.95 MPa，中細砂巖抗壓強度為22.6～76. 91MPa。巷道主要在1#煤頂板層位施工。

3.2工程實驗

根據巷道巖石分布情況，對巷道掘進爆破進行參數設計：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，規格為φ35 mm×330mm×330 g。將傳統的一炮三泥技術與新型機械化封孔進行對比實驗，爆破效果見表2和表3。

表2與表3中，傳統的封孔工藝進行裝藥、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），炮眼利用率達到90.4%，單循環進尺提高14.6%，工作效率提高304%。使用新型封孔工藝，在炮孔中實現耦合裝藥結構，單循環進尺顯著提高，未發生沖孔現象，滿足施工要求。

4結論

1）針對掘進爆破中易沖孔、操作復雜等問題，研發了一種高黏度、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定性和剪切變稀的流體性質：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，實現了機械化封孔作業，解決了掘進爆破封孔工藝復雜、封孔效果差等難題。封孔后的裝藥結構為流體耦合裝藥，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險。

3）該封孔技術在顧北煤礦巷道掘進施工中取得很好的效果，單循環進尺提高14.6%，工作效率提高304%；現已在淮南多數煤礦推廣運用。