一种上向深孔现场混装用乳胶基质的研究.pdf

第4 9 卷第4 期爆破器材 V 0 1 ．4 9N o ．4 2 0 2 0 年8 月E x p l o s i v eM a t e r i a l s A u g ．2 0 2 0 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 ．8 3 5 2 ．2 0 2 0 ．0 4 ．0 0 7 一种上向深孔现场混装用乳胶基质的研究米 熊言涛①魏善太①吴继昌②李建真② ①安徽江南化工股份有限公司 安徽合肥，2 3 0 0 8 8 ②安徽江南化工股份有限公司宁国分公司 安徽宁国，2 4 2 3 1 0 [ 摘要]针对国内地下矿山上向孔深孔装药仍采用人工装药，存在返粉率高、爆破效果不稳定及工人劳动强度 大等问题。基于理论机理分析及批量装药试验，生产了可用于地下矿的上向深孔用乳胶基质，系统研究了该乳胶基 质的抗颠簸试验、泵送试验、储存期试验、黏度试验、爆炸性能等。结果表明，在试验条件下，该乳胶基质储存期可 达6 个月以上，可在道路5 0 0k m 内长距离运输不破乳，2 0 ℃乳胶基质黏度为9 0 1 0 0P a S ，不掉药，经敏化装药 后爆破效果较好。符合G B ／T1 4 3 7 2 - - 2 0 1 3 、G B5 0 0 8 9 - - 2 0 1 8 及G B2 8 2 8 6 - - 2 0 1 2 行业标准要求。为发展地下矿山混 装乳化炸药一站多点的模式提供性能可靠的混装产品。 [ 关键词]上向孔；乳胶基质；混装乳化炸药；远程配送 [ 分类号] T D 2 3 5 ．2 1 ；T Q 5 6 0 S t u d yo na nE m u l s i o nM a t r i xU s e df o rU p w a r dD e e pH o l e X I O N GY a n t a o ①，W E IS h a n t a i ①，w uJ i c h a n 产，L IJ i a n z h e n ② ①A n h u iJ i a n g n a nC h e m i c a lI n d u s t r yC o ．，L t d ． A n h u iH e f e i ，2 3 0 0 8 8 ②N i n g g u oB r a n c h ，A n h u iJ i a n g n a nC h e m i c a lI n d u s t r yC o ．，L t d ． A n h u iN i n g g u o ，2 4 2 31 0 [ A B S T R A C T ] M a n u a lc h a r 舀n gf o ru p w a r dd e e ph o l e si ss t i l lb e i n gu s e di nd o m e s t i cu n d e r g r o u n dm i n e sw h e r es o m e p r o b l e m ss u c ha sh i g hp o w d e rr e t u r nr a t e ，u n s t a b l eb l a s t i n ge f f e c ta n dh i g hl a b o ri n t e n s i t yw e r eo b s e r v e d ．B a s e do nt h e o r e t i c a lm e c h a n i s ma n a l y s i sa n db a t c hc h a r g i n gt e s t ，a ne m u l s i o nm a t r i xu s e df o ru p w a r dh o l e sw a sp r o d u c e da n ds t u d i e di n v i e wo fi t sa n t i b u m p i n g ，p u m p i n g ，s t o r a g ep e r i o d ，v i s c o s i t ya n db l a s tp e r f o r m a n c e ．R e s u l t ss h o wt h a tt h em a t r i xh a sa s t o r a g ep e r i o do fo v e r6m o n t h s ；c a nb et r a n s p o r t e df o ral o n gd i s t a n c ew i t h i n5 0 0k mw i t h o u td e m u l s i f i e a t i o na n dh a sav i s c o s i t yo f9 0 ～1 0 0P a Sa t2 0 ℃，w h i c he n s u r e st h ea b s e n c eo ff a l l o f ff r o mc h a r g e ．M e a n w h i l e ，t h em a t r i xh a sag o o d b l a s t i n ge f f e c ta f t e rs e n s i t i z a t i o n ，w h i c hm e e t st h ei n d u s t r ys t a n d a r d so fG B ／T1 4 3 7 2 - - 2 0 1 3 ，G B5 0 0 8 9 - - 2 0 1 8a sw e l la s G B2 8 2 8 6 - - 2 0 1 2 ，p r o v i d i n gar e l i a b l em i x i n ga g e n tf o rt h ed e p l o y m e n to fo n es t a t i o n ，m u l t i l o c a t i o n sm o d e ． [ K E Y W O R D S ]u p w a r dh o l e s ；e m u l s i o nm a t r i x ；m i x e de m u l s i o ne x p l o s i v e ；r e m o t ed i s t r i b u t i o n 引言 工信部关于推进民爆行业高质量发展的意 见、民用爆炸物品行业技术发展方向及目标 2 0 1 8 年版 均提出供给结构调整优化，要逐步提 高现场混装炸药在工业炸药中的占比．积极推进井 下现场混装作业方式；同时，政策要求在2 0 2 0 年底 需置换固定包装产能为混装产品产能．使混装产品 产能占企业总产能的3 0 ％以上，即在未来，现场混 装技术的应用将作为民爆行业的重点发展方向⋯。 目前，相比地下矿现场混装技术的应用，国内露天现 场混装技术应用已成熟可靠，并已广泛运用露天矿 山装药施工。例如，现场混装多孔粒铵油炸药车、露 天现场混装乳化炸药车的应用等。而地下矿装药施 工分不同工艺种类，除部分使用装药台车外，其他均 采用人工装成品药方式。其中，采用垂直深孑L 落矿 阶段矿房法 V C R 的上向孑L 深孑L 装药基本仍采用 装药器装重铵油炸药。存在人员数量多、作业环境恶 劣 如高温、粉尘等 、劳动强度大及安全隐患较多 等诸多问题。因此，大力发展地下现场混装产品的 应用已迫在眉睫。 来收稿日期2 0 2 0 - 0 3 一1 1 第一作者熊言涛 1 9 8 8 一 ，男，硕士，工程师，主要从事民爆器材的研究。E - m a i l x i o n g y t d u n a n ．c n 万方数据 4 0 爆破器材 第4 9 卷第4 期 基于理论研究分析，通过批量试验，逐步优化工 艺配方，成功研制出适用于上向深孔装药施工用的 乳胶基质。本文中，介绍了该乳胶基质研制过程并 系统分析了产品的性能指标及装药爆破情况。 1 上向深孔混装用乳胶基质的制备 1 ．1 具备条件及影响因素分析 文献资料表明。乳胶基质的稳定性主要取决于 乳胶粒子连续相油膜的稳定性，受工艺、配方、乳胶 基质粒子大小、分散相的均匀性、界面膜强度、外相 黏度等因素的影响[ 2 引，乳化剂是其中影响稳定性的 关键因素[ 4 别；黏度方面，油相材料的黏度起着决定 性作用[ 6 】敏化速度影响因素有原材料、乳胶基质 温度、柠檬酸加人量、敏化液浓度等[ 7 1 ；有毒气体含 量与混装炸药氧平衡相关。研制上向深孔混装用乳 胶基质应具备的条件和要求 1 满足行业标准规范要求，例如G B5 0 0 8 9 2 0 1 8 、G B2 8 2 8 6 - - 2 0 1 2 等。 2 具有良好的耐颠簸、抗振动性能，能适用于 3 0 0 ～5 0 0k m 长距离远程运输及露天至地下矿不同 复杂运输环境下的倒运，不破乳[ 8 ‘10 1 。 3 具备适当的黏度范围，满足流动性和上向炮 孔黏附力要求；能在复杂环境温度 中、低温 下快 速敏化。保障适用性要求。 4 储存期为3 。6 个月，满足地下矿施工周期 的要求；爆破施工后，有毒气体含量≤5 0L ／k g ，减少 对地下巷道通风环境的污染。 1 ．2 乳化剂的选择及分析 以硝酸铵、硝酸钠溶液为水相材料，以柴油、机 油为主要的油相材料。而重要因素乳化剂是确保乳 胶基质储存稳定性的关键。 通过对比及消化吸收国内外地下矿混装用工艺 配方[ 1 1 1 等方式．选择了一种聚异丁烯马来酸酐衍生 物类乳化剂 e o n c e n t r a t e dP I B S Ad e r i v a t i v e ，产品代 码X P ．1 3 2 0 ．它与低分子失水山梨醇油酸酯乳化剂 S p a n 8 0 的化学结构式见图1 。 通过图1 结构发现相比S p a n 8 0 乳化剂，X P ． 1 3 2 0 乳化剂有较长的分子链结构；较长的分子链能 贯穿于数个乳胶粒子之间，在油膜中自由舒展，可牢 牢地将油相中小分子物质吸附在自身周围，铺展在 分散相微粒的外表．构成连续的坚韧的油膜。而且， 不仅吸附在一个微粒表面，还可以吸附在两个或几 个微粒表面．使得分散相微粒间既间隔着封闭的油 膜，又受到长链烷基及其衍生官能团的束缚，从而表 现出对乳胶粒子的立体保护作用，来保障整个体系 的稳定性。 在乳化炸药W ／O 型体系中。选用的乳化剂亲 水亲油平衡 H L B 值应在3 6 ，而适当降低H L B 值有利于提高乳胶基质的稳定性[ 1 2 1 。 表1 为几种乳化剂的关键参数。表1 数据表 明．相比其他类混装用高分子类乳化剂，X P ．1 3 2 0 乳 化剂的H L B 值在该范围内，同时低于低分子S p a n 8 0 乳化剂。可提高稳定性。 表2 、图2 为采用X P ．1 3 2 0 孚L 化剂生产的乳胶 基质的粒径分布。表2 、图2 数据表示该体系中乳 a S p a n 8 0 b X P 1 3 2 0 图1 乳化剂化学结构式 F i g ．1C o m p a r i s o no fc h e m i c a ls t r u c t u r ef o r m u l a 万方数据 2 0 2 0 年8 月一种上向深孔现场混装用乳胶基质的研究熊言涛，等 4 1 表1 乳化剂参数对比情况 T a b ．1 C o m p a r i s o no fe m u l s i f i e r 表2X P ．1 3 2 0 乳化剂生产的乳胶基质粒径情况 T a b ．2P a r t i c l es i z eo fe m u l s i o nm a t r i xp r o d u c e d b yX P 13 2 0e m u l s i f i e r ， 图2X P ．1 3 2 0 乳化剂生产的乳胶基质粒径分布图 F i g ．2 P a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o no fe m u l s i o n m a t r i xp r o d u c e db yX P 1 3 2 0e m u l s i f i e r 胶粒子颗粒小且分布集中。表明X P ．1 3 2 0 乳化剂具 备较好的油溶性质和优良的微乳化性能，可形成均 匀微细的乳胶粒子。 综上．X P ．1 3 2 0 乳化剂可从多方面提高乳胶基 质的稳定性。另外．通过说明书获悉X P ．1 3 2 0 乳化 剂有效期和使用寿命较长 3a ，进一步保障了乳胶 基质的长期储存稳定性。 1 ．3 黏度分析 为解决上向深孔装药．该乳胶基质应具有一定 的黏度并应满足泵送要求．常规露天现场混装乳胶 基质黏度为1 5 3 0P a s [ 2 】．同时。要求乳胶基质在 2 0 5 ℃时黏度低于1 0 0P a S [ 3 】。可确保乳胶基 质在常温下的可泵性。 首先。通过8 0m m 的P V C 管模拟现场装药方式 进行研究；在满足P V C 管不返药或整体下滑情况 下，可进行实际炮孔装药。 通过多批次P V C 管试验确定。3 0 ℃左右乳胶 基质黏度为5 0 6 0P a S B r o o k f i e l d 黏度计7 ’转 子．2 0r ／m i n ，下同 时，通过混装装药设备可稳定装 药。在与P V C 管成功装药相同的工艺配方下，进行 了上向孔实际装药试验。试验结果大量落药。分析 原因．炮孔壁含有不同程度石灰渣及裂隙水，显著影 响黏附力．随后对末端喷射装置及黏度进行了调整。 其中。工艺配方进行了9 次调整，主要针对油相增稠 方面进行了2 0 多批次实际上向孑L 装药，直至成功装 药不落药，其装药情况见表3 。 表3X P ．1 3 2 0 乳化剂生产的乳胶基质装药参数 T a b ．3 C h a r g i n gp a r a m e t e r so fe m u l s i o nm a t r i x p r o d u c e db yX P - 13 2 0e m u l s i f i e r 对该批乳胶基质的黏度进行检测，并与S p a n 8 0 生产的乳胶基质进行对比，见表4 。 表4 黏度测试结果 T a b ．4R e s u l t so fv i s c o s i t yt e s t P a s 多批检测显示，当7 5 ℃时，乳胶基质初始黏度 为6 0 6 5P a S ；冷却至2 8 ℃时，黏度为8 5 9 2 P a S ；通过混装设备输药管末端喷射增黏后取样检 测，黏度可达1 9 0P a S 以上，即表明应用混装设备 使用的乳胶基质2 0 ℃时黏度在9 0 ．1 0 0P a S 之 间可稳定装药。 1 ．4 配方及生产工艺 地面制乳采用高温生产工艺技术．工艺配方比 例见表5 ；工艺流程见图3 。表5 中，机油与柴油质 量比为5 1 。 工艺参数水相溶液温度为8 5 ℃；水相析晶点 为6 8 ～7 0 ℃；水相p H 值为2 ．5 ～3 ．0 ；水相密度为 1 ．4 0g ／c m 3 ；油相溶液温度为6 5 ℃。粗乳器转速 5 5 0 5 7 0r ／m i n ；精乳器l ”内芯2 节；螺杆泵出口压 力1 ．2 5 。1 ．3 0M P a 。 万方数据 4 2 爆破器材第4 9 卷第4 期 表5 配方比例 质量分数 T a b ．5 P r o p o r t i o no ff i r m u l a m a s sf l a c t u r e ％ 凼 硝酸铵 硝酸铵溶液 I 硝酸钠| | 油料I | 乳化齐 Jrl 封李I 上上 I 计量l I 计量IJ 计量J J 计量lI 计量 溶化熔化 ◆◆ 电磁流量计 质量流量计 ，1鑰蓘祤縺 图3 生产工艺 F i g ． P r o d u e t i op r o c e s 2 上向深孔混装用乳胶基质的性 2 ．G B ／1 4 3 7 2 - - 2 0 1 3 第8 组系列试 经国家民用爆破器材质量监督检测中心抽检 测．所检项目中乳胶基质 A N E 的热稳定性试验 乳胶基质 A N E 隔板试验和克南试验符合标准 定的要求，可划入5 ．1 氧化剂项样品在改进的通 管试验中未发生爆炸，根据试验标准的规定，样品 用罐体进行运输，满足行业标准规范要求 2 ．2 储存期试 乳胶基质储存期试验采用高低温循环试验及 然储存试验两种方式验证 1 高低温循环试验。在塑料螺旋盖容器中 量8 g 乳胶基质，旋紧盖子后放人自动环境模拟 中。编程设置每一个循环为一3c { C 储存h ．5 ℃储存h 。运行结束后。除去最上层乳胶基质 品，取样，测量样品的析晶面积和析晶数量。高低 循环前、后乳胶基质的外观见图4 。高低温循环前 后析晶情况见表6 显微镜图见图5 在析品面积和析晶数量测试中，数值越小越好 a 新 1 ， 1 0 个循环 图4 乳胶基质外观对 F i g ．A p p e a r a n c c o n t I a s l ‘ I ’e m u l s i om a t r i 表 高低温循环前、后乳胶基质的析晶情 ‘F a b ．R e s u l to h i g a nl ot e m p e r a t u r e y e l i n t e s a 新 h 1 0 个循环 图 高低温循环前、后乳胶基质的显微镜 F i g ．i c r o s c o p p k 。t u ra f t e h i g a n l o t e m p e r a t u rc y c l i n t e s 在样品表面已被放大1 0 0 倍情况下，观察样品涂片 面积固定且较小同时，结合不同面积比例下实际 察，将析晶面积占比 1 0 ％的 果判断为失败，即出现析晶。表6 数据表明，1 0 循环后乳胶基质未析晶破乳 2 自然储存试验。采用4 个烧杯，每个烧杯 别放人k g 乳胶基质，放置在2 0 ℃恒温装置 1 5 0 、1 8 0 、2 1 0 、2 4d 后，观察乳胶基质外观，刮去 层基质，抽取2g 样品检测游离硝酸铵质量 围 甲醛法 ．结果见表7 表 自然储存测试结 T a b ．R e s u l ton a t u r a s t o r a g t e s 试验结果表明，该工艺配方生产的乳胶基质 存稳定性良好。储存期可达6 个月以上 万方数据 2 0 2 0 年8 月一种上向深孑L 现场混装用乳胶基质的研究熊言涛，等 4 3 2 ．3 抗颠簸性能试验 乳胶基质抗颠簸性能试验采用运输模拟试验 低剪切试验 及实际一定距离道路颠簸试验验证。 1 运输模拟试验 低剪切试验 。在5 0m L 螺 旋盖容器中装入5 0m L 样品，抹平杯口。将样品杯 放人重载油漆摇匀器中．设定运行时间41 1 。在2 0 ℃环境下．运输模拟4h 后．除去最上层乳胶基质样 品，取样测量结果见表8 、图6 。 表8 运输模拟试验结果 T a b ．8R e s u h so ft r a n s i tt e s t a 新制 1 运输模拟4h 后 图6 运输模拟试验前、后乳胶基质的显微镜图 F i g ．6M i c r o s c o p ep i c t u r ea f t e rt r a n s i tt e s t 表8 数据表明，运输模拟4h 后乳胶基质未析 晶破乳。 2 实际道路颠簸试验。采用塑料桶，每桶装人 5 0k g 乳胶基质，放置在定点运输车内，通过运输至 不同矿山，模拟实际路况，观察在运输距离3 0 0 、 4 0 0 、5 0 0 、6 0 0k m 后乳胶基质外观和检测游离硝酸 铵质量，结果见表9 。 表9 道路颠簸试验结果 T a b ．9R e s u l t so fr o a db u m ps i m u l a t i o nt e s t 试验结果表明，该T 艺配方生产f l O - 孚L 胶基质抗 颠簸性较好，运输配送距离可达5 0 0k m 以上。 2 ．4 泵送试验 乳胶基质泵送性能采用泵送模拟试验 高剪切 试验 及实际泵送试验验证。 1 泵送模拟试验 高剪切试验 。在5m L 一次 性注射器中装入4m L 乳胶基质，进气管压力设置为 0 ．6 9M P a ，打开开关后，乳胶基质从注射器前端冲 出并收集至棕色玻璃小瓶中．结果见表1 0 。 表1 0泵送模拟试验结果 T a b ．1 0R e s u l t so fp u m p i n gs i m u l a t i o nt e s t 表1 0 数据表明，在设定进气压力下，乳胶基质 处于临界状态．若压力再提高，存在析晶、破乳的风 险。 2 实际泵送试验。基于现有设备，通过基质泵 进行泵送试验，分别记录乳胶基质在常温下泵送1 次、2 次、3 次后的外观，抽样检测游离硝酸铵质量， 具体结果见表1 1 。 表i 1实际泵送模拟试验结果 T a b ．11R e s u l t so fa c t u a lp u m p i n gs i m u l a t i o nt e s t 试验结果表明，该工艺配方生产的乳胶基质泵 送安全性好，在实际基质泵输送过程可泵送且未破 乳、析晶；同时，配送储存罐至混装设备采用气动隔 膜泵，泵送压力0 ．1 ～0 ．2M P a ，无任何机械剪切作 用，安全性更高。 2 ．5 眭能指标检测 产品性能经过国家安全生产淮北民用爆破器材 检测中心、煤炭_ T 业淮北爆破器材产品质量监督检 验中心检测．结果见表1 2 。 表1 2 产品检测报告 T a b ．12 T e s t i n gr e p o f lo fp r o d u c t 结合报告表明，该1 二艺配方生产的乳胶基质经 敏化后的混装乳化炸药所检项目均满足企业标准及 G B2 8 2 8 6 - - 2 0 1 2 工业炸药通用技术条件的要求。 3 实际爆破应用 在某地下矿进行了多批次上向拉槽中深孔装药 爆破试验，装药最大孔深大于3 0m ，孑L 径在8 0m i l l ， 装药参数见表1 3 ，爆破效果见图7 。 万方数据 4 4 爆破器材第4 9 卷第4 期 表1 3 爆破参数 T a b ．1 3 B l a s t i n gp a r a m e t e r s 图7 爆破效果图 F i g ．7B l a s t i n go u t e o m e 图7 表明，爆堆松散，块度均匀，易于铲装；铲装 运送后，未见残孔，爆破效果较好。 4结论 1 研制的上向深孔混装用乳胶基质各项性能 稳定可靠。储存期达6 个月以上，满足国家标准要 求，可按5 ．1 级进行罐体运输，耐颠簸，泵送安全，试 验条件下，可远程配送。 2 研制的上向深孔混装用乳胶基质通过混装 设备装药可达孔深3 0m 左右不掉药；爆破效果良 好．解决了上向深孔人工装药问题，本质安全水平大 幅度提升，可在地下矿推广使用。 [ 1 ] [ 2 ] 参考文献 夏光．工业炸药现场混装技术的应用与发展趋势[ J ] ． 煤矿爆破，2 0 1 9 ，3 7 1 2 7 ．3 0 ． X I AG ．A p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n do fm i x e dt e e h - 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