井下装药车物理敏化装药的可行性分析.pdf

第3 0 卷第3 期 爆破 V o l 3 0 N o 3 2 0 1 3 年9 月B L A S T I N GS e p ．2 0 1 3 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 3 ．0 3 ．0 2 6 井下装药车物理敏化装药的可行性分析 安振伟1 ，周桂松1 ，刘2 张小勇1 ，陈曦1 1 ．葛洲坝易普力股份有限公司，重庆4 0 1 1 2 2 ；2 ．山西江阳工程爆破有限公司，太原0 3 0 0 4 1 摘要为了解决地下工程施工仰上炮孔装药时化学敏化方式带来的输药泵负载压力太大，以及炸药无法 有效粘附炮孔而导致返药的局限性，提出了物理敏化方式混药装药的可行性方法水环减阻工艺使高粘度的 炸药在输药管内形成塞流，与水环同步输送，提高了输药效果；同时利用喷头代替静态混合器大幅降低了输 药泵负载且优化了喷射药面形态；特别地，物理敏化后的炸药因剪切极限应力大、粘稠度高，更容易粘附在炮 孔内而避免返药的发生。分析结果表明，采用物理敏化方式装药，具有较强的可行性，为井下工程的爆破施 工提供了新的思路。 关键词井下装药车；物理敏化；水环减阻；喷头；极限剪切应力 中图分类号T Q 5 6 0 ．6 文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 x 2 0 1 3 0 3 0 1 1 6 0 4 F e a s i b i l i t yA n a l y s i so fP h y s i c a lS e n s i t i z a t i o n i nU n d e r g r o u n dL o a d i n gT r u c k A NZ h e n ．w e i l ，Z H O UG u i ．s o n 9 1 ，L I UT a 0 2 ，Z H A N GX i a o y o n 9 1 ，C H E NX i l 1 ．G e z h o u b aE x p l o s i v eC oL t d ，C h o n g q i n g4 0 11 2 2 ，C h i n a ； 2 ．S h a n x iJ i a n gY a n gB l a s t i n gE n g i n e e r i n gC oL t d ，T a i y u a n0 3 0 0 4 1 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt oo v e r c o m et h el i m i t a t i o n so fc h e m i c a ls e n s i t i z a t i o ni nt h eb l a s t i n gw o r k i n go fu n d e r g r o u n d e n g i n e e r i n gc h a r g e ，s u c ha st h eo v e r l o a dp r e s s u r eo fi n f u s i o np u m pa n dt h ew e a kh o l ea d h e r e n c eo fc h e m i c a ls e n s i _ t i z e de x p l o s i v e ，an e wp h y s i c a ls e n s i t i z a t i o nm o d eW a sp r o m o t e d ．H i g hv i s c o s i t ye x p l o s i v eW a sc o n v e y e dw i t hc o r e 。 a n n u l a rt o g e t h e ri np i p ea n dap l u gf l o ww a sf o r m e d ，w h i c hi m p r o v e dt h ec o n v e y i n ge f f e c t ．M e a n w h i l e ，c o m p a r e d w i t hm i x e r ，t h es p r i n k l e rd e c r e a s e dt h ep r e s s u r eo ft h ei n f u s i o np u m pa n do p t i m i z e dt h es p r a ys h a p e ．E s p e c i a l l y ， d u et ot h eh i g hv i s c o s i t ya n ds t r o n gl i m i t i n gs h e a rs t r e s s ，t h ep h y s i c a ls e n s i t i z e de x p l o s i v ec o u l da d h e r e n c et ot h e h o l ee a s i l y ．R e s u l t ss h o wt h a tt h ep h y s i c a ls e n s i t i z a t i o nm o d eW a sf e a s i b l ea n dh e l p f u lt op u tf o r w a r dan e wi d e af o r t h eb l a s t i n gc o n s t r u c t i o no ft h eu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g ． K e yw o r d s u n d e r g r o u n dc h a r g i n gt r u c k ；p h y s i c a ls e n s i t i z a t i o n ；d r a gr e d u c t i o nb yC O r e a n n u l a rf l o w ；s p r i n - k l e r ；l i m i t i n gs h e a rs t r e s s ． 目前在世界范围内，散装乳化炸药及其混装车， 已经得到广泛应用。在北美、南美、欧洲、南非等地 区和国家的年消耗炸药总量中，散装乳化炸药达到 了市场份额的8 0 ％左右。我国装药车研究起步较 收稿日期2 0 1 3 一0 5 0 3 作者简介安振伟 1 9 8 4 一 ，男，山东新泰人，硕士，主要从事炸药生 产线及混装车的研究，现就职于葛洲坝普力股份有限公 司， E - m a i l g e n h u a z h u l 9 7 9 1 6 3 ．c o m 。 晚，经过4 0 多年的不懈努力，在自主研究与技术引 进的基础上，先后开发了粉状铵油炸药装药车、浆状 水胶 炸药装药车、粒状铵油炸药装药车、乳化炸 药装药车和重铵油炸药装药车。 相对于露天装药车的发展，我国对于地下装药 车的研制较晚，直到2 0 世纪9 0 年代才开始深入的 研究。在这之前，我国地下矿山中小直径炮孑L 爆破 的装药工作几乎全是人工装填成品炸药，劳动强度 万方数据 第3 0 卷第3 期安振伟，周桂松，刘涛，等井下装药车物理敏化装药的可行性分析 1 1 7 大，效率低，爆破效果差。国内对地下装药车的需求 日益增加⋯。 地下矿山开采，多采用上向炮孔，炮孔呈扇形布 置。传统上主要采用铵油炸药装药器或车进行装 药，其装药原理是利用粉状 或粒状 铵油炸药流散 性好的特点，通过压缩空气裹挟炸药粉粒，并将其吹 入炮孔内。传统的这种装药方式，存在返药率高、空 气污染大、装填密度低、爆破效果差等问题。同时， 由于铵油炸药的主要组份硝酸铵吸水性强，因此铵 油炸药不适合含水炮孔的装药，尤其是大规模的地 下矿山装药爆破情形。并且，如果铵油炸药停留在 炮孔内的时间较长，铵油炸药的爆炸性能将受到很 大的影响，甚至会出现盲炮现象。 由于乳化炸药具有装药密度高、爆破效果好、爆 后有毒气体少等优点，逐渐成为地下矿山装药的发 展方向。先将组成乳化炸药的原材料或半成品 如 水相、油相、敏化剂、乳胶基质、干料等 运输到爆破 作业现场，再在现场采用混装炸药车 或移动式炸 药制造模块，使用时可用卡车等运输设备将该制造 模块运至爆破现场 将构成乳化炸药的原材料或半 成品混拌后，然后将其输送入炮孔内。 由于构成乳化炸药的原材料或半成品运输过程 中危险系数较低，那么采用上述现场混拌乳化炸药 的方法就可以大幅降低炸药运输过程中的危险性， 所以国内外纷纷研究各种乳化炸药的现场混拌、装 药系统及装药方法。与发达国家9 0 * ／* 以上现场混 装炸药的使用量相比，我国现场混装炸药技术与装 备的发展刚刚起步，特别是地下矿山炸药装药装备 落后且远未形成系列化。高水平、高起点研究开发 地下矿山系列化、智能化炸药装药车已经成为摆在 我们面前的一项重要任务1 。 1 现阶段井下装药车敏化方式 目前井下装药车乳化炸药的敏化方式大都采用 化学敏化。装药车的化学敏化机理是乳胶基质由输 药泵从装药车料箱内泵入输药软管，发泡剂经其他 泵以环状水剂形式泵送至输药软管与乳胶基质之 间，即发泡剂在乳胶基质外形成持续的环形润滑液 膜，乳胶基质与发泡剂通过置于软管末端的混合器 混合后泵入炮孑L 底部。分散的发泡剂在炮孔内发生 化学反应生成微气泡，即促进爆轰反应的“热点”， 通过一段时间的“发酵”后形成乳化炸药，最终达到 敏化目的。 由于在炮孔内形成乳化炸药的过程中炸药密度 不断降低，炸药形态不断发生膨胀变化，炸药在重力 的作用下可能会缓慢坠落出炮孔。另外，化学敏化 的程度也受到环境温度与时间的影响，这将影响乳 化炸药爆炸性能的稳定性。且用于仰上炮孔装药的 乳化炸药粘稠度通常要求较高，而采取化学敏化方 式将敏化剂与乳胶基质混拌成乳化炸药时，乳胶基 质的粘度通常不会发生明显变化。为了使乳化炸药 的粘稠度足够高，就需要乳胶基质自身就具有较高 的粘度或是在输药末端置有能增大粘稠度的混合器 或剪切装置。而因为在输药软管末端混合器或剪切 装置的存在，需要额外增加较大的压力降，这样就增 大了输药泵的负载，不利于输药泵的安全工作。化 学敏化方式的这种自身缺陷使得采用这种敏化方式 的乳化炸药不太适用于地下工程的仰上炮孔。 2 物理敏化装药的可行性分析 为了解决上述化学敏化带来的不合理因素，可 以将敏化方式由化学敏化变更为物理敏化。物理敏 化是指向乳胶基质中添加能保持一定数量且能均匀 分布的包含气体的固体颗粒性物质，如空一I 、h “ 玻璃微 球、空心树脂微球、膨胀珍珠岩和泡沫等，用来调节 乳化炸药密度，提高乳化炸药爆轰性能的敏化方法。 物理敏化的乳化炸药中，气泡被携带在固体颗粒物 质中，只要固体颗粒的状态不被破坏，气泡就能相对 稳定保留在乳胶基质中，与化学敏化相比，有以下 优点 1 固体颗粒夹带气泡受外界条件影响小，产 品质量较稳定。 2 药态较硬，成型好，易被用户接受。 3 产品抗压性能好，易于爆轰完全日1 。 下面，就物理敏化方式装药的可实施性进行简 单分析。 2 ．1 水环的减阻作用 水环润滑装置最早应用于石油行业的原油管道 输送中。由于此装置减阻效果显著，在相关行业引起 了广泛关注。目前，乳化炸药混装车在输送高粘度的 乳胶基质时，大多也采用了水环润滑装置，以降低沿 程阻力H ] 。据统计，无水环润滑时，乳胶基质通过 1i n c h 的管道时，每米压力损失为0 ．9 1 ～1 ．5 8b a r ，如 此推算，输送5 0m 长的截面为li n c h 的管道时，压力 损失为1 3 ．8 ～2 4 ．1b a r 。在如此高的压力下，长距离 输送乳胶炸药是十分危险的。并且乳胶如果在高压 力的管道中运输，可能会破坏乳胶“油包水”的结构， 导致炸药的爆炸性能得不到保证。 为了利于输送，目前行业内输送乳胶基质 炸 药 时，大都采用流动性好且粘稠度低的基质 炸 万方数据 1 1 8爆破 2 0 1 3 年9 月 药 。乳胶基质的流动属于非牛顿流体中的宾汉 体‘5 1 ，其流变曲线及流态特性如图1 所示。 _ ‰ 篓习| 官莎◇ 静止塞流层流湍流 ＼、一、厂√ 结构流 图1乳胶基质流变曲线及其流态特性图 F i g ．1D i a g r a mo ft h e o l o g i c a le u n r ea n df l o w p a t t e r n c h a r a e t e r i s t i e so fe m u l s i o nm a t r i x 当作用在乳胶基质 炸药 上的外力超过极限 剪切应力造成的阻力时，乳胶便开始流动。在极限 状态下，半径为R 处 管壁 的流体推动力超过了由 于极限剪切应力所产生的阻力，故仅在管壁处的乳 胶基质 炸药 产生形变 开始流动 ，而半径小于_ R 处的流体仍然处于相对静止状态。若不增大压差， 则半径R 以内的流体仍紧聚在一起，此种流态称为 塞流。塞流中各流层速度相同，没有流速梯度。当 水平管路两端的压差逐渐增大时，管壁附近的各流 层依次开始流动，使得管路中心的流体以相同的速 度，象圆柱体一样向前运动，这部分流体称为流核， 流核内部的流层间没有相对运动，具有流核的流体 流动称为结构流。流核以外的部分各流层间速度不 同，具有流速梯度，称为流速梯度区。 在一定的压差作用下，乳胶基质 炸药 沿水平 圆管作定常结构流，如图2 所示。设软管半径为R ， 流核半径为r 0 ，取流速梯度区 层流区 任意半径r 的一段液柱进行受力分析。半径r 处的流速为u ， 内摩擦应力 剪切应力 为r ，液柱两端的压差为 △p p 。一P ，其受力平衡关系为 ． n ， △p 叮r 产 丁2 ，T r r L ，即r 等 一二L 该式表明，在流速梯度内，单位面积上的摩擦阻 力与半径成线性关系。 当r r 0 时，即在流核表面上，可得到极限切应 力的表达式下。 警 据此可确定流核半径r 0 警。 l 2 { 一三一{ l2 图2 输药软管内的乳胶流态分布图 F i g ．2 D i a g r a mo ff l o ws t a t ed i s t r i b u t i o no f e m u l s i o nm a t r i xi nd e l i v e r yp i p e 由此可知，当乳胶基质 炸药 的极限剪切应力 丁。足够大时，其流核半径r o 会大于输药管半径R ， 即乳胶基质 炸药 内部全部为塞流，无流速梯度 区。在这种情况下，若无水环润滑，其流动性肯定是 很差，甚至无法流动。但是，当润滑水剂包覆在乳胶 基质的表面，继而在泵送的时候，水环与乳胶基质 炸药 整体向前推进。此时，水环破损几率降低， 其沿程阻力也降到最小。从摩擦学的角度，由于水 环润滑装置使泵送进入的水在管路内壁形成了一层 连续的水膜，使得乳化炸药与管壁的摩擦由干摩擦 变成了边界摩擦，大大降低了摩擦系数，从而降低了 输送阻力旧1 。 而制作车载乳化炸药时，采用物理敏化方式，通 过将乳胶基质与干散料预先进行混合，后由输药泵 泵出。此时的乳化炸药，其极限剪切应力完全可满 足上述情形，达到水环与炸药同步输送，而不会出现 水环脱落断流的情形。以上结果显示，并非如同行 业内所普遍认为的基质粘度越小越好输送，与此相 反，在有稳定水环的前提下，基质粘度适当大些反而 有利于输送”1 。 2 ．2 喷头代替混合器 根据前文所述，使用化学敏化加软管末端混合 器的方式，会使输药泵的负载压力增大，不利于安全 输药。假如使用输药喷头代替混合器，在不增加输 药泵负载的情况下，输药效果会更好。输药喷头，如 图3 所示，置于输药软管末端，且分布有主喷射孔及 辅助喷射孔。辅助喷射孔喷出的炸药流与主喷药孔 万方数据 第3 0 卷第3 期安振伟，周桂松，刘涛，等井下装药车物理敏化装药的可行性分析 1 1 9 喷出的炸药流之间具有一定的散射角，这样就能保 证一定的散射面积，优化喷射药面形态，并使喷出的 乳化炸药均匀地附着在炮孔内，从而进一步改善炸 药的爆破效果。这样做的优点是取消了现有技术中 设在输药软管上用于提高乳化炸药粘稠度的剪切混 合装置，这样就大幅降低了输药泵的工作压力，从而 能够保证输药泵安全工作。而乳化炸药的粘稠度提 高通过采用物理敏化方式，并加入不同比例的干散 料来实现和调节。在输药软管的管径为2 5 4 0m m ，乳化炸药在输药软管内的流速为1m ／s 左 右时，其自喷头喷出到炮孔的速度可达到3 6m ／s ，保证了射流的喷射距离与喷射力度，能较容 易牢靠地粘附在炮孔内，不易出现返药的现象。 图3 喷头示意图 F i g ．3 S c h e m a t i cd i a g r a mo ft h es p r i n k l e r 2 ．3 足够的粘稠度及极限剪切应力 为了能使炸药有效的粘附在炮孔内不下坠，一 般需要炸药有足够的粘稠度及极限剪切应力。取炮 孔内一段处于静力平衡状态下的炸药做受力分析， 如图4 所示。 G 图4 炮孔内炸药受力分析 F i g ．4 F o r c ea n a l y s i so ft h ee x p l o s i v ei nb l a s th o l e 能得出以下关系式 G s i na F 此处考虑极端情况，炮孔底部与大 气相通 ，即炸药问的分子内摩擦力平衡掉炸药重 力在炮孔方向的分力，此时炸药即能粘附在炮孔内 而不下坠。 炸药间的最小分子内摩擦力F 1 r D L , r 。 炸药的重力G p g 订扩／, ／4 ，即可得出 r o2 刁p 9 8 m ‰ 当r ≥％，即丁≥等_ p g s i n 仅时，炸药不下坠。 当a 9 0 。，即炮孔垂直分布时，．『达到最小值 詈．p g ，与炮孔深度无关，此时炸药不下坠。 通过物理敏化方式得到的乳化炸药，其粘稠度 及初始剪切应力下都比在化学敏化时得到的炸药要 高的多，这就为炸药滞留在炮孔中提供了有力的 保证。 3结语 通过以上分析，井下装药车采用物理敏化方式制 药，有输送性能好、炮孔附着能力强、不返药不落药等 的优良性能，完全可适应目前仰上炮孔开采要求，为井 下工程开采提供了新的思路，目应用前景也十分广阔。 [ 1 ] 孙伟博，邢军，邱景平，等．我国装药车的现状与发 展[ J ] ．金属矿山，2 0 0 5 s 1 1 0 4 - 1 0 6 ． [ 1 ] S U NW e i - b o ，X I N GJ t m ，Q I UJ i n g - p i n g ，e ta 1 ．P r e s e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n to f e x p l o s i v ec h a r g i n gc a ri nC h i n a [ J ] ．M e t a lM i n e ，2 0 0 5 s 1 1 0 4 - 1 0 6 ． i nC h i n e s e [ 2 ] 臧怀壮，李鑫，李国仲，等．地下矿山炸药装药车现 状与智能化发展[ J ] ．矿冶，2 0 1 2 ，2 1 4 1 4 - 1 6 ． [ 2 ]Z A N GH u a i z h u a n g ，L IX i n ，L IG u o - z h o n g ，e ta 1 ．O v e r v i e w a n di n t e l l i g e n t d e v e l o p m e n t o f u n d e r g r o u n de x p l o s i v e c h a r g i n gv e h i c l e [ J ] ．M i n i n g M e t a l l u r g y ，2 0 1 2 ，2 1 4 1 4 1 6 ．fi nC h i n e s e [ 3 ] 杨卫东．乳化炸药敏化方法及应用研究[ J ] ．煤矿爆 破，2 0 0 9 2 6 - 9 ． [ 3 ] Y A N GW e i d o r I g ．S t u d yo nt h es e n s i t i z a t i o nm e t h o d so fe - m u l s i o ne x p l o s i v ea n di t sa p p l i c a t i o n [ J ] ．C o a lM i n eB i a s r i n g ，2 0 0 9 2 6 - 9 ． i nC h i n e s e [ 4 ] 杨佳，刘寿康．乳胶基质水环输送的机理研究[ J ] ． 矿冶工程，2 0 1 2 ，3 2 2 l l - 1 4 ． [ 4 ] Y A N GJ i a ，L I US h o u - k a n g ．S t u d yo nm e c h a n i s mo fd r a g r e d u c t i o nb yc o r e - a n n u l a rf l o wi nt r a n s p o r t a t i o no fe m u l - s i o nm a t r i x [ J ] ．M i n i n ga n dM e t a l l u r g i c a lE n g i n e e r i n g ， 2 0 1 2 ，3 2 2 1 1 1 4 ． i nC h i n e s e [ 5 ]汪旭光．乳化炸药[ M ] ．2 版．北京冶金工业出版 社，2 0 0 8 ． [ 6 ]肖凯，蒋文斌，李大财．基于水环润滑装置在乳化炸 药混装车上的减阻输送研究[ J ] ．化学工程与装备， 2 0 1 2 9 6 0 6 2 ． [ 6 ] X I A OK a i ，J I A N GW e n b i n ，L ID a - c a i ．S t u d yo nt h ed 朋g r e d u c t i o nb yc o 佗一a n n u l a rf l o wi nm i x e dl o a d i n ge m u l s i o n e x p l o s i v et r u c k [ J 】．C h e m i c a lE n g i n e e r i n g ＆E E I l l i 弘唧t ， 2 0 1 2 9 6 0 ．6 2 ． i nC h i n e s e 万方数据