针对煤矿井下炮孔堵塞密封性差甚至不堵塞所导致爆破效果不佳的问题, 在分析破岩机理和堵塞机理的基础上, 采用数值模拟和实验研究的方法对爆炸荷载作用下小口径炮孔堵塞进行了研究, 运用了有限元分析软件建立了3 m×3 m的二维混凝土断面模型, 炮孔直径为0.04 m, 炮孔深度为1 m, 采用柱形连续装药, 卷装乳化炸药装药重量为0.3 kg, 堵塞材料为砂土。炸药、混凝土体、砂土均采用Lagrange网格建模, 空气采用Euler网格建模, 使用ALE算法分别模拟出爆炸荷载作用下单孔堵塞长度分别为0、200 mm、400 mm的爆炸应力云图和损伤云图。结果显示：在爆炸的大部分时间里, 有堵塞炮孔周边的最大应力明显高于无堵塞情形。有堵塞炮孔周边损伤程度与无堵塞情形相比, 更严重, 破碎块体更小。该数值模拟方法可为井下钻孔爆破分析提供一种借鉴。在对井下常用的粘土+水炮泥结构利弊分析基础上, 设计研发了胀管式注水炮孔堵塞结构, 现场应用效果良好。胀管式注水结构可以替代粘土+水炮泥结构应用于煤矿井下爆破中。

在爆破工作中, 炮孔堵塞的效果对爆破工作的效果与安全有很大的影响, 为了提高爆破效果、降低爆破成本, 确定炮孔堵塞的最佳长度很有必要。结合爆轰波理论和理论力学, 采用理论分析与LS-DYNA数值模拟相结合的办法, 进行炮孔堵塞长度对爆破效果影响的研究, 并通过现场进行验证。研究结果表明: 炮孔深度在0.6~1.4 m时, 最佳的炮孔堵塞比例为0.38~0.54, 且随炮孔深度的增大而减小, 炮孔深度在1.6~2.4 m时, 最佳的炮孔堵塞比例为0.36~0.38; 炮孔深度超过1.2 m, 同时炮孔堵塞长度≥1/2炮孔深度后, 存在炮孔堵塞过长效应导致爆破效果不佳。径向不耦合系数R对炮孔的最佳堵塞长度具有显著的影响, 当R≤1.8时, 最佳炮孔堵塞长度随着R的增大而减小, 当R＞1.8时, 最佳炮孔堵塞长度不随R改变。在大同王村煤业有限责任公司8107顶回风巷进行了现场试验, 分别对1.2 m和2.2 m的掏槽孔以及2.0 m的辅助眼进行试验, 炮孔的最佳堵塞长度分别为50 cm、90 cm和80 cm, 与理论计算、数值模拟的结果相吻合。

随着现场混装乳化炸药的广泛应用, 露天爆破施工中存在着堵塞物渗入乳化炸药, 间接改变堵塞长度, 降低爆破效果的情况。为研究露天爆破堵塞物对混装乳化炸药影响, 先后开展了填塞模拟试验、数值模拟试验及现场爆破试验。首先, 采用4种常用孔径的PVC管模拟炮孔, 使用钻孔岩屑模拟炮孔堵塞, 系统研究了填塞过程中炸药药柱顶部岩屑渗入炸药情况; 其次, 借助LS-DYNA软件进行单孔爆破数值模拟, 通过观察测点的应力值变化, 探究了药柱顶部混入堵塞物对爆炸威力产生的影响; 最后, 以金堆城露天台阶爆破为工程背景, 在装药过程中设置物理隔离改善堵塞工艺, 通过对比物理隔离前后的爆破效果分析堵塞物对混装乳化炸药的影响。结果表明: 在乳化炸药填塞过程中, 药柱顶部首先出现炸药上溢现象, 在填装完成后受重力影响岩屑逐渐渗入乳化炸药, 且随着孔径的增大, 相同时间内岩屑的渗入长度不断增大; 数值模拟结果表明, 不同监测点位的应力值均有所下降, 堵塞物的渗入降低了顶部炸药的爆炸威力; 对现场爆破后的顶部岩石进行块度分析发现, 对比常规装药过程, 采取堵塞隔离措施后, 爆区内岩石主要块度分布从20~40 cm降低为0~20 cm, 且超过60 cm的岩石占比由6.13%降低至1.81%。综上, 堵塞物渗入对乳化炸药的威力及爆破效果影响显著, 通过采取物理隔离手段分离堵塞物与炸药可以有效改善爆破效果。

针对大直径深孔爆破要求质量高、传统堵塞材料长度过长且容易“冲孔”, 提出以早强水泥砂浆为堵塞材料, 选用囊袋式结构作为新型炮孔堵塞物。对不同掺加剂含量、不同龄期的水泥浆进行了静态力学试验与冲击荷载作用下的堵塞模型试验, 通过试验得到在不同变量下水泥砂浆的自收缩性能、抗压强度与冲击荷载作用下管壁的被动围压, 分析被动围压下早强水泥砂浆的动态力学特性; 分析爆生气体压力作用下堵塞物在炮孔中受力特性, 给出大直径深孔炮孔合理堵塞长度。结果表明: 试件的自收缩随着掺加剂含量的提高而增大; 试件抗压强度随着龄期的增长而增大, 掺加剂含量的提高而减小; 随着掺加剂的含量和龄期的增加, 膨胀压力增大, 从而被动围压增大, 当掺加剂含量为4%、16 h龄期时, 各个测点的膨胀压力达到峰值, 另外随着掺加剂含量的提高, 浆液的孔隙增多, 堵塞体轴向可压缩性越高, 能够延长爆生气体压力在炮孔中作用时间, 提高堵塞质量; 综合现场试验结果表明, 依据所推导理论公式结合现场生产合理选取爆破堵塞长度保证了回采期间的安全生产, 深孔爆破取得了良好的效果。

为研究直通孔孔径、积水深度和水平径流速度对新型自密实透水混凝土(NSPC)抗堵塞性能的影响规律, 测试了堵塞和高压水枪冲洗后NSPC的透水系数, 并基于堵塞物被直通孔道捕获的概率建立了NSPC堵塞模型。结果表明, NSPC堵塞循环后的透水系数随直通孔孔径增加而增大, 当直通孔孔径与堵塞物粒径之比大于5时, 堵塞物形成的颗粒流仍会造成NSPC堵塞。积水深度的升高会降低NSPC堵塞后的透水系数, 水平径流速度对NSPC的透水系数影响较小, 但会延迟透水系数降低的时间。高压水枪清洗后NSPC的透水系数恢复率最高可达到85%。建立的NSPC堵塞模型能够预测直通孔道内堵塞物质量和透水系数衰减率的变化规律。

分析了蓄热室格子体堵塞原因，简要介绍了堵塞的几种疏通方式，并结合实际工作经验，提出了施工和设计中如何选择耐火材料的建议。

为解决高黏性水泥3D打印堵塞问题, 通过构建3D打印平台开展了物理模拟试验, 采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对硬化产物进行检测, 并利用有限元软件Polyflow分析打印喷头内部流场, 最后结合试验和数值仿真结果确认堵塞问题原因。结果表明: 高黏性水泥的凝结时间在10~23 min, 与普通硅酸盐水泥相比, 其会更快地硬化形成棱形晶体; 打印喷头内部的压力梯度在挤出口变径处达到峰值113.9 kPa, 并且螺槽内的浆料以塞流形式输运; 在3D打印过程中, 部分浆料黏附在螺杆表面, 并快速硬化形成的产物嵌入到螺杆微观凹凸表面中, 而未黏附的浆料在筒内高压差作用下以塞流形式输送, 在筒内变径处发生液相迁移, 最终导致打印堵塞。研究结果可为高黏性水泥3D打印喷头设计提供理论支撑。

隧道掘进爆破中炮眼堵塞材料或装药间隔部分用水取代的施工技术又称为水压爆破。隧道掘进炮眼从基本不堵塞的孔底起爆到孔口用炮泥加水堵塞，发展到现今的孔内多部位用水垫、隔和堵的技术，归纳起来可以分为三个阶段。第一阶段为2002年至2015年，主要装药结构为在常规炮眼的装药结构基础上，在孔底垫水袋和在孔口用水袋加炮泥封堵，并减少炮孔装药；第二阶段为2016年至2020年，主要技术进步是光爆炮眼中的装药段用聚能管装置取代，提高了半眼痕保留率和减少了光爆眼；新阶段是2021年至今，成果以新建梅州至龙川铁路的何公塘隧道掘进爆破为代表，技术标志是在光爆眼底、间隔和孔口封堵全用水袋，光爆炮眼以外的所有炮眼孔口全用水袋封堵，省却了炮泥，并将水袋长度由原来的20 cm改为60 cm，实践证明不但比常规爆破节省炸药25%和减少了光爆孔工作量，还提高了装药作业效率，降尘效果更显著。

提出了一种空气间隔堵塞爆破结构改善岩石爆破效果的方式。通过有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立了连续堵塞和空气间隔堵塞结构模型, 计算得到：采用空气间隔堵塞结构, 在装药部分孔壁位置应力峰值明显削弱, 但在离炮孔中心远区的岩石应力峰值影响不大, 说明该结构有利于控制爆源中心的过破碎, 减小粉碎区区域; 在空气堵塞段, 孔壁单元应力峰值均明显降低, 但是有效应力作用时间却明显增加, 说明该结构对改善该位置岩石爆破效果有一定促进作用。在岩屑堵塞段, 受空气间隔的影响, 岩屑堵塞单元应力基本按照一个数量级进行衰减, 要达到预期效果应至少设计2段空气间隔段。通过在露天台阶爆破试验证明了该堵塞结构改善爆破效果的可行性。