炮孔自动堵塞试验研究

 高  恺1，徐  鈞2

  （1．重庆大学通信工程学院，重庆400044；2．北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京  100124）

[摘要]炮孔自动堵塞试验研究来源于生产实际的需要。根据炮孔堵塞要求以及设备需要实现的功能，完成了试验从方案设计到详细的结构设计、试验所需要的配套设备的选型研究，同时进行了炮孔自动堵塞试验研究，达到了预期的效果，为后续炮孔自动堵塞设备的研究提供了试验数据和设备参数。

[关键词]隧道工程；爆破；炮孔自动堵塞；设备选型；试验

[中图分类号]  U455.6  [文章编号]1002-8498(2016)11-0085-03

0  引言

 我国现有土石方开挖爆破工程，在炮孔钻孔速度、爆破效果和爆破质量等方面都已取得较大进步，部分工程已达到国际先进水平。但是爆破过程中，炮孔的堵塞问题一直存在一个误区，普遍认为“炮孔堵塞麻烦、费工费时，不堵塞炮孔也能取得良好的爆破效果”。这种错误的指导思想导致炸药爆炸能量利用率大大降低，特别是隧道掘进爆破工程中，由于爆破效果得不到有效控制，造成超挖、欠挖、爆破飞石等危害。目前，炮孔堵塞问题虽已逐步引起施工单位的重视，但炮孔堵塞选用何种材料，如何避免人工堵塞炮孔费时、费力等问题，避免炮孔堵塞流于形式？特别是缺乏有效的炮孔堵塞设备支持。炮孔自动堵塞试验平台的研究，就是通过试验为炮孔自动堵塞设备的研制做好前期设备选择测试以及试验数据的收集等研究。

1炮孔自动堵塞试验

 炮孔堵塞过程中，由于炮孔内已经完成炸药、雷管的装填工作，炮孔堵塞时，首先必须保证堵塞过程中的安全性，不能因为堵塞过程引起炸药和雷管的爆炸，也不能破坏雷管脚线；其次，堵塞过程中按照要求炮孔堵塞一定长度，填充堵塞材料在起爆前不能流失；此外，爆破现场必须避免静电干扰。以隧道掘进爆破施工为例，假设炮孔按照高5m、宽12m的拱形断面布置，堵塞所用的炮泥需要输送到>5m的高度。根据这些基本要求，要实现炮孔的自动堵塞，试验应具备如下功能：①输送炮泥所需要的动力源；②能够将炮泥输送到指定位置的输送设备；③能够自动控制的输送管路及开关元件；④透明且方便观察的模拟炮孔；⑤可控制输送设备输送量大小的控制元件等。

基于上述分析，试验设备包括电动机、输送炮泥的设备泵、开关用的三通阀、输送炮泥的高压管路、单向变频器等。

1.1  泵选型设计

 泵作为一种高效输送喷射装置在建筑工程等领域得到了广泛应用，可用于输送炮泥材料这种浓稠泥浆的泵有往复泵、隔膜泵、螺杆泵等。

 往复泵适用于输送流量较小、压力较高的各种介质，但往复泵因流量的不均匀会造成排除压力的脉冲，不利于炮泥输送。

 隔膜泵是一种新型输送机械，对于各种腐蚀性液体，带颗粒的液体及高黏度、易燃、剧毒的液体均可抽送，但隔膜泵的输出也存在一定的脉冲，对炮泥的输送产生不便，且隔膜在固体颗粒的作用下会存在一定的磨损消耗。

 螺杆泵的主要优点是结构紧凑，流量及压力基本无脉冲，运行平稳，可输送高黏度介质。根据泵的大小不同可以输送黏度0~ 200 000mPa .s的介质，含有硬质悬浮颗粒或固体颗粒的介质、纤维的介质；调节性能好，范围宽，效率高。

 综上所述，选择螺杆泵作为炮泥传输系统。G型单螺杆泵是一种内啮合回转式容积泵，其输出压力级别最大可达2. 4MPa。流量最大可到1min几百立方米。传送的介质颗粒直径最大可达20mm。该泵的定子采用耐磨橡胶材料以适应炮泥材料泵送时产生的定子磨损，泵的流量与转速成正相关，调节转速即可准确调节流量，泵的出口压力取决于整体管路的背压，输出渐进、平稳，不会对炮孔中的炮泥产生冲击。

 单螺杆泵的流量与转子的转速成正比，单螺杆泵的每秒理论流量为：

式中：e为转子偏心距离(mm)；D为转子直径(mm)；T为定子导程( mm)；n为转子转速(r/mm)。

 当单螺杆泵泵送有黏度的物料时，流量会比理论值减小，日本小坂研究所( KOSAKA)的流量与黏度关系换算公式为：

 根据试验炮孔的堵塞时间，选用螺杆泵的合理转速为210~ 220r/min，能够适用于炮孔的堵塞。根据流量和输出压力的计算，选择的泵的参数为：最大输出压力0. 6MPa，最大流量2.4m3／h，定子最高转速960 r/min，额定功率1.5kW。

1.2模拟炮孔与管路设计

 基于隧道掘进爆破以及试验条件，模拟炮孔直径40mm、长度1.5m，炮泥堵塞长度为0.5~1m。为了能够清晰地观察炮泥在孔中的运动状态、测量炮泥堵满所需炮孔长度的时间，试验平台选用透明的有机玻璃材料来模拟炮孔，按1：1加工完成模拟炮孔，其中一端封闭。为了方便多次试验后的清洗，封闭端炮管与封闭套头采用可拆卸螺纹旋合连接，如图1所示。

 模拟试验选择在高差> 10m的场地进行。要将炮泥顺利输送到指定位置，需要配置输送炮泥的管路。隧道爆破，一般炮孔数量较多，分布于掌子面不同施工位置，为了方便作业，选择软管作为输送管路。

 输送炮泥的软管不仅需要承受炮泥的输出压力还要承担炮泥运动的摩擦力，因此软管的选择需要满足一定的条件。常用高压输送软管按材质主要分为以下两种。

 1)钢丝增强型聚氨酯软管  内芯为聚氨酯(PU)，增强层为钢丝编织，外皮是聚氨酯。其特点为外表光滑、弯曲半径小，具有良好的耐油、耐热、耐老化性能且承受压力高，主要用于液压传动、高压喷漆等。其缺点是耐磨性欠佳，价格较高且不透明，不利于观察管路中炮泥的运动状态。

 2)钢丝增强型PVC钢丝软管  内、外芯为PVC材料，中间为钢丝增强层。其特点为：内、外管壁均匀光滑，耐磨性能好；具有耐腐蚀、耐酸碱、挠性好、不脆裂、不易老化等优点，PVC材料透明无毒，广泛应用于真空泵农业机械、排灌设备、石油化工等设备。

 PVC钢丝软管相对于其他管路更耐磨且管路透明，能够及时观察发现炮泥在管路输送过程中的堵塞。因此，本次设计中选用PVC钢丝软管作为炮泥输送的管路。选择PVC透明钢丝软管长15m、内径38mm作为炮泥输出管，15m长、内径为32mm的软管作为回路管道，内嵌的螺旋钢丝骨架为炮泥的输送提供良好的通道，透明材质可以方便观察炮泥的运动情况。

1.3  炮泥喷头及限位减压机构设计

 炮泥泵出后，经软管传送，最后通过喷头送入炮孔内。炮泥送人过程中必须避免炮泥对炮孔内炸药产生直接冲击，以及避免炮孔内气压的骤然过大增加，必须保证在堵塞炮孔的过程中，炸药及雷管不会出现意外爆炸。

 根据炮泥堵塞炮孔的基本要求，炮泥喷头的结构要求不能对炸药造成直接冲击，喷头管出口处切为斜口避免炮泥进入时对孔内炸药直接冲击。出泥管上方并联了1个排气管道帮助排除炮孔内的气体，减少因堵塞炮孔造成的空气压力加大，保证孔内压力正常。同时，炮泥喷头能够根据工作需要方便开、关，在喷头处需要设置1个控制阀。喷头与输送管之间连接1个三通阀门则方便实现炮泥输送的通断，当三通阀门打向另一出口时便可以使炮泥从另一条线路回到搅拌器，从而实现炮泥的循环运送。另外，三通阀的阀门开合程度的大小还可以控制炮泥的流量，在炮泥流量过大时起到一定的节流作用。

 另外，管口上连接了1块可以活动的挡板，起到固定软管和喷头插入炮孔深度的限位作用，防止工人操作时将喷头深入孔内过深，触碰到炸药引发事故。操作时挡板堵在孔口，炮泥输送过程中发生层流现象时挡板可以起到阻挡炮泥外溢的作用。导气管与挡板的配合是动配合，导气管的末端为900弯头，操作时可以手握弯头自由抽动气管，方便在完成堵塞后取出喷头组件。

1.4  电动机选型及控制电路设计

 试验选用单螺杆泵作为试验的炮泥输出部件。动力源如果采用风动电动机需要配套的空压机，试验成本过大，因此本次试验采用与所需风动电动机具有同样输出功率以及输出扭矩的三相异步电动机来代替，电动机数据为：额定功率1. 5kW，额定电压380V，输出转速219 r/min，输出扭矩65. 4N .m。泵和电动机的安装组件如图2所示。

 为了避免炮泥对炮孔内的炸药产生冲击，需要严格控制炮泥运动速度、流量及孔内压力。单螺杆的流量与转子的转速成正比，在试验中需要对单螺杆泵的转速进行调节，确定最佳转速。试验平台所选的电动机为三相异步电动机，由于试验现场只能提供220V交流电，需要进行电压转换，同时还需要对电动机转速的可控调节，本次试验采用单相变频器调节输入三相电动机的频率，从而实现单螺杆泵运转的调节改变。所选的变频器型号、性能参数为：适配电动机功率≤2. 2kW，输入电压220V，输出电压三相220V，输出频率范围0~650Hz。

2炮孔自动堵塞试验检测

 完成炮孔自动堵塞试验的设计及研制后，对该试验进行检测，将按照所需比例的不同炮泥材料混合后，通过此试验完成了不同位置的炮孔自动堵塞试验，试验中模拟炮孔的最大高度> 10m，超出预期的设计。试验中，炮泥的输入注满单个炮孔所需长度的时间在5s左右。炮泥在孔中的运动状态输入平缓，没有输入脉冲和炮泥向前冲击现象出现。

 通过检测性试验，炮孔自动堵塞试验达到了预期的设计目标，能够清晰、直观地观察炮孔堵塞的全过程；通过调节变频器的频率可以改变泵单位时间内输出炮泥量，以及单个炮孔堵塞的时间，适应炮泥材料颗粒直径≤20mm的不同材质、不同配合比的炮泥堵塞试验。

3  结语

 炮孔堵塞与否以及堵塞质量，对隧道爆破效果具有重要影响。炮孔自动堵塞试验研究，完成了炮孔堵塞方案及结构设计、设备选型以及炮孔自动堵塞试验研究，达到了预期效果。该试验的设计为后续炮孔自动堵塞设备的研究提供了相关的试验数据和设备参数，同时也为隧道掘进爆破施工自动化提供了一个可行途径。