1、:./.煤矿岩巷掘进爆破封孔材料研究胡 洁 黄文尧 谢 平 吴国群 牛草原 檀 鑫 孙宝亮 孙彦臣安徽理工大学化学工程学院(安徽淮南)淮浙煤电有限责任公司顾北煤矿(安徽淮南)中煤科工集团沈阳研究院(辽宁抚顺)摘 要 为解决煤矿岩巷掘进爆破施工作业中封孔工艺复杂、易冲孔以及掘进效率低等问题设计了一种新型流体封孔材料与高效的封孔工艺 该封孔材料是由大理石粉、水与瓜尔胶三者按照.的质量比配制成的混合浆体使用搅拌与泵送一体机实现流体耦合封孔并在顾北煤矿巷道掘进施工中得到应用 实验结果表明该封孔材料具有黏度高、体系稳定和剪切变稀的流体特性配合一体机使用封孔工作效率提高 单循环进尺提高.封孔材料性能优良封
2、孔工艺简单掘进效率与爆破效果得到明显提高关键词 煤矿岩巷掘进爆破封孔材料封孔工艺掘进效率分类号.().()().引言由于成本较低、爆破效果较好钻眼爆破一直被运用于掘进爆破中 然而在实际施工中传统炮孔的封堵工艺复杂工作人员较多且效率低下 井下封孔作业时多采用柱体黄泥为封孔材料操作时工人需用炮棍将黄泥捣入炮孔 柱体黄泥封孔时多为不耦合状态导致炮孔密封效果差存在较大的安全隐患易发生冲孔和火焰外泄现象甚至引起瓦斯爆炸 如何提高爆破过程中的封孔效率国内外学者进行了广泛的研究 路晓荣等在深孔爆破中使用硫铝酸盐水泥作为封孔材料配合新型囊袋封孔工艺取得良好的爆破效果王杰等采用硅酸盐水泥外加复合剂降低封孔材料的
3、凝固时间来提高爆破效率杨威等采用水封耦合并配合封孔器材来提高炸药的利用率与井下爆破安全性 上述研究中的封孔技术均需要在孔口使用封孔器材即使使用速凝水泥仍需 以上的封孔凝固时间大大增加了施工的时间与成本且操作较为复杂第 卷 第 期 爆 破 器 材 .年 月 .收稿日期:第一作者:胡洁()男硕士研究生主要从事煤矿井下爆破技术的研究:.通信作者:黄文尧()男教授主要从事煤矿井下爆破技术的研究:.因成本低廉、来源广泛、物理化学性质稳定大理石粉被广泛应用于轻工、建材等领域 独特的分子结构遇水发生溶胀使瓜尔胶迅速成为性能优越的新型环保凝胶剂同时还被广泛应用于食品、石油和建筑等领域 大理石粉、瓜尔胶和水三者
4、按比例混合来制备封孔材料材料成本每吨 元相对于黄泥降低了 并且具有高黏度、剪切变稀、可泵送、水平放置不易流动的流体特性 配合搅拌泵送一体机将封孔材料送至炮孔封孔模式为耦合封孔并且孔口无需封孔器材封孔完成即可爆破从开始封孔到封孔结束仅需半个小时大大地提高了掘进爆破作业效率与安全性 该封孔材料及工艺以淮南顾北煤矿巷道掘进施工为应用背景进行了现场爆破实验炮孔利用率高爆破效果良好为我国煤矿快速机械化封孔提供了一个切实可行的方法 封孔材料的制备与特性.封孔材料的选择大理石粉工业级安徽轩朗新材料科技有限公司瓜尔胶食品级郑州富太化工产品有限公司封孔材料的质量分数配比如表 所示表 封孔材料实验配比(质量分数)
5、.样品大理石粉水瓜尔胶(外加).封孔材料流变特性和稳定性实验大理石粉不溶于水与水混合均匀后形成浆体在室温、空气相对湿度()的环境下按表 配比将大理石粉和瓜尔胶置于干净烧杯中搅拌混合 紧接着加水搅拌 流变测试采用美国 公司生产的 混合型旋转流变仪使用平行板夹具恒温平台设定 取样一次每组样品取样 次做平行实验对封孔材料在不同剪切速率下的剪切应力进行测定 测定原理如图 所示 上平行板以不同剪切速率旋转带动测试流体从而得到不同剪切速率下的剪切应力随后将样品静置 并观察物理状态 ()流变仪 ()平行板测试 ()剪切原理图 封孔材料流变测试.结果与分析各组封孔材料的流变曲线如图 所示 其中样品、没有屈服应
6、力剪切应力与剪切速率呈线性关系 相同条件下剪切应力随着大理石粉含量的增加而增加符合 模型 同时实验中发现这 组样品均发生沉降分层 样品、与样品、存在屈服应力当剪切 年 月 煤矿岩巷掘进爆破封孔材料研究 胡 洁等 ()样品、()样品、()样品、图 大理石粉水瓜尔胶复合封孔材料流变曲线.速率在 以下时剪切速率与剪切应力呈曲线相关符合 模型剪切速率在 以上时剪切速率与剪切应力呈线性相关符合 模型 每组样品进行 次平行测试流变曲线无明显变化 样品、不能形成连续相流体无法测试流变性能图 为有、无瓜尔胶实验样品静置 后的对比 大理石粉受自身的重力影响产生沉降作用与水分层 种流变模型方程中式()为 模型式(
7、)为 模型式()为 模型图 封孔材料静置稳定性实验.()()式中:为剪切应力 为塑性黏度/为剪切速率为屈服应力 为黏稠系数 为流变行为指数 图 反映了大理石粉水瓜尔胶复合封孔材料塑性黏度的变化 未加入瓜尔胶的封孔材料塑性黏度保持恒定大理石粉水瓜尔胶复合封孔材料在静态时表现出极大的黏度 当剪切速率小于 时随着剪切速率的增大塑性黏度迅速降低当剪切速率大于 时塑性黏度逐渐降低最终趋于平衡表现出剪切变稀的性质 大理石粉与水质量比(水灰比)相同的情况下随着瓜尔胶含量增加封孔材料的塑性黏度呈上升趋势在 内封孔材料的流变性能稳定不随时间变化.大理石粉与瓜尔胶的相互作用对封孔材料流变性能的影响对于未加入瓜尔胶
8、的封孔材料大理石粉内部间隙较大颗粒无连接性表现出牛顿流体的性质在短时间内由于重力作用发生沉降分层稳定性差图 为实验所用的大理石粉与瓜尔胶的 图片大理石粉为表面粗糙、形状不规则并带有磁性的多面体颗粒瓜尔胶未在水中溶胀时为团状颗粒 瓜尔胶在水中迅速溶胀大分子长链结构在水中舒展形成连续的网络结构填补了大理石粉颗粒之间的间隙限制了颗粒之间的相互滑动同时给予颗粒支撑作用有效阻止了封孔材料沉降分层增大了封孔 爆 破 器 材 第 卷第 期()样品、()样品、图 大理石粉水瓜尔胶复合封孔材料塑性黏度的变化.图 大理石粉与瓜尔胶.材料内部流动的阻力形成稳定的体系(图)所以加入瓜尔胶和降低封孔材料的水灰比都会大幅
9、度增加封孔材料的屈服应力与塑性黏度 根据制备的封孔材料样品的流变性能以直径 的一次性塑料杯装入 实验样品横放不流出为标准(图)确定大理石粉、水、瓜尔胶三者质量比为.以此配方配制煤矿掘进爆破最终使用的封孔材料如需进一步提高封孔材料强度可增加瓜尔胶含量 由于瓜尔胶的加入新型封孔材料表现出更加稳定的物理性质同时极高的屈服应力与塑性黏度可有效防止冲孔现象的发生质量分数的水分可以吸收炸药爆炸产生的热量并有效抑制火焰传播使井下掘进爆破更加安全 图 大理石粉水瓜尔胶复合封孔材料体系.图 封孔材料水平放置图.机械化封孔技术的研究.封孔工艺巷道掘进爆破的效率受制于封孔材料与封孔工艺传统的封孔材料黄泥柱与水炮泥需
10、要提前制备采用一炮三泥封孔工艺和不耦合装药结构(图)封孔装药时先用炮棍将一个长为 左右的柱状固体黄泥推入炮孔底部随后依次装入炸药、水炮泥、黄泥 其中黄泥封孔长度不小于 整个过程需要 人配合完成 这种封孔方式的缺点在于:固体黄泥无法保证封孔的密封效果封孔操作繁琐使得施工效率低下不耦合的装药结构会导致炸药单耗高掘进深度较浅 黄泥 水炮泥 炸药 座底泥图 一炮三泥封孔结构.为了提高封孔质量与掘进爆破速率使用新型大理石粉水瓜尔胶复合封孔材料和自研的封孔材料搅拌与泵送一体机(简称一体机)其中一体机 年 月 煤矿岩巷掘进爆破封孔材料研究 胡 洁等 主要由搅拌桶与输送泵组成 由于流体的封孔材料黏度高在仰角为
11、 时不易流出同时炮掘工作面高的炮孔封孔时阻力大需要强大的输送压力因此搅拌桶选用螺纹叶轮混拌机输送泵选用高性能螺杆泵两者均满足煤矿井下机械设备要求 新型封孔工艺流程如图 所示 封孔在装药结束后进行 将气动泵接入一体机 把提前混合好的大理石粉、瓜尔胶与水按比例加入搅拌桶混合搅拌 随后将输送管插入炮孔打开气动泵直到封孔材料装满炮孔为止 封孔机的使用可大幅提高封孔效率在封孔作业时仅仅需要 人 人使用自动化装药机进行装药 人制备封孔浆体、控制封孔机的运转 人控制输送管与更换炮孔 和传统的掘进爆破封孔工艺相比新型封孔工艺大幅简化了封孔流程减少了封孔作业人数降低了工人劳动强度 搅拌桶 螺杆泵 输送管道 封孔
12、材料 炮孔 炸药图 新型封孔工艺流程图.装药结构抗冲击分析与破岩机理如图 大理石粉水瓜尔胶新型复合封孔材料取代了黄泥、水炮泥和座底泥在流体材料受到炸药爆炸产生的冲击作用后会发生弹性变形 由于流体本身的高黏度特性与传统黄泥材料相比非牛顿()流体与孔壁贴合更加紧密 该材料的黏度在静止时很大增大了封孔材料与孔壁之间的摩擦力足够的封孔长度会使向外的冲击作用大幅减弱可以有效防止冲孔现象的发生 新的封孔工艺采用流体耦合装药封孔材料填补了炸药与炮孔之间的空隙 这种装药结构利用非牛顿流体的流变特性流体介质成为炸药爆轰产物与岩石间的弹性缓冲层增加了能量传递延长了冲击波的作用时间加大了爆炸的作用范围 实现耦合可以
13、降低炸药单耗提高单循环进尺封孔材料的高含水量可以有效抑制炸药产生的火焰降低瓦斯爆炸的风险同时起到降尘的作用 封孔材料 炮孔 炸药()结构 炸药 弹性波 封孔材料 岩石()破岩机理图 耦合装药的结构与破岩机理.工程应用.工程简介顾北煤矿中央 煤顶板轨道巷为中央 煤采区的采区轨道系统巷道设计长度 近似 煤层走向布置位于煤层顶板距离煤层 平均 断面规格.、.采用锚网索喷支护运用钻装机、锚杆、锚索钻车施工每个循环施工炮眼约 个 岩性主要为粉细砂岩、中细砂岩等岩层裂隙滑面发育局部发育小褶曲 粉细砂岩抗压强度为.中细砂岩抗压强度为.巷道主要在 煤顶板层位施工.工程实验根据巷道岩石分布情况对巷道掘进爆破进行
14、参数设计:炮眼直径为 掏槽眼孔深.装药 卷中心眼.不装药辅助眼孔深.底眼孔深.装药 卷周边眼孔深.装药 卷采用不耦合装药封孔长度 掏槽眼、中心眼、辅助眼和底眼均使用新型封孔材料封满 炸药使用高威力煤矿三级煤矿许用水胶炸药规格为 将传统的一炮三泥技术与新型机械化封孔进行对比实验爆破效果见表 和表 表与表中传统的封孔工艺进行装药、封 爆 破 器 材 第 卷第 期表 传统装药、封孔爆破效果.序号平均眼深/炮眼个数炸药消耗/循环进尺/炮眼利用率/冲孔率/装药时间/封孔时间/装封总时间/人数.平均.表 新型装药、封孔爆破效果.序号平均眼深/炮眼个数炸药消耗/循环进尺/炮眼利用率/冲孔率/装药时间/封孔时
15、间/装封总时间/人数.平均.孔平均炮眼 个需要 人操作施工 完成工作效率为.孔/(人)炮眼利用率为.采用新型封孔工艺平均炮眼 个 人封孔 人装药 完成工作效率为.孔/(人)炮眼利用率达到.单循环进尺提高.工作效率提高 使用新型封孔工艺在炮孔中实现耦合装药结构单循环进尺显著提高未发生冲孔现象满足施工要求 结论)针对掘进爆破中易冲孔、操作复杂等问题研发了一种高黏度、可泵送的新型流体封孔材料瓜尔胶使新型封孔材料拥有良好的稳定性和剪切变稀的流体性质随着水灰比的减小或瓜尔胶含量的增加该材料的塑性黏度均增加 确定大理石粉、水和瓜尔胶按照.的质量比均匀混合配制成高黏度、水平放置不流出的流体封孔材料)采用搅拌
16、与泵送一体机实现了机械化封孔作业解决了掘进爆破封孔工艺复杂、封孔效果差等难题 封孔后的装药结构为流体耦合装药提高了炸药的利用率同时可以改善爆破效果配合封孔材料的高含水量可以降低瓦斯爆炸的风险)该封孔技术在顾北煤矿巷道掘进施工中取得很好的效果单循环进尺提高.工作效率提高 现已在淮南多数煤矿推广运用参 考 文 献 庄又军 石刚 高敬东 等.半煤岩巷道掘进爆破振动监测分析.煤矿安全 ():.():.陈士海.岩巷快速掘进爆破技术.工程爆破():.():.宋长茂.提高隧道钻眼爆破效率的措施探讨.铁道建筑():.黄文尧 胡少银 吴红波 等.一种煤矿爆破封孔用含水消焰炮泥的制备及其使用方法:.马春德 刘泽霖 王业顺 等.大断面隧道掘进中炮孔快速堵塞新方法研究.矿冶工程 年 月 煤矿岩巷掘进爆破封孔材料研究 胡 洁等 ():.():.路晓荣 李西凡 熊祖强 等.新型深孔爆破快速封孔材料及封孔新工艺.煤矿安全 ():.():.王杰 张雷林 伍清.新型爆破封孔材料的制备与应用.煤矿安全 ():.():.杨威 贾茹 李希建 等.采煤工作面“爆注”一体化防突理论与技术.中国矿业大学学报 ():.“”.():.
