钻爆法中炮孔填塞的研究现状及发展趋势

2020-10-17刘德平陈远明刘建坤

中国矿业 2020年10期

刘德平，徐帅，陈远明，刘建坤

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110819；2.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁沈阳 110819；3.沈阳鑫博工业技术股份有限公司，辽宁沈阳 110004)

0 引言

近五年我国工业炸药消耗量年均约388万t，产值近300亿元，其中97.8%被应用于矿山、铁路、水电等工程岩体破碎中。钻爆法是当前岩体开挖工程中应用最有效、最广泛的破岩手段[1]。钻爆法开挖岩体的过程极其复杂，主要是影响该过程的因素比较多，其中炮孔填塞是影响爆破效果的重要因素之一[2]。理论和现场试验证明，合理的炮孔填塞相比无填塞能提高爆破作用效果10%～50%，炸药消耗量降低10%以上，空气冲击波压力降低75%～80%，延长爆生气体对炮孔介质的作用时间达3～5倍[3]。在当前爆破施工中，露天矿爆破大多采用钻孔岩粉或粗骨料进行填塞，部分矿山采用岩粉和机械填塞装置结合的方式进行填塞，但由于炮孔孔径较大，存在现场岩粉不足、工人作业劳动强度非常大、粗骨料较难运输以及成本过高等问题，并且进行炮孔填塞的岩粉或粗骨料容重、抗剪切力黏结力较小，难以真正起到填塞作用，经常出现“冲孔”现象，不仅使炮孔中高温高压气体的压力迅速下降，严重影响岩石破碎效果，而且冲炮会产生大量的飞石，严重影响爆破作业安全；地下金属矿和隧道绝大部分掘进爆破工作大都不进行填塞作业或用报纸、炸药包装盒子进行简单的封堵，只有部分爆破作业采用炮泥进行填塞，下向中深孔爆破填塞通常采用岩粉或粗骨料作为填塞材料，上向扇形中深孔由于填塞材料安装困难，基本进行不填塞或用炸药包装袋填塞作业。基于这种现状，本文通过分析前人对炮孔填塞的研究工作，开展综合分析，为爆破填塞工作提供一定的参考。

1 国内外填塞工作研究现状

20世纪60～70年代，炮孔填塞工作不被重视，相关研究较少。20世纪70年代初，我国引进国外的炮孔无填塞反向起爆技术，即将起爆药包装在炮孔孔底进行反向起爆，由于操作简单得到大范围推广，导致很多施工单位至今进行炮孔爆破不填塞作业，后期通过研究发现，这种技术主要通过靠近孔口段炸药起到炮孔填塞作用，不仅导致较高的炸药单耗，而且破岩效果极差。欧美国家很快就认识到炮孔不填塞的危害，美国矿务局更是规定钻爆法必须填塞，其他国家也有相同规定[4]。我国在20世纪末才重新开始重视炮孔填塞，《爆破安全规程》(GB 6722—2014)规定：硐室、深孔或浅孔爆破装药后都必须进行填塞，禁止无填塞爆破[5]。炮孔填塞经过30多年发展，很多学者对炮孔填塞机理、炮孔填塞材料、炮孔填塞长度、炮孔填塞结构等方面进行了大量的研究，并取得了较大的成果，为指导现场爆破施工提供了宝贵资料[6]。我国也在不断加强炮孔填塞作业的监督和管理，以求提高爆破质量和降低爆破成本。

1.1 填塞的作用机理

1.1.1 炸药对岩石的作用机理

直接研究填塞作用机理比较困难，通过分析炸药对岩石的爆破作用效果来研究填塞的作用机理是有效途径。炸药对岩石的破坏是高温、高压、高速的瞬态过程，是爆炸冲击波动态作用和爆生气体膨胀静态作用共同作用的结果[7]。炸药爆炸产生冲击波作用于炮孔孔壁，形成一个以炮孔为中心，炮孔直径2～3倍的破碎区。冲击波向外传播衰减为爆破应力波，产生一系列初始裂纹，当应力波到达自由面反射形成拉伸波，产生垂直应力波方向的裂纹，爆破产生的高温高压爆生气体进入初始裂纹中形成气锲作用，使裂纹扩展、贯通，直至岩石破碎，破坏过程如图1所示[7-8]。相关工作者通过理论计算和实验分析炸药爆破冲击波能量占40%；高温高压爆生气体作用于爆腔和主裂纹的能量占23%，剩余的37%能量作用于新增的裂纹，爆生气体所占的能量是冲击波所占能量的1.5～6倍[9-10]。对于炮孔无填塞爆破，高温高压爆生气体没有足够的时间作用于岩石，导致爆破将会损失50%以上的破岩能量。

1.1.2 炮孔填塞作用机理

关于炮孔填塞，国内外有很多学者通过实验来研究来其作用。SARHAN[11]通过台阶爆破试验认为炮孔填塞后，爆破岩石动量比不填塞时多65%。SHARMA等[12]从分析岩石爆破块度的角度得出，合理的炮孔填塞能降低大块率3%以上，减少18.6%的挖掘时间。陆文等[8]从炸药爆炸对岩石破坏过程出发，分析了填塞物的运动方式，认为炮孔填塞不仅能够有效降低单位岩石所需炸药量，增加炸药能量利用率，而且可以减少粉尘和有害气体的产生。赵新等[13]通过研究发现填塞阻止爆生气体逸散速度，增加气体压力作用时间，促使裂纹能进一步扩展。戴俊[14]认为炮孔没有填塞时，爆生气体压力会迅速由最高值降低到大气压；有填塞时，气体压力下降缓慢，从而使爆破作用时间和冲能增大。

综合上述研究成果，炮孔填塞确实可以提高爆破效果。理论和试验证明，炮孔填塞不仅可以增加爆破冲击波的有效应力和作用时间，还可以增加高温高压爆生气体作用于炮孔有效时间，提高爆破效果。当高温高压气体作用于填塞体，填塞体受到自身的惯性阻力，填塞体与炮孔孔壁之间的摩擦力和黏结力3种力的作用，如图2所示，高温高压气体膨胀冲出炮孔需要克服填塞体的3种阻力，从而延缓气体的压力的衰减速度，延长气体作用于岩体的时间，炸药能够充分反应，增加爆破能量利用率，减少有毒有害气体，减少炸药的单耗，加快工程施工进度，提高经济效益。

图1 炸药爆破过程的3阶段Fig.1 Stage 3 of the explosive blasting process(资料来源：文献[7])

P-气体膨胀压力；F1-惯性阻力；F2-摩擦力；F3-黏结力。图2 炮孔填塞物运动力学模型Fig.2 Movement mechanics model of blasthole stemming

1.2 填塞物运动规律

分析炮孔填塞物受力情况如图2所示。利用动量守恒和能量守恒定律来研究填塞物的运动规律是较为常用的方法。炮孔填塞物在炮孔爆破后运动过程主要分为两个过程。一是微观运动。爆生气体首先压缩填塞物，填塞物内部形成压力波，填塞物内部被压密产生侧向膨胀，由于炮孔径向约束，填塞物产生侧向膨胀压力，当压力波传到炮孔口时填塞物开始运动。二是宏观运动。由于爆生气体压力和阻力作用，填塞物往炮孔口加速移动[15-17]，在填塞物在炮孔移动的过程中，填塞物的初始加速度不为0，不同部分的移动速度也是不相同的，上部(靠近孔口)的填塞物比其他部分的速度大，冲出炮孔时分上中下3段形式冲出，每段填塞物达到最高位置时相应速度达到峰值[18-19]。

分析填塞物运动方程和实验研究发现，在炮孔参数一定的情况下，填塞物的移动速度与填塞物的长度、填塞物的摩擦系数、填塞物的侧压系数、填塞物的密度、炸药的结构和起爆方式等因素密切相关。增大炮孔的填塞长度，选用高密度、摩擦系数强的填塞物，并选择不耦合的装药方式和反向起爆技术能够最大程度的减小填塞物冲出炮孔的速度，延长爆生气体的破岩时间。

1.3 填塞长度

1.3.1 经验公式

阿索诺夫[20]考虑增大炮孔孔壁与填塞物的阻力提出，填塞长度公式：l=(1.10～1.15)W。卡明斯等[21]从减少爆破危害的角度出发，提出经验公式：l=(14～28)d。林德余等[18]最优填塞长度满足的不等式为：l≥LC/D，其中，C为填塞物声波速度，D为炸药爆速。吴立[22]按照爆破类型确定经验公式：①露天台阶和井巷爆破：l=(0.7～1.0)W；②控制爆破时：l≥1.2W。喻长智等[23]通过计算大量数据得出：①台阶松动爆破填塞长度：l=(15～20)d；②台阶减弱抛掷爆破填塞长度：l=(12～15)d。国外有学者研究起爆方式对填塞长度的影响发现，为达到同样的爆破效果，炮孔中间起爆填塞长度占直向起爆填塞长度的75%，而反向起爆填塞长度只需50%[4]。填塞长度的经验公式是通过大量的现场试验总结而成的经验计算值，主要与炮孔的直径和装药的最小抵抗线有关。

1.3.2 计算公式

通过研究炮孔填塞物在爆破中的受力情况和运动规律，考虑最理想的破岩效果的条件，推出最佳填塞长度。朱泽云[24]从减小堵塞物冲出炮孔的速度方面分析，认为理想的情况为填塞物的运动速度在某一些时刻为0，得出堵塞长度公式见式(1)。

(1)

式中：d为炮孔直径；μ为填塞物与孔壁的摩擦系数；ω为孔隙率；k为侧压系数。式(1)主要与炮孔的内径和填塞物的物理性质有关，便于计算填塞长度，但现实情况以填塞物的运动速度为0的条件难以实现，故计算出的填塞长度偏大。

孙英翔[19]、韩飞[25]通过炸药能量密度相等的情况推导出最佳填塞长度，见式(2)。

(2)

式中：s为炮孔中心到坡顶线的安全距离；h为超深值。式(2)忽略围岩的各向异性特征，计算结果有一定误差。

赵新涛等[26]将填塞物的加速度a看成常数，认为在最有填塞长度下，岩石破碎完成时填塞物刚冲出，推导出填塞长度公式，见式(3)。

(3)

式中：Cp为岩石中纵波速度，m/s；CR为岩体中表面瑞利波速度，m/s；P0为爆生气体初始压力。式(3)考虑了填塞物运动中的很多影响因素但忽略了应力波压缩作用的时间，故计算的填塞长度偏小。

1.3.3 数值模拟填塞长度

理论公式和计算公式确定的填塞长度精度较低，只是一个大约值，可以借助数值模拟技术进一步精确确定最优填塞长度。郝亚飞等[27]通过有限元分析软件LS-DYNA模拟不同填塞长度对爆源周围应力场的影响，发现填塞长度越长，炸药产生的能量对靠近孔口的填塞物影响小，得出最佳填塞长度为15～20 cm。冯志斌等[28]以矿山为背景，通过数值模拟得出掘进爆破中填塞长度为30 cm时爆破能量利用率最高，并通过现场试验得到验证。王洋等[29]通过LS-DYNA软件模拟平行双自由面岩体爆破发现，双向对称填塞长度为1.0～1.2 m为爆破岩体的最优方案。罗伟等[30]运用LS-DYNA分析软件，引入流固耦合方法进行模拟得出，隧洞光面爆破中浅填塞效果最好，不填塞次之，深填塞效果最差。

最优填塞长度是影响爆破效果的重要因素。按照经验公式进行选择填塞长度时，由于不同环境下其岩性不同，填塞长度无法量化，多数是借鉴类似工程的数据进行填塞长度的选择。计算公式为了能够简单化，会将某些因素如填塞材料力学性质理想化，存在一定的失真，但可以为现场生产提供参考性。利用数值模拟炮孔填塞长度，对模拟材料的属性进行简化处理，故计算结果存在误差，但不失为一种选择填塞长度的好方法。

1.4 填塞材料

从室内模拟实验和现场爆破效果来看，良好的填塞材料应具有摩擦系数大，抗剪切性强和气密性高，以及运输和使用便捷，能够采用机械化装填，材料来源广泛和成本比较低等特点。

常用填塞材料：①固体材料，如岩粉、砂子、黏土等松散颗粒及其混合物[31-33]；②液体材料，如水泥炮、水溶液或水炮泥与黏土的复合结构[34-35]；③胶体材料，有机盐和水形成的胶结物或速凝物[36-37]；④机械填塞方式[38-39]。

新型填塞材料：CEVIZCI[40]研发了一种采用石膏进行填塞的新型填塞物，通过现场试验，采用石膏填塞比于传统的岩粉填塞爆破吨矿成本下降了7%，爆破块度明显降低，20 cm以上的占比从48.7%降低到42.6%，爆破效果提升的原因是石膏填塞体增大了孔内约束，增加填塞体的约束力，提高了爆破能量的利用率。日本市场有一种用黏土、砂和合成树脂按一定比例制成的炮泥，使用前只需吸收足够的水，这种填塞材料使用方便，具有很好的密实性[4]。陆丽圆等[41]通过拉拔法和推出法得出聚氨酯封孔材料的力学性能远远优于传统的填塞材料。

通过上述研究发现填塞材料的摩擦系数、抗滑动特性、充填密实度、粒级组成、可压缩变形等物理力学性质变得尤为重要。然而对于当前的炮孔填塞，许多炮孔填塞工程更多地采用不填塞或单一填塞材料，对于多种常用的填塞材料复合组成的填塞体，比如以黏土、砂和水的配比为5∶4∶1组成的填塞体[32]和新型填塞材料采用的比较少。究其原因，新型填塞材料使用不方便，成本过高，没有配套的设施设备，难以工业化填塞。今后新型炮孔填塞材料应在满足炮孔填塞的要求下朝工业化、简单化方面发展。

2 炮孔填塞存在的问题及研究发展趋势

2.1 存在的问题

1) 传统的填塞作用研究方法无法将爆破冲击波和爆生气体真正分离，炮孔填塞后，填塞物对炸药破岩产生的爆破冲击波和爆生气体都能产生影响，无法简单说明填塞物通过影响爆生气体来影响爆破效果。

2) 基于不同的研究目的，假设填塞物运动规律的部分条件，得到填塞物的运动时间和速度规律存在很大的人为干扰因素，不能准确地给出填塞长度，给现场施工带来一定的困难。

3) 对于填塞材料的研究比较少，大多采用常规填塞材料，并且对于填塞材料的经济成本、配套生产填塞机械设备和机械安装填塞材料的研究更是少之又少，难以填塞材料工业化。

4) 当前炸药及其他火工品考虑其危险性受到国家安全管控，使得许多高校开展爆破实验只能在特定安全场地如炸药厂进行，但对于试验所需的采集仪器比较精密、体积较大，实验模型沉重，难以进行移动，这就导致很多爆破研究无法开展。

2.2 研究发展趋势

1) 采用新型爆破方法去研究填塞机理。金属丝电爆破作为一种新型爆破技术，在代替传统雷管起爆方式和岩石破碎方面取得一定进展。金属丝电爆破是金属丝加载脉冲大电流，在焦耳热的作用下快速液化、汽化、电离和等离子化的物理过程，在此过程中形成强大的冲击波[42]。东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室基于金属丝电爆破机理，搭建了高应力硬岩电爆破超动态过程综合实验平台，实验平台包括电爆系统、加载系统和测试系统，其中，电爆系统是金属丝两点起爆，利用电压提供稳定的爆炸动力源；加载系统是对爆破试件提供复杂应力场；测试系统通过高速摄影、爆破振动仪和冲击波压监测分别对试件爆破过程中的裂纹扩展、爆破振动和冲击波进行监测，实现对试件电爆破的全过程观测，具体实验原理如图3所示。笔者基于电爆破的实验平台和电爆破在爆破过程中不产生爆生气体，能将冲击波与爆生气体很好地分离，设计产生相同能量的两组电爆破水泥试件试验，其中一组炮孔进行填塞，另一组无填塞，爆破后分析试件爆破块度、爆破漏斗体积和试件裂纹的扩展等评价指标评价爆破破岩效果，分析填塞对爆破冲击波的影响，从而验证炮孔填塞的作用机理。

图3 电爆破实验原理图Fig.3 Schematic diagram of electric blasting experiment

2) 从降低填塞作业的成本角度分析，对于现场炮孔的填塞长度可以通过理论计算公式、室内小型试件爆破试验和数值模拟进行多方式优化后再应用于现场爆破试验，这样可以降低人为因素的影响，是最高效、经济的研究方式。

3) 从填塞材料和填塞方式越来越不能满足当前生产要求的角度分析，今后炮孔填塞的发展方向是，新型填塞材料在满足提高爆破效果的同时可以机械化、智能化现场施工，并且填塞材料成本低、来源广、环保、生产机械化等。研发自膨胀填塞体作为一种新型填塞材料，自膨胀填塞体遇水在一段时间后反应产生径向膨胀，在炮孔孔壁的约束下产生膨胀压力，形成致密填塞体，从而对爆破过程中爆生气体的强力约束，实现高压、高强、高气密性的炮孔填塞。自膨胀填塞体具有携带方便、使用简单、来源广泛、机械化生产、成本低廉、短时间内在炮孔中产生较大径向膨胀等特点，是未来填塞材料的主要研究方向。

4) 基于当前高校开展爆破试验研究存在难以提供起爆源的问题，笔者认为高校应该加强与炸药厂、爆破公司和一些爆破科研单位的合作，建立合作实验室，这样能为高校开展爆破实验研究提供便利的场所，推进爆破研究工作，便于将实验成果转化用于现场实际。

5) 现场工作人员必须加深炮孔填塞方面的学习，不能盲目认为填塞工作费时费力而放弃填塞作业。