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大断面隧道掘进中炮孔快速堵塞新方法研究 ① 马春德1，2， 刘泽霖1， 王业顺1， 龙 珊1， 谢伟斌1， 赵新浩1 （1.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083； 2.中南大学 高等研究中心，湖南 长沙 410083） 摘 要 为了提高矿山巷道的掘进速度，针对使用黏土作为炮孔堵塞材料的传统堵塞方式存在的劳动强度大、耗时长、效率低、无 法与地下空间大断面隧道快速掘进相匹配的问题，提出了一种“水炮泥＋膨胀泡沫”组合式炮孔快速堵塞新方法。 实验室内膨胀泡 沫堵孔强度实验和新疆东天山特长隧道的现场爆破试验结果证明与传统堵塞方法相比，该炮孔快速堵塞新方法具有堵孔强度高、 炸药单耗低、爆破进尺高、劳动强度低、堵孔耗时短等优势，具有重大的推广应用价值。 关键词 大断面隧道； 炮孔； 堵塞材料； 爆破； 水炮泥； 膨胀泡沫 中图分类号 TD714文献标识码 Adoi10.3969／ j.issn.0253－6099.2020.04.002 文章编号 0253－6099（2020）04－0006－04 A New for Rapid Blockage of Boreholes in Large-Section Tunneling Excavation MA Chun-de1，2， LIU Ze-lin1， WANG Ye-shun1， LONG Shan1， XIE Wei-bin1， ZHAO Xin-hao1 （1.School of Resources and Safety Engineering， Central South University， Changsha 410083， Hunan， China； 2.Advanced Research Center， Central South University， Changsha 410083， Hunan， China） Abstract The traditional plugging using clay as a plugging material for blast holes is labor-intensive， time-consuming， inefficient， as well as unable to accommodate the rapid advancement of underground large-section tunnel excavation. In view of the existing problem， a new for rapid blockage of blastholes， consisting of “water stemming plus expansive foam”， was proposed. The results from laboratory experiment on the strength of plug with expansion foam and on-site blasting test of the super-long tunnel in Xinjiang East Tianshan prove that the new rapid plugging for the blasthole， compared with the traditional ， is characterized by high plugging strength， low unit consumption of explosive， high blasting footage， low labor intensity， short time for plugging and among others. It is of great value in promotion and application. Key words large-section tunnel； blasthole； plugging material； blasting； water stemming； expansive foam 地下空间的开挖多采用爆破法，而炮孔堵塞是爆 破施工中的重要环节。 炮孔堵塞与否虽然对爆炸冲击 波的波峰值影响不大，但对其后爆生气体压力降低速 率及其对岩石产生致裂作用的时间影响显著，而炮孔 堵塞材料的选择［1－2］、堵塞结构及几何参数［3－10］等对 爆破效果都有重要的影响。 近些年来，越来越多的大断面隧道、超大断面隧道 成为了工程建设中的控制性工程，安全、快速掘进，成 为施工的首要问题。 许多研究使用水泡泥来解决井下 爆破降尘和减少炮烟效果不理想的问题［11－12］。 在垂直孔的爆破中，可用岩屑进行堵塞，炮孔堵塞 较为容易，但在地下隧道或巷道的非垂直孔施工中，由 于炮泥制作复杂、搬运困难且不易保存，实际堵孔工作 效果差，或直接不进行堵孔，出现长距离飞石和低进尺 情况，无法适应地下空间大断面隧道快速掘进的技术 要求。 本文提出了“水炮泥＋膨胀泡沫”的组合式炮孔 快速堵塞新方法，通过室内实验和现场试验两种方式， 来证明该方法的堵塞效果。 1 炮孔快速堵塞结构 炮孔快速堵塞新方法结构示意如图 1 所示，主要 包括圆柱形水炮泥袋和堵孔用膨胀泡沫两个部分，水 ①收稿日期 2020－02－21 基金项目 新疆维吾尔自治区重大科技专项（2018A03003-2）；中南大学中央高校基本科研业务费专项资金（2018zzts734） 作者简介 马春德（1976－），男，辽宁丹东人，博士（后），副教授，主要研究方向为岩石力学与采矿工程。 通讯作者 刘泽霖（1995－），男，贵州织金人，硕士研究生，主要研究方向为岩石力学与采矿工程。 第 40 卷第 4 期 2020 年 08 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.40 №4 August 2020 袋可为一个或多个，总堵塞长度为 l，其中水袋长度为 lw，膨胀泡沫堵塞长度 lf，实际喷射膨胀泡沫长度 lf1， 预留膨胀长度 la，如式（1）所示。 l ＝ lw ＋ l f1 ＋ l a （1） 雷管炸药膨胀泡沫水泡泥 l lf lalf 1 lw 图 1 炮孔快速堵塞结构示意 1.1 柱状水炮泥袋 柱状水炮泥袋如图 2 所示，长 200～300 mm，由袋 体、卡喉、卡口栓塞三部分组成。 其中袋体为聚乙烯塑 料，不易被划破，外径比炮孔直径略小，卡喉材质为硬 质塑料，中间设置注水孔，卡口栓塞实现局部自锁，达 到阻水的作用，防止漏水。 袋体卡喉 袋口注水孔 卡口栓塞 图 2 水炮泥袋结构示意 1.2 堵孔用膨胀泡沫 堵孔用膨胀泡沫为聚氨酯泡沫填充剂，属湿固化 泡沫，正常使用温度为 5～40 ℃，且湿度越大、固化越 快，在湿度较大、温度适中的隧道环境中，快速固化效 果极佳。 在隧道爆破中，堵塞长度 l＝（16.2～22.7）d（d 为钻 孔直径，凿岩台车钻孔直径一般为50 mm，l＝1 m），泡沫 膨胀剂的膨胀比为 1∶ 60～1∶ 80，1.5 L 泡沫膨胀剂膨胀 后体积约 90 L，凿岩台车打孔每个炮孔所需堵塞体积 约 2 L，除去水炮泥占去的部分长度 lw≈20～40 cm，一 瓶泡沫膨胀剂就可堵塞近 55～75 个孔，单个循环全断 面爆破 2～3 瓶泡沫膨胀剂就可满足堵塞耗材要求。 2 膨胀泡沫堵孔强度测试 爆破试验存在一定困难，而静力学条件下材料的 力学性能在一定程度上能表示其动力学条件下的力学 特性，因此，本文设计了一个堵孔效果对比实验模型， 如图 3 所示，用一块平整的长方体砂岩石材（长宽 高＝ 400 mm 200 mm 100 mm） 模拟地下开采时炮 孔周围的围岩体，在其中部钻出一个直径 55 mm 的圆 孔，用于模拟钻凿的炮孔需要堵塞的部分，孔内可充填 不同的堵孔材料。 模型用两组对称的支撑块悬空架 起，放置于材料试验机的工作平台上。 用直径 55 mm、 高度 120 mm 的钢柱作为加载头，将试验机施加的荷 载传递到堵孔材料上，使其在外力作用下最终与孔内 壁完全分开、脱离，同时记录测试过程中堵塞阻力随时 间的变化情况，用以比较不同材质的堵孔效果。 堵孔 材料选用了新型聚氨膨胀泡沫和传统的黄泥两种，其 中膨胀泡沫实验选取了固化时间为 5 min 和 10 min 两 种，实验采用位移加载控制的方式，加载速率统一为 10 mm／ min，测试结果如图 4～5 所示。 图 3 试验平台 时间／s 400 300 200 100 0 1000200300400500600 力／N 膨胀泡沫固化10 min 膨胀泡沫固化5 min 黄泥 图 4 黄泥、膨胀泡沫堵塞阻力时程曲线 时间／s 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 1000200300400500600 能量／J 膨胀泡沫固化10 min 膨胀泡沫固化5 min 黄泥 850 732 1234 图 5 黄泥、膨胀泡沫堵塞能量变化曲线 从堵塞效果上来看固化 10 min 的膨胀泡沫堵塞 7第 4 期马春德等 大断面隧道掘进中炮孔快速堵塞新方法研究 效果较好，黄泥堵塞效果其次，固化 5 min 的膨胀泡沫 堵塞效果较差。 从阻力峰值来分析，阻力峰值大小依 次为 P膨胀泡沫（固化10 min）＞P黄泥堵塞＞P膨胀泡沫（固化 5 min）。从阻力 变化时程曲线来分析，试验初期黄泥的阻力增长率较 大，且随着黄泥不断压缩，阻力略微减小；固化10 min 的 膨胀泡沫前期阻力及其增长速率介于黄泥和固化 5 min 的膨胀泡沫之间，固化 5 min 的膨胀泡沫在前期阻力及 其增长速率都较小。 从能量变化来看，能量W＝Fvt，加 载速度 v 是恒定值，能量 W 与力 F 和时间 t 的乘积成 正比。 在相同的时间进程下，可以看出，在 350 s 之 前，W黄泥＞ W膨胀泡沫（固化10 min）＞ W膨胀泡沫（固化5 min），即黄泥吸 收的能量是最大的，而后黄泥达到极限值，开始从孔里 掉落；350 s 之后，固化 10 min 的膨胀泡沫能量继续增 大，超过黄泥，而固化 5 min 的膨胀泡沫随着时间增大 所吸收的能量一直较小，分析原因，是因为固化 5 min 的膨胀泡沫尚未完全凝固，未完全完成“柔性”向“刚 性”的转化。 从材料的堵塞特征来看，黄泥密度大，空 隙小，弹性模量 E 较大，在压缩过程中能快速通过压 密阶段，进入弹性阶段而后进入塑性阶段，而膨胀泡沫 密度较小，且含有较多的空隙，压密时长较长，弹性模 量 E 也相对较小，是一种较好的吸能材料，所以能形 成更好的堵塞效果。 从实验现象来看，黄泥随着铁柱 向下压缩从孔底逐渐被压出，直到完全脱落，而膨胀泡 沫能在孔内保持较长时间后才在峰值后从底部冒出。 炸药爆炸后，爆炸所产生的能量及物质要朝着能 量低的方向即炮孔口方向扩散，必须克服由堵塞物带 来的惯性阻力 fi1及其与炮孔壁之间的摩擦阻力或黏 性阻力 f1，膨胀泡沫材料还有弹性变形阻力 P2／ （2k）， 阻塞能量 W 如式（2）所示。 正是由于上述阻力或黏接 力的存在，增加了炸药化学反应的完全程度，得到更充 分的爆炸能，使得炮孔内爆炸产生的高压气体作用时 间相对延长，应力波作用生成的裂隙在受到高压气体 的气楔作用后加速发展，高压气体向裂隙中楔入，提高 了破岩效果，减小了岩石的抛掷距离，也降低了空气冲 击波强度。 W ＝ （f1 ＋ f i1）l ＝ P2 2k ＋ （f 2 ＋ f i2）l （2） 式中 P 为加在物体上的力；k 为材料的刚度，即物体产 生单位位移所需的外力；f1为堵塞材料单位长度上与 孔壁之间的摩擦力；fi为黄泥的惯性阻力；f2为黏接 力；fi2为膨胀泡沫的惯性阻力；l 为炮孔堵塞长度。 黄泥等堵塞材料比膨胀泡沫刚度大，仅依靠与孔 壁的摩擦力 f1和惯性阻力 fi1作为堵塞力；而膨胀泡沫 柔性好，存在较大的弹性变形阻力 P2／ （2k），在单位位 移内能吸收更多的能量，且与孔壁为黏接力 f2比 f1 大，虽然惯性阻力 fi2较 fi1小，但惯性阻力所占比重较 小，对材料的堵塞性能影响较小。 3 现场施工与效果验证 3.1 工程概况 东天山隧道是新疆维吾尔自治区 G575（一级公 路）线巴里坤至哈密的控制工程，为双洞分离式隧道， 左右线间距 30 m，其中隧道左线长 11 764 m、右线长 11 775 m。 隧道横穿天山山脉，范围内中线高程 2 040～ 3 375 m，隧道开挖断面面积 91.7 m2，建筑界限净宽 10.25 m，最大跨度 12.5 m，净高 5.00 m。 3.2 效果对比 本次选择新疆东天山隧道出口段掌子面作为试验 地点，进行了黄泥黏土做堵孔材料和水炮泥＋阻燃型 聚氨酯发泡胶做堵孔材料两类试验来对比不同堵塞方 法的效果。 东天山隧道采用全断面一次爆破法，设计循环进 尺 4.0 m，炮孔总数 178 个，采用 2 号岩石乳化炸药， 1～15 段导爆管雷管跳段起爆，单次药量平均为 420 kg， 水袋长度 20 cm，每个炮孔堵塞 2 个水袋，统计了连续 5 个循环的装药时长，并在爆破后测量了不同堵塞方 式下的循环进尺和炸药单耗，结果见表 1。 表 1 循环试验统计 循环 次数 黄泥黏土堵孔水炮泥＋膨胀泡沫 装药时间 ／ h 进尺 ／ m 单耗 ／ （kgm －3 ） 装药时间 ／ h 进尺 ／ m 单耗 ／ （kgm －3 ） 12.513.421.342.173.751.22 22.463.561.292.203.581.28 32.483.511.302.303.631.26 42.503.641.262.223.671.25 52.533.571.282.253.641.26 均值2.503.541.292.233.651.25 5 次循环统计结果表明，平均装药时间由原来的 2.50 h 减至2.23 h，工作效率提高了10.80％；循环进尺 由 3.54 m 提高到了 3.65 m，平均提高了 0.11 m；炸药 单耗由原来的 1.29 kg／ m3降至 1.25 kg／ m3，延米节省 炸药量 3.67 kg。 表明水泡泥＋膨胀泡沫的堵孔方式减 少了装药时间、提高了循环进尺、降低了炸药单耗，比 原有的黄泥堵塞方式更为有效。 同时使用 CCZ-1000 粉尘浓度检测仪检测爆破后 空气中的尘粉浓度，单次采样时间为 5 min，采样流量 为 10 L／ min，以黄泥堵塞为标准，统计计算了水泡泥 和膨胀泡沫的呼尘相对降尘率 η1和全尘相对降尘率 8矿 冶 工 程第 40 卷 η2，结果见表 2。 使用 KP826 有毒有害气体检测仪监 测 CO 和 H2S 有害气体的含量，鑫思特 HT-2000 二氧 化碳检测仪监测 CO2含量，监测时间为 1 h，间隔时间 5 min。 隧道为压入式通风，检测位置布置在隧道回风 侧，距离掌子面 45 m，为掌子面直径的 4 倍，高度为 1.6 m，为作业人员的呼吸高度。 监测结果见表 3。 表 2 爆破后粉尘浓度 堵塞方式 总粉尘浓度 ／ （mgm －3 ） 呼吸性粉尘浓度 ／ （mgm －3 ） η1 ／ ％ η2 ／ ％ 黄泥842327 水炮泥＋膨胀泡沫37415455.5852.91 表 3 爆破后空气质量 时间 ／ min CO2含量／ 10 －6 CO 含量／ 10 －6 H2S 含量／ 10 －6 黄泥 水泡泥＋ 膨胀泡沫 黄泥 水泡泥＋ 膨胀泡沫 黄泥 水泡泥＋ 膨胀泡沫 55 8048 384920694155 104 2556 188571482109 153 6174 35342430565 203 4313 06931223343 253 1472 82923922023 303 0562 80021218112 352 9982 81317414201 402 7852 9631578801 452 7863 0311267500 502 7282 7931076500 552 7132 8691005300 602 8382 960844900 结果表明水炮泥＋膨胀泡沫堵孔比传统黄泥堵 孔的粉尘浓度降低 50％以上，隧道内空气质量得到大 幅度改善；虽然水泡泥＋膨胀泡沫的 CO2含量在爆破 初期增大了 2 58010 －6 ，但 30 min 内达到了隧道内原 有含量值 2 80010 －6 ，CO 和 H2S 有害气体总量分别减 少了 24.57％和 66.67％。 原因分析如下乳化炸药产生有毒有害气体的简 要反应如式（3）所示，炸药完全反应后产生的 CO2上 升，相应的 CO 降低，而水泡泥很好地吸收了 H2S，因 此 H2S 含量降低。 CaHbOcSd（NO3）e→ NO2＋ NO ＋ CO2↑ ＋ CO↑ ＋ H2S↑ （3） 4 结 论 经过理论分析和室内实验和现场试验，经过对传 统的黄泥堵塞炮孔和水泡泥＋膨胀泡沫堵塞炮孔进行 比较，得到以下结论 1） 通过实验室测量，得出固化时间长（10 min）的 膨胀泡沫峰值强度大于黄泥，为黄泥峰值的 119.8％， 且堵塞作用时间比黄泥堵塞试件长 200 s，总能量高于 黄泥堵塞 45％。 2） 现场试验证明水泡泥＋膨胀泡沫比黄泥更适合 于大断面的炮孔堵塞，装药时间降低 10.8％，每循环提 高了 0.11 m 的爆破进尺，炸药单耗下降 0.04 kg／ m3， 增强了爆破效果；呼尘相对降尘效率达到了 55.58％， 全尘相对降尘效率达到了 52.91％，爆后初始 CO 和 H2S 有害气体总量分别减少 24.57％和 66.67％，大大 改善了空气质量。 3） 水泡泥＋膨胀泡沫在工作面附近快速制作使 用，制作简单快速，堵孔效果好，降尘降有毒有害气体 效果明显，经济效益显著，具有重大的推广应用价值。 参考文献 ［1］ Cevizci， Halim. 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