工业炸药井下现场混装工艺及装备研究.pdf

第3 5 卷第6 期 2 0 1 5 年1 2 月 矿冶工程 d 叩ⅧN GA N DM 匝T A L L U R G I C A LE N G 玳E E I U N G V 0 1 ．3 5 №6 D e c e m b e r2 0 1 5 工业炸药井下现场混装工艺及装备研究① 邓声普 湖南金能科技股份有限公司。湖南长沙4 1 0 0 1 3 摘要介绍了湖南金能科技股份有限公司开发的工业炸药井下现场混装工艺和装备的模拟装药试验、现场装药试验和检验结 果。根据试验结果和检验结果分析了所研发的乳胶基质的性能以及该型井下现场混装乳化炸药车的技术特点。分析结果表明，新 研发的乳化炸药能够与该型设备完好匹配，解决了矿山上向孔装药的返料问题。该型工业炸药井下现场混装装备能够安全可靠地 完成井下炮孔的装药作业。 关键词地下矿山；现场混装技术；装药设备；上向孔；乳化炸药 中图分类号7 r D 2 3 5文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 5 ．0 6 ．0 0 8 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 5 0 6 0 0 3 5 0 4 I 沁s e a r c ho nU n d e r g r 0 岫dO n s i t eM 奴e d - l o a 曲l gT e c h 肿l o 舒a n dE q u i 胛吮n t f o rE m u l s i o nE x p l o s i V e D E N GS h e n g p u 肌M n ‰n o n ＆抬儿c e 孔c 加蛔c 0 厶d ，‰，郴k4 1 0 0 1 3 ，肌船凡，傩i M A b s t r a c t T h eu n d e r g r o u n do n s i t em i x e d l o a d i n gt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n tf o re m u l s i o ne x p l o s i V eh a sb e e nd e V e l o p e d b yH u n a nK E N O NS c i e n c e T e c h n o l o g yC oL t d ．7 r h ei n t r o d u c t i o no fe x p e r i m e n t a ls t u d i e s ，i n c l u d i n gs i m u l a t i V et e s t so n e x p l o s i v ec h a r g i n ga n dp r a c t i c a lo n s i t el o a d i n g ， a sw e Ua s i n s p e c t i o nr e s u l t s ， w a sp r e s e n t e d ．T h ep r o p e r t i e so f 山e d e v e l o p e de m u l s i o nm a t r i xa n dt e c h n i c a lf e a t u r e so fu n d e r g r o u n do n s i t em i x e d l o a d i n gt m c kf o rs u c hk i n do fe m u l s i o n e x p l o s i v ew e r ea n a l y z e db a s e do nt h et e s t sa n di n s p e c t i o nr e s u l t s ．I ti sf o u n dt h a tt } l i sn o V e le m u l s i o ne x p l o s i v et o g e t h e r w i t hi t ss u p p o r t i n gf a c i l i t i e s ，c a ns u c c e s s f u l l yr e s 0 1 V et h ep r o b l e mo fc h a r g e sr e t u m i n gb a c kf 而mu p w a r dh o l e si nt h e m i n e ．T h u s ，t h i su n d e r g r o u n do n s i t em i x e d - l o a d i n gV e h i c l ef o ri n d u s t r i a le x p l o s i v ec a nb eo p e r { l t e ds a f b l ya n dI ℃l i a b l y u n d e r g m u n d ． K 七yw o I ’ 1 s u n d e l l g r o u n dm i n e s ；o n s i t em i x e d l o a d i n gt e c h n o l o g y ；c h a r | 舀n gt r l l c k ；u p w a r dh o l e s ；e m u l s i o ne x p l o s i v e 目前，我国地下矿山开采爆破作业仍然以人工装 药为主，辅以简易装药器，存在劳动强度大、定员多、装 药成本高、效率低、安全风险大、难以实现耦合装药、爆 破效果差等不足，严重制约了矿山开采效率和规模。 因此，实现机械化、自动化、高效率装药并开发低成本 炸药，成为提高矿山开采效率、降低矿山开采成本的 关键m2 | 。 湖南金能科技股份有限公司在吸收国内外先进技 术的基础上，自主研发了工业炸药井下现场混装工艺 及装备。为验证井下现场混装工艺及装备的先进性和 可靠性，2 0 1 4 年9 月湖南金能科技股份有限公司在湖 北东神楚天化工有限公司进行了模拟装药试验，2 0 1 4 年1 0 月在五矿邯邢矿业有限公司进行了工业化装药 试验，2 0 1 4 年1 1 月委托第三方检测机构检验了新型 井下矿用乳胶基质和乳化炸药，2 0 1 5 年1 月通过了工 信部组织的科技成果鉴定。 1 井下矿用乳化炸药工艺配方及试验 井下矿用乳化炸药工艺配方要求组分少、易泵送、 有毒气体含量低、爆力高，适合于地下矿山上向炮孔装 填作业的安全环保型乳化炸药新品种。为研发地下矿 用乳化炸药配方体系和验证新研发的井下现场混装工 艺及装备的可靠性，湖南金能科技股份有限公司进行 了大量工艺研究和配方试验，并进行了多次模拟装药 实验，以验证装药返料情况。 地下矿用乳化炸药配方研究的目的是找到一种满 ①收稿日期2 0 1 5 0 6 一i 8 作者简介邓声普 1 9 7 9 一 ，男，云南镇雄人，工程师，工学硕士，主要从事工业炸药现场混装技术及装备的研究。 万方数据 矿冶工程第3 5 卷 足地下矿上向孑L 装药作业的新型乳化炸药配方体系， 实验室模拟装药实验主要验证按新配方生产的地下矿 用乳化炸药的装药返料情况。实验以城市自来水代替 硝酸铵水溶液，生产10 0 0k g 模拟基质，并用D N 8 0 钢 管搭建了一个高2 0m 的模拟炮孔，将钢管顶端封闭， 进行模拟装药实验，装药流程为先将装药管送至孑L 底， 然后一边装药一边退管，以检验乳胶基质的返料情况。 配方组分为水、硫脲、高分子乳化剂、石蜡、机油、柴 油、添加剂按质量比9 4 ％，0 ．2 ％，2 ％，1 ％，1 ．5 ％，1 ％和 0 ．3 ％配方。 本实验中，水相温度为7 6 ℃，油相温度为4 8 ℃。 因模拟基质的水相材料为模拟料，与实际料有一定出 入，实验偏差较大。在实验过程中，因模拟料粘度太低 粘度不低于5 0P a s ，分子间作用力太小，装药过 程中模拟基质几乎全部掉下。 为确保配方体系的真实可靠性，在实验室以真实 料进行反复实验，实验中，水相温度为7 5 ～8 0 ℃，油相 温度为4 5 ～5 0 ℃。通过不同的配方实验，最终确定地 下矿用乳化炸药配方的各组分配比为水相杉硝酸 铵／硫肜冰醋酸比例为1 9 ％，7 4 ．5 ％，0 ．2 ％，0 ．2 5 ％，油 相高分子乳化剂／机油／柴油／上向孔固定剂比例为 2 ％，2 ．5 ％，1 ％，0 ．5 5 ％。 在实验室反复实验的基础上，2 0 1 4 年9 月，湖南 金能科技股份有限公司在湖北省大冶市湖北东神楚天 化工有限公司对井下现场混装工艺及装备进行了极限 条件下的模拟装药试验。试验以D N 8 0 透明有机玻璃 管作为模拟炮孔，内壁用水湿润，顶端封闭。设置角度 分别为9 0 。、3 0 。、6 0 0 ，长度均为4m ，另设置l 根角度 为9 0 。、长8m 的D N 8 0 管，反复进行装药试验“ 。4J 。 极端条件下装药试验结果为装药过程中，设备运行正 常，输药压力在1 ．4 一1 ．8M P a 之间；井下现场混装设备 顺利完成了不同倾角的上向模拟炮孔的对孔、送管、收 管、装药等动作；除第一次装药试验第一个炮孔装药不 耦合外，其余装药均实现了耦合装药；整个装药过程几 乎没有返料。 实验表明，新研制的现场混装乳化炸药配方，在敏 化前乳胶基质的粘度为2 4 0 2 8 0P a s ，有足够的流 动性，能满足远距离低压输送要求；敏化后粘度达到 8 0 0P a s 以上，分子间有足够的粘附力，能将乳化炸 药粘接在炮孔壁上，无需其它防返料装置。 2 装备研究 井下矿山装药爆破以人工装药为主，井下上向炮 孔装药机械化的三大难题是送管难、对孑L 难和装药难。 井下上向孔的孔深可达4 0m ，传统的送管机构多为滚 轮式，靠滚轮间的摩擦力将胶管送至孔底，这就要求滚 轮和胶管问要有足够的预紧力，这一方面很容易对胶 管造成损伤，使胶管产生变形。另一方面，胶管磨损后 导致直径减小，滚轮间的预紧力逐步减小，造成送管力 下降或打滑。同时，乳化炸药为胶状体，粘在胶管上后 会使胶管变得异常光滑，极易发生打滑。井下巷道在 穿孔过程中，容易发生偏斜，炮孔都有一定量的倾角和 移位，同一座矿山存在上向孔、水平孔及斜孔等不同方 向、不同倾角、不同大小的炮孑L ，这就要求对孔机构必 须满足全方位炮孔的对孔要求。乳化炸药是乳胶基质 和敏化剂混合敏化后的产物，这就要求乳胶基质和敏 化剂的配比必须精确可靠，否则不但导致基质输送压 力高，阻力大，还有极大的安全风险。为解决上述三大 难题，对送管机构、对孔机构和装药系统进行了研究， 并在此基础上开发出乳化炸药地下装药车。 2 ．1 送管机构的研究 为解决送管打滑和夹紧力不足的问题，专门设计 了旋转式自动送管机构。自动送管机构由软管卷筒、 卷筒支座、卷筒马达、导向机构、滚轴、螺旋卡槽、导向 轴、导向块等组成。结构如图1 所示。 1 与 6R74 图1 送管机构结构 J 软管卷筒；2 卷筒支座；3 卷筒马达；4 导向机构 5 滚轴；6 螺旋卡槽；7 导向轴；8 导向块 软管卷筒固定在卷筒支座上，软管卷筒用液压马 达驱动，螺旋卡槽均匀分布安装固定在卷筒上，软管布 置在螺旋卡槽内，辊轴均匀固定在卷筒上，将软管压在 螺旋卡槽内，使其只能沿螺旋卡槽运动，并通过导向机 构送至孑L 底。自动送管机构以卷筒的回转力为动力， 不受胶管外表光滑程度和外径大小影响，卷筒输送力 大小可调，圆满解决了送管难问题。 2 ．2 对孔机构的研究 为解决对孔机构全方位炮孔的对孔要求，对孔机 构必须具有9 0 0 上下运动、9 0 0 旋转运动功能。专门 研发了一套象鼻式对孔机构，该机构由8 个小液压油 缸和一套连杆机构组成。液压油缸4 组安装在上部，4 万方数据 第6 期邓声普工业炸药井下现场混装工艺及装备研究 组安装在下部。将对孔机构安装在一个旋转油缸上， 即可实现9 0 。上下运动和9 0 。旋转运动，能实现全方 位炮孔的对孔要求。其结构如图2 所示。对孔机构在 8 组小油缸、一套连杆机构和一套旋转油缸的配合下， 即可实现全方位炮孔的对孔要求。 图2 对子L 机构结构 2 1 3 装药系统的研究 为实现乳胶基质和敏化剂的精确配比，这就要求 乳胶基质泵和敏化剂泵的转速比为一常数。目前国内 通用的做法是采用闭环控制，即用基质泵的转速去控 制敏化剂泵的转速，但在实际应用中，因系统压力变 化、控制系统精度和控制反馈的延后性等问题，其转速 比很难做到常数，从而导致敏化剂和乳胶基质的配比 不均，从而导致系统压力不稳和敏化后产品质量不稳 定，甚至出现拒爆等质量事故。装药系统以基质泵为 主动力，将敏化泵用连杆连接在基质输送泵的活塞杆 上，由基质泵活塞杆的运动带动敏化剂泵活塞杆一起 运动，实现同时运动同时停止，严格保证了二者的配比 精度。其结构如图3 所示。 图3 装药系统结构 3 现场应用试验 3 ．1 基本情况 2 0 1 4 年1 0 月，湖南金能科技股份有限公司在五矿 邯邢矿业有限公司进行了现场应用试验。五矿邯邢矿 业有限公司的前身是邯邢冶金矿山管理局，隶属于中国 五矿集团，是我国重要的钢铁工业原料生产基地之一。 目前，五矿邯邢矿业有限公司拥有铁矿山1 0 座、选矿厂 9 座，具有年产铁精矿3 0 0 万吨的生产能力，生产规模位 居全国地下铁矿山前列、河北省首位“ J 。 试验矿山是铁矿山，矿石矿物成分主要为镜铁矿， 普氏硬度系数8 1 2 MJ 。该矿山采用阶段空场嗣后充 填采矿法。单排孔数量1 3 ～1 4 个，孔径8 0m m ，最大 孔深2 7m 。进路巷道为圆弧型，拱高2 ．1m ，巷道高度 为4 ．1m ，宽4 ．2m 。采用连续装药结构，孔底起爆弹起 爆“ 。8 j ．图4 为炮孑L 布置图 图4 炮孔布置图 3 ．2 试验情况 2 0 1 4 年1 0 月2 8 日开始进行装药试验，2 8 日共装 填炮孔1 3 个，2 9 日共装填炮孔1 4 个，共装填炮孔2 7 个，装填炸药2t 。炮孔深度从9m 到2 7m 不等。试 验结果如下 1 成功采用井下高压气源驱动混装设备执行机 构，完成了所有炮孑L 的装药作业。 2 现场测得炸药密度1 ．0 5 一1 ．2 5g ／c m 3 ，返药率 为2 ％。 3 生产能力2 5 8 0k g ／m i n ，工作风压0 ．4 0 ．6 M P a ，输药压力1 ．4 1 ．8M P a 。 4 完成自动送管、自动收管、自动装药等操作，简 单可靠。 5 实时显示送管速度、退管速度、装药速度、装药 深度、送管长度等参数。显示的装药量与设计的装药 量误差小，计量精度高、可靠性好。 6 爆堆松散、块度均匀，易于铲装，未见残孔。 7 装药过程流畅。图5 和图6 分别为现场装药 和混装车行进图。 现场试验结果表明乳化炸药密度在预期范围内， 乳胶基质与敏化剂配比精确；输药压力较小，实现了乳 胶基质和敏化剂的分层长距离输送，远距离输送减阻 技术成熟可用；工艺配方与设备匹配良好，有效地控制 了返药量；用机械对孔代替人工对孔，用自动送管代替 万方数据 矿冶工程 第3 5 卷 图5 现场装药图 图6 混装车行进图 人工送管，用自动收管代替人工收管，用自动装药代替 人工装药，大幅降低了工人的劳动强度，装药作业从人 工为主变为人工为辅，将劳动定员从原来的5 8 人减 少到1 2 人；无论是炸药性能还是装药过程均大幅提 升了地下矿山开采作业的本质安全性；与电力驱动相 比，采用井下高压气源驱工业炸药井下现场混装装备 执行机构，避免地下矿山电缆收放的麻烦和用高压电 作为动力来源的安全隐患，提高地下中深孔乳化炸药 现场混装作业的可靠性和便利性。 4 性能检测和成果鉴定 湖南金能科技股份有限公司委托国家民用爆破器 材质量监督检验中心检测了该型地下矿用现场混装乳 化炸药和乳胶基质的雷管敏感度、密度、爆速、撞击感 度、摩擦感度、热感度等性能，进行了A N E 的热稳定试 验、A N E 隔板试验、克南试验和改进的通风管试验。 检测结果为炸药密度1 ．2g ／c m 3 ，爆速4 ．2 1 矿n ∥s ， 撞击感度0 ％，摩擦感度0 ％，热感度三次试验均无燃 烧爆炸，无雷管感度。各项指标均符合G B1 8 0 9 5 2 0 0 0 和G B2 8 2 8 6 2 0 1 2 标准规定的要求。 A N E 热稳定试验中试样的最高温度为1 0 0 ．5 ℃。 A N E 隔板试验中验证板变形，未穿孔。克南试验中样 品的极限直径小于2 ．Om m 。改进的通风管试验中样 品没有发生爆炸，钢管本体和顶盖未发生爆裂。根据 G B l 4 3 7 卜9 3 危险货物运输爆炸品分级程序标准， 这些试验结果表明，该型乳胶基质属于5 ．1 项氧化剂 规定范畴，可用罐体进行运输。 2 0 1 5 年1 月1 9 日一2 1 日，该型工业炸药井下现 场混装工艺及装备通过了工信部组织的科技成果鉴 定，达到了国际先进水平。 5 结语 湖南金能科技股份有限公司研发的地下矿用乳化 炸药配方，在敏化前，乳胶基质有足够的流动性，以满 足远距离低压输送，敏化后有足够的粘度，能可靠粘接 在炮孔壁上，按配方生产的乳胶基质敏化后各项性能 满足国标要求，乳胶基质可划人5 ．1 项氧化物，用罐体 进行运输；自动送管退管机构及技术能满足上向孔在 内的全方位炮孔自动送管退管机构，实现输药胶管的 自动收送，采用卷筒的回转力完成装药胶管的输送，送 管压力可调，无打滑、不伤管，送管深度达4 0m 以上； 装药系统采用双联泵结构，严格保证了敏化剂和乳胶 基质的精确配比。通过现实使用和试验，该装备完全 满足地下上向孔的装药要求，取得良好效果，具有广阔 的应用前景。 参考文献 [ 1 ]秦虎，龚兵，熊代余，等．地下矿用炸药现场混装技术的新进 展[ J ] ．金属矿山，2 0 0 9 9 1 5 2 一1 5 4 ． [ 2 ] 徐颖．地下工程爆破技术的现状及发展[ J ] ．中国煤炭，2 0 0 1 1 1 2 9 3 1 ． [ 3 ]高海松．散装乳化炸药现场混装工艺与装置试验研究[ D ] ．长沙 长沙矿山研究院，2 0 1 2 ． [ 4 ]张璞．乳化炸药中低温快速化学敏化的研究[ J ] ．矿冶工程， 2 0 1 5 2 4 2 4 6 ． [ 5 ] 孙水锋，崔永生．李楼及诺普铁矿联合建设基建管理实践[ J ] ．矿 业工程，2 0 1 3 3 卜3 ． [ 6 ]张立新．李楼铁矿采矿方法和充填工艺探讨[ J ] ．矿业研究与开 发，2 0 1 2 1 卜3 ． [ 7 ]张立新．李楼铁矿首采采场中深孔爆破参数的确定[ J ] ．采矿技 术，2 0 1 2 1 9 2 9 4 ． [ 8 ]朱国涛，郝红星，王晓飞．李楼铁矿厚大矿体安全回采研究[ J ] ． 现代矿业．2 0 1 3 1 1 卜4 ． 万方数据