聚氨酯封孔材料在炮孔封堵中的应用探索.pdf

第 35 卷 第 1 期 2018 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 1 ▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂ Mar. 2018 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2018. 01. 023 聚氨酯封孔材料在炮孔封堵中的应用探索* 陆丽园， 王晓云， 赵显莹， 王作鹏 （中煤科工集团 淮北爆破技术研究院有限公司， 淮北 235039 摘 要 为探索聚氨酯封孔材料在炮孔封堵中的应用可行性， 通过理论分析炮孔中封堵物的受力情况， 对 聚氨酯封孔材料的力学性能与安全性能进行了试验研究。实验测试了聚氨酯封孔材料的抗压强度、 相对形 变以及弹性模量， 并采用拉拔法与推出法测试了聚氨酯材料的粘结力。结果显示 聚氨酯封孔材料的平均抗 压强度为 776. 2 kPa， 压缩变形为 10， 弹性模量均值为 16. 66 MPa； 拉拔法测得的聚氨酯封孔材料的粘结力 为 1788 N， 粘土的粘结力为 835 N； 推出法测得的聚氨酯封孔材料的最大推出力为 952 N， 粘结强度为 103. 8 kPa， 粘土的最大推出力为 692 N， 粘结强度为 75. 5 kPa。显然， 聚氨酯封孔材料的粘结力显著优于粘 土， 力学性能较好。鉴于聚氨酯材料的发热性， 测定了聚氨酯发泡过程的放热性及其对塑料导爆管传爆可靠 性的影响。结果显示 聚氨酯封孔材料在反应过程中温度较高， 且受用量、 环境温度等的影响， 存在一定的危 险性。 关键词 聚氨酯封孔材料；炮孔封堵；应用可行性；力学性能；安全性 中图分类号 TD235 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X 2018 01 -0142 -05 Study on Application of Polyurethane Foaming Material in Blast-hole Stemming LU Li-yuan， WANG Xiao-yun， ZHAO Xian-ying， WANG Zuo-Peng （China Coal Technology and Engineering Group Huaibei Blasting Technology Research Institute， Huaibei 235039， China Abstract In order to study the feasibility of application of polyurethane foaming material in blast-hole sealing， its mechanical properties and safety perance were tested by experiment based on theoretical analysis of the force of the plug in blast-hole. The compressive strength， relative deation and elastic modulus of polyurethane foaming materials were determined， and its bond strength was also tested by drawing and pressing . The results show that the average compressive strength of polyurethane sealing material is 776. 2 kPa， the compression dea- tion is 10， the average elastic modulus is 16. 66 MPa， the bond force of polyurethane sealing material using drawing is 1788 N and that of clay is 835 N， and the maximum bond force of polyurethane sealing material and clay u- sing pressing are 952 N and 692 N， the bond strength are 103. 8 kPa and 75. 5 kPa. Obviously， the bond strength of polyurethane sealing material is significantly better than that of clay and its mechanical properties are ex- cellent. In view of the exothermicity of polyurethane sealing material， the heat released in the process of polyurethane foaming and its influence on the detonation transfer reliability of the plastic tube were also tested. The results show that the temperature in the reaction process is high and influenced by the amount and environment temperature， which should be paid great attention. Key words polyurethane sealing material;blast-hole sealing;application feasibility;mechanical property; safety perance 万方数据 收稿日期 2017 -11 -10 作者简介 陆丽园 （1971 - ， 女， 高级工程师、 硕士， 主要从事民用爆 破器材研究，（E-mail hbluliyuan aliyun. com。 基金项目 安徽省科技攻关项目 （1501041125 炮孔封堵可以影响爆破的最终效果， 提高炸药 爆炸能量利用率， 减少飞石和有害气体， 降低瓦斯粉 尘等爆炸的风险， 改善爆破效果 [1-3]。目前常用的炮 孔封堵材料主要是钻孔过程中吹出的砂子、 岩粉、 粘 土及其混合物等， 主要用于下向炮孔的封堵， 就地填 进炮孔中， 依靠其重力作用对炮孔进行封堵， 价廉易 得。对于水平炮孔或倾斜炮孔， 则常用粘土进行 封堵。 将含一定水分的粘土， 采用人工捏制或用炮泥 机压制成型， 填塞到炮孔中， 再用棍棒捣紧实， 封堵 效果较好， 但操作繁琐， 劳动量大。 近年来出现了一些新型封堵材料 [4， 5]， 在常用 的矿石粉、 砂的基础上， 添加了粘结剂或胶凝剂， 如 水泥、 KT 胶凝剂等， 把松散的材料牢固胶结成一个 内聚力较强的整体封堵物， 大大提高了封堵效果， 但 整体封堵工艺复杂， 设备较多。 不论是传统封堵材料还是新型封堵材料， 其材 料性质从根本上限制了配套的设施设备及施工工 艺， 从而限制了炮孔封堵技术的发展。聚氨酯是一 种新兴的有机高分子材料， 已被作为优良的封孔 （灌浆 材料广泛应用于建筑物以及大坝、 水库、 沟 渠、 堤坝等水利设施的裂缝修补， 对煤矿、 地铁、 石油 开采、 地质钻探等领域工程堵漏、 防水、 防渗、 加固、 补强以及防腐等 [6， 7]， 但在炮孔封堵中的应用还未 见报道。 通过对炮孔中封堵物的受力分析， 着重研究了 聚氨酯封孔材料的力学性能、 安全性能及封堵效果， 为聚氨酯封孔材料在炮孔封堵中的应用奠定基础。 1 封堵物的受力分析 对于传统封堵材料如砂子、 岩粉、 粘土及其混合 物来说， 其封堵作用主要依靠其重力作用及受到冲 击作用后在炮孔中移动时产生的摩擦阻力作用 [8]。 但对于能聚结成一个整体封堵物的新型封堵材料来 说， 其对抗爆破气体压力的阻力主要来自于其与炮 孔壁之间的粘结力， 也可以理解为抗剪强度。这种 粘结力作用包括封堵材料与炮孔壁之间的胶结力与 机械咬合力。封堵材料反应生成的凝胶体与炮孔壁 表面形成的化学力就叫胶结力， 主要与封堵材料的 特性及炮孔壁的粗糙程度有关。这个胶结力能够在 封堵物受到气体推动作用时产生阻力， 使二者间的 相对运动受到强有力的约束。封堵材料与炮孔壁之 间的机械咬合力是由于炮孔壁凹凸不平致使封堵材 料嵌入形成的。显然， 能够形成整体封堵物的新型 封堵材料的封堵性能优于散粒料的封堵性能， 其对 抗爆炸气体压力作用的性能综合体现在抗压强度与 粘结力方面。 2 力学性能测试 通过对封堵物的受力分析， 可以看出决定封堵 材料力学性能的主要参数是抗压强度及封堵材料与 炮孔壁之间的粘结力。 试验所需聚氨酯发泡材料样品采用中煤科工集 团重庆研究院矿用新材料研究所提供的快速低温发 泡聚氨酯封孔材料。 2. 1 抗压强度的测试 验机-TY8000 系 列（50-5000N ，依 照 GB/ T88132008 硬质泡沫塑料压缩性能的测定 ， 测定 环境为 温度 （23 2 ℃， 相对湿度 （50 10 ， 选 取 5 组试样来进行测定， 测定中要求试样平整， 两个 平行面的平行度误差应小于 1， 无外表皮， 其厚度 为 50 1 mm， 圆形受压面， 直径为 60 mm。 按 GB/ T5342 规定， 将试样放到材料机的两块 平行板之间的中心， 以每分钟压缩试样初始厚度 10的速率压缩试祥， 记录压缩过程中的力值， 计算 试样的抗压强度、 相对形变与弹性模量， 如表1 所示。 表 1 试样的抗压强度、 相对变形及弹性模量 Table 1 Compressive strangth, relative deation and elastic modulus of samples 样品 密度/ （kgm -3 抗压强度/ kPa 相对形变/ 弹性模量/ MPa 试样 197. 0615. 01012. 83 试样 2185. 4849. 01018. 73 试样 3180. 4824. 91018. 17 试样 4129. 5686. 71014. 15 试样 5243. 5905. 61019. 40 平均值170. 1776. 21016. 66 测试结果表明， 聚氨酯试样的平均抗压强度为 776. 2 kPa， 压缩变形为 10， 弹性模量均值为 16. 66 MPa。 2. 2 粘结力的测定 图 1 是聚氨酯封孔材料在混凝土炮孔中封堵情 况的剖视图， 可以看出， 聚氨酯封孔材料充满了炮孔 壁， 并渗入到炮孔壁的缝隙中， 与炮孔壁牢固地粘结 在一起， 能有效地将爆生气体封堵在里面， 起到良好 341第 35 卷 第 1 期 陆丽园， 王晓云， 赵显莹， 等 聚氨酯封孔材料在炮孔封堵中的应用探索 万方数据 的封堵作用。 结合炮孔封堵材料在炮孔中的受力情况， 参考 建筑材料粘结力的测定方法， 本试验采用拉拔法与 推出法对聚氨酯封孔材料的粘结力进行测试。 图 1 封堵情况图 Fig. 1 Pictures of stemming 2. 2. 1 拉拔法测试粘结力 拉拔法测试粘结力的装置为自制装置， 其装置 及测试方法如图 2 所示。 将聚氨酯封孔材料倒入直径为 42 mm 的混凝 土炮孔中， 中间插入一根直径为 10 mm、 底部带一直 径为 18 mm 帽的钢筋， 待封堵材料固化后， 采用自 制装置将钢筋拔出， 测定将钢筋拔出所需的力作为 粘结力。为做对比， 用同样的方法测定了粘土封堵 炮孔的粘结力， 结果如表 2 所示。 表 2 拉拔法测试的聚氨酯封孔材料与粘土的粘结力 单位 N Table 2 Bonding strength of polyurethane sealing material and clay determined by drawing unit N 封堵材料试样 1试样 2试样 3试样 4试样 5 平均值 聚氨酯188318141766171817571788 粘土874758689891963835 图 2 拉拔法粘结力的测定 Fig. 2 Determination of bond strength by drawing 2. 2. 2 推出法测试粘结力 参照聚氨酯硬泡与粉煤灰混凝土之间的粘结力 测定 方 法 [9]， 将 聚 氨 酯 封 孔 材 料 倒 入 内 径 为 36. 5 mm的 PVC 管子里， 长度控制在 80 mm， 制成待 测试样， 待封堵材料固化后， 采用自制的装置对试样 进行轴向加载 （如图 3 所示 ， 直至将聚氨酯封孔材 料推出 PVC 管子， 记录下荷载作为最大推出力。测 试结果如表 3 所示。 同样的， 为做对比， 测定了粘土的粘结力。 图 3 推出法粘结力的测定 Fig. 3 Determination of bond strength by pressing 表 3 推出法测试的聚氨酯封孔材料与粘土的粘结力 Table 3 Bonding strength of Polyurethane sealing material and clay determined by pressing 封堵材料试样 1试样 2试样 3试样 4试样 5平均值 聚氨酯 最大推出力 F/ N1032984936936872952 粘结强度 P/ kPa112. 6107. 3102. 1102. 195. 1103. 8 粘土 最大推出力 F/ N672721714697655692 粘结强度 P/ kPa73. 378. 677. 976. 071. 475. 5 其中， P F A ， A πDh 3. 14 36. 5 80 9168. 8 mm2。 441爆 破 2018 年 3 月 万方数据 从测试结果可以看出， 拉拔法测得的聚氨酯封 孔材料的粘结力为 1788 N， 粘土的粘结力为 835 N; 推出法测得的聚氨酯封孔材料的最大推出力为 952 N， 粘结强度为 103. 8 kPa， 粘土的最大推出力为 692 N， 粘结强度为 75. 5 kPa。显然， 聚氨酯封孔材 料的粘结力显著优于粘土， 力学性能较好。 3 安全性能研究 根据聚氨酯封孔材料的特性， 其在发泡过程中 会释放一定的热量， 鉴于聚氨酯封孔材料是用于封 堵炸药包、 煤孔或者有瓦斯存在的矿藏爆破中， 如果 发泡过程中释放热量过大， 则可能引起药包爆炸、 煤 的燃烧、 瓦斯的爆炸等危险情况以及塑料导爆管受 热变形影响传爆可靠性等。所以必须测定聚氨酯发 泡过程的放热性及对导爆管传爆可靠性的影响， 来 衡量其用于封堵炮孔的安全性。 3. 1 反应放热性能研究 用 1000 ml 量筒模拟炮孔， 将两组分混合后倒 入其中， 中间插入温度计， 记录下最高温度， 结果见 表 4 所示。 表 4 试样反应过程中的最高温度 用量为 80 g Table 4 The highest temperature during the reaction process of samples80 g 试样 环境 温度/ ℃ 最高 温度/ ℃ 环境 温度/ ℃ 最高 温度/ ℃ 11511221102 215922190 315982078 4151102198 515902168 从表中可以看出（1 反应过程中温度较高， 有 的温度达到 112℃， 且受环境温度影响。 （2 环境温 度对聚氨酯封孔材料的反应性影响较大。对于等量 的同一样品， 其反应所放出的热量是相等的， 环境温 度越高， 则反应速度越快， 发泡倍率越高， 生成的发泡 材料体积就越大。在热量相同的情况下， 体积越大， 则其内部温度就越低。相反， 环境温度越低， 反应越 慢， 同等量的样品发泡体积就小， 则内部温度就高。 综上所述， 试样在反应过程中的温度受用量、 环 境温度等的影响， 存在一定的危险性。 3. 2 放热性对塑料导爆管传爆可靠性的影响 在炮孔中， 聚氨酯封孔材料会将导爆管包住， 考 虑到聚氨酯材料的放热性， 有必要考察聚氨酯的放 热性对塑料导爆管传爆可靠性的影响。 将 5 根塑料导爆管首尾绑住放入容器中， 然后 倒入混合好的聚氨酯封孔材料， 等反应结束后， 用起 爆器起爆塑料导爆管， 测试导爆管的传爆性能。测 试结果显示， 导爆管均能正常传爆。 4 结论 （1 对聚氨酯封孔材料的抗压强度、 相对形变 与弹性模量进行测试， 测试结果显示， 其平均抗压强 度为 776. 2 kPa， 压缩变形为 10， 弹性模量均值为 16. 66 MPa。 （2 采用拉拔法与推出法， 分别测试了聚氨酯 封孔材料与粘土封堵材料的粘结力， 拉拔法测得的 聚氨酯封孔材料的粘结力为 1788 N， 粘土的粘结力 为 835 N; 推出法测得的聚氨酯封孔材料的最大推 出力为 952 N， 粘结力为 103. 8 kPa， 粘土的最大推 出力为 692 N， 粘结力为 75. 5 kPa。从测试结果可 以看出， 聚氨酯封孔材料的粘结力明显优于粘土的 粘结力。 （3 测试了聚氨酯封孔材料的放热性， 反应过 程中温度较高， 有的温度达到 112℃， 且受用量、 环 境温度等的影响， 存在一定的危险性。 （4 考察了聚氨酯封孔材料的放热性对塑料导 爆管传爆可靠性的影响， 结果显示未见有显著影响， 导爆管传爆正常。 综上所述， 聚氨酯封孔材料的力学性能优异， 明 显优于传统封堵材料， 但存在反应放热性安全隐患， 需慎重。 参考文献 References [1] 徐 颖， 孙其圣. 浅析炮眼堵塞对爆破效果的影响 [J] . 煤矿爆破， 1998 （4 24-26. 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Journal of Guang xi University Nat Sci Ed， 2009， 34（1 9-12. （in Chinese ▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁ 科技论文写作小知识 摘要 摘要是以提供文献内容梗概为目的， 不加评论和补充解释， 简明、 确切地记述文献重要内容的短文。摘 要应具有独立性和自明性， 并且拥有与文献同等量的主要信息， 即不阅读全文， 就能获得必要的信息。一篇 完整的论文都要求写随文摘要， 按摘要的不同功能来划分， 大致有如下 3 种类型 1 报道性摘要 报道性摘要是指明一次文献的主题范围及内容梗概的简明摘要， 相当于简介。报道性摘要一般用来反 映科技论文的目的、 方法及主要结果与结论， 在有限的字数内向读者提供尽可能多的定性或定量的信息， 充 分反映该研究的创新之处。科技论文如果没有创新内容， 如果没有经得起检验的与众不同的方法或结论， 是 不会引起读者的阅读兴趣的， 所以建议学术性期刊 或论文集 多选用报道性摘要， 用比其他类摘要字数稍 多的篇幅， 向读者介绍论文的主要内容， 以 “摘录要点” 的形式报道出作者的主要研究成果和比较完整的定 量及定性的信息， 篇幅以 300 字左右为宜。 2 指示性摘要 指示性摘要是指明一次文献的论题及取得的成果的性质和水平的摘要， 其目的是使读者对该研究的主 要内容 即作者做了什么工作 有一个轮廓性的了解。创新内容较少的论文， 其摘要可写成指示性摘要， 一 般适用于学术性期刊的简报、 问题讨论等栏目以及技术性期刊等只概括地介绍论文的论题， 使读者对论文的 主要内容有大致的了解， 篇幅以 100 字左右为宜。 3 报道-指示性摘要 报道-指示性摘要是以报道性摘要的形式表述论文中价值最高的那部分内容， 其余部分则以指示性摘 要形式表达， 篇幅以 100 200 字为宜。 论文发表的最终目的是要被人利用， 如果摘要写得不好， 在当今信息激增的时代论文进入文摘、 杂 志、 检索数据库后， 被人阅读、 引用的机会就会少得多， 甚至丧失， 一篇论文价值很高， 创新内容很多， 若写 成指示性摘要， 也可能会失去较多的读者。所以一般地说， 向学术性期刊投稿， 应选用报道性摘要形式， 只有创新内容较少的论文， 其摘要可写成报道-指示性或指示性摘要。 641爆 破 2018 年 3 月 万方数据