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炮孔自动堵塞试验研究

文档作者：高恺１，徐鈞２文档来源：１.重庆大学通信工程学院２.北京工业大学机械工程与应用电子技术学院		点击数：	更新时间： 2025年12月15日
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２０１６ 年６ 月上
第４５ 卷　第１１ 期
施　工　技　术
ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 　８５
ＤＯＩ：１０􀆰 ７６７２／ ｓｇｊｓ２０１６１１００８５
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 ［文献标识码］ Ａ　　　　［文章编号］ １００２⁃８４９８（２０１６）１１⁃００８５⁃０３
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｈｏｌｅ Ｂｌｏｃｋｉｎｇ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
Ｇａｏ Ｋａｉ１，Ｘｕ Ｊｕｎ２
（１． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００４４，Ｃｈｉｎａ；
２． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１２４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｈｏｌｅ ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｃｏｍｅｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ，
ｐｒｏｐｈａｓｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｈｏｌｅ ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ． Ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌ ｄｅｓｉｇｎ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ
ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ，ｂｅｓｉｄｅｓ， ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ｆｉｎｉｓｈｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ
ｐｌｕｇｇｉｎｇ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ． Ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ， ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ
ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｈｏｌｅ ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ． Ｇｏｏｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
ｄａｔａ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｔｏ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｈｏｌｅ ｂｌｏｃｋｉｎｇ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌｓ；ｂｌａｓｔｉｎｇ；ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｈｏｌｅ ｂｌｏｃｋｉｎｇ；ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ；ｔｅｓｔｉｎｇ
［作者简介］ 高　恺，本科在读，Ｅ⁃ｍａｉｌ： ４０３７００４７０＠ ｑｑ． ｃｏｍ ［收稿日期］ ２０１６⁃０４⁃１７
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。
　８６ 施工技术 第４５ 卷
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：
Ｑ ＝ ４ｅＤＴｎ ／ ６０ （１）
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：
Ｑｉ ＝ Ｑ１ － （Ｑ１ － ＱＨ２Ｏ）ＫＱ （２）
式中： Ｑｉ 为换算后的体积流量； Ｑ１ 为清水介质时的
理论流量； ＱＨ２Ｏ 为清水介质时的实际流量； ＫＱ 为流
量修正系数， ＫＱ ＝ ３ ｖＨ２Ｏ ／ ｖｉ ， 其中ｖｉ 为使用介质的
实际黏度， ｖＨ２Ｏ 为清水黏度。
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９６０ｒ／ 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。
图１　模拟炮孔
Ｆｉｇ． １　Ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｂｌａｓｔ ｈｏｌｅ
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。炮泥送入过程中必须避免炮泥对炮孔内
２０１６ Ｎｏ． １１ 高　 恺等：炮孔自动堵塞试验研究 　８７
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９０°
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２１９ｒ／ ｍｉｎ，输出扭矩６５􀆰 ４Ｎ·ｍ。泵
和电动机的安装组件如图２ 所示。
图２　泵、电动机组件
Ｆｉｇ． ２　Ｔｈｅ ｐｕｍｐ ａｎｄ ｍｏｔｏｒ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ
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。
参考文献：
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［Ｊ］． 采矿技术，２０１１（５）：１１８⁃１２０．
重庆第二座大型剧院竣工投入使用
继重庆大剧院之后建成的第二座大型剧院，区
县一级规模最大的文化场所璧山文化艺术中心在
重庆正式投入使用。该中心占地３６ 亩，建筑面积约
４ 万ｍ２，内设特大型剧院１ 座，２ 个３６０°全景式演播
厅，１ 个标准化文化馆和１ 个会议中心。其中剧院
座位总数为１ ７２２ 座，可满

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