馬春德， 劉澤霖， 王業(yè)順， 龍 珊， 謝偉斌， 趙新浩

（1.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙410083； 2.中南大學 高等研究中心，湖南 長沙410083）

地下空間的開挖多采用爆破法，而炮孔堵塞是爆破施工中的重要環(huán)節(jié)。 炮孔堵塞與否雖然對爆炸沖擊波的波峰值影響不大，但對其后爆生氣體壓力降低速率及其對巖石產(chǎn)生致裂作用的時間影響顯著，而炮孔堵塞材料的選擇［1-2］、堵塞結構及幾何參數(shù)［3-10］等對爆破效果都有重要的影響。

近些年來，越來越多的大斷面隧道、超大斷面隧道成為了工程建設中的控制性工程，安全、快速掘進，成為施工的首要問題。 許多研究使用水泡泥來解決井下爆破降塵和減少炮煙效果不理想的問題［11-12］。

在垂直孔的爆破中，可用巖屑進行堵塞，炮孔堵塞較為容易，但在地下隧道或巷道的非垂直孔施工中，由于炮泥制作復雜、搬運困難且不易保存，實際堵孔工作效果差，或直接不進行堵孔，出現(xiàn)長距離飛石和低進尺情況，無法適應地下空間大斷面隧道快速掘進的技術要求。 本文提出了“水炮泥+膨脹泡沫”的組合式炮孔快速堵塞新方法，通過室內(nèi)實驗和現(xiàn)場試驗兩種方式，來證明該方法的堵塞效果。

1 炮孔快速堵塞結構

炮孔快速堵塞新方法結構示意如圖1 所示，主要包括圓柱形水炮泥袋和堵孔用膨脹泡沫兩個部分，水袋可為一個或多個，總堵塞長度為l，其中水袋長度為lw，膨脹泡沫堵塞長度lf，實際噴射膨脹泡沫長度lf1，預留膨脹長度la，如式（1）所示。

圖1 炮孔快速堵塞結構示意

1.1 柱狀水炮泥袋

柱狀水炮泥袋如圖2 所示，長200 ～300 mm，由袋體、卡喉、卡口栓塞三部分組成。 其中袋體為聚乙烯塑料，不易被劃破，外徑比炮孔直徑略小，卡喉材質(zhì)為硬質(zhì)塑料，中間設置注水孔，卡口栓塞實現(xiàn)局部自鎖，達到阻水的作用，防止漏水。

圖2 水炮泥袋結構示意

1.2 堵孔用膨脹泡沫

堵孔用膨脹泡沫為聚氨酯泡沫填充劑，屬濕固化泡沫，正常使用溫度為5 ～40 ℃，且濕度越大、固化越快，在濕度較大、溫度適中的隧道環(huán)境中，快速固化效果極佳。

在隧道爆破中，堵塞長度l＝（16.2～22.7）d（d為鉆孔直徑，鑿巖臺車鉆孔直徑一般為50 mm，l＝1 m），泡沫膨脹劑的膨脹比為1 ∶60～1 ∶80，1.5 L 泡沫膨脹劑膨脹后體積約90 L，鑿巖臺車打孔每個炮孔所需堵塞體積約2 L，除去水炮泥占去的部分長度lw≈20 ～40 cm，一瓶泡沫膨脹劑就可堵塞近55 ～75 個孔，單個循環(huán)全斷面爆破2～3 瓶泡沫膨脹劑就可滿足堵塞耗材要求。

2 膨脹泡沫堵孔強度測試

爆破試驗存在一定困難，而靜力學條件下材料的力學性能在一定程度上能表示其動力學條件下的力學特性，因此，本文設計了一個堵孔效果對比實驗模型，如圖3 所示，用一塊平整的長方體砂巖石材（長×寬×高＝400 mm × 200 mm × 100 mm） 模擬地下開采時炮孔周圍的圍巖體，在其中部鉆出一個直徑55 mm 的圓孔，用于模擬鉆鑿的炮孔需要堵塞的部分，孔內(nèi)可充填不同的堵孔材料。 模型用兩組對稱的支撐塊懸空架起，放置于材料試驗機的工作平臺上。 用直徑55 mm、高度120 mm 的鋼柱作為加載頭，將試驗機施加的荷載傳遞到堵孔材料上，使其在外力作用下最終與孔內(nèi)壁完全分開、脫離，同時記錄測試過程中堵塞阻力隨時間的變化情況，用以比較不同材質(zhì)的堵孔效果。 堵孔材料選用了新型聚氨膨脹泡沫和傳統(tǒng)的黃泥兩種，其中膨脹泡沫實驗選取了固化時間為5 min 和10 min 兩種，實驗采用位移加載控制的方式，加載速率統(tǒng)一為10 mm/min，測試結果如圖4～5 所示。

圖3 試驗平臺

圖4 黃泥、膨脹泡沫堵塞阻力時程曲線

從堵塞效果上來看：固化10 min 的膨脹泡沫堵塞效果較好，黃泥堵塞效果其次，固化5 min 的膨脹泡沫堵塞效果較差。 從阻力峰值來分析，阻力峰值大小依次為P膨脹泡沫（固化10min）＞P黃泥堵塞＞P膨脹泡沫（固化5min）。從阻力變化時程曲線來分析，試驗初期黃泥的阻力增長率較大，且隨著黃泥不斷壓縮，阻力略微減??；固化10 min 的膨脹泡沫前期阻力及其增長速率介于黃泥和固化5 min的膨脹泡沫之間，固化5 min 的膨脹泡沫在前期阻力及其增長速率都較小。 從能量變化來看，能量W＝Fvt，加載速度v是恒定值，能量W與力F和時間t的乘積成正比。 在相同的時間進程下，可以看出，在350 s 之前，W黃泥＞W(wǎng)膨脹泡沫（固化10min）＞W(wǎng)膨脹泡沫（固化5min），即黃泥吸收的能量是最大的，而后黃泥達到極限值，開始從孔里掉落；350 s 之后，固化10 min 的膨脹泡沫能量繼續(xù)增大，超過黃泥，而固化5 min 的膨脹泡沫隨著時間增大所吸收的能量一直較小，分析原因，是因為固化5 min的膨脹泡沫尚未完全凝固，未完全完成“柔性”向“剛性”的轉(zhuǎn)化。 從材料的堵塞特征來看，黃泥密度大，空隙小，彈性模量E較大，在壓縮過程中能快速通過壓密階段，進入彈性階段而后進入塑性階段，而膨脹泡沫密度較小，且含有較多的空隙，壓密時長較長，彈性模量E也相對較小，是一種較好的吸能材料，所以能形成更好的堵塞效果。 從實驗現(xiàn)象來看，黃泥隨著鐵柱向下壓縮從孔底逐漸被壓出，直到完全脫落，而膨脹泡沫能在孔內(nèi)保持較長時間后才在峰值后從底部冒出。

炸藥爆炸后，爆炸所產(chǎn)生的能量及物質(zhì)要朝著能量低的方向即炮孔口方向擴散，必須克服由堵塞物帶來的慣性阻力fi1及其與炮孔壁之間的摩擦阻力或黏性阻力f1，膨脹泡沫材料還有彈性變形阻力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，增加了炸藥化學反應的完全程度，得到更充分的爆炸能，使得炮孔內(nèi)爆炸產(chǎn)生的高壓氣體作用時間相對延長，應力波作用生成的裂隙在受到高壓氣體的氣楔作用后加速發(fā)展，高壓氣體向裂隙中楔入，提高了破巖效果，減小了巖石的拋擲距離，也降低了空氣沖擊波強度。

式中P為加在物體上的力；k為材料的剛度，即物體產(chǎn)生單位位移所需的外力；f1為堵塞材料單位長度上與孔壁之間的摩擦力；fi為黃泥的慣性阻力；f2為黏接力；fi2為膨脹泡沫的慣性阻力；l為炮孔堵塞長度。

黃泥等堵塞材料比膨脹泡沫剛度大，僅依靠與孔壁的摩擦力f1和慣性阻力fi1作為堵塞力；而膨脹泡沫柔性好，存在較大的彈性變形阻力P2/（2k），在單位位移內(nèi)能吸收更多的能量，且與孔壁為黏接力f2比f1大，雖然慣性阻力fi2較fi1小，但慣性阻力所占比重較小，對材料的堵塞性能影響較小。

3 現(xiàn)場施工與效果驗證

3.1 工程概況

東天山隧道是新疆維吾爾自治區(qū)G575（一級公路）線巴里坤至哈密的控制工程，為雙洞分離式隧道，左右線間距30 m，其中隧道左線長11 764 m、右線長11 775 m。 隧道橫穿天山山脈，范圍內(nèi)中線高程2 040～3 375 m，隧道開挖斷面面積91.7 m2，建筑界限凈寬10.25 m，最大跨度12.5 m，凈高5.00 m。

3.2 效果對比

本次選擇新疆東天山隧道出口段掌子面作為試驗地點，進行了黃泥黏土做堵孔材料和水炮泥+阻燃型聚氨酯發(fā)泡膠做堵孔材料兩類試驗來對比不同堵塞方法的效果。

東天山隧道采用全斷面一次爆破法，設計循環(huán)進尺4.0 m，炮孔總數(shù)178 個，采用2 號巖石乳化炸藥，1～15 段導爆管雷管跳段起爆，單次藥量平均為420 kg，水袋長度20 cm，每個炮孔堵塞2 個水袋，統(tǒng)計了連續(xù)5 個循環(huán)的裝藥時長，并在爆破后測量了不同堵塞方式下的循環(huán)進尺和炸藥單耗，結果見表1。

5 次循環(huán)統(tǒng)計結果表明，平均裝藥時間由原來的2.50 h 減至2.23 h，工作效率提高了10.80%；循環(huán)進尺由3.54 m 提高到了3.65 m，平均提高了0.11 m；炸藥單耗由原來的1.29 kg/m3降至1.25 kg/m3，延米節(jié)省炸藥量3.67 kg。 表明水泡泥+膨脹泡沫的堵孔方式減少了裝藥時間、提高了循環(huán)進尺、降低了炸藥單耗，比原有的黃泥堵塞方式更為有效。

同時使用CCZ-1000 粉塵濃度檢測儀檢測爆破后空氣中的塵粉濃度，單次采樣時間為5 min，采樣流量為10 L/min，以黃泥堵塞為標準，統(tǒng)計計算了水泡泥和膨脹泡沫的呼塵相對降塵率η1和全塵相對降塵率η2，結果見表2。 使用KP826 有毒有害氣體檢測儀監(jiān)測CO 和H2S 有害氣體的含量，鑫思特HT-2000 二氧化碳檢測儀監(jiān)測CO2含量，監(jiān)測時間為1 h，間隔時間5 min。 隧道為壓入式通風，檢測位置布置在隧道回風側(cè)，距離掌子面45 m，為掌子面直徑的4 倍，高度為1.6 m，為作業(yè)人員的呼吸高度。 監(jiān)測結果見表3。

表2 爆破后粉塵濃度

表3 爆破后空氣質(zhì)量

結果表明：水炮泥+膨脹泡沫堵孔比傳統(tǒng)黃泥堵孔的粉塵濃度降低50%以上，隧道內(nèi)空氣質(zhì)量得到大幅度改善；雖然水泡泥+膨脹泡沫的CO2含量在爆破初期增大了2 580×10-6，但30 min 內(nèi)達到了隧道內(nèi)原有含量值2 800×10-6，CO 和H2S 有害氣體總量分別減少了24.57%和66.67%。

原因分析如下：乳化炸藥產(chǎn)生有毒有害氣體的簡要反應如式（3）所示，炸藥完全反應后產(chǎn)生的CO2上升，相應的CO 降低，而水泡泥很好地吸收了H2S，因此H2S 含量降低。

4 結 論

經(jīng)過理論分析和室內(nèi)實驗和現(xiàn)場試驗，經(jīng)過對傳統(tǒng)的黃泥堵塞炮孔和水泡泥+膨脹泡沫堵塞炮孔進行比較，得到以下結論：

1） 通過實驗室測量，得出固化時間長（10 min）的膨脹泡沫峰值強度大于黃泥，為黃泥峰值的119.8%，且堵塞作用時間比黃泥堵塞試件長200 s，總能量高于黃泥堵塞45%。

2） 現(xiàn)場試驗證明水泡泥+膨脹泡沫比黃泥更適合于大斷面的炮孔堵塞，裝藥時間降低10.8%，每循環(huán)提高了0.11 m 的爆破進尺，炸藥單耗下降0.04 kg/m3，增強了爆破效果；呼塵相對降塵效率達到了55.58%，全塵相對降塵效率達到了52.91%，爆后初始CO 和H2S 有害氣體總量分別減少24.57%和66.67%，大大改善了空氣質(zhì)量。

3） 水泡泥+膨脹泡沫在工作面附近快速制作使用，制作簡單快速，堵孔效果好，降塵降有毒有害氣體效果明顯，經(jīng)濟效益顯著，具有重大的推廣應用價值。