井下乳化基质输送流变特性分析.pdf

爆破器材E x p l o s i v e M a t e r i a l s 第4 4 卷第l 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s 蚰．1 ∞1 彤5 2 ．加1 5 ．0 1 ．∞6 井下乳化基质输送流变特性分析岽 孙伟博① 王 燕①胡伯② ①西安科技大学教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室 陕西西安，7 1 0 0 5 4 ②煤炭工业规划设计研究院有限公司 北京，1 0 0 1 2 0 [ 摘要]井下乳化基质的流变特性对乳化基质长距离输送压力有很大影响。采用软固体测试流变仪对井下乳 化基质在固定剪切率条件下进行了时变性测试，在变剪切率条件下进行了流型测试。测试数据和试验现象表明， 乳化基质是一种触变性流体，其流动形态可以用H e r s h a l ．B u l k l e y 流变模型来表示，测得的井下乳化基质的本构方程 为r 2 4 7 ．5 9 5 6 ．9 3 ’“”。在输送井下乳化基质时，可以通过提前进行不破坏其稳定性的低剪切率搅拌的方法降 低输送压力。 [ 关键词] 井下乳化基质；非牛顿流体；流变；输送 『分类号1T D 2 3 5 ．2 1 引言 进行地下深孔爆破采用机械化装填乳化炸药 时．乳化基质要通过小直径管路进行长距离输送到 炮孔中。在乳化炸药的生产过程中。将一定比例的 水、油相溶液混合并经适当机械作用 如搅拌、剪切 等 后形成了w ／O 型结构的膏状乳化基质[ 1 引。由 于乳化基质本身独特的油包水的结构特点，决定了 乳化炸药在传质、传热等方面的独特性质。目前，关 于乳化炸药流变特性方面的研究相对比较少．C a n ． w r i g h t [ 3 ] 认为它是幂律流体，流动曲线呈指数关系； M a l k i n [ 4 ] 将乳化基质的流动曲线拟合成C r o s s 方程 来表达；杨仁树等[ 5 ] 认为在较高温度 6 5 8 5 ℃ 下．乳化炸药为幂律流体邢宏龙[ 6 ] 认为乳化炸药 基质是假塑性流体姚普华[ 7 ] 认为乳化炸药符合幂 函数运动规律．其流变指数n 在0 ．1 ～0 ．6 之间变 化；郑峰、周向群等[ 8 - 9 ] 认为乳化炸药基质属于非牛 顿流体中的塑性流体M a s a l o v a 等[ 1 0 ] 研究了高浓度 油包水型炸药的流变特性．对比了新制和保存一段 时间的两种炸药的流变特性。认为前者的流动曲线 符合c m s s 方程，后者则符合H e r s h a l ．B u l k l e y 方程。 从前人的研究可以看出，乳化基质具体应属于 哪种类型的非牛顿流体还没有确切的定论，这也许 与乳化炸药的配方、生产工艺过程或采用的乳化器 都不尽相同有关。露天现场混装乳化炸药基质与小 直径包装乳化炸药基质的流变特性有明显的不同。 但同一类型的乳化炸药基质其流变特性。特别是输 送流变特性是相似的。井下乳化炸药基质为适应井 下上向炮孔装填的需要必须具有一定的黏度．同时 要有一定的流动性．这一类乳化基质的输送流变特 性是相近的。因此，要进行乳化基质的长距离输送， 首先需要弄清井下乳化基质的流变性能。 1 试验方法 由于地下爆破时．主要关心的是乳化基质的输 送性能，工作环境温度多在2 0 ℃以上，因此就仅对 实际生产使用时使用的常温状态下的乳化基质进行 流型测试。 使用美国B r o o 始e l d 公司生产的R ／S S s T 软固 体测试流变仪对高黏度井下乳化基质的流变性进行 测试。试验条件为恒温2 6 ℃，测量使用V 3 4 0 ．2 0 桨式转子。该转子的黏度测量参数范围为0 ．2 1 7 ～ 7 00 0 0P a s ，剪切率为0 ．2 3 5 ．5s ～，剪切应力为 5 1 ～17 0 0P a 。 乳化基质是一种油包水型的乳状液。其油相材 料特别是乳化剂．对于乳化基质的成乳速度、成乳后 乳状液的稳定性、乳化基质的储存期有一定影响，但 对乳化基质的流变特性影响不大。本试验的对象为 生产后常温状态下的井下专用乳化基质．其配比如 表1 所示。主要原材料为硝酸铵、硝酸钠、水、柴油、 机油和乳化剂，其中乳化剂为以聚异丁烯丁二酸酐 为基础的高分子乳化剂。采用一级搅拌粗乳、一级 睾收稿日期2 0 1 4 _ 0 3 一1 3 基金项目西安科技大学博士启动基金 2 0 1 4 Q D J 0 2 1 作者简介孙伟博 1 9 7 9 ～ ，主要从事矿山爆破及装备方面的研究。E ．m 越w e n m 1 6 3 ．c o m 万方数据 2 0 1 5 年2 月 井下乳化基质输送流变特性分析孙伟博，等 2 5 表l井下乳化基质配比 T a b ．1 M a t c h i n go fu n d e r g r o u n de m u l s i o nm a t 打x ％ 精乳的两级乳化工艺。 试验时，首先在2 5 0m L 烧杯内装人约2 0 0m L 井下乳化基质，将烧杯固定在底座中央；然后将V 3 ． 4 0 ．2 0 桨式转子插入装有乳化基质的烧杯中，并确 保桨叶全部没人乳化基质中，且没有触及烧杯底部。 启动流变仪测量功能，流变仪将自动在采样时间内 进行测量记录。测量完成后，将转子从乳化基质中 提起。用玻璃棒将烧杯中乳化基质抹平，然后将转子 插入乳化基质进行下一次测量。 试验分为两个部分。第l 部分试验为乳化基质 的时变性试验．通过试验分析井下乳化基质是否具 有时变性。试验方法为固定剪切率在3 、3 0 、1 0 0 s 。1 条件下，测量其表观黏度，采样点为1 0 0 个，采样 时间1 0 0s 。第2 部分试验为乳化基质流型试验，通 过试验分析乳化基质属于哪种流体类型，并得到其 本构方程。试验方法为控制剪切率从1s 。1 均匀变 化至2 0 0s ～，测量其剪切应力的大小，采样点为5 0 个，采样时间2 0 0s 。 2 试验结果与分析 第一部分试验结果 节选 如表2 所示，表中叼 为表观黏度。 表2 井下乳化基质时变性测量数据 T a b ．2 T i m e ．v a r y i n gm e a s u r e m e n td a t ao f u n d e r 铲o u n de m u l s i o nm a t r i x 将测得的试验数据绘制成图，如图1 所示。 图l不同剪切率下表观黏度与时间关系 F i g ．1R e l a t i o n s h i pb e t w e e na p p a r e n tv i s c o s i t y a n dt i m ea td i f E b r e n ts h e a rr a t e s 从图l 中可以看出，井下乳化基质的表观黏度 随剪切时间的变化而变化，且在高剪切率的情况下 更快地达到稳定的表观黏度。这说明井下乳化基质 是一种时变性流体，且表观黏度随剪切时间的增加 而减小，说明是时变性流体中的触变性流体。触变 性流体的黏度不仅随剪切速率的变化而变化．而且 在恒定剪切速率条件下，黏度还随时间的推移而下 降，最终达到一恒定值。当剪切作用停止后，流体的 黏度随着时间的增加，还可以缓慢恢复到最初的黏 度值。 在试验过程中还发现乳化基质有图2 中的情况 出现，这是一种典型的“爬杆”现象，这说明乳化基 质同时还具有黏弹性。所以井下乳化炸药基质是一 种黏度函数与剪切持续时间有关、而且还存在法向 应力差的黏弹性流体。 图2 井下乳化炸药基质“爬杆”现象 F i g ．2”C l i m b i n g ”p h e n o m e n o no fu n d e r g r o u n d e m u l s i o ne x p l o s i v em a t r i x 由于井下乳化炸药基质是黏弹性流体，所以．对 第2 部分试验过程进行调整，在进行完第1 次测量 后，让转子在基质内以5s ‘1 的剪切率旋转2 0 0s 后 再进行第2 次测量。当进行第4 次测量时发现与第 3 次测量值基本一致，至此试验停止，记录前3 次试 验，试验数据 节选 见表3 。 万方数据 2 6 爆破器材 E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 4 卷第l 期 表3井下乳化基质流变试验数据 T a b ．3 R h e o l o g i c a lt e s td a t ao fu n d e r g r o u n d e m u l s i o nm a t r i x 根据表3 中试验数据绘制剪切应力与剪切率散 点图，如图3 所示。 矗 皂 文 通 尽 溶 图3 井下乳化基质剪切应力与剪切率关系 F i g ．3R e l a t i o n s h i pb e t w e e ns h e a rs t r e s sa n d s h e a rm t eo fu n d e r g m u n de m u l s i o nm 蚵x 从图3 中可以看出，3 次试验测量出剪切率和 剪切应力曲线均不相同，且第一次测量的曲线最高， 这也说明井下乳化基质属于触变性流体，只有当经 过一定时间的剪切变形达到平衡结构后。才能得到 稳定的流变参数。所以，在进行井下乳化炸药基质 输送时．提前对井下乳化炸药基质进行不破坏其稳 定性的低剪切率的搅拌。可以在一定程度上降低其 输送压力。从图3 中还可以看出，井下乳化基质属 于非牛顿流体，存在明显的屈服值。对第3 次测量 的结果按非牛顿流体的各种类型的本构方程进行拟 合。发现其与H e r s h a l B u l k l e v 型流体的本构方程最 为接近。如图4 所示。 1 9 2 6 年赫谢尔．巴尔克莱 H e r s c h e l ．B u l k l e y 在 研究橡胶溶液的流变性时，提出了带屈服值的幂律 流变模式[ 1 1 ] ，即H e r s c h e l B u l k l e y 流变模型。在国 内，通常将符合该流变规律的流体称为赫谢尔．巴尔 图4 井下乳化基质剪切应力与剪切率关系拟合曲线 F i g ．4F i t t i n gc u Ⅳe so ft h er e l a t i o nb e t w e e nt h es h e a r s t r e s sa n ds h e a rr a t eo fu n d e r g m u n de m u l s i o nm a t r i x 克莱流体，简称赫一巴流体。H e r s c h e l ．B u l k l e y 流变模 型能够较精确地表示出各种剪切速率与剪切应力的 关系，适应范围较广。特别在剪切速度较低的情况 ， 1 ，则表 示膨胀性流体；n 1 ，则表示假塑性流体。当％≠0 时，n 1 ，则表示宾汉姆流体。 可见，H e r s h a l B u l k l e y 流变模型既可以反映流 体流动时的塑性特征，又可以反映流体流动时的假 塑性特征．所以它包含了宾汉姆流体和幂律流体这 两种流变模式的特点。 按照H e r s h a l B u l k l e y 流变模型进行数据拟合， 非线性拟合公式选择’， 口 如。。拟合后得到口 2 4 7 ．5 9 ，6 5 6 ．9 3 ，c 0 ．5 2 ，从而得到测量的乳化基 质的本构方程为 下 2 4 7 ．5 9 5 6 ．9 3 ，o _ 5 2 。 2 3 结论 通过使用流变仪对井下乳化基质的输送流变特 性进行测试得出 井下乳化基质是一种具有触变性的非牛顿流 体．其流动形态可以用H e r s h a l ．B u l k l e v 流变模型来 表示，其本构方程为r 2 4 7 ．5 9 5 6 ．9 3 ，o - 5 2 。 由于井下乳化基质具有触变性。在进行井下乳 化炸药基质输送时。提前对井下乳化炸药基质进行 不破坏其稳定性的低剪切率的搅拌．可以在一定程 度上降低其输送压力。 参考文献 [ 1 ]何劲松，何欣扬．对乳化基质快速敏化的几点认识 [ J ] ．爆破器材，2 0 0 8 ，3 7 1 1 2 1 4 ． 万方数据 2 叭5 年2 月 井下乳化基质输送流变特性分析孙伟博，等 2 7 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] H eJ i n s o n g ，H eX i n y a n g ．S o m ec o g n i t i o no nf a s ts e n s i t i z a t i o no fe m u l s i f i e db a s e s [ J ] ．E x p l o s i v eM a t e r i a l s ，2 0 0 8 ， 3 7 1 1 2 ．1 4 ． 王尹军，汪旭光．乳胶基质抗冲击波性能研究[ J ] ．兵 工学报，2 0 0 5 ，2 6 5 6 9 7 ．7 0 0 ． w a n gY i n j u n ，W a n gX u g u a n g ． As t u d yo nt h ea n t i s h o c k w a v ep e r f o H l l a n c eo fe m u l s i o nm a t r i x [ J ] ．A c t a A m a m e n t a r i i ，2 0 0 5 ，2 6 5 6 9 7 - 7 0 0 ． C a r t w r i g h tRV ．R h e o l o g yo fe m u l s i o ne x p l o s i v e s ap m c t i c a lm e t h o d [ J ] ．P m p e l l a n t s ，E x p l o s i v e s ，P y m t e c h n i c s ， 1 9 8 9 ，1 4 5 2 1 5 2 1 8 ． M a l k i nA Y ，M a s a l o v aI ，S l a t t e rP ，e ta 1 ．E f f b c to fd r o p l e t s i z eo nt h er h e o l o g i c a lp m p e n i e s h i g h l y c o n c e n t m t e d w ／0e m u l s i o n s [ J ] ．R h e o l o g i c aA c t a ，2 0 0 4 ，4 3 6 5 8 4 - 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2 7 ． [ 1 0 ] M a s a l o v aI ，M a l k i nAY ，s l a t t e rP ，e ta 1 ．T h er h e o l o g i c a l c h a r a c t e r i z a t i o na n dp i p e l i n en o wo fh i g hc o n c e n t r a t i o n w a t e 卜i n o i le m u l s i o n 『J ] ．J o u m a lo fN o w ．N e 卅o n i a n F l u i dM e c h a n i c ，2 0 0 3 ，1 1 2 3 1 0 l 一1 1 4 ． [ 11 ] H e r s e h e lwH ，B u l k l e yR ．M e a s u r e m e n to fc o n s i s t e n c y a sa p p l i e dt om b b e r b e n z i n es o l u t i o n s [ c ] ／／P m c e e d i n g s o ft h eA m e r i c a nS o c i e t yo f T e s t i n gM a t e r i a l s ，1 9 2 6 ， 2 6 6 2 l - 6 5 5 ． [ 1 2 ]西南石油学院固井科研组．适合钻井液及水泥浆的 赫谢尔．巴尔克莱 H e r s c h e l B u l k l e y 流变模式及其应 用[ J ] ．西南石油学院学报，1 9 8 3 4 1 ．1 6 ． C e m e n t i n gR e s e a r c hS e c t i o n ．H e r s c h e l _ b u l k l e yr h e o l o g i c a lm o d e lo fd r i l l i n gn u i da n dc e m e n ts l u I T ya n di t s a p p l i c a t i o n[ J ] ． J o u m a l o f s o u t h w e s t P e t r o l e u m I n s t i t u t e ，1 9 8 3 4 1 一1 6 ． R h e o l o g i c a lP r o p e r t yA n a l y s i so fT r a n s p o r t i n gU n d e r g r o u n dE m u l s i o nM a t r i x S U NW e i b o ①，W A N GY a n ①，H UB o ② ①K e yI 且b o r a t o r yo fw e s t e mM i n eE x p l o i t a t i o na n dH a z a r dP r e v e n t i o n ， M i n i s t r yo fE d u c a t i o n ，x i ’a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y S h a a r I ix i ’a n ，7 1 0 0 5 4 ②P l a n n i n ga n dD e s i g nR e s e a r c hI n s t i t u t eo fc o a lI n d u s t r yc o ．，L t d ． B e i j i n g ，1 0 0 1 2 0 [ A B s T R A c T ] T h er h e o l o g i c a lp r o p e n i e so fu n d e r g m u n de m u l s i o nm a t r i xh a v eag r e a ti n n u e n c eo nt h ep r e s s u r eo fl o n g d i s t a n c et r a n s p o r to fe m u l s i o nm a t r i x ．S o f ts o l i dt e s tr h e o m e t e rw a su s e dt ot e s tt h et i m e v a r i b i l i t yo fu n d e r g m u n de m u l s i o n m a t r i xa taf i x e ds h e a rr a t ea n dt h en o wo fu n d e r g m u n de m u l s i o nm a t r i xa tt h ev a r i a b l es h e 盯m t ec o n d i t i o n s ． A n a l y s i so f t h et e s td a t ao fu n d e r 铲o u n de m u l s i o nm a t r i xa n dt h ee x p e r i m e n t a lp h e n o m e n o ns h o w st h a tu n d e r g m u n de m u l s i o nm a t r i xi sa k i n do ft h i x o t m p i cn u i d ，a n dt h en o wp a t t e m scanb eu s e dt or e p I ．e s e n tt h eH e r s h a l B u l k l e yr h e o l o g i c a lm o d e l ．T h ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o no fu n d e I g m u n de m u l s i o nm a t r i xi s 下 2 4 7 ．5 9 5 6 ．9 3 ，o5 2 ．I nt h ed e l i v e r yo fu n d e r g m u n de m u l s i o nm a t r i x ， t h ed e l i v e r yp r e s s u r ec o u l db er e d u c e db yl o ws h e a rm t eo fs t i r r i n gm e t h o di na d v a n c ew i t h o u td e s t r o y i n gt h es t a b i l i t y ． [ K E Yw 0 R D s ]u n d e ‘g r o u n de m u l s i o nm a t r i x ；n o n N e w t o n i a nn u i d ；r h e o l o 百c a l ；t r a n s p o r t i n g 万方数据