胡亞超 ，熊祖強(qiáng),2 ，王 春,2 ，王 成,2

（1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院, 河南 焦作 454003；2.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心, 河南 焦作 454003）

0 引 言

爆破封孔主要作用是阻止爆破過程中產(chǎn)生的爆轟氣體沖出孔外，提高爆破破巖率，減少爆炸產(chǎn)生的有害氣體溢出，則封孔材料的特性對封孔的效果至關(guān)重要。目前，井下爆破傳統(tǒng)封孔材料主要有黏土、砂礫、水泥類、聚氨酯等爆破封孔材料[1-3]，這些材料在大傾角深孔爆破封孔過程中存在運輸量大、封孔難度大、封孔效率低、勞動強(qiáng)度大等問題；黏土炮泥材料搗實程度受人為因素影響較大，并且在搗實炮泥的過程中存在損傷炮線的安全事故[4]。然而，水泥類材料凝結(jié)固化時間長[5-7]，聚氨酯材料反應(yīng)溫度高等都存在局限性[8-9]。楊東輝等[10]提出一種新型炮眼堵塞器，以黏土炮泥為對比，在動靜載作用下測試其力學(xué)特性，取得了很好的效果。馬春德等[11]提出一種“水炮泥+膨脹泡沫”堵塞炮孔新方法，相比傳統(tǒng)堵塞技術(shù)具有強(qiáng)度高，效率快等優(yōu)勢。梁冰等[12]以黏土材料為對比，研究水泥和速凝劑在水作用下不同配比的封孔強(qiáng)度，但封孔需要等待6 h，爆破效率低下。因此，一種高效的封孔材料可以提高爆炸效率，擴(kuò)大孔內(nèi)裂隙生成、延伸和貫通，提高爆破效果，同時避免爆破產(chǎn)生的有毒有害氣體沖出孔外，保證煤礦安全高效的生產(chǎn)[13-14]。

為解決傳統(tǒng)爆破封孔材料在大傾角深孔爆破封孔過程中存在的不足，提出了一種高效封孔材料及工藝，來滿足頂板深孔爆破封孔需要。為研究高效封孔材料封孔強(qiáng)度，以黏土炮泥材料為對比，在RMT-150B 型巖石力學(xué)試驗機(jī)上測試其抗壓強(qiáng)度以及靜載作用下封孔材料的承載能力；分析高效封孔材料的封孔強(qiáng)度，并進(jìn)行工業(yè)性試驗驗證高效封孔材料封孔效果。

1 高效封孔材料特性及封孔機(jī)理

1.1 高效封孔材料基本特性

高效封孔材料為A、B 兩種組份的無機(jī)雙液注漿材料，A 料為硫鋁酸鹽水泥熟料添加外加劑制備而成的，B 料為石灰、石膏按一定比例混合添加外加劑配制而成，外加劑主要為早強(qiáng)劑、速凝劑、緩凝劑和懸浮劑等；A 料、B 料分別按配比單獨加水?dāng)嚢韬笾苽涞膯我翰牧峡砷L時間存放不凝固、不泌水；將單液材料進(jìn)行等量混合攪拌后在外加劑作用下可快速生成大量鈣礬石，其固結(jié)體的骨架結(jié)構(gòu)承受外部的載荷，使高效封孔材料具有凝結(jié)固化時間短、早期強(qiáng)度高、泵送性強(qiáng)等性能；高效封孔材料采用水灰比為0.8∶1，通過實驗室試驗測得高效封孔材料的初凝時間為3.0 min，固化時間為8.0 min；反應(yīng)放熱溫度不高于70 ℃；根據(jù)文獻(xiàn)[15]研究可知，電雷管在溫度低于125 ℃不會發(fā)生爆炸，并且乳化炸藥也不會失效，所以該溫度對于爆破施工是安全的；以黏土炮泥材料為對比（試驗的黏土炮泥材料經(jīng)高溫處理后，按黏土、水質(zhì)量比7∶1 的比例制備），在MRT-150B 巖石力學(xué)試驗機(jī)上測試材料的抗壓強(qiáng)度，試驗結(jié)果見表1。

表1 封孔材料抗壓強(qiáng)度Table 1 Compressive strength of sealing material

由表1 可知：高效封孔材料的抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增長而增強(qiáng)；但齡期為0.5 h 時，高效封孔材料抗壓強(qiáng)度為5.96 MPa，相比炮泥材料的0.232 MPa，提高了近25 倍。

1.2 高效封孔材料封孔機(jī)理

炸藥爆炸過程中常常伴隨著高壓、高速、高溫氣體的產(chǎn)生，封孔材料會受到爆炸沖擊波的作用，在沖擊波的作用下使封孔材料產(chǎn)生一定的壓縮變形或滑移，假設(shè)封孔材料受到的沖擊力大于封孔材料抗壓強(qiáng)度，爆破封孔材料受到爆破沖擊在爆破孔內(nèi)劃分為3 個階段，為無滑移階段、滑移階段和破壞裂隙段（圖1）；對封孔材料進(jìn)行受力分析[16-17]，根據(jù)牛頓第三定律可知，封孔材料受爆炸沖擊波作用產(chǎn)生運動，受到摩擦力作用，則摩擦阻力公式為：

圖1 封孔結(jié)構(gòu)與受力分析Fig.1 Sealing structure and force analysis diagram

式中：Ft為爆炸氣體對材料的推力，N；L為封孔長度，m；f為封孔材料與鉆孔壁之間的摩擦因數(shù)；λ為側(cè)壓系數(shù)；db為爆孔直徑，mm；P0為炸藥爆炸作用在封孔材料上的壓力，Pa；m為材料的質(zhì)量；g為重力加速度，取10 m/s2；θ為爆破孔與巷道軸線的夾角。

通過封孔材料力學(xué)分析可知，高效封孔材料的摩擦阻力與封孔材料的抗壓強(qiáng)度、作用到材料上的壓力、封孔長度摩擦因數(shù)等因數(shù)成正比，則封孔材料的抗壓強(qiáng)度、摩擦因數(shù)越大，封孔材料受到的摩擦阻力越大，封孔的效果越好。文獻(xiàn)[12]通過研究爆破注漿封孔材料抗壓強(qiáng)度，分析封孔長度與材料力學(xué)特性，得到注漿封孔長度L與孔徑db、沖擊力P0為正函數(shù)關(guān)系，與封孔材料與孔壁的摩擦因數(shù)f、材料抗壓強(qiáng)度σ為反函數(shù)關(guān)系；測試結(jié)果表明水泥復(fù)合類材料抗壓強(qiáng)度達(dá)到4.42 MPa 可滿足爆破封孔需要高效封孔材料抗壓強(qiáng)度為5.96 MPa，可滿足爆破封孔需要；封孔長度為

由式（2）可以看出，相同封孔長度下，承受沖擊載荷的能力越大，爆破封堵的效果越好，為進(jìn)一步研究高效封孔材料摩擦力的大?。ǚ饪撞牧吓c孔壁之間的封孔強(qiáng)度可體現(xiàn)摩擦力的大?。?，將爆破沖擊波作用在封孔材料的力簡化為準(zhǔn)靜壓作用；以黏土炮泥材料為對照試驗，通過靜態(tài)壓縮試驗對高效封孔材料的封孔強(qiáng)度和承受載荷能力進(jìn)行研究。

2 靜載壓縮試驗

靜載壓縮試驗以黏土炮泥封孔材料為對比；研究高效封孔材料在靜載壓縮作用下的封孔強(qiáng)度；為了便于試驗，采用壁厚5 mm、直徑為50 mm 鋼管來模擬爆破鉆孔，忽略壁面的粗糙度影響；向鋼管內(nèi)注入不同高度的封孔材料來模擬不同的封孔長度，通過在RMT-150 型電液伺服巖石壓力試驗機(jī)上進(jìn)行壓縮試驗，分析高效封孔材料的封孔效果。

2.1 試驗設(shè)備及方案

試驗設(shè)備采用RMT-150B 型電液伺服巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)，該設(shè)備最大垂直靜載荷1 000 kN，系統(tǒng)精度小于0.5%。試驗采用力控制的加載方式，軸向加載速率為0.2 kN/s，最大軸向位移50 mm，載荷傳感器為100 kN 小力傳感器。由于試驗系統(tǒng)高度限制，設(shè)計封孔長度為50、100、150、200 mm（用編號5、10、15、20 表示）；鋼管孔內(nèi)上下分別預(yù)留50 mm 空間，上方空間是為導(dǎo)向作用，下方空間是為封孔材料滑動預(yù)留空間。設(shè)計直徑50 mm，高度50 mm 的實心圓柱在澆筑試樣過程中預(yù)留出下方的空間，進(jìn)而可以確定封孔高度；設(shè)計直徑50 mm，高100 mm 實心圓柱為壓縮過程中作為導(dǎo)向作用壓出孔內(nèi)封孔材料；試樣加載壓縮示意圖及實物如圖2 所示。

圖2 加載壓縮示意及實物Fig.2 Load compressed schematic and physical map

高效封孔材料靜載壓縮試驗采用水灰質(zhì)量比為0.8∶1，通過分析不同封孔長度下材料抗壓縮能力，判斷其封孔效果。結(jié)合爆破現(xiàn)場施工時間設(shè)計采用0.5 h 的齡期進(jìn)行試驗。

2.2 爆破封孔材料封孔強(qiáng)度

以黏土炮泥材料為對比，通過靜載壓縮試驗測試高效封孔材料不同封孔長度的封孔強(qiáng)度，判斷該材料的封孔效果。

1）黏土炮泥材料壓縮強(qiáng)度。圖3 為黏土炮泥材料壓縮載荷隨封孔長度的變化規(guī)律。

圖3 黏土炮泥材料壓縮載荷隨封孔長度的變化規(guī)律Fig.3 Variation law of compression load of clay stemming material with sealing length

由圖3a 可以看出：隨著黏土炮泥材料封孔長度的加長，試樣峰值壓力逐漸變大，殘余壓力也隨之增大，封孔長度為50、200 mm 的壓縮載荷為2.37、10.53 kN；主要原因是封孔長度的加長導(dǎo)致封孔材料與孔壁界面的接觸面粗糙度變大，從而產(chǎn)生較大的承載能力；壓力降低率整體呈下降趨勢（壓力降低率為殘余壓力相比峰值壓力的降低程度），封孔長度為50、200 mm 時分別為29.156%、3.837 5%；表明隨著封孔長度的加長試樣的殘余壓力與峰值壓力差距逐漸減少。

由圖3b 可知：隨著封孔長度的增加，峰值壓力呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，通過對不同封孔長度的峰值壓力和殘余壓力進(jìn)行指數(shù)函數(shù)擬合，試樣的擬合度較高，符合指數(shù)增長的規(guī)律，表明了隨著封孔長度的增加，試樣承受的壓力也逐漸變大。即封孔長度的加長可以抵抗更大的爆炸沖擊能量，可通過爆炸產(chǎn)生的能量推導(dǎo)所需的封孔長度，為爆破封孔提供理論參考。

2）高效封孔材料封孔強(qiáng)度。本次試驗高效封孔材料水灰比為0.8∶1，研究封孔強(qiáng)度隨封孔長的變化規(guī)律。

由圖4a 可以看出：隨著封孔長度的增長，高效封孔材料的峰值壓力也逐漸增大，壓力降低率呈下降趨勢，封孔長度為50、200 mm 的承受的壓縮載荷分別為11.14、89.68 kN；主要原因有2 個：隨著封孔長度的增加，孔壁接觸面粗糙度變大，導(dǎo)致承受的載荷變大；高效封孔材料為水泥復(fù)合材料，凝結(jié)固化過程中與孔壁接觸面變大，導(dǎo)致與孔壁的粘結(jié)作用變強(qiáng)。殘余降低率隨著封孔長度的增加，殘余壓力與峰值壓力差距逐漸減少，封孔長度為50、200 mm 的殘余壓力由47.81%降到41.32%。

圖4 高效封孔材料壓縮載荷隨封孔長度的變化規(guī)律Fig.4 Variation law of compression load of high-efficiency sealing material with sealing length

由圖4b 可知：隨著封孔長度的增加，高效封孔材料峰值壓力呈現(xiàn)規(guī)律性變化，得到高效封孔材料承受的峰值壓力和殘余壓力進(jìn)行對數(shù)函數(shù)擬合，根據(jù)對數(shù)函數(shù)的相關(guān)系數(shù)可知，高效封孔材料的封孔強(qiáng)度隨封孔長度的變化規(guī)律符合對數(shù)函數(shù)的。

通過對黏土炮泥材料和高效封孔材料對比分析可知：高效封孔材料的壓縮載荷強(qiáng)度遠(yuǎn)大于黏土材料，封孔長度200 mm 時，后者比前者提高了近9 倍；封孔長度為50 mm 時，后者比前者提高了近5 倍；黏土炮泥材料的壓力降低率相比高效封孔材料的較好，主要原因是黏土炮泥材料為黏塑性體，受到壓縮載荷作用時，材料吸能發(fā)生膨脹，增大摩擦力作用，導(dǎo)致殘余壓力較大；高效封孔材料吸能膨脹效果較黏土炮泥材料差，但高效封孔材料殘余壓力也大于炮泥材料。因此，封孔長度相同的情況下，高效封孔材料相比黏土炮泥材料具有較好的封孔效果。

3 高效封孔工藝

由于高效封孔為雙液注漿材料，現(xiàn)有工藝無法滿足；根據(jù)高效封孔材料凝結(jié)固化時間短，早期強(qiáng)度高，可泵送能力強(qiáng)等特性，設(shè)計了一套完整的、高效的、準(zhǔn)確的封孔工藝體系，該封孔工藝分為囊袋孔口封孔和注漿段封孔2 部分。

3.1 囊袋孔口封孔

高效封孔材料為雙液注漿材料，孔口的封孔為注漿段封孔的關(guān)鍵；在進(jìn)行爆破孔注漿封孔前要進(jìn)行孔口封孔，若孔口封孔效果差或有空隙，則注漿段封孔漿液會流出，導(dǎo)致封孔失?。豢卓诜饪撞捎媚掖M(jìn)行封堵[18]，材質(zhì)為柔性膜袋，囊袋如圖5 所示。

圖5 囊袋封孔示意Fig.5 Sealing bag principle

由圖5 可知：囊袋主要由袋體、單向閥、注漿管組成，囊袋內(nèi)部裝有單向閥，單向閥保證了漿液不返流；囊袋封孔工作原理為：漿液通過注漿管由單向閥進(jìn)入袋體，袋體隨著漿液的進(jìn)入開始膨脹，受孔壁約束，對孔壁會產(chǎn)生壓力，使囊袋與孔口結(jié)合更牢固；當(dāng)囊袋內(nèi)充滿漿液并滲出少量水，且囊袋在人力難以拉動時，即視為孔口封口結(jié)束。

3.2 注漿段封孔

注漿段封孔的關(guān)鍵是能夠準(zhǔn)確的、高效的完成設(shè)計的封孔長度，封孔的長短會影響深孔爆破預(yù)裂的效果，根據(jù)高效封孔材料的特性，設(shè)計了一套高效的、準(zhǔn)確的封孔工藝；高效封孔材料現(xiàn)場施工工序：前期準(zhǔn)備工作→制漿→注漿前準(zhǔn)備→注漿→清洗注漿設(shè)備。工藝流程如圖6 所示。

圖6 封孔工藝流程示意Fig.6 Schematic diagram of sealing process

具體封孔工藝流程為：

1）前期準(zhǔn)備工作：注漿泵和攪拌桶按設(shè)計工藝連接，并將水管和風(fēng)管連接到注漿泵和攪拌桶，用清水測試注漿系統(tǒng)是否可以正常運行。

2）制漿：在裝藥完成前5 min 左右，按設(shè)計的水灰比分別向攪拌桶加入清水，打開攪拌啟動閥，加入高效封孔材料進(jìn)行攪拌。

3）注漿前準(zhǔn)備：將準(zhǔn)備好的封孔囊袋、注漿管、返漿管送入到爆破轉(zhuǎn)孔內(nèi)，囊袋底部距離孔口30 cm，防止注漿過程中將囊袋擠出孔外，以保證注漿的順利完成。

4）注漿：注漿部分包括孔口封堵和封孔段封孔；打開注漿泵，將出漿管內(nèi)的清水排出，直到出現(xiàn)漿液，關(guān)閉注漿泵，連接囊袋快速接口，進(jìn)行孔口封堵，當(dāng)鉆孔有清水流出，孔口段封孔完成，之后連接注漿口快速接口，進(jìn)行封孔段注漿，直到返漿管返漿，注漿結(jié)束。

5）清洗注漿設(shè)備：注漿結(jié)束后，立即用清水清洗注漿管路，避免時間過長漿液凝固，導(dǎo)致注漿設(shè)備損壞。

該封孔工藝實現(xiàn)了爆破封孔機(jī)械化作業(yè)，工藝操作簡單，整個封孔過程僅需兩人就可以完成封孔作業(yè)，注漿前的準(zhǔn)備工作需2 人共同完成，在注漿時，需一人操作注漿泵，一人進(jìn)行爆破封口工作；根據(jù)高效封孔材料泵送能力強(qiáng)的特性，由準(zhǔn)備到注漿結(jié)束，10 m 封孔長度封孔時間僅需15 min；傳統(tǒng)的黏土炮泥材料在煤層頂板深孔封堵中由于鉆孔近垂直、直徑和封孔長度較大，需多人配合作業(yè)，且施工勞動強(qiáng)度大、搗實困難；因此，該封孔工藝相比傳統(tǒng)黏土炮泥材料封孔方法大幅提升了封孔效率，減少了封孔作業(yè)人數(shù)和勞動強(qiáng)度、深孔作業(yè)的難度，提高了頂板深孔爆破施工的工作效率。

4 工程應(yīng)用

4.1 爆破孔參數(shù)

工程以某煤礦大采高工作面為背景，為解決臨近巷道變形嚴(yán)重問題，進(jìn)行頂板深孔預(yù)留爆破技術(shù)進(jìn)行卸壓。根據(jù)該礦煤層頂板地質(zhì)條件，設(shè)計鉆孔與巷道中線夾角為75°，與巷道斷面夾角為0°，間距為2.0 m；爆破孔深設(shè)計為31.5 m，根據(jù)煤礦封孔長度應(yīng)為炮孔長度的25%～30%[19-20]，為保證安全，設(shè)計封孔長度為10 m。爆破孔如圖7 所示。

圖7 爆破鉆孔示意Fig.7 Diagram of blasting borehole

4.2 封孔效果

采用高效封孔材料及工藝對封孔長度為10 m的爆破鉆孔進(jìn)行封孔，單個爆破孔從開始到封孔結(jié)束耗時間約15 min，其中囊袋孔口封堵約2 min；由于實現(xiàn)了機(jī)械化作業(yè)，減少封孔時間，每班爆破達(dá)到3 個孔，加上前期準(zhǔn)備以及對炮眼透孔、裝藥等工藝流程，總共耗時需要2 h；由于高效封孔材料具有早強(qiáng)的特性，封口結(jié)束0.5 h 后就可以進(jìn)行爆破，解決了煤層頂板深孔爆破封孔難題，大大提高了爆破施工的效率；爆破后封孔效果如圖8 所示。

圖8 爆破后封孔效果Fig.8 Sealing effect after blasting

由圖8 可以看出：由于封孔效果較好，爆破后的注漿管和炮線仍懸掛在頂板，表明爆破后巷道頂板相對完好，檢測的CO 體積分?jǐn)?shù)為5×10-6～20×10-6，符合煤礦爆破安全要求。因此，高效封孔材料及工藝相比黏土炮泥材料來說，在頂板深孔預(yù)裂爆破具有很大的優(yōu)勢，且封孔效果非常好；不但解決了大傾角深孔預(yù)裂爆破的封孔難題，實現(xiàn)了爆破封孔機(jī)械化作業(yè)，降低了勞動強(qiáng)度，還大幅提高了封孔效率，進(jìn)而提高了爆破施工的進(jìn)程。

5 結(jié) 論

1）高效封孔材料初凝時間為3 min，固化時間為8 min，反應(yīng)放熱溫度不高于70 ℃，低于煤體引燃溫度；其0.5 h 抗壓強(qiáng)度為5.96 MPa，相比黏土炮泥的抗壓強(qiáng)度提高了近25 倍；分析注漿材料封孔機(jī)理，確定高效封孔材料抗壓強(qiáng)度滿足封孔需要。

2）靜載壓縮作用下，封孔材料的峰值壓力和殘余壓力隨著封孔長度增加而增加；高效封孔材料的壓縮載荷遠(yuǎn)大于黏土炮泥材料；同一封孔長度下，高效封孔材料相比黏土炮泥材料有較好的封孔效果，且隨著封孔長度的增加，高效封孔材料封孔強(qiáng)度相比黏土炮泥材料增長的速率較快。

3）高效封孔工藝實現(xiàn)了爆破封孔機(jī)械化作業(yè)，操作簡便，封孔效率高，大大降低勞動強(qiáng)度，且爆破后頂板較完整，CO 濃度較低，封孔效果好；不但可解決頂板深孔封孔難題，還可以大幅提高爆破封孔效率，相比傳統(tǒng)封孔工藝取得了很大的進(jìn)步。