本發(fā)明涉及巖石爆破，特別是一種鉆孔爆破開挖巖石使用的鉆孔填塞裝置及其制備方法。

背景技術：

鉆孔爆破簡稱鉆爆法，是通過鉆孔和裝藥對巖石進行爆破的方法，是目前開挖破碎巖體的主要手段。據統(tǒng)計，在露天礦山生產中，礦巖破碎均靠鉆爆法；在地下硬巖礦山掘進與開采中，鉆爆法占到90％以上；在隧道和水工施工中，鉆爆法占60-70％。鉆爆法破巖的原理是利用炸藥在鉆孔內有限空間中急劇反應，爆炸產生的應力波使巖體產生裂隙，由爆炸產生的高溫、高壓氣體形成的氣鍥推動巖體進一步破碎。

研究表明，鉆爆法破巖時，有效的填塞可使爆生氣體對巖體的作用時間延長，節(jié)省炸藥用量，提高炮孔利用率，降低有毒有害氣體的產生，從而提高爆破效果。實驗表明，有填塞時單孔破巖量比無填塞時超出20-30％。

目前，鉆爆法施工時，下向孔填塞多采用鉆孔時產生的巖粉或外運破碎成一定粒度的粗骨料進行填塞，通過一定的填塞長度，來保證下向孔的爆破效果。對于掘進爆破中的水平孔，則采用炮泥、水炮泥或機械膨脹塞進行鉆孔填塞。對于上向孔，由于安裝困難，實際生產中，大都用包裝袋或浸水紙殼進行填塞。下向孔利用巖粉或粗骨料進行填塞時，由于巖粉或粗骨料屬于松散物質，靠其自重壓覆在炸藥之上，與孔壁之間摩擦力小，對爆生氣體的密封作用有限，只能通過加長填塞長度，才能達到有效填塞的效果。如此需增大炮孔的總長度，使鉆孔費用增加。采用炮泥進行填塞時，由于炮泥的硬度和韌性較差，填塞施工較為困難，且填塞的炮泥與孔壁間的摩擦力較小，氣密性較差；炮泥本身的強度指標與圍巖差別較大，導致填塞位置仍然是爆破時的最薄弱位置，成為爆生氣體過早泄漏的薄弱點，導致爆破能量過早泄漏。上向孔采用包裝袋或紙殼填塞，在正向起爆(孔底起爆)條件下，這些填塞物根本起不到封堵作用，實際上是由孔口附近一定長度的藥柱作為填塞材料起封堵作用，由此帶來炸藥的浪費和爆破效果的降低。

為提高填塞的技術效果，國內外學者開展了不同類型填塞材料和填塞方法的研究。

cn101318802a專利文獻公開了一種地震勘探爆破過程中使用的鉆孔封孔裝置。該裝置是由盛裝生石灰的圓形無紡布袋置于一個多孔的圓形塑料外殼中構成，用其堵塞地震勘探中的震源炮孔，將原來采用的松散填塞改為預應力高強度嵌砌式填塞，增加了填塞體的波阻抗和內摩擦阻力，改善了藥包能量過早擴散和損失的問題，同等條件下提高了地震勘探的勘探深度和勘探精度。但該裝置在使用中存在以下技術問題：

1、裝置中生石灰遇水反應生成氫氧化鈣過程中會釋放大量的熱，使填塞材料產生高溫。鉆爆法爆破時，孔內需要鋪設傳爆器材，主要是非電導爆管或導爆索，這些材料的安全耐受溫度在120°以下，填塞材料產生的高溫一旦超過該溫度，傳爆系統(tǒng)會被破壞，導致發(fā)生拒爆事故。

2、無紡布袋中的生石灰遇水后在徑向和軸向均會產生膨脹，在徑向由于受到炮孔壁的約束，會使膨脹向軸向發(fā)展，因塑料外殼對膨脹的軸向約束有限，導致軸向膨脹較大，而徑向膨脹不足，使填塞材料與孔壁的彌合程度不足，填塞效果不夠理想。

3、塑料外殼韌性較差，對生石灰遇水膨脹產生一定的約束力，不僅影響填塞材料的反應程度，而且影響填塞材料與炮孔孔壁的彌合。

4、生石灰必須達到一定的吸水率才能使反應達到需要的體積膨脹倍數，故采用該裝置時必須向炮孔中注水才能滿足反應的需要。對于下向孔，孔內充水對炸藥的要求提高，需使用防水乳化炸藥，導致施工復雜性增加和爆破成本提高；對于水平孔和上向孔，因無法向孔內充水，使該裝置的使用受到限制。

申請?zhí)枮?01310677936.3的中國專利文獻針對大孔徑靜態(tài)爆破公開了一種用無紡布縫紉或粘接的圓筒包裹靜態(tài)破裂劑的堵孔裝置。該裝置利用無紡布吸水的特點，將粉狀的破裂劑進行包裝，吸水飽和后，用于填塞上向或下向孔，進行膨脹致裂。但無紡布材料本身孔隙度較大，用其包裝粉狀膨脹材料，材料滲漏較多；其次，由于無紡布的韌性較大，無法將破裂劑裝填密實，導致其密度較小，不能產生足夠的膨脹壓力，影響填塞效果；同時，這種堵孔裝置因不需考慮反應溫度，應用于鉆爆法填塞時，同樣會導致傳爆系統(tǒng)損壞，故其也不能直接應用于鉆爆法炮孔填塞。

cn103591858a專利文獻針對大孔徑靜態(tài)爆破公開了一種由椎體、錐銷、殼體、彈簧和螺栓組成的機械封堵裝置，在靜態(tài)破碎劑漿體注入鉆孔后，用其封堵鉆孔。該裝置為純機械結構，制造成本較高，推廣應用難度較大。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明的目的是針對鉆孔爆破提供一種對傳爆系統(tǒng)不會產生破壞(膨脹劑最高反應溫度不超過60°)、膨脹后與鉆孔孔壁彌合程度高、壓力和靜摩擦力大、使用簡單、適用范圍廣的鉆孔填塞裝置及其制備方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的用于鉆孔爆破的鉆孔填塞裝置，包括藥柱、軸向膨脹約束機構、彈性保護套、吸熱墊和隔熱墊；

所述藥柱由內層為海綿、外層為牛皮紙復合制成的圓形包裝筒內裝膨脹劑構成，牛皮紙上有間隔分布的透水孔；

所述膨脹劑由過燒cao、nahco3、石英砂、粘土、高分子吸水材料和無水乙醇(有機溶劑)混合組成，各成分的重量配比為：過燒cao52％—66.5％，nahco33％—5％，石英砂15％—20％，粘土7％—10％，高分子吸水材料0.5％—1％，無水乙醇8％—12％；

所述軸向膨脹約束機構包括穿過所述藥柱中心軸的絲桿和分別套在絲桿外露部分上的兩個堵蓋，堵蓋的外徑比鉆孔孔徑小2—5mm、比藥柱直徑大10—15mm，在大于藥柱直徑的堵蓋邊部有進水兼排氣孔，所述藥柱的兩端面通過與絲桿配合的螺母與堵蓋壓緊，使藥柱固定在絲桿上；

所述彈性保護套的軸向長度大于所述軸向膨脹約束機構中兩個堵蓋外端的間距、孔徑小于堵蓋的外徑，靠彈性套接在堵蓋的外緣上，將所述藥柱封閉在彈性保護套與堵蓋形成的空間內；

所述吸熱墊包括柔性扁平狀硅膠皮袋，硅膠皮袋內裝有制冷劑和蓄冷材料組成的混合物，混合物中裹有水袋，吸熱墊附在彈性保護套的內面，其軸向長度與彈性保護套的軸向長度相同，徑向弧形的弧長為彈性保護套周長的10％—25％(吸熱墊采取弧形條狀是為了節(jié)省材料)；

所述隔熱墊的尺寸與吸熱墊相同，由熱傳導系數低的柔性材料制成，與吸熱墊相對應附在彈性保護套的外表面。

本發(fā)明用于鉆孔爆破的鉆孔填塞裝置的制備方法，包括以下步驟：

步驟1、根據膨脹劑所含成分的重量配比稱取原料，其中過燒cao、nahco3、粘土均為粉體；高分子吸水材料和石英砂分別為無水顆粒狀固體；

步驟2、將過燒cao、nahco3、粘土、石英砂和高分子吸水材料混合，攪拌均勻后加入無水乙醇繼續(xù)攪拌，制成潤濕狀(在10-15kn壓力作用下不發(fā)生液體析出)膨脹劑；

步驟3、制作包裝筒

用厚度為3-5mm的海綿作內層、厚度為0.1mm的牛皮紙作外層，用模具和粘結劑制成直徑小于鉆孔直徑10mm的包裝筒，包裝筒的長度按下式計算

h1＝(0.2～0.3)l

式中：l——鉆孔的長度(cm)，

h1——包裝筒的長度(cm)，

將制作的包裝筒的一端進行封口(可用相同的牛皮紙作封口材料)；

步驟4、制作藥柱

將步驟2制成的潤濕狀膨脹)通過機械或手工方式裝填到步驟3的包裝筒中，裝填時要確保裝填密實，裝填之后封閉包裝筒的開口端，然后在牛皮紙上按設定的孔徑和間隔尺寸開設圓形或矩形透水孔，制成藥柱；

步驟5、安裝軸向膨脹約束機構

沿制成的藥柱的中心軸穿過一根直徑為4-6mm、長度大于包裝筒長度40mm的絲桿，在絲桿的兩個露出端上分別穿所述尺寸結構的堵蓋，將兩個分別與絲桿配套的螺母沿絲桿的兩端向前旋擰，將兩個堵蓋推到把藥柱的兩端夾緊為止(藥柱被固定在絲桿上)，制成帶有軸向膨脹約束機構的藥柱；

步驟6、制作吸熱墊、隔熱墊和彈性保護套

取厚度為0.2-0.3mm的硅膠皮通過粘合制成所述吸熱墊，同時在吸熱墊內裝填混合后的的制冷劑(冷源材料)和蓄冷材料，并將由塑料薄膜制成、內裝水的水袋置于其中；

用厚度為1—4mm的氣凝膠氈或玻璃纖維布(二者均屬熱傳導系數很低的絕熱保溫材料)制成尺寸與吸熱墊相同的隔熱墊；

取厚度為0.3-1mm的硅膠皮通過粘接制成所述彈性保護套，同時將上述吸熱墊和隔熱墊相互對應分別粘貼在彈性保護套的內表面和外表面上，制成局部帶有吸熱墊和隔熱墊的彈性保護套；

步驟7、將步驟6制成的局部帶有吸熱墊和隔熱墊的彈性保護套套接在軸向膨脹約束機構的兩個堵蓋的外緣上，將所述藥柱封閉在彈性保護套與堵蓋形成的空間內，制成用于鉆孔爆破的鉆孔填塞裝置。

本發(fā)明鉆孔填塞裝置使用時，將其泡入水中，水從堵蓋的進水兼排氣孔進入藥柱和彈性保護套之間的空隙中，通過包裝筒外層牛皮紙上的透水孔和海綿進入膨脹劑，浸泡時間6-8min后，藥柱吸水至飽和狀態(tài)；然后將裝置從水中取出，放入鉆孔需要填塞的位置，使隔熱墊遮蓋住傳爆器材(非電導爆管或導爆索)，塞緊即可。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明在膨脹劑中添加nahco3可起到吸收cao與水反應放出熱量的作用，其原理是

cao遇水發(fā)生反應生成氫氧化鈣，同時釋放出熱量(1摩爾cao的質量反應放熱為64.5kj)：

cao+h2o＝ca(oh)2δh＝-64.5kj/mol；

nahco3發(fā)生吸熱反應，生成na2co3、co2和h2o，同時吸收熱量(1摩爾的nahco3質量反應吸熱45.8kj)：

2nahco3＝na2co3+co2+h2oδh＝+91.6kj/mol。

本發(fā)明正是根據這一原理，在膨脹劑中加入適量的nahco3，使cao與水反應過程釋放熱量中的一部分被nahco3分解反應所吸收，從而降低藥柱中膨脹劑吸水膨脹產生的熱量，使其不超過傳爆系統(tǒng)的耐受溫度，保證傳爆系統(tǒng)安全運行。同時，碳酸氫鈉反應所生成的水對cao與水的反應還可起到促進作用和加速作用；nahco3分解反應釋放的co2可與cao和水進行化合反應，生成的ca(oh)2再迅速通過鈣化反應生成caco3，可增加藥柱的致密程度，既有利于提高裝置的填塞效果，又有利于延長膨脹反應的時間。

2、本發(fā)明在上述利用nahco3吸收膨脹劑反應放出的部分熱量的基礎上，在彈性保護套對應鉆孔中傳爆器材所在位置處的內外表面上分別增設了吸熱墊和隔熱墊，由吸熱墊對膨脹劑反應放出的熱量進行再吸收，剩余的熱量由隔熱墊加以阻隔，三項措施并舉，確保被隔熱墊遮蓋的傳爆器材的溫度在其耐受極限溫度以下，從而確保傳爆系統(tǒng)正常工作，杜絕拒爆事故的發(fā)生。

3、本發(fā)明在膨脹劑中添加吸水材料(如高分子吸水樹脂sap)，在藥柱泡水時，該材料會快速吸水膠化，可促進牛皮紙與海綿的吸水速度。同時，生成的膠凝狀材料具有一定的蓄水功效，當過燒cao開始反應時，可持續(xù)不斷地為其供水，有利于提高反應的完全度，提高膨脹壓。

4、本發(fā)明在膨脹劑中加入無水乙醇和膨脹性粘土(主要成分為蒙脫石)，利用膨脹性粘土與無水乙醇混合潤濕后粘稠度增大的特性，可將cao和nahco3等粉狀材料進行膠著，進而與石英砂等顆粒狀材料混合成潤濕狀態(tài)，不僅極大方便膨脹劑向包裝筒內填裝，而且可提高藥柱中膨脹劑的密度(有利于提高反應產生的膨脹壓)。無水乙醇在膨脹劑中隨著時間會逐漸揮發(fā)(實驗表明放置一天后，乙醇殘留量僅為1-2％)，不會對膨脹劑的反應產生不利影響。

5、本發(fā)明用帶孔牛皮紙作外層、海綿作內層，二者復合制成膨脹劑的包裝筒，利用牛皮紙的韌性使包裝筒韌性好，利用海綿的快速吸水性提高膨脹劑的吸水速度，可滿足生產現(xiàn)場快速裝填和快速浸泡的要求。

6、本發(fā)明中藥柱的兩端被軸向膨脹約束裝置中的堵蓋緊緊夾住，使膨脹劑反應過程中軸向膨脹受限，只能向徑向發(fā)展，從而大大提高其徑向膨脹壓力，通過具有彈性的硅膠保護套使膨脹后的藥柱與鉆孔的內壁能夠高度彌合，壓力和靜摩擦力增大，有效提高裝置的填塞質量和填塞效果。

7、本發(fā)明用具有柔性和彈性的硅膠皮套作保護套，在不影響藥柱發(fā)揮膨脹填塞作用的情況下，具有兩個作用：一個是對泡水后的藥柱放入鉆孔后起到暫時約束作用，防止藥柱因反應激烈而發(fā)生“噴粉”(膨脹劑從藥柱與鉆孔間的縫隙中噴出)；另一個作用是使充分泡水的藥柱在其保護下既可填塞有水下向鉆孔，也可填塞無水的上向鉆孔、水平鉆孔和下向鉆孔，拓寬填塞裝置的適用范圍。

8、本發(fā)明鉆孔填塞裝置可工廠化批量生產，攜帶方便，使用簡單，反應速度快，填塞質量高，用其填塞鉆孔爆破的鉆孔，鉆孔利用率高，爆破效果好，炸藥單耗低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明鉆孔填塞裝置的軸向剖視圖；

圖2為圖1的側視圖；

圖3為圖1中藥柱的軸向剖視圖；

圖4為圖3的側視圖(半剖)；

圖5為圖2中a部放大圖；

圖6為圖2中吸熱墊的展開圖(半剖)。.

圖中符號說明：1-彈性保護套，2-進水兼排氣孔，3-螺母，4-墊片，5-堵蓋，6-絲桿，7-藥柱，71-牛皮紙，72-海綿，73-膨脹劑；74-透水孔，75-(包裝筒)封口，8-吸熱墊，81-硅膠皮袋，82-制冷劑，83-蓄冷材料，84-水袋，9-隔熱墊。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述。

本施例以某礦山鉆爆法開采硬巖礦體為例，其爆破鉆孔為上向無水鉆孔，鉆孔直徑為65mm，長度為2m。

用于該種鉆孔的填塞裝置如圖1和圖2所示，由藥柱7、軸向膨脹約束機構、彈性保護套1、吸熱墊8和隔熱墊9組成。

其中的藥柱7如圖3和圖4所示，由海綿72作內層、牛皮紙71作外層復合制成的圓形包裝筒內裝膨脹劑73構成，海綿厚度為0.3mm，牛皮紙厚度為0.15mm，包裝筒長度為400mm，外部直徑為50mm，兩端用牛皮紙作封口75，牛皮紙上有軸向相互間隔10mm、兩側對稱分布的20個透水孔74，透水孔的直徑為10mm。

藥柱中的膨脹劑由過燒cao、nahco3、石英砂、粘土、高分子吸水材料和無水乙醇混合組成，各成分的重量配比為：過燒cao66.5％，nahco33％，石英砂15％，粘土7％，高分子吸水材料0.5％，無水乙醇8％。

其中的軸向膨脹約束機構如圖1和圖2所示，包括穿過所述藥柱中心軸的絲桿6和套在絲桿外露部分上的兩個堵蓋5；絲桿的直徑為6mm，其長度為440mm；堵蓋用塑料制作，其外徑為63mm，在直徑大于藥柱直徑的堵蓋邊部開設四個間隔對稱分布、直徑為4mm的進水兼排氣孔2；利用兩個與絲桿配合的螺母3和墊片4分別將兩個堵蓋與藥柱的兩端面壓緊，使藥柱固定在絲桿上。

其中的彈性保護套1如圖5和圖6所示，由厚度為0.5mm的硅膠皮制成，其軸向長度為440mm，孔徑為60mm，彈性保護套靠彈性套接在堵蓋的外緣上，將藥柱封閉在彈性保護套與堵蓋之間的空間內。

其中的吸熱墊8如圖6所示，包括展開后呈柔性扁平狀的硅膠皮袋81，硅膠皮袋內裝有由尿素或硝酸銨鈣構成的制冷劑82和由聚乙烯醇-硼砂高效聚冷劑構成的蓄冷材料83組成的混合物，混合物中裹有由塑料薄膜袋裝水構成的水袋84，吸熱墊展開后的長度為440mm寬度為47mm(等于彈性保護套周長的25％)，厚度為3mm；吸熱墊粘貼在彈性保護套的內面(如圖1和圖2所示)。

其中的隔熱墊9由熱傳導系數低的氣凝膠氈或玻璃纖維布制成，尺寸與吸熱墊相同，與吸熱墊相對應粘貼在彈性保護套的外表面上。

上述鉆孔填塞裝置的制作方法包括以下步驟：

步驟1、根據膨脹劑所含成分的重量配比稱取原料，其中過燒cao、nahco3、粘土均為粉體；高分子吸水材料和石英砂分別為無水顆粒狀固體；

步驟2、將過燒cao、nahco3、粘土、石英砂和高分子吸水材料混合，攪拌均勻后加入無水乙醇繼續(xù)攪拌，制成潤濕狀(在10-15kn壓力作用下不發(fā)生液體析出)膨脹劑；

步驟3、制作包裝筒

用所述厚度的海綿作內層、所述厚度的牛皮紙作外層，用模具和粘結劑制成所述直徑和長度的包裝筒，包裝筒的一端用同樣的牛皮紙作封口；

步驟4、制作藥柱

將步驟2制成的潤濕狀膨脹劑通過機械或手工方式裝填到步驟3的包裝筒中，裝填時要確保裝填密實，裝填之后封閉包裝筒的開口端，然后在牛皮紙上按所述相互間距開設所述孔徑的圓形透水孔，制成藥柱；

步驟5、安裝軸向膨脹約束機構

沿制成的藥柱的中心軸穿過所述絲桿，將兩個所述堵蓋分別穿過絲桿的兩個露出端，再將兩個墊片分別套在絲杠上，墊在堵蓋的外側，將兩個與絲桿配套的螺母分別沿絲桿的兩端向前旋擰，直到將兩個堵蓋推到把藥柱的兩端夾緊為止，藥柱即被固定在絲桿上，制成帶有軸向膨脹約束機構的藥柱；

步驟6、制作吸熱墊、隔熱墊和彈性保護套

用所述硅膠皮通過粘合制成吸熱墊，同時在吸熱墊內裝填混合后的制冷劑和蓄冷材料，并將所述水袋置于其中；

用氣凝膠氈或玻璃纖維布制成尺寸與吸熱墊相同的隔熱墊；

用所述硅膠皮通過粘接制成所述彈性保護套，同時將上述吸熱墊和隔熱墊相互對應分別粘貼在彈性保護套的內表面和外表面上，制成局部帶有吸熱墊和隔熱墊的彈性保護套；

步驟7、將步驟6制成的帶有吸熱墊和隔熱墊的彈性保護套套接在軸向膨脹約束機構中兩個堵蓋的外緣上，與堵蓋一起將所述藥柱封閉，制成用于鉆孔爆破的鉆孔填塞裝置。

現(xiàn)場使用時，將上述鉆孔填塞裝置放入水中浸泡6-8min，使藥柱在該時間內吸水至飽和狀態(tài)；然后將其從水中取出，把填塞裝置的隔熱墊中心對準傳爆器材(非電導爆管或導爆索)塞入上部已放入炸藥的上向鉆孔的下部(為防止裝置下滑，可塞入適量紙殼臨時堵塞)，完成填塞裝置的安裝。藥柱中的膨脹劑會在30-50min內發(fā)生反應，體積膨脹，產生3-5mpa的膨脹壓，在此壓力下，吸熱墊中水袋破裂，吸熱墊中的制冷劑遇水溶解吸收膨脹劑反應釋放出的熱量，同時蓄冷材料遇水膠化，變成具有蓄冷作用的膠凝狀物質，較長時間保持較低溫度。

本實施例在藥柱中添加5％的nahco3，可吸收cao與水反應放出熱量的25-42％，與不添加nahco3相比，藥柱的表面溫度可由130℃左右下降到90—100℃，再經吸熱墊進一步吸熱和隔熱墊隔熱，傳爆器材處的溫度可降至45-55℃，遠遠低于傳爆器材的耐受溫度，使傳爆系統(tǒng)的運行可靠性得到有效保證。

同時，由于膨脹劑反應體積膨脹軸向受到膨脹約束機構的約束，只能向徑向發(fā)展，其膨脹壓力將包裝筒破碎后與彈性保護套一起與鉆孔孔壁形成充分彌合，壓力和靜摩擦力增大，確保填塞質量可靠，爆生氣體的破巖量達到最佳。