上官劍銘，葉亦杰

(福州大學(xué) 紫金礦業(yè)學(xué)院， 福建 福州 350108)

在我國(guó)現(xiàn)行的人工爆破作業(yè)中，要提高爆破效率，除了優(yōu)化改進(jìn)爆破總體方案、參數(shù)外，改良炮孔堵塞材料也是必要的。但目前普遍采用的炮孔堵塞材料，如黏土、砂、黃泥、炮渣與鉆孔廢渣等多數(shù)為散狀顆粒物或其質(zhì)地較為柔軟，不容易形成比較牢固，阻礙力較大的堵塞物，因而常被壓力極高的爆轟氣體推出炮孔而形成“沖天炮”，造成爆炸能量損失，提高了炸藥單耗，且爆破效果差。而普通水炮泥在工程實(shí)踐中表明，降塵效果差，粉塵沉降時(shí)間長(zhǎng)。因此，研究一種新型的炮孔堵塞材料(即高效水炮泥+聚氨酯發(fā)泡膠)就顯得尤為必要。

1 高效水炮泥

水炮泥之所以可以達(dá)到降塵的目的，實(shí)質(zhì)是用裝滿(mǎn)水的塑料袋代替或部分代替炮泥充填于炮眼內(nèi)，爆破時(shí)水炮泥袋破裂，在高溫高壓爆炸波的作用下，大部分水被汽化，然后重新凝結(jié)成極細(xì)的霧滴并和同時(shí)產(chǎn)生的礦塵相接觸，形成霧滴的凝結(jié)核或被霧滴所濕潤(rùn)而起到降塵作用[1]。

由于純水的表面張力大，爆破后不易霧化或霧化程度不高，因此不能達(dá)到較好的降塵效果。本文研究的高效水炮泥是對(duì)普通水炮泥的改造，加入某些吸水性很強(qiáng)的無(wú)機(jī)鹽類(lèi)溶液以及表面活性物質(zhì)，以降低溶液的表面張力，提高霧化程度、濕潤(rùn)能力和捕捉粉塵的能力[2]。其次由于加入了無(wú)機(jī)鹽類(lèi)，高效水炮泥水溶液的比重較純水大，爆炸時(shí)也更加具有迸發(fā)力，所以已汽化的溶液重新凝結(jié)成極細(xì)的霧滴與礦塵相撞時(shí)，因其所形成的凝結(jié)核或被霧滴所濕潤(rùn)的礦塵比重均較大，碰撞時(shí)相對(duì)速度更大，因此其降塵效果比純水好[3]。

1.1 降塵效果(濃度)對(duì)比試驗(yàn)

本次對(duì)比試驗(yàn)研究對(duì)象為總粉塵(簡(jiǎn)稱(chēng)總塵)和呼吸性粉塵(簡(jiǎn)稱(chēng)呼塵)，總塵是指用直徑為40 mm濾膜，按標(biāo)準(zhǔn)粉塵測(cè)定方法采樣所得到的粉塵；呼塵是指只按呼吸性粉塵標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法所采集的可進(jìn)入肺泡的粉塵粒子，其空氣動(dòng)力學(xué)直徑在7.07 μm以下，空氣動(dòng)力學(xué)直徑5 μm的粉塵粒子的采樣效率為50%。

普通水炮泥和高效水炮泥的粉塵濃度測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示(每次模擬爆破5個(gè)炮孔，齊發(fā)爆破，每組2次對(duì)比試驗(yàn)，共進(jìn)行了10次模擬爆破試驗(yàn))[4]。

表1 不同組分比例的高效水炮泥在爆破后的呼塵、總塵濃度

由表1可以發(fā)現(xiàn)，使用高效水炮泥比普通水炮泥降塵效果明顯提高，呼塵濃度降低40%～60%左右，總塵濃度降低40%～50%左右。

1.2 粉塵沉降時(shí)間對(duì)比試驗(yàn)

爆破后每隔5 min用粉塵濃度檢測(cè)儀測(cè)定一次，測(cè)定粉塵濃度結(jié)果見(jiàn)表2。

2種水炮泥的完全沉降時(shí)間(指粉塵濃度降到50 mg/m3所需要的時(shí)間)，高效水炮泥堵塞后完全沉降時(shí)間明顯比普通水炮泥少，降塵效果明顯提高。

表2 不同水炮泥在爆破后不同時(shí)間下的粉塵濃度

2 聚氨酯發(fā)泡膠

該產(chǎn)品具有較高的膨脹性和粘結(jié)性、超低熱傳導(dǎo)率、低吸水性、高絕緣性、并且有良好的防水、隔熱、隔音、保溫、耐震抗壓等功能。它是一種將聚氨酯預(yù)聚體﹑發(fā)泡劑﹑催化劑等組分裝填于耐壓氣霧罐中的特殊聚氨酯產(chǎn)品，應(yīng)用氣霧技術(shù)和聚氨酯泡沫技術(shù)，當(dāng)物料從氣霧罐中噴出時(shí)，沫狀的聚氨酯物料會(huì)迅速膨脹并與空氣或接觸到的基體中的水分發(fā)生固化反應(yīng)形成泡沫，基于產(chǎn)品的高膨脹性、防水、耐震抗壓等優(yōu)良特性，能便捷地應(yīng)用于爆破炮孔堵塞。

炮孔堵塞性能主要表現(xiàn)在堵塞壓力、抗滑能力、抗剪能力、延長(zhǎng)爆生氣體在孔內(nèi)作用時(shí)間4個(gè)方面。

2.1 堵塞壓力(以摩擦力形式)

聚氨酯發(fā)泡膠凝結(jié)固化形成的堵塞物與炮孔壁間所形成的相互摩擦阻力f明顯大于傳統(tǒng)堵塞物產(chǎn)生的摩擦力，堵塞物與炮孔壁之間存在力的相互作用，堵塞物受到爆轟氣體的推力而移動(dòng)，炮孔壁因?yàn)榻佑|面粗糙不平整而給予堵塞物一個(gè)阻礙其相對(duì)位移的摩擦力，相反，堵塞物受到孔壁的摩擦力，使氣體縱向運(yùn)動(dòng)受到阻礙，更多的是橫向沖擊力作用在孔壁上。另外提高了爆轟氣體膨脹后作用于孔內(nèi)巖石上的壓力，形成的沖擊波和應(yīng)力波更多地作用在孔內(nèi)巖石上，使孔內(nèi)巖石被壓碎和破壞，降低了巖石大塊率[5]。

2.2 抗滑能力

在爆轟氣體作用下，堵塞物會(huì)被貼著孔壁推出，其在炮孔中運(yùn)動(dòng)的加速度a與巖石接觸面的摩擦系數(shù)k和擠壓應(yīng)力σc是密切相關(guān)的。k和σc值越大，堵塞物受到的摩擦力越大，因此其運(yùn)動(dòng)加速度a越小，堵塞物在炮孔中的運(yùn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)會(huì)相應(yīng)增加，此時(shí)爆轟氣體被封閉在炮孔中的時(shí)間也增加，使其能量更多地作用于孔壁巖石。一般工程中使用的黏土、砂、黃泥、炮渣與鉆孔廢渣等堵塞物的摩擦系數(shù)k都很小，而聚氨酯發(fā)泡膠膨脹固化后形成的堵塞物相對(duì)來(lái)說(shuō)具有較大的摩擦系數(shù)，能較牢地附著在炮孔壁上并滲入孔壁的裂紋中，使得堵塞物與孔壁之間的摩擦力大大增加，這種約束力比傳統(tǒng)堵塞物產(chǎn)生的約束力大得多，因此聚氨酯發(fā)泡膠相較于傳統(tǒng)堵塞物有著更強(qiáng)的抗滑能力。

2.3 延長(zhǎng)爆生氣體在孔內(nèi)作用時(shí)間

在爆轟氣體壓力的作用下，由黏土、砂、黃泥、炮渣等形成的堵塞物在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是分散的，按照不同的速度和形變規(guī)律向孔口運(yùn)動(dòng)。大部分堵塞物幾乎只在瞬間對(duì)爆轟氣體的膨脹具有一定的阻礙作用，之后至堵塞物完全沖出炮孔這段時(shí)間內(nèi)，這部分堵塞物雖然還存留在炮孔中，但已不能限制爆生氣體的膨脹。

聚氨酯發(fā)泡膠硬化時(shí)能固結(jié)形成一個(gè)內(nèi)聚力較強(qiáng)的整體，可以牢牢緊貼孔壁，在爆生氣體的推力作用下，它的橫向變形相對(duì)于縱向變形較小，且橫向變形以波的形式沿其縱向向孔口傳播，使爆生氣體作用的那一端始終推著其余部分的堵塞物向孔口運(yùn)動(dòng)。所以，堵塞物各部分之間不會(huì)因?yàn)閴嚎s程度的差異而引起縱向分離，即整個(gè)堵塞物始終保持一個(gè)整體形態(tài)在運(yùn)動(dòng)，其各部分都能對(duì)爆轟氣體的膨脹產(chǎn)生應(yīng)有的阻礙作用，使爆生氣體在孔內(nèi)作用的時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)，進(jìn)而增加了炸藥化學(xué)反應(yīng)的完全程度，從而得到更充分的爆炸能量作用于孔壁形成裂隙，之后高壓氣體對(duì)其進(jìn)一步產(chǎn)生氣楔作用，氣體會(huì)向縫隙中楔入，相對(duì)提高破巖效果，并使作用于拋擲巖石的力相應(yīng)減弱，使巖石被拋擲的距離縮短，同時(shí)可降低作用于空氣的沖擊波強(qiáng)度，改善作業(yè)環(huán)境[6]。

3 結(jié) 論

顯而易見(jiàn)，新的炮孔堵塞材料組合(高效水炮泥+聚氨酯發(fā)泡膠)所形成的炮孔堵塞物，高效水炮泥在降溫降塵上效果顯著；聚氨酯發(fā)泡膠作為堵塞物，較傳統(tǒng)堵塞材料延長(zhǎng)了爆轟氣體作用時(shí)間，降低了炸藥單耗，減少了爆炸能量的損失。因而，新型炮孔堵塞材料組合具有廣闊的發(fā)展前景。