CN109520386A

CN109520386A - 一种高效环保堵塞装置

Info

Publication number: CN109520386A
Application number: CN201811429652.1A
Authority: CN
Inventors: 张艳军
Original assignee: Shanxi Datong University
Current assignee: Shanxi Datong University
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2019-03-26

Abstract

本发明属于工程爆破炮眼堵塞的技术领域。一种高效环保堵塞装置,包括水炮泥、缓冲环和预紧筒；所述水炮泥为由水泥制作的内部中空的一体化结构，所述水炮泥外表成顺序连接的第一球形体、第一圆柱、第一锥台、第二圆柱、第二锥台构成，所述水炮泥的内部中空中有降尘剂，所述水炮泥沿轴线有一条贯穿的用于安装雷管引线的通孔；所述缓冲环为一个水泥制作的侧壁上沿轴线方向有第一裂缝的外壁均匀分布有倒枪刺的筒体。本发明使冲击波能量在传播过程中不断衰减,缓减了冲击波的作用，同时水泡泥运动使预紧筒胀裂，水泡泥得到一次缓冲，继续运动，使缓冲环胀裂，水泡泥得到二次缓冲，提高了堵塞质量。

Description

一种高效环保堵塞装置

技术领域

本发明属于工程爆破炮眼堵塞的技术领域，具体涉及一种高效环保堵塞结构。

背景技术

现有的堵塞器封堵不严，存在易于“打枪”的技术难题。井下工人为了方便，用炮泥当做堵塞器，粘土堵塞成本较低，堵塞工艺简单，但其存在堵塞效果差、封堵质量不好，炮眼利用率低等缺陷。在爆破时，由于炮泥与泡孔壁的压力有限，导致炮泥与炮孔内壁摩擦较小，炮泥在炮孔内停留的时间小于岩石破碎时间，因此对于粘土炮泥很容易出现打枪现象，由此可能导致严重的后果，如围岩损失超出预期，经济成本增加，断面成形不达标等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何提供了一种高效环保堵塞装置。

本发明所采用的技术方案是：一种高效环保堵塞装置,包括水炮泥、缓冲环和预紧筒；所述水炮泥为由水泥制作的内部中空的一体化结构，所述水炮泥外表成顺序连接的第一球形体、第一圆柱、第一锥台、第二圆柱、第二锥台构成，所述水炮泥的内部中空中有降尘剂，所述水炮泥沿轴线有一条贯穿的用于安装雷管引线的通孔；所述缓冲环为一个水泥制作的侧壁上沿轴线方向有第一裂缝的外壁均匀分布有倒枪刺的筒体；所述预紧筒外观呈圆柱体外壁均匀分布有倒枪刺，所述预紧筒一端内部有与第二锥台配合的锥形孔内凹，所述预紧筒侧壁上沿轴线方向有第二裂缝，第二圆柱的外径与缓冲环的内径相等，所述预紧筒另一端有连接锥形孔内凹的处于轴线上的通孔。

作为一种优选方式：水炮泥内部中空成顺序连接的第二球形体、第三圆柱、第三锥台、第四圆柱、第四锥台构成。

作为一种优选方式：第一锥台、第二锥台、锥形孔内凹的锥度都为16°。

作为一种优选方式：降尘剂为Na₂CO₃、NaHCO₃和水的混合按照质量百分比1:1:2混合的混合溶液。

作为一种优选方式：所述预紧筒侧壁上的第二裂缝的长度小于预紧筒的长度，所述第二裂缝从预紧筒的带锥形孔内凹的一端开始。

作为一种优选方式：所述高效环保堵塞装置总长度其中a、b、c p为爆生气体压强，单位Pa，d为高效环保堵塞装置为方便计算引入的参数，最大直径，单位m，ρ为高效环保堵塞装置的密度,单位Kg/m³，ε为侧向压力系数，μ为高效环保堵塞装置与岩壁的动摩擦因数，g为重力加速度，单位N/kg， ρ₀为炸药密度,单位kg/m³；V_b为炸药爆速,单位m/s；k为冲击波的透射系数； γ为爆轰产物的等熵指数，S为炮孔深度，单位m。

本发明的作用机理如下:

在爆破时，空气中的粉尘与降尘剂溶液颗粒相撞，经过吸附、增重、沉降等过程，使粉尘失去飞扬能力，从而起到迅速降低粉尘浓度的作用；水炮泥中为的Na₂CO₃和NaHCO₃混合溶液，混合溶液的密度比纯水大，爆破时更具有迸发力。已经汽化的溶液重新凝结成极小的雾滴与矿尘相撞时，其所形成的凝结核或被雾滴所润湿的矿尘比重均较大，碰撞时相对速度也较大，因此其降尘效果比纯水好很多；混合溶液在被破碎成微粒时，能析出大量的游离水，在高温高压下呈蒸汽状态，遇到空气中粉尘可使其润湿、增重、沉降。水蒸气与炮烟中的有毒有害气体发生反应，特别是矿岩中含有Fe₂O₃、Al₂O₃、SiO₂、MgO等催化剂的情况下反应更快，起到降毒作用；在爆炸的高温下，混合溶液加速CO与H₂O的反应，生成无毒的气体。降低甚至消除了有毒气体。

反应过程化学反应式为：SO₂+2Na₂CO₃+H₂O＝＝2NaHCO₃+Na₂SO₃，

SO₂+2NaHCO₃＝＝Na₂SO₃+CO₂+H₂O，

SO₂+Na₂SO3+H₂O＝＝2NaHSO₃，

CO+H₂O＝＝CO₂+H₂

可以看出降尘剂(混合溶液)不仅可以达到润湿的效果，即减少粉尘的作用，还可以减少甚至消除反应所产生的有毒气体(SO₂，CO)，与SO₂反应的产物Na₂SO₃、还可以继续与过量的SO₂反应，这样对于大剂量火药的使用产生的过量的SO₂的去除非常有利。消除CO反应的产物为CO₂和H₂，是无毒无害气体，不会造成二次污染。

本发明的有益效果是：利用水的不可压缩性和膨胀技术原理,使冲击波能量在传播过程中不断衰减,缓减了冲击波的作用，同时水泡泥运动使预紧筒胀裂，水泡泥得到一次缓冲，继续运动，使缓冲环胀裂，水泡泥得到二次缓冲，提高了堵塞质量。水泡泥中的液体配方可以有效的去除爆炸时产生的有害气体，如SO₂, CO,NO等气体，有效解决了现有堵塞器在受到爆生气体的强大压力时，封堵不严，容易“打枪”，粉尘和有害气体难以去除等技术问题。本发明工艺简单，成本低廉，操作方便，降低了工人的劳动强度，提高了爆破效率。此外，提高了润湿能力，起到了降尘和消除有毒气体的作用，有效改善炮掘过程的工作环境；易于加工，价格低廉，安装方便，降低了工人的劳动强度，提高了爆破效率；利用膨胀技术原理和水的不可压缩性，缓减了冲击波的作用，解决了以往堵塞器封堵不严，易于“打枪”的技术难题；水泡泥的球形圆头对冲击波有反射和折射的作用，使冲击力再分配，将有效能量作用于炮孔壁上，提高破岩能力。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的外观结构示意图；

图3是不同堵塞长度在爆炸过后得到岩石大块率变化曲线图；

图中：1、第一球形体，2、第一圆柱，3、第一锥台，4、第二圆柱，5、第二锥台，6、缓冲环，7、预紧筒，8、锥形孔内凹，9、倒枪刺，10、第一裂缝，11、雷管引线，12、第二裂缝，13、水炮泥。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明主要由三部分组成。第一部分是水泡泥，水泡泥整体呈圆柱体状，头部为球形，尾部为锥体形；第二部分是缓冲环，缓冲环半开口，缓冲环外围均匀分布倒枪刺；第三部分是预紧筒，预紧筒整体为圆柱体，内部有锥形孔，与圆柱孔相连成通孔，外部均匀布满倒枪刺。

进一步说明：水泡泥中间有一个贯穿引导线的通孔,用于安装雷管引线；水炮泥为由水泥制作的内部中空的一体化结构，所述水炮泥外表成顺序连接的第一球形体、第一圆柱、第一锥台、第二圆柱、第二锥台构成，第一锥台锥度为16°，该段用于撑胀缓冲环，第二锥台锥度为16°，该段与预紧筒配合。缓冲环为半开式，有一条第一裂缝，外表布满倒枪刺，缓冲环套在第二圆柱上.当爆生气体推动水泡泥运动，致使第一锥台撑胀缓冲环。预紧筒内部可以分为锥形孔内凹和雷管引线的通孔两部分，锥形孔内凹锥度为16°，预紧筒外表布满倒枪刺。爆炸时，水泡泥运动使缓冲环胀裂，同时第二锥台也会随之运动使预紧筒胀裂，外围的倒枪刺会愈加抓牢炮孔壁。第二裂缝便于膨胀。本发明装置安装顺序是先将缓冲环套在水泡泥的第二圆柱筒上，再将水泡泥插入预紧筒，在雷管引线的通孔穿入引导线，形成一个整体结构后，塞入炮眼，敲击尾部使预紧筒产生少量预紧力与炮孔壁锁紧，安装完毕。水炮泥的内部中空中有降尘剂，降尘剂的成分主要由Na₂CO₃和NaHCO₃水溶液组成，能降低溶液的表面张力，提高润湿能力及与毒气的反应能力，从而能提高爆破后溶液的雾化程度，捕捉粉尘和去除毒气的能力。

根据以下公式

pA-f₁-f₂＝ma (1)

f₁＝μmg (4)

f₂＝πd(l₀-x)pεμ (5)

式中：p—爆生气体压强，Pa；d—堵塞器直径,m；m—堵塞器质量,Kg；A —堵塞器横截面面积，m²；f₁—有堵塞器自身重力作为正压力所产生的对堵塞器滑动摩擦力，N；f₂—由于堵塞器膨胀对岩壁挤压所产生的对堵塞器的滑动摩擦力,N；a—堵塞器的加速度，m/s²；ρ—堵塞器的密度,Kg/m³；l₀—堵塞长度,m；ε—侧向压力系数；μ—堵塞器与岩壁的动摩擦因数。

其中

γ_d—岩石动态泊松比,在工程爆破加载率范围内,γ_d＝0.8γ,γ—岩石静态泊松比。

联立(1)(2)(3)(4)(5)式得出堵塞器加速度计算公式：

将代入(6)式，得平均加速度为：

堵塞器初始速度为0，则：

联立公式(7)(8)得出堵塞器冲出炮孔的时间t₂为:

事实上，堵塞器停留在炮孔的时间t₃可以分为堵塞器被压缩的时间t₁和堵塞器冲出炮孔的时间t₂，根据假设，堵塞器被压缩的时间t₁＝0。因此，堵塞器停留在炮孔的时间t₃为：

t₃＝t₂ (10)

假设应力波传播时间为t₄，则

式中：S—炮孔深度，m；V_b—炸药爆速，m/s

爆破要求充分破碎岩石，即堵塞器离开炮孔前，炸药完成爆炸。要求t₄≤t₃，取临界值：

t₄＝t₃ (12)

将(9)(10)(11)(12)式联立，得：

令a＝2pd，则将(13)式简化为：

求解(14)式，得出最优长度计算公式：

从(15)式可以看出最优堵塞长度l₀与p，d，V_b，γ，S，μ，ε等诸多参数有关。

在径向连续耦合装药装药条件下，爆生气体压强：

式中ρ₀—炸药密度,kg/m³；V_b—炸药爆速,m/s；k—冲击波的透射系数；γ —爆轰产物的等熵指数，其中：γ＝1.9+0.6ρ₀。

在大同云冈矿进行爆破试验，最优长度计算公式涉及物理量参数如下:

d＝0.042m,S＝1m,w＝0.45mρ＝1000kg/m³,V_b＝4200m/s,μ＝0.4, ε＝0.316，k＝1.42，ρ₀＝1000kg/m³。

采取径向连续耦合装药，故按(16)计算出p,再将以上参数代入公式(15)得出最优堵塞长度l₀＝0.305m。

通过改变堵塞长度在大同云冈矿进行了爆破试验，观察不同堵塞长度对爆破效果的影响，得到岩石大块率变化曲线，如图3所示：图形出现了先降后升再降的现象，大块率在堵塞长度为0.35m附近时最小，在小于0.35范围内，随着堵塞长度的增加，爆轰气体的作用时间得以延长，岩体破碎效果随之提高，大块率呈下降趋势；在大于0.35范围内，大块率变化曲线波动不大，是因为随着堵塞长度的增加，爆生气体作用于裂缝时间较长，破碎效果较好，但爆破体积随着堵塞长度的增加而减小，使爆破效果降低。因此堵塞长度过长和过短都不利于爆破效果。通过图3可以看出，堵塞器长度范围为0.3-0.4米时，爆破效果最佳。通过最优长度计算公式计算的理论值为0.305，在范围之内，验证了最优堵塞长度公式的可靠性。

Claims

1.一种高效环保堵塞装置,其特征在于：包括水炮泥、缓冲环和预紧筒；所述水炮泥为由水泥制作的内部中空的一体化结构，所述水炮泥外表成顺序连接的第一球形体、第一圆柱、第一锥台、第二圆柱、第二锥台构成，所述水炮泥的内部中空中有降尘剂，所述水炮泥沿轴线有一条贯穿的用于安装雷管引线的通孔；所述缓冲环为一个水泥制作的侧壁上沿轴线方向有第一裂缝的外壁均匀分布有倒枪刺的筒体；所述预紧筒外观呈圆柱体外壁均匀分布有倒枪刺，所述预紧筒一端内部有与第二锥台配合的锥形孔内凹，所述预紧筒侧壁上沿轴线方向有第二裂缝，第二圆柱的外径与缓冲环的内径相等，所述预紧筒另一端有连接锥形孔内凹的处于轴线上的通孔。

2.根据权利要求1所述的一种高效环保堵塞装置,其特征在于：水炮泥内部中空成顺序连接的第二球形体、第三圆柱、第三锥台、第四圆柱、第四锥台构成。

3.根据权利要求1所述的一种高效环保堵塞装置,其特征在于：第一锥台、第二锥台、锥形孔内凹的锥度都为16°。

4.根据权利要求1所述的一种高效环保堵塞装置,其特征在于：降尘剂为Na₂CO₃、NaHCO₃和水的混合按照质量百分比1:1:2混合的混合溶液。

5.根据权利要求1所述的一种高效环保堵塞装置,其特征在于：所述预紧筒侧壁上的第二裂缝的长度小于预紧筒的长度，所述第二裂缝从预紧筒的带锥形孔内凹的一端开始。

6.根据权利要求1所述的一种高效环保堵塞装置,其特征在于：所述高效环保堵塞装置总长度其中a＝2pd， a、b、c为方便计算引入的参数，p为爆生气体压强，单位Pa，d为高效环保堵塞装置最大直径，单位m，ρ为高效环保堵塞装置的密度,单位Kg/m³，ε为侧向压力系数，μ为高效环保堵塞装置与岩壁的动摩擦因数，g为重力加速度，单位N/kg，ρ₀为炸药密度,单位kg/m³；V_b为炸药爆速,单位m/s；k为冲击波的透射系数；γ为爆轰产物的等熵指数，S为炮孔深度，单位m。