深孔预裂爆破联合封孔技术研究.pdf

总 第1 9 3 期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 52 7 9 8 ． 2 0 1 5 ． 0 9 ． 0 0 4 深 孔 预裂 爆 破 联合 封孔 技 术研 究 陈春 阳 ， 1 ． 中国矿业大学 北京资源与安全工程学院， 北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 潞安环能股份公司 王庄煤矿 ， 山西 长治0 4 6 0 3 1 摘要 针对上行爆破孔存在封堵困难易发生冲孔和现有封孔方法存在工艺复杂问题， 提出了“ 砂管 聚 氨酯”黄泥联合封孔方法， 并在王庄煤矿6 1 1 6工作面深孔预裂爆破试验中， 对新的联合封孔方法进行应 用 ， 试验结果验证了该封孔方法的安全性 ， 降低上行爆破孔冲孔事故的发生， 并极大地提高封孔效率。 关键词 预裂爆破； 上行孔； 封孔； 安全性； 效率 中图分类号 T D 3 2 7 ． 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 5 - 2 7 9 8 2 0 1 5 0 9 0 0 1 0 - 0 3 De e p Ho l e P r e - s p l i t t i n g J o i n t S e a l i n g Ho l e s B l a s t i n g Te c h n o l o g y Re s e a r c h CHEN Ch u n- y a n g ， 1 ． R e s o u r c e s a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e o fC h i n a U n i v e i t y ofMi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 ． W a n g z h u a n g C o a l Mi n e of ，Ⅱ n E n v i r o n m e n t a l E n e r g y D e v e l o t men t C o ． ， L t d ． ， C h a n g z h i 0 4 6 0 3 1 ， C h i n a Ab s t r a c t F o r t h e u p l i n k b l a s t i n g h o l e s e a l i n g d i ffic u l t i e s a n d p r o n e t o p u n c h i n g p r o c e s s c o mp l e x p r o b l e ms e x i s t i n g h o l e s e ali n g me t h - o d ， p u t f o r w a r d t h e” S a n d t u b e P o l y u r e t h a n e ”Y e l l o w E a r t h j o i n t h o l e s e a l i n g m e t h o d ， a n d 6 1 1 6 w o r k i n g f a c e o f d e e p h o l e p r e s p l i t t i n g b l a s t i n g e x p e ri m e n t i n Wa n g z h u a n g C o al Mi n e ， t h e n e w j o i n t h o l e s e al i n g me t h o d s f o r a p p l i c a t i o n o f t e s t r e s u l t s v e ri f y t h e s a f e t y o f t he h o l e s e ali n g me t h o d r e du c e u pwa r d b l a s t i n g h o l e p un c h i ng， a nd g r e a t l y i mpr o v e t h e e ffi c i e n c y o f h o l e s e a l i ng ． Ke y wo r d s p r es p l i t t i n g b l a s t i n g； t h e u p wa r d h o l e ； h o l e s e a l i n g ； s e c u ri t y； e ffic i e n c y 深孔预裂爆破致裂技术是利用切槽或控制孔 的 导 向和补偿作用将炸药爆炸能量沿特定方 向作用于 煤体来进行煤体致裂增透 ， 促使煤层裂隙发育扩展 ， 提高瓦斯抽采效果进而达到煤体消突 目的。在王庄 煤矿6 1 1 6 工作面深孔预裂爆破试验中， 沿煤体倾斜 方 向设计上行爆破孔。由于上行爆破孔封孔时 ， 存 在吹砂困难。 造成黄砂封孔段无法充填炮孔。 使先前 应用于上行孔和水平孔 的“ 黄砂 黄泥” 封孔方法 无法保证封孔质量 ， 为解决该上行孔安全快速封孔 问题 ． 提出了“ 砂管 聚氨酯 ”黄泥联 合封 孔方 法 1 “ 砂管 聚氨酯” 黄泥联合封孔方法 1 ． 1 封 孔 方法使 用 现状 目前常 用 的钻孔 封孔工 艺E 1 有 黄泥封 孔 ， “ 黄砂 黄泥” 封孔， “ 聚氨酯 砂浆” 封孔等。黄泥 封孔法易于取材， 但所需工作量极大 ， 而且黄泥与岩 壁 间的粘合力不 大 ， 推送 时， 刮擦 煤岩壁 易形 成空 腔， 造成封孔不严 “ 黄砂 黄泥” 封孔法操作相对 1 0 比较简单 ， 风力吹砂 ， 但 当爆破孔倾角过大时， 存在 吹砂困难 “ 聚氨酯 砂浆” 封孔方法适用 于无含水 层的大倾角爆破孔封孔 ， 有效封孔长度长 ， 但水 泥砂 浆凝固时间较长， 影响及时起爆。因此， 针对上行孑 L 封孔问题 ， 有必要对原有封孔工艺进行改进和完善 。 1 ． 2 封孔原理 “ 砂管 聚氨酯”黄泥联合封孔方法 图 1 基 本原理 利用黄砂和 P V C管制成 的砂管 ， 聚氨酯和 黄泥等四种封孔材料进行联合封孔 。爆破孔里段采 用聚氨酯袋捆绑砂管 ， 一方面 ， 聚氨酯膨胀 固化后强 烈挤压砂管 。 与砂管间具有较强的粘结力 ， 起到固定 P V C管的作用 ； 另一方面 ， 爆破孑 L 孔壁 凹凸不平 ， 且 有一定裂隙， 聚氨酯液能填满这些裂 隙和 凹凸不平 的孔壁表面． 固化膨胀后能与孔壁互相机械咬合 ， 类 似于一个个钩子钩住被粘结的砂管 ； 再者 ， 靠近预裂 药卷柱 的砂管在炸药引爆时 ， 由于受到爆炸 冲击波 的作用 ， 砂管被炸毁一部分 ， 露 出黄砂 ， 而黄砂对后 续的爆生气体具有很好 的缓冲作用 ， 末节砂管尾部 安装的尾塞能起到固定孔 内沙子 的作用 ． 外段 的封 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 6 - 2 4 作者简介 陈春阳 1 9 8 6一 ， 男， 山西原平人 ， 在读工程硕士， 助理工程师， 从事生产技术管理工作。 2 0 1 5年9月 陈春阳 深孔预裂爆破联合封孔技术研究 第2 4卷第9期 黄泥属于一个加强封孔强度的保护措施 。 砂 图 1 “ 砂管 聚氨酯”黄泥联合封孔方法示意 1 ． 3封孔工艺 联合封孔工艺采用两段封孔结构 ， 其 中在爆破 孔里段利用砂管捆绑聚氨酯封孔 ， 爆破孔外段利用 黄泥封孔。 1 “ 砂 管 聚氨 酯” 封孔 段。① 制作 砂管 。 将空 P V C管的一端用黄泥封牢 ， 从另一端 口往里面 灌粗砂 ． 待粗砂灌满后 ， 将该端也用黄泥填塞住 。依 此方法 。 制作其余所需砂管。随后 ， 在制备好 的砂管 靠近两端 1 ／ 3处用透明胶带捆绑聚氨酯。②送砂 管。待装药工艺完成且导通正常后 ， 开始进行封孔 。 在封孔前 1 m i n ， 将聚氨酯两种反应液挤到一起进行 揉搓 。 之后迅速 向爆破孔 内所有砂管送入 。 砂管间连 接方式为套接 。待砂管全部送人爆破孔 内后 。 再 用 通过螺纹连接的探杆将其推送到指定位置即可 。 2 黄泥封孔段。①预制黄泥卷。封孔所用的 黄泥需提前制备， 规格要求为 直径 为 5 0 ra i n ， 长为 1 0 0 2 0 0 i l l n l ， 有一定 的粘合力。 风干一段时间后使 用。②封泥。将黄泥卷放人孔 口处 ， 用炮棍逐节推人 孔中， 每推 3节捣实一次， 如此操作直至完成封孔。 2 封孔长度理论分析 进行封孔长度理论分析时 ， 需要进行 以下简化 处理 ①由于聚氨酯终凝后 。 其强大的膨胀力和粘结 力强烈挤压砂管 ， 使两者间具有很强的粘结力 ． 可以 把此看作一个整体； ②炸药引爆后， 会对靠近药柱区 的封堵长度有一个破损 ， 由于该失效长度较短 ， 也可 忽略。 炸药起爆后 ， 爆炸载荷对炮孔壁 的作用过程 由 爆炸冲击波的动态作用和爆生气体 的准静态压力作 用两部分组成。一般来说 。 冲击 波的作用 时间为数 十微秒 ， 而爆生气体的作用时间可达到数百微秒E ， 如果炮孔封堵更严 ， 则其作用时间更长。另外 ， 炸药 的潜能大部分存在于爆生气体 中。由此可见 。 爆生 气体对孔壁能否有效封堵起着重要 的影响。 预裂爆破装药结构采用径 向不耦合装药 。 作用 于炮孔壁的压力 P表示为_ 6 J P V P P j L w 々 号 1 ／ - j P p 。 D 0 2 ／ ／ 2 2 k 2 式 中 P； 为炸药爆 炸临界 压力 ， 取 21 0 。P a ； P 为平均爆轰压力 ， P 。 为炸药 的密度 ， g ／ c m ； 为 炸药 的爆速 ， m ／ s ， k为等熵指数 ， k3 ； 为绝热指 数 ， y1 ． 3 ； 为炸药体积 ， 1T I ； V为爆生气体充满炮 孔时的体积 ， m 。 假设上行孔倾角为 ， 要避免冲孔 ， 聚氨酯与孔 壁间的粘结力 F 需要大于爆生气体压力 F 和封堵 物质的重力分量 G s in a 。 才能保证爆破过程中的封孔 材料不与孔壁脱 落。由此 得出计算 封孔长度 的公 式 ， 如式 3 。 F ≥F b G s i n a 3 即 C 7 r X D X L≥ P7 r 7 r z s i n 4 式 中 C为爆破孔壁与聚氨酯间粘结强度 ， k P a ； D为钻孔直径 ， m； L为封孔长度 ， m； 为封孔物质的 容重 ， t ／ m 。 把式 1 代人式 4 中， 得封孔长度 为 ≥P j P w _ V c D ／ 4 c y D s i n 5 3 现场应用 3 ． 1 封孔安全性试验 1 试验地点概况。为验证“ 砂管 聚氨酯” 黄泥联合封孔方法 的效果 ． 在王庄煤矿 6 1 1 6工作面 进行 的深孔 预裂爆 破试 验 中尝 试 了该 封孔 方法。 6 1 1 6工作面位于 6 l 二上山盘区． 走 向长约 1 1 2 8 i n ． 倾向长为 2 0 7 i n ， 煤层构造呈单斜构造 ， 倾角为 8～ 1 5 。 ． 平均倾角为 1 3 。 2 现场试验封孔长度确定。通过对封孑 L 物质 理论分析 ， 得出安全条件下 的封孔长度的理论计算 公式 。实际上 。 y Ds i n a与 4 C相 比很小 。 只有在封孔 物质容重 、 倾角及钻孔直径较大时 。 才能对封孔长度 造成影响， 一般情况下可以忽略 ， 得到简化封孔长度 p V 公式为 L P i Jt w } D ／ 4 C。试验 中所用炸药 。 f- y 为乳 化 炸药 ， 药 卷 直径 为 4 5 mm， 密 度 为 1 ． 0 5～ 1 ． 2 5 g ／ c m ， 爆速为 3 5 0 0～ 5 0 0 0 m ／ s ， 爆破孔直径 7 5 m m。 据在实验室条件下测得 的五个不 同矿区煤 样与 聚氨酯间的粘结强度约 3 8 6 ． 1 5～4 9 6 ． 3 3 k P a ． 平均为 4 2 7 ． 2 5 k P a ， 该值作为粘结强度 c 。将 以上 各值代入 ， 计算得到封孑 L 长度 L8 ． 4 3 m。结合 以 往开展的预裂爆破试验封孔经验 ， 对计算 出的封孔 长度进行修正， 最终确定试验封孔长度合理取值应 为 1 0 m。 3 封孔材料 。联合封孔方法用到的封孔材料 1 1 2 0 1 5年9月 陈春阳 深孔预裂爆破联合封孔技术研究 第2 4卷第9期 主要有 黄砂 、 聚氨酯、 P V C管 、 黄泥 、 尾塞 、 炮 棍、 螺 纹探杆和透明胶带。 4 试验 封 孔参 数。在 6 l 1 6工作 面 共进 行 6次深孔预裂爆破试验 ， 炸药类 型为矿用三级乳化 炸药 ， 爆破孔直径均为 7 5 mm， 爆破孔倾角变化范 围 为 1 0 1 8 。 。爆破孔封孔方法都采用联合封孔方法． 封孔长 度均 为 1 0 i n ， 其 中， 在 爆破 孔 里段 距孔 口 2 ． 51 0 m， 采用“ 砂管 聚氨酯” 封孔 。 在爆破孔外 段距孔 口0～ 2 ． 5 n l ， 采用黄泥封孔。 5 封孔效果安全性分析 。预裂爆破试验后 ， 对试验爆破孔进行 了封孔效果 安全性考察 ， 主要考 察指标为 ①封孔施工过程 中， 有无损伤放炮母线影 响起爆； ②若起爆正常， 试验爆破孔有无发生冲孑 L 事 故； ③若试验爆破孔封孔成功， 爆破后巷道顶板是否 出现破坏； ④爆破孔附近巷帮煤壁有无损伤； ⑤爆破 后 ， 试验巷道 回风流内瓦斯有无超限等异常情况发 生。各试验孔封孔效果见表 I 。 表 I 6 1 1 6工作面 深孔预裂爆破试验封孔效果 从表 I中可以看出。 采用“ 砂管 聚氨酯”黄 泥联合封孔方法能满足安全封孑 L 的要求 ， 试验施工 过程 中没有发生损伤放炮母线 的情况 ， 试验孔均正 常起爆 。 无 冲孔事故发生， 爆破后巷道 内瓦斯未 出现 异常情况 ． 论证 了该封孔方法的可行性和安全性 。 3 ． 2 封孔效率对比试验 1 试验方案 。为 比较 “ 砂 管 聚 氨酯 ”黄 泥联合封孑 L 方法与其他预裂爆破孔封孔方法的封孔 效率 ， 在 6 l 1 6工作面分别进行了 4次黄泥封孔预裂 爆破试验和 4次 “ 黄砂 黄泥” 封孔预裂爆破试验 。 在进行封孔效率对 比分析 时， 由于各种封孔方 法封孔工艺和封孔原理不同， 所要求的封孔长度 ， 体 力劳动强度 ， 封孑 L 时间等因素都存在差异 ， 但封孔的 最终 目的是保证该封孔方法下 的爆破孔封孔安全 ， 因此 ， 封孔效率 的考察只需记录封孔数量 ， 参加人员 数量和封孔累积耗时。 2 数据对 比。深孔预裂爆破快速封孔方法现 1 2 场试验主要是对 比“ 砂管 聚氨酯 ”黄泥联 合封 孔方法与黄泥封孔 、 黄砂 黄泥封孔方法的封孔效 率 。现场封孑 L 试验效率结果见表 2 。 表 2 深孔预裂爆破 不同封孔方法封孔效 率 封 孔 方 式 赫 蒸 i 聱 3 结果分析 。从 3组封孑 L 对 比试验的结果可 以看 出， “ 砂管 聚氨酯”黄泥联合封孔方法较其 他两种封孔方法具有明显的封孔效率优势， 黄泥封 孔效率最低。新的联合封孔方法的封孔效率是“ 黄 砂 黄泥” 封孔方法的 1 ． 6 4倍 ， 使封孔效率得到极 大提高。 4 结语 1 “ 砂管 聚氨酯”黄泥联合封孔方法能 保证爆破条件下对上行爆破孔封孔质量 的要求 ， 爆 破后 ． 爆破孔及其附近未出现异常情况 。 有效地解决 了上行孔封孔难 的问题 ， 为上行孔封堵 提供新 的封 孔工艺。 2 在保 证安全封孔 的前提下 ， “ 砂 管 聚氨 酯”黄泥联合封孔方法有效地提高 了人工封孔效 率 参考文献 [ 1 ] 陈继虎． 浅谈水泥卷在快速封孑 L 中的应用[ J ] ． 矿业快 报 ， 2 0 0 5 1 5 05 3 ． [ 2 ] 李铁磊， 张仁贵， 王本强． 黄泥封孔测定煤层瓦斯压力 方法的改进[ J ] ． 煤矿安全， 1 9 9 4 4 1 71 8 ． [ 3 ] 吴水平． 囊袋式注浆封孔法在煤矿瓦斯抽采封孔中的 应用 [ J ] ． 煤矿安全 ， 2 0 1 0 6 9 81 0 3 ． [ 4 ] 陈杰， 金龙哲． 关于聚氨酯封孔可提高瓦斯抽放效果 的研究[ J ] ． 煤炭工程， 2 0 0 3 8 4 7 4 9 ． [ 5 ] 张志呈， 王刚， 杜云贵． 爆破原理与设计 [ M] ． 重庆 重庆大学 出版社 ， 1 9 9 2 ． [ 6 ] 张志呈． 定向断裂控制爆破 [ M] ． 重庆 重庆出版社 ， 20 0 0 [ 责任编辑 路方]