一种用于钻孔爆破的钻孔填塞装置及其制备方法与流程

本发明涉及岩石爆破，特别是一种钻孔爆破开挖岩石使用的钻孔填塞装置及其制备方法。

背景技术：

钻孔爆破简称钻爆法，是通过钻孔和装药对岩石进行爆破的方法，是目前开挖破碎岩体的主要手段。据统计，在露天矿山生产中，矿岩破碎均靠钻爆法；在地下硬岩矿山掘进与开采中，钻爆法占到90％以上；在隧道和水工施工中，钻爆法占60-70％。钻爆法破岩的原理是利用炸药在钻孔内有限空间中急剧反应，爆炸产生的应力波使岩体产生裂隙，由爆炸产生的高温、高压气体形成的气锲推动岩体进一步破碎。

研究表明，钻爆法破岩时，有效的填塞可使爆生气体对岩体的作用时间延长，节省炸药用量，提高炮孔利用率，降低有毒有害气体的产生，从而提高爆破效果。实验表明，有填塞时单孔破岩量比无填塞时超出20-30％。

目前，钻爆法施工时，下向孔填塞多采用钻孔时产生的岩粉或外运破碎成一定粒度的粗骨料进行填塞，通过一定的填塞长度，来保证下向孔的爆破效果。对于掘进爆破中的水平孔，则采用炮泥、水炮泥或机械膨胀塞进行钻孔填塞。对于上向孔，由于安装困难，实际生产中，大都用包装袋或浸水纸壳进行填塞。下向孔利用岩粉或粗骨料进行填塞时，由于岩粉或粗骨料属于松散物质，靠其自重压覆在炸药之上，与孔壁之间摩擦力小，对爆生气体的密封作用有限，只能通过加长填塞长度，才能达到有效填塞的效果。如此需增大炮孔的总长度，使钻孔费用增加。采用炮泥进行填塞时，由于炮泥的硬度和韧性较差，填塞施工较为困难，且填塞的炮泥与孔壁间的摩擦力较小，气密性较差；炮泥本身的强度指标与围岩差别较大，导致填塞位置仍然是爆破时的最薄弱位置，成为爆生气体过早泄漏的薄弱点，导致爆破能量过早泄漏。上向孔采用包装袋或纸壳填塞，在正向起爆(孔底起爆)条件下，这些填塞物根本起不到封堵作用，实际上是由孔口附近一定长度的药柱作为填塞材料起封堵作用，由此带来炸药的浪费和爆破效果的降低。

为提高填塞的技术效果，国内外学者开展了不同类型填塞材料和填塞方法的研究。

cn101318802a专利文献公开了一种地震勘探爆破过程中使用的钻孔封孔装置。该装置是由盛装生石灰的圆形无纺布袋置于一个多孔的圆形塑料外壳中构成，用其堵塞地震勘探中的震源炮孔，将原来采用的松散填塞改为预应力高强度嵌砌式填塞，增加了填塞体的波阻抗和内摩擦阻力，改善了药包能量过早扩散和损失的问题，同等条件下提高了地震勘探的勘探深度和勘探精度。但该装置在使用中存在以下技术问题：

1、装置中生石灰遇水反应生成氢氧化钙过程中会释放大量的热，使填塞材料产生高温。钻爆法爆破时，孔内需要铺设传爆器材，主要是非电导爆管或导爆索，这些材料的安全耐受温度在120°以下，填塞材料产生的高温一旦超过该温度，传爆系统会被破坏，导致发生拒爆事故。

2、无纺布袋中的生石灰遇水后在径向和轴向均会产生膨胀，在径向由于受到炮孔壁的约束，会使膨胀向轴向发展，因塑料外壳对膨胀的轴向约束有限，导致轴向膨胀较大，而径向膨胀不足，使填塞材料与孔壁的弥合程度不足，填塞效果不够理想。

3、塑料外壳韧性较差，对生石灰遇水膨胀产生一定的约束力，不仅影响填塞材料的反应程度，而且影响填塞材料与炮孔孔壁的弥合。

4、生石灰必须达到一定的吸水率才能使反应达到需要的体积膨胀倍数，故采用该装置时必须向炮孔中注水才能满足反应的需要。对于下向孔，孔内充水对炸药的要求提高，需使用防水乳化炸药，导致施工复杂性增加和爆破成本提高；对于水平孔和上向孔，因无法向孔内充水，使该装置的使用受到限制。

申请号为201310677936.3的中国专利文献针对大孔径静态爆破公开了一种用无纺布缝纫或粘接的圆筒包裹静态破裂剂的堵孔装置。该装置利用无纺布吸水的特点，将粉状的破裂剂进行包装，吸水饱和后，用于填塞上向或下向孔，进行膨胀致裂。但无纺布材料本身孔隙度较大，用其包装粉状膨胀材料，材料渗漏较多；其次，由于无纺布的韧性较大，无法将破裂剂装填密实，导致其密度较小，不能产生足够的膨胀压力，影响填塞效果；同时，这种堵孔装置因不需考虑反应温度，应用于钻爆法填塞时，同样会导致传爆系统损坏，故其也不能直接应用于钻爆法炮孔填塞。

cn103591858a专利文献针对大孔径静态爆破公开了一种由椎体、锥销、壳体、弹簧和螺栓组成的机械封堵装置，在静态破碎剂浆体注入钻孔后，用其封堵钻孔。该装置为纯机械结构，制造成本较高，推广应用难度较大。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是针对钻孔爆破提供一种对传爆系统不会产生破坏(膨胀剂最高反应温度不超过60°)、膨胀后与钻孔孔壁弥合程度高、压力和静摩擦力大、使用简单、适用范围广的钻孔填塞装置及其制备方法。

为实现上述目的，本发明提供的用于钻孔爆破的钻孔填塞装置，包括药柱、轴向膨胀约束机构、弹性保护套、吸热垫和隔热垫；

所述药柱由内层为海绵、外层为牛皮纸复合制成的圆形包装筒内装膨胀剂构成，牛皮纸上有间隔分布的透水孔；

所述膨胀剂由过烧cao、nahco3、石英砂、粘土、高分子吸水材料和无水乙醇(有机溶剂)混合组成，各成分的重量配比为：过烧cao52％—66.5％，nahco33％—5％，石英砂15％—20％，粘土7％—10％，高分子吸水材料0.5％—1％，无水乙醇8％—12％；

所述轴向膨胀约束机构包括穿过所述药柱中心轴的丝杆和分别套在丝杆外露部分上的两个堵盖，堵盖的外径比钻孔孔径小2—5mm、比药柱直径大10—15mm，在大于药柱直径的堵盖边部有进水兼排气孔，所述药柱的两端面通过与丝杆配合的螺母与堵盖压紧，使药柱固定在丝杆上；

所述弹性保护套的轴向长度大于所述轴向膨胀约束机构中两个堵盖外端的间距、孔径小于堵盖的外径，靠弹性套接在堵盖的外缘上，将所述药柱封闭在弹性保护套与堵盖形成的空间内；

所述吸热垫包括柔性扁平状硅胶皮袋，硅胶皮袋内装有制冷剂和蓄冷材料组成的混合物，混合物中裹有水袋，吸热垫附在弹性保护套的内面，其轴向长度与弹性保护套的轴向长度相同，径向弧形的弧长为弹性保护套周长的10％—25％(吸热垫采取弧形条状是为了节省材料)；

所述隔热垫的尺寸与吸热垫相同，由热传导系数低的柔性材料制成，与吸热垫相对应附在弹性保护套的外表面。

本发明用于钻孔爆破的钻孔填塞装置的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、根据膨胀剂所含成分的重量配比称取原料，其中过烧cao、nahco3、粘土均为粉体；高分子吸水材料和石英砂分别为无水颗粒状固体；

步骤2、将过烧cao、nahco3、粘土、石英砂和高分子吸水材料混合，搅拌均匀后加入无水乙醇继续搅拌，制成润湿状(在10-15kn压力作用下不发生液体析出)膨胀剂；

步骤3、制作包装筒

用厚度为3-5mm的海绵作内层、厚度为0.1mm的牛皮纸作外层，用模具和粘结剂制成直径小于钻孔直径10mm的包装筒，包装筒的长度按下式计算

h1＝(0.2～0.3)l

式中：l——钻孔的长度(cm)，

h1——包装筒的长度(cm)，

将制作的包装筒的一端进行封口(可用相同的牛皮纸作封口材料)；

步骤4、制作药柱

将步骤2制成的润湿状膨胀)通过机械或手工方式装填到步骤3的包装筒中，装填时要确保装填密实，装填之后封闭包装筒的开口端，然后在牛皮纸上按设定的孔径和间隔尺寸开设圆形或矩形透水孔，制成药柱；

步骤5、安装轴向膨胀约束机构

沿制成的药柱的中心轴穿过一根直径为4-6mm、长度大于包装筒长度40mm的丝杆，在丝杆的两个露出端上分别穿所述尺寸结构的堵盖，将两个分别与丝杆配套的螺母沿丝杆的两端向前旋拧，将两个堵盖推到把药柱的两端夹紧为止(药柱被固定在丝杆上)，制成带有轴向膨胀约束机构的药柱；

步骤6、制作吸热垫、隔热垫和弹性保护套

取厚度为0.2-0.3mm的硅胶皮通过粘合制成所述吸热垫，同时在吸热垫内装填混合后的的制冷剂(冷源材料)和蓄冷材料，并将由塑料薄膜制成、内装水的水袋置于其中；

用厚度为1—4mm的气凝胶毡或玻璃纤维布(二者均属热传导系数很低的绝热保温材料)制成尺寸与吸热垫相同的隔热垫；

取厚度为0.3-1mm的硅胶皮通过粘接制成所述弹性保护套，同时将上述吸热垫和隔热垫相互对应分别粘贴在弹性保护套的内表面和外表面上，制成局部带有吸热垫和隔热垫的弹性保护套；

步骤7、将步骤6制成的局部带有吸热垫和隔热垫的弹性保护套套接在轴向膨胀约束机构的两个堵盖的外缘上，将所述药柱封闭在弹性保护套与堵盖形成的空间内，制成用于钻孔爆破的钻孔填塞装置。

本发明钻孔填塞装置使用时，将其泡入水中，水从堵盖的进水兼排气孔进入药柱和弹性保护套之间的空隙中，通过包装筒外层牛皮纸上的透水孔和海绵进入膨胀剂，浸泡时间6-8min后，药柱吸水至饱和状态；然后将装置从水中取出，放入钻孔需要填塞的位置，使隔热垫遮盖住传爆器材(非电导爆管或导爆索)，塞紧即可。

本发明的有益效果：

1、本发明在膨胀剂中添加nahco3可起到吸收cao与水反应放出热量的作用，其原理是

cao遇水发生反应生成氢氧化钙，同时释放出热量(1摩尔cao的质量反应放热为64.5kj)：

cao+h2o＝ca(oh)2δh＝-64.5kj/mol；

nahco3发生吸热反应，生成na2co3、co2和h2o，同时吸收热量(1摩尔的nahco3质量反应吸热45.8kj)：

2nahco3＝na2co3+co2+h2oδh＝+91.6kj/mol。

本发明正是根据这一原理，在膨胀剂中加入适量的nahco3，使cao与水反应过程释放热量中的一部分被nahco3分解反应所吸收，从而降低药柱中膨胀剂吸水膨胀产生的热量，使其不超过传爆系统的耐受温度，保证传爆系统安全运行。同时，碳酸氢钠反应所生成的水对cao与水的反应还可起到促进作用和加速作用；nahco3分解反应释放的co2可与cao和水进行化合反应，生成的ca(oh)2再迅速通过钙化反应生成caco3，可增加药柱的致密程度，既有利于提高装置的填塞效果，又有利于延长膨胀反应的时间。

2、本发明在上述利用nahco3吸收膨胀剂反应放出的部分热量的基础上，在弹性保护套对应钻孔中传爆器材所在位置处的内外表面上分别增设了吸热垫和隔热垫，由吸热垫对膨胀剂反应放出的热量进行再吸收，剩余的热量由隔热垫加以阻隔，三项措施并举，确保被隔热垫遮盖的传爆器材的温度在其耐受极限温度以下，从而确保传爆系统正常工作，杜绝拒爆事故的发生。

3、本发明在膨胀剂中添加吸水材料(如高分子吸水树脂sap)，在药柱泡水时，该材料会快速吸水胶化，可促进牛皮纸与海绵的吸水速度。同时，生成的胶凝状材料具有一定的蓄水功效，当过烧cao开始反应时，可持续不断地为其供水，有利于提高反应的完全度，提高膨胀压。

4、本发明在膨胀剂中加入无水乙醇和膨胀性粘土(主要成分为蒙脱石)，利用膨胀性粘土与无水乙醇混合润湿后粘稠度增大的特性，可将cao和nahco3等粉状材料进行胶着，进而与石英砂等颗粒状材料混合成润湿状态，不仅极大方便膨胀剂向包装筒内填装，而且可提高药柱中膨胀剂的密度(有利于提高反应产生的膨胀压)。无水乙醇在膨胀剂中随着时间会逐渐挥发(实验表明放置一天后，乙醇残留量仅为1-2％)，不会对膨胀剂的反应产生不利影响。

5、本发明用带孔牛皮纸作外层、海绵作内层，二者复合制成膨胀剂的包装筒，利用牛皮纸的韧性使包装筒韧性好，利用海绵的快速吸水性提高膨胀剂的吸水速度，可满足生产现场快速装填和快速浸泡的要求。

6、本发明中药柱的两端被轴向膨胀约束装置中的堵盖紧紧夹住，使膨胀剂反应过程中轴向膨胀受限，只能向径向发展，从而大大提高其径向膨胀压力，通过具有弹性的硅胶保护套使膨胀后的药柱与钻孔的内壁能够高度弥合，压力和静摩擦力增大，有效提高装置的填塞质量和填塞效果。

7、本发明用具有柔性和弹性的硅胶皮套作保护套，在不影响药柱发挥膨胀填塞作用的情况下，具有两个作用：一个是对泡水后的药柱放入钻孔后起到暂时约束作用，防止药柱因反应激烈而发生“喷粉”(膨胀剂从药柱与钻孔间的缝隙中喷出)；另一个作用是使充分泡水的药柱在其保护下既可填塞有水下向钻孔，也可填塞无水的上向钻孔、水平钻孔和下向钻孔，拓宽填塞装置的适用范围。

8、本发明钻孔填塞装置可工厂化批量生产，携带方便，使用简单，反应速度快，填塞质量高，用其填塞钻孔爆破的钻孔，钻孔利用率高，爆破效果好，炸药单耗低。

附图说明

图1为本发明钻孔填塞装置的轴向剖视图；

图2为图1的侧视图；

图3为图1中药柱的轴向剖视图；

图4为图3的侧视图(半剖)；

图5为图2中a部放大图；

图6为图2中吸热垫的展开图(半剖)。.

图中符号说明：1-弹性保护套，2-进水兼排气孔，3-螺母，4-垫片，5-堵盖，6-丝杆，7-药柱，71-牛皮纸，72-海绵，73-膨胀剂；74-透水孔，75-(包装筒)封口，8-吸热垫，81-硅胶皮袋，82-制冷剂，83-蓄冷材料，84-水袋，9-隔热垫。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

本施例以某矿山钻爆法开采硬岩矿体为例，其爆破钻孔为上向无水钻孔，钻孔直径为65mm，长度为2m。

用于该种钻孔的填塞装置如图1和图2所示，由药柱7、轴向膨胀约束机构、弹性保护套1、吸热垫8和隔热垫9组成。

其中的药柱7如图3和图4所示，由海绵72作内层、牛皮纸71作外层复合制成的圆形包装筒内装膨胀剂73构成，海绵厚度为0.3mm，牛皮纸厚度为0.15mm，包装筒长度为400mm，外部直径为50mm，两端用牛皮纸作封口75，牛皮纸上有轴向相互间隔10mm、两侧对称分布的20个透水孔74，透水孔的直径为10mm。

药柱中的膨胀剂由过烧cao、nahco3、石英砂、粘土、高分子吸水材料和无水乙醇混合组成，各成分的重量配比为：过烧cao66.5％，nahco33％，石英砂15％，粘土7％，高分子吸水材料0.5％，无水乙醇8％。

其中的轴向膨胀约束机构如图1和图2所示，包括穿过所述药柱中心轴的丝杆6和套在丝杆外露部分上的两个堵盖5；丝杆的直径为6mm，其长度为440mm；堵盖用塑料制作，其外径为63mm，在直径大于药柱直径的堵盖边部开设四个间隔对称分布、直径为4mm的进水兼排气孔2；利用两个与丝杆配合的螺母3和垫片4分别将两个堵盖与药柱的两端面压紧，使药柱固定在丝杆上。

其中的弹性保护套1如图5和图6所示，由厚度为0.5mm的硅胶皮制成，其轴向长度为440mm，孔径为60mm，弹性保护套靠弹性套接在堵盖的外缘上，将药柱封闭在弹性保护套与堵盖之间的空间内。

其中的吸热垫8如图6所示，包括展开后呈柔性扁平状的硅胶皮袋81，硅胶皮袋内装有由尿素或硝酸铵钙构成的制冷剂82和由聚乙烯醇-硼砂高效聚冷剂构成的蓄冷材料83组成的混合物，混合物中裹有由塑料薄膜袋装水构成的水袋84，吸热垫展开后的长度为440mm宽度为47mm(等于弹性保护套周长的25％)，厚度为3mm；吸热垫粘贴在弹性保护套的内面(如图1和图2所示)。

其中的隔热垫9由热传导系数低的气凝胶毡或玻璃纤维布制成，尺寸与吸热垫相同，与吸热垫相对应粘贴在弹性保护套的外表面上。

上述钻孔填塞装置的制作方法包括以下步骤：

步骤1、根据膨胀剂所含成分的重量配比称取原料，其中过烧cao、nahco3、粘土均为粉体；高分子吸水材料和石英砂分别为无水颗粒状固体；

步骤2、将过烧cao、nahco3、粘土、石英砂和高分子吸水材料混合，搅拌均匀后加入无水乙醇继续搅拌，制成润湿状(在10-15kn压力作用下不发生液体析出)膨胀剂；

步骤3、制作包装筒

用所述厚度的海绵作内层、所述厚度的牛皮纸作外层，用模具和粘结剂制成所述直径和长度的包装筒，包装筒的一端用同样的牛皮纸作封口；

步骤4、制作药柱

将步骤2制成的润湿状膨胀剂通过机械或手工方式装填到步骤3的包装筒中，装填时要确保装填密实，装填之后封闭包装筒的开口端，然后在牛皮纸上按所述相互间距开设所述孔径的圆形透水孔，制成药柱；

步骤5、安装轴向膨胀约束机构

沿制成的药柱的中心轴穿过所述丝杆，将两个所述堵盖分别穿过丝杆的两个露出端，再将两个垫片分别套在丝杠上，垫在堵盖的外侧，将两个与丝杆配套的螺母分别沿丝杆的两端向前旋拧，直到将两个堵盖推到把药柱的两端夹紧为止，药柱即被固定在丝杆上，制成带有轴向膨胀约束机构的药柱；

步骤6、制作吸热垫、隔热垫和弹性保护套

用所述硅胶皮通过粘合制成吸热垫，同时在吸热垫内装填混合后的制冷剂和蓄冷材料，并将所述水袋置于其中；

用气凝胶毡或玻璃纤维布制成尺寸与吸热垫相同的隔热垫；

用所述硅胶皮通过粘接制成所述弹性保护套，同时将上述吸热垫和隔热垫相互对应分别粘贴在弹性保护套的内表面和外表面上，制成局部带有吸热垫和隔热垫的弹性保护套；

步骤7、将步骤6制成的带有吸热垫和隔热垫的弹性保护套套接在轴向膨胀约束机构中两个堵盖的外缘上，与堵盖一起将所述药柱封闭，制成用于钻孔爆破的钻孔填塞装置。

现场使用时，将上述钻孔填塞装置放入水中浸泡6-8min，使药柱在该时间内吸水至饱和状态；然后将其从水中取出，把填塞装置的隔热垫中心对准传爆器材(非电导爆管或导爆索)塞入上部已放入炸药的上向钻孔的下部(为防止装置下滑，可塞入适量纸壳临时堵塞)，完成填塞装置的安装。药柱中的膨胀剂会在30-50min内发生反应，体积膨胀，产生3-5mpa的膨胀压，在此压力下，吸热垫中水袋破裂，吸热垫中的制冷剂遇水溶解吸收膨胀剂反应释放出的热量，同时蓄冷材料遇水胶化，变成具有蓄冷作用的胶凝状物质，较长时间保持较低温度。

本实施例在药柱中添加5％的nahco3，可吸收cao与水反应放出热量的25-42％，与不添加nahco3相比，药柱的表面温度可由130℃左右下降到90—100℃，再经吸热垫进一步吸热和隔热垫隔热，传爆器材处的温度可降至45-55℃，远远低于传爆器材的耐受温度，使传爆系统的运行可靠性得到有效保证。

同时，由于膨胀剂反应体积膨胀轴向受到膨胀约束机构的约束，只能向径向发展，其膨胀压力将包装筒破碎后与弹性保护套一起与钻孔孔壁形成充分弥合，压力和静摩擦力增大，确保填塞质量可靠，爆生气体的破岩量达到最佳。