炮孔填塞物的作用及其研究进展.pdf
2 0 0 9 年l O 月炮孔填塞物的作用及其研究进展周志强等 2 9 炮孔填塞物的作用及其研究进展’ 周志强∞易建政①蔡军锋①苟勇强国 ①军械工程学院 河北石家庄,0 5 0 0 0 3 ②总装工程兵驻沈阳地区军事代表室 辽宁沈阳,l1 0 0 0 4 ③解放军7 8 6 6 6 部队 云南昆明,6 5 2 1 0 0 [ 摘要] 文章综述了炮孔爆破中炮孔填塞物的作用及其研究进展,通过对填塞物作用的分析肯定了炮孔填塞的 必要性,全面介绍了炮泥、炮泥塞和炮泥机的发展现状,最后对填塞长度的计算进行了探讨。此综述为进一步探求 更加快速、简便、可靠的炮孔填塞技术打下了基础。 [ 关键词] 炮孔爆破填塞炮泥炮泥塞炮泥机 [ 分类号】T D 2 3 5 .1 T D 2 3 5 .4 4 l 引言 如何提高爆破施工效率、保证爆破质量、降低炸 药用量、节省工程成本、减少飞石和有害气体等问题 一直是爆破工作者长期研究的课题。炮孔爆破作为 爆破工程中广泛应用的方法,当然备受关注。理论 和实践证明,炮孔填塞是解决炮孔爆破中上述问题 最有效的方法之一。目前,人们对炮孔填塞物的研 究已取得了一定成果,本文将从填塞物作用的研究 和炮泥、炮泥塞及炮泥机的发展现状以及填塞长度 的研究三方面进行评述。 2 填塞物的作用 2 .1 炸药对岩体的爆破作用 通过长期的生产实践和科学试验,逐渐被大多 数人所接受的岩石爆破破碎机理是爆破时岩石的 破坏是爆生气体和爆炸冲击波共同作用的结果。但 关于爆炸冲击波和爆生气体对岩石破碎过程的影 响,不同的研究有不同的结论。徐颖等⋯通过硝铵 炸药爆破试验研究得出冲击波先于爆生气体作用, 冲击波能量占炸药爆炸能量的5 %一2 0 %,爆生气 体的作用能量所占比例超过5 0 %。中铁科学研究 院开展了条形装药爆炸能量的分配比例研究,得出 冲击波 包括应力波 能占4 3 .7 %,气体膨胀能占 5 6 .3 %【2 j 。陈建兵【3 1 通过对大量高速摄影资料和 国外水下爆破试验结论的研究认为冲击波超前于 爆生气体作用,岩石越坚硬,超前时间越多。因此岩 石的破碎过程可描述为爆炸冲击波使岩石产生裂 隙,爆生气体被压人裂隙形成气楔,使岩石进一步破 碎。爆生气体膨胀的动力作用是岩石破碎的主要原 因。 2 .2 炮孔填塞物的作用 从炮孔爆破出现到2 0 世纪7 0 年代人们常忽略 炮孔填塞问题,对填塞的作用认识不足。7 0 年代初 国内曾引进“无填塞反向起爆技术”,但后来因为爆 破效果差,负作用大而被放弃。 8 0 年代起国内外开始重视炮孔填塞问题,并开 展了填塞作用机理、填塞材料、填塞长度等一系列的 研究。S n e l l i n g 和H e u 研究了填塞炮泥量对铅柱中 爆炸空腔大小的影响,认为填塞质量的增加能导致 空腔体积增大.但填塞质量超过临界值后空腔体积 不再继续增大【2 】。P .J .H o m m e r t 在台阶爆破试验 中,测得填塞炮泥的爆破岩块动量比不填塞时大 6 4 %【2 】。赵新等进行了混凝土块试件填塞和不填 塞爆破漏斗体积对比试验,发现填塞炮泥时的爆破 漏斗体积比不填塞炮泥时大5 %一1 0 %,且爆破漏 斗周围裂隙的发育程度填塞时明显强于不填塞 时‘2 1 。唐中华‘引、陆文‘5 1 等开展了炮孔填塞作用机 理及填塞方法对爆破效果的影响研究,得出如图l 所示的结论。 1 一填塞;2 一不填塞 图1 填塞对炮孔压力的影响 收稿日期2 0 0 9 - 0 3 - 1 3 作者简介周志强 1 9 8 3 一 。男。在读硬士.主要从事工程爆破技术研究。E m a l l d u m 瑚1 1 9 8 3 y a h o o .锄.∞ 万方数据 3 0 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第3 8 卷第5 期 通过试验证明有填塞单孔爆破岩石量比无填 塞爆破大2 0 %一3 5 %;有效的填塞使爆生气体对岩 石的作用时间延长,进而节省炸药用量,提高炮孔利 用率,降低有毒气体的产生。三峡大学的汪传松教 授[ 6 .7 1 研究认为炮孔填塞体除封闭炮孔,防止气体 过早逸出而卸压,避免灼热气体、固体颗粒的飞散而 引起瓦斯、粉尘等爆炸外,还将改变被爆破介质的受 力形式、破坏形式和破坏范围,提高爆生气体压力峰 值,促进炸药充分反应,增加实际抵抗线,进而增大 被爆破介质受到的最有效破坏力。 以上国内外研究表明,炮孔填塞物对炮孔爆破 最终效果的影响是毋庸置疑的,合理的填塞可以延 长爆生气体作用时间,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。因此,爆破中的填塞问题不可忽视,必 须重视炮孔填塞技术的研究。我国爆破安全规程 G B 6 7 2 2 - 2 0 0 3 规定硐室、深孔、浅孔、药壶、蛇穴爆 破都应进行填塞。美国矿务局规定钻爆法必须进 行填塞,其他国家也有类似要求哺J 。从当前国内实 际情况来看,仅煤矿钻爆开采时的填塞要求比较明 确,规范的填塞大大降低了瓦斯、煤尘等爆炸的风 险,提高了开采效益。但由于爆破施工填塞不规范 而造成的伤亡事故时有发生。所以,开展不同爆破 类型、不同爆破对象时的最优填塞材料及填塞长度 研究,细化填塞要求,并列入爆破安全规程,将有利 于提高炮孔爆破的技术水平、安全程度和经济效益。 3 炮泥、炮泥塞及炮泥机的发展现状 炮泥和炮泥塞的种类繁多,炮泥填塞是目前应 用最广泛的填塞形式。9 0 年代,随着炮泥机在国内 的出现,炮泥制作实现机械化,炮孔爆破效率极大提 高。 3 .1 炮泥 炮泥是指堵塞炮孑L 的填塞物。目前炮孔填塞材 料主要有固体、胶体、液体等常用材料和新型材料。 3 .1 .1 常用材料 固体材料在爆破施工中最常见,主要是砂子、岩 粉、粘土及其混合物,具有高质量、高摩擦系数、容易 获得、成本低廉等优点,但材料类型和粒度要求较 高,强度往往达不到要求,粒度过大易产生飞石,且 施工效率低。唐中华等通过试验研究认为【9 】不同 的填塞材料可调节炮孔中爆生气体压力和作用时 间;合理的填塞材料类型和粒度可以使填塞量降低 4 1 %,且粒度为炮孔直径1 /2 5 的填塞材料作用效果 最好。中国铁道科学研究院爆破室在花岗岩试块中 进行了不同填塞条件的高速摄影试验,发现用砼严 密填塞炮孔的爆破,破碎块度小而且均匀,碎块运动 速度最大。同样条件下的粘土填塞爆破,块度增大, 碎块运动速度降低,而岩粉填塞效果最差B 】。 胶体材料是指有机物和水形成的胶结物或速凝 胶结物,在减少有害气体、降低尘灰等方面优于固体 材料。1 9 9 8 年,胡清样等o 】报道了一种凝胶型炮 泥,由硅酸钠、硫酸铝和植物胶组成,应用于煤炭开 采爆破。 水或空气也可作为填塞材料。水或空气填入炮 孔后实现不耦合装药,可削弱爆压峰值,延长爆生气 体作用时间,提高炸药爆炸的能量利用率,且水还能 降温、降尘、降爆破震动,减少有害气体的产生,因此 广泛应用于各类爆破中,注水式炮泥【1 1 - 1 3 ] 如图2 a 所示。水炮泥和空气炮泥密度小、强度低、与炮 孔壁的摩擦弱,虽号称炮泥,但实际上不能堵住炸药 爆炸的最初冲击,没有起到堵塞炮孔的作用,使用时 必须在孔口部填塞一定长度的土、砂。何广沂等u 叫 开发了一种水土复合封堵技术,适用于露天石方深 孔爆破。据应用试验结果看,该技术具有推广价值。 美国专利4 6 6 0 6 4 4 1 9 8 7 、W 0 9 7 /1 7 5 8 8 1 9 9 7 分别 公开了一种采用天然橡胶、合成聚合物等可变形材 料充注空气或水而膨胀的炮泥,如图2 b 所示。这 两种炮泥结构独特,使用方便。 T 垆厂、 l7 _ 研 / M ,P 、6 守- 石卜公一a 兮’备、 。、 。 ...一. 2 / 嚣矍墅 a 图2 注水 充气 式炮泥 3 .1 .2 新型材料 工程爆破中,通常使用固体材料或胶体材料加 水的新型混合炮泥。唐中华等【.】研究认为最好的 堵塞方法是水和碎石 或砂 组成的复合堵塞。黄 嵩[ 1 列总结工程实践提出炮泥中的粘土、砂和水的 配比以5 4 1 为最佳,且砂石块度不大于3 0 姗。 汪传松等【I 引研制了一种新型炮孔堵塞料包,其配方 是在Z Q 矿质粉砂水 l 1 2 .5 的砂浆中掺 入少量7 4 型速凝剂、K 型促硬剂和膨胀剂。据文献 [ 1 7 ] 报道,这种新型堵塞材料在抗滑和抗剪能力、 炮孔中的运动形式、传递爆生气体压力的作用及吸 收的爆炸能量等方面优于传统堵塞材料。2 0 0 6 年6 月6 日。在三峡R C C 围堰拆除爆破中应用了一种专 用刚性炮孔堵材,由K T 胶凝剂、砂、水和多种添加 剂组成,具有很好的密实性、耐水性等优点引。 万方数据 2 0 0 9 年1 0 月炮孔填塞物的作用及其研究进展周志强等 3 l 3 .2 炮泥塞 炮泥塞是一种为方便堵塞炮孔而专门设计的填 塞物,一般采用塑料、橡胶、木材或陶瓷材料,具有强 度高、结构简单、操作方便等优点。笔者通过广泛的 调研和查阅资料认为,现行的炮泥塞可分为三类底 锥形炮泥塞、楔形炮泥塞和膨胀螺丝形炮泥塞。 3 .2 .1 底锥形炮泥塞 底锥形炮泥塞的特点是底部有一定锥度,如美 国专利5 2 4 7 8 8 6 1 9 9 3 、5 8 4 1 0 6 0 1 9 9 8 、5 9 3 6 1 8 7 1 9 9 8 ;中国专利2 7 4 3 7 8 6 Y 2 0 0 5 ,见图3 。这类 炮泥塞一般由塑料制成,具有适应性强、使用方便、 成本低等优点,但不能单独使用,塞入后需再加炮 泥。图3 c 是美国M O C A P 公司研制的炮泥塞,名 为V A R I - S T E M ,相关报道较多,实现了产品化和系 列化。 幽冒罂固攀 a 嘞 c d 图3 底锥形炮泥塞 3 .2 .2 楔形炮泥塞 楔形膨胀组合是最常见的一种炮泥塞结构,如 中国专利2 1 5 3 0 3 6 Y 1 9 9 4 、2 1 7 7 2 2 2 Y 1 9 9 4 、 2 3 3 5 1 1 9 Y 1 9 9 9 ;南非专利2 0 0 4 /9 3 4 8 2 0 0 4 ; W O 0 2 佃0 8 7 3 A l 2 0 0 2 、2 0 0 5 /0 7 1 3 4 9 A 1 2 0 0 5 、 2 0 0 8 /1 0 0 3 4 7 A 2 2 0 0 8 ;俄罗斯专利2 3 2 9 4 3 4 C 1 2 0 0 6 ;澳大利亚专利2 0 0 8 2 0 1 4 3 2 A 1 2 0 0 8 ,这些 专利很具代表性,可以由塑料、木材或陶瓷等制成, 见图4 。对于这类炮泥塞,笔者曾开展过试验研究, 认为没有预压或无炮泥再封口时,楔形炮泥塞作用 甚微;有预压或有炮泥再封口时,作用效果明显,但 若出现盲炮,难以排除。 图4 楔形炮泥塞 3 .2 .3 膨胀螺丝形炮泥塞 膨胀螺丝形炮泥塞也用到楔形膨胀组合的原 理,结构简单,如中国专利2 6 3 8 0 , 2 1 Y 2 0 0 4 ;w O 2 0 0 5 /0 7 1 3 4 9 A 1 2 0 0 5 、2 0 0 6 偶2 3 4 2 A l 2 0 0 6 ;俄 罗斯专利2 2 8 4 0 1 1 2 2 2 0 0 6 ,见图5 。这类炮泥塞 的堵塞可靠度比楔形炮泥塞有所提高,可单独使用, 除适用于下向孔、斜孔和水平孔外,还适用于上向孔 的填塞。 图5 膨胀螺丝形炮泥塞 长期以来,许多爆破工作者试图用炮泥塞代替 炮泥,以实现快速装填、可靠封堵,但从实际应用情 况看,炮泥塞脱离炮泥单独使用的效果不好,未见大 范围工程应用的报道。主要原因是炮孔的填塞问 题本身是个复杂的课题,填塞物的材料、直径及长度 与爆破类型、地质特性、钻孔误差等因素有关,所以 要实现炮泥塞的广泛应用,仍需继续攻关。 3 .3 炮泥机 炮泥机是指机械化制作或填塞炮泥的专用设 备.包括炮泥制作机和炮泥填塞机,它们的使用可保 证炮泥质量,降低操作人员的劳动强度,进而提高爆 破效益。据文献[ 8 3 报道,由中铁西南科学研究院 研制的P N J - 1 型炮泥制作机,1 9 9 8 年初开始在秦岭 隧道施工中使用。列2 0 0 3 年,该院生产的炮泥制作 机实现系列化。张连福等9 1 研制的W P N - A 型炮泥 制作机和栾照明啪】研制的P z .Ⅱ型炮泥制作机,投 人煤矿井巷施工和煤炭回采后,都取得较好的效果。 目前,国内专业生产炮泥制作机的单位很多,如中铁 西南科学研究院、南鑫洋矿山机械厂、巩义市东方机 械厂、泰安科创矿山设备有限公司等。相对而言,关 于炮泥填塞机的报道较少,除在某些大型工程中使 用了炮孔填塞车外,填塞施工仍需人工操作,产品未 实现系列化。 从相关对比数据看【..1 ,9 ,1 ..1 】,炮泥、炮泥塞和炮 泥机在爆破工程中的使用不同程度地提高了炸药爆 炸能量利用率,减少了爆破飞石和污染,改善了爆破 效果,保证了工程质量,经济效益可观,值得推广。 随着节能环保要求的不断提高,水炮泥与固体炮泥 的组合炮泥应用前景更加广阔。炮泥塞和炮泥机的 应用是实现炮孔填塞自动化、机械化的有效途径,值 得进一步研究。目前存在的问题是人们对炮泥、炮 。嚏婚悖罐蛭滋障銎艘随耀溉籍缝雕隧静.鳓瓣戳溢 koh”翻~掣,椭幽 。糖嘲潮渊园黔敷建勃儿翘谧嚏矗嘶毪 、趴修 ,、一一 蕾唾瞳啊幔墨曩■r量■l 啦 雷 缀魄粼鐾 万方数据 3 2 爆破器材E x p l o s i v e M a t e r i a l s 第3 8 卷第5 期 泥塞和炮泥机作用的认识还不够统一,炮泥、炮泥机 没有规范的标准要求,对炮泥塞的研究投入太少,这 些都制约了它们的广泛应用。 4 填塞长度的研究 4 .1 理论计算 依据炮孔填塞物作用机理,利用大量基础理论。 通过建立模型来理论计算炮孔填塞长度是目前广泛 应用的方法之一。杨年华等【2 1 考虑岩石特性、炮泥 作用时间和密度,忽略填塞物摩擦阻力,推导出开挖 隧道爆破的合理填塞长度 z 芒三 1 4 v , p 4 F 瓦o - d ‘。 式中L 饱孔深度; 以岩石的纵波波速; p 拖泥密度; p o 装药密度; d 炮孔直径。 陈士海等瞳利用C .W .利文斯顿爆破理论推 导出台阶爆破的合理填塞长度计算公式为 P 旷损n 饥n ’ 一2 5 d 2 狄n o .4 o .6 n 3 一 式中形最小抵抗线; 珏台阶面上的爆破作用指数5 n ’地表面上爆破作用指数; d 炮孔直径; Z 填塞长度。 王能金陋1 提出控制爆破中炮孔合理填塞长度 z 2 吖2 .2 q P o 巧l 笪 石 3 式中舶装药密度; 厶炮孔深度; q 炸药单耗。 罗勇等‘驾’认为若要获得良好的爆破效果,填 塞物在炮孔中运动的时间I 应大于岩石破碎所需要 的时间“,即 后而番镉 百2 W 4 - 詈 4 √p 【 d l /d 2 ∥ z l z 】7 7 t I ,% 、。7 式中p 饱泥密度; Z 填塞长度; L 炮孔深度; p 炮孔内爆生气体压力; d 炮孔直径; d 广一压缩粉碎圈形成后的炮孔直径; q 岩石的纵波波速; 蚱岩石的横波 瑞利波 波速; 卜最小抵抗线; 7 爆生气体绝热指数。 从上述公式可见,影响爆破效果的因素被越来 越多地考虑到炮孔填塞长度的理论计算中。但目前 爆破中仍有很多复杂的因素不能定量,理论计算时 往往将某些环境条件或材料特性理想化,导致计算 结果不够准确。因此,在绝大部分爆破工程中炮孔 填塞长度的计算以经验公式为主。 4 .2 经验公式 经验公式的推导是以测试数据为基础,以长期 的经验为佐证,包容了大量的实际因素,使经验公式 具有一定的可信度。长期以来,靠爆破实践经验确 定的炮孔填塞长度大部分由最小抵抗线或炮孔直径 来确定。1 9 5 3 年,苏联学者B .A .A C C O H O B 指出 炮孔填塞长度应比最小抵抗线的值大1 0 %一 1 5 %Ⅲ】。澳大利亚学者哈里斯和哈根认为填塞长 度大约与抵抗线相等j 是炮孔直径的1 6 - 4 8 倍Ⅲ】。 T .N .H a g o n 等从安全角度出发,提出填塞长度为孔 径的2 0 2 5 倍H j 。 对于台阶爆破,合理填塞长度主要取决于所爆 破的岩体条件,节理裂隙极端发育的岩体,可采用较 长的填塞;致密、坚硬、节理裂隙不发育的岩体,合理 的填塞长度一般为最小抵抗线的0 .7 1 .0 倍,或装 药直径的2 0 一3 0 倍瞄J 。 潘辉霞Ⅲ】主编的 规定浅孔爆破中, 钻孔直径在2 5 5 0l n l n 时,填塞长度不能小于1 8 4 5c m ,且填塞长度一般不能小于最小抵抗线;深孔 爆破中,当爆破区环境不允许有飞石时,填塞长度要 取孔径的3 0 3 5 倍;允许有飞石时,填塞长度可取 孔径的2 0 一2 5 倍。 黄嵩【l 副认为浅孔爆破中填塞长度不能小于最 小抵抗线。深孔爆破中填塞长度要求如表l ,形为最 小抵抗线。 表1 深孔爆破中填塞长度 填塞长度 Z 内部作用爆破 减弱松动爆破 松动爆破 加强松动爆破 标准投掷爆破 1 .6 5 驴 1 .1 0 可一1 - 6 5 形 0 .8 0 Ⅳ一1 .1 0 Ⅳ o .6 5 矽一o .8 0 矽 0 .6 5 形 国内露天爆破填塞长度常用的经验公式为‘2 7 1 Z 0 .6 7 2 .0 矽 5 式中Z 饱孔堵塞长度; 万方数据 2 0 0 9 年l O 月炮孔填塞物的作用及其研究进展周志强等 3 3 弘最小抵抗线。 C .J .K o n y a 通过试验总结的爆破填塞长度经验 公式为【2 】 Z 0 .1 8 , / 1 2 .7 8 3 1 np 一1 0 7 .4 3 6 式中p 炮孔内爆生气体压力; d 炮孔直径。 随着人们对爆破质量、爆破安全、工程效益等要 求的不断提高,炮孔合理填塞长度的准确度要求也 越来越高。综合考虑设计参数、岩石特性、炸药性 质、填塞物材料和工程要求等因素,通过理论推导和 经验公式的组合来计算最优长度是炮孔填塞长度研 究的趋势。 参考文献 [ 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,1 9 9 8 , 4 2 4 2 6 . 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P r o g r e s s0 1 S t u d yo nB l a s t h o l eS t e m m i n ga n dI t s /k e t l o n Z H O I JZ h i q i 锄g ∞,ⅥJ i 4 m z h e n g ①,C A IJ u n f e n g 。D ,C , O I JY o n g q l a n g o I O t d i l a n t ∞E I I g i ∞耐I l gC o l l e g e t I e b e iS h i j i a z h u a n g ,0 5 0 0 0 3 参E I l g i n 鲥M i l i t a r yR e p r e s e n t a t i v eO t t l e e0 ft h eG e n e r a lA 删嘴廊D e p a r t m e n ti nS h e n y n n gA r e a L i a o n i n gS h e n y n n g ,11 0 0 0 4 ③N o .7 8 6 6 6I J n i to fP L A Y t t r m a nK u n m i n g 。6 5 2 1 0 0 【A B S T R A C T ] ‰p r o g r e 8 8o fs t u d y ∞b l a s t h o l es t e m m i n ga n di t sa c t i o ni nb o r e , h o l ee x p l 0 6 i o ni ar e v i e w e di nt h ep a p e r . T h ea n a l y s i so fs t e m m i .ga e t l o nt e l l s 啦a b o u tt h en e e e s s i t y0 ft a m p i n g .A n dt h ec u r r e n t 。诚瑚o f 积期Ⅲi I l g ,s 蛔n m i I 唱p l u g a n ds t e m m i n gm a c h i n e 哪i n t r o d u c e dc o m p l e t e l y .‰e a l e t t l a t i o no ft 岫西唱l 肌g t hi sd i s e m e di nt h ee n d .T h i sp a p e ra f - 蛔ah u ef o rt ks t u d yo nm O l t 色f a s t ,c o n v e n i e n t 。a n dr d i a b l eb l a s t h o l ea t e m m i n gt e d m o l , 瞄, f u r t h e r . [ K E YW O R D S ] b o r e h o l ee x p l 0 6 1 ∞,t a m p i n g ,s t e m m i n g ,g t m m i n gp l u g ,l l t e n a l 玎i I l gm a c h i n e 万方数据