混裝乳化炸藥便攜式裝藥器的應(yīng)用研究

劉 令，魏碧波，劉俊文，張小勇

(中國(guó)葛洲壩集團(tuán) 易普力股份有限公司，重慶 401121)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)可進(jìn)行露天開采的資源在逐漸減少，露天開采也在逐步轉(zhuǎn)為地下開采。基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)市場(chǎng)越來(lái)越多，中小型爆破工程(多為“小、零、散”項(xiàng)目)的工業(yè)炸藥需求逐年加大[1,2]。而對(duì)于中小型爆破工程，特別是狹窄工作面、小型礦山、地下開采等爆破項(xiàng)目，現(xiàn)場(chǎng)混裝車受道路、工作面及爆破振動(dòng)的藥量控制等局限，不能使用現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥車進(jìn)行爆破作業(yè)。目前國(guó)內(nèi)不宜使用混裝炸藥車進(jìn)行爆破作業(yè)的項(xiàng)目，其所需的炸藥用量占全國(guó)工業(yè)炸藥需求量約35%，因此，擴(kuò)大現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥應(yīng)用占比的重要因素是發(fā)展小型爆破工程項(xiàng)目混裝炸藥應(yīng)用技術(shù)及裝備[3-5]。

我國(guó)在現(xiàn)場(chǎng)混裝設(shè)備工裝開發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域客觀來(lái)講起步晚、發(fā)展慢，當(dāng)前市場(chǎng)上應(yīng)用成熟的現(xiàn)場(chǎng)裝藥設(shè)備局限于混裝銨油、混裝乳化和多功能現(xiàn)場(chǎng)混裝車，而中小型爆破市場(chǎng)需求的小型裝藥設(shè)備的研發(fā)、應(yīng)用較少[6]。

中國(guó)葛洲壩集團(tuán)易普力股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱公司)研制了一套適用于中小型爆破項(xiàng)目需求的便攜式裝藥器(以下簡(jiǎn)稱裝藥器)[7]，并通過(guò)了中國(guó)爆破行業(yè)協(xié)會(huì)組織的科技成果評(píng)價(jià)。為使其更加貼合爆破現(xiàn)場(chǎng)使用需求，對(duì)其現(xiàn)場(chǎng)裝藥爆破應(yīng)用開展了研究，以下從設(shè)備、工藝、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用幾個(gè)方面進(jìn)行介紹。

1 裝藥器簡(jiǎn)介

裝藥器上乳化基質(zhì)和敏化劑的輸送泵采用大行程、低頻率工作模式的活塞式容積泵，有效防止工作過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械摩擦熱累積，活塞泵采用壓縮空氣為動(dòng)力來(lái)源，配套設(shè)施簡(jiǎn)單。乳化基質(zhì)和敏化劑輸送泵采用機(jī)械連桿聯(lián)動(dòng)控制(如圖1所示)，以乳化基質(zhì)泵的輸送量決定敏化劑泵的輸送量，實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)，使二者嚴(yán)格按比例輸送，保證了工藝配方的穩(wěn)定性和一致性。可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，調(diào)整聯(lián)動(dòng)裝置敏化劑泵連接滑塊，對(duì)敏化劑添加量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

1-乳化基質(zhì)泵活塞桿；2-敏化劑泵活塞桿；3-連桿；4-敏化劑泵；5-乳化基質(zhì)泵圖 1 裝藥器聯(lián)動(dòng)裝置示意圖Fig. 1 Detonator loader′s schematic diagram

同時(shí)，該種活塞式容積泵采用非金屬高分子改性材料制作的大通流道的閥座，具有介質(zhì)流體通道大，雜質(zhì)容錯(cuò)能力較強(qiáng)，高溫(120℃)泄壓功能，保證了乳化基質(zhì)的泵送安全。

2 裝備改進(jìn)試驗(yàn)

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為使裝藥器能在復(fù)雜作業(yè)場(chǎng)所進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用，對(duì)裝藥器從輕量化、移動(dòng)性方面進(jìn)行了優(yōu)化。

輕量化方面，安裝支撐裝藥器聯(lián)動(dòng)裝置的支架，其材料盡可能采用鋁合金、內(nèi)部采用中空結(jié)構(gòu)，以降低設(shè)備的總質(zhì)量，優(yōu)化后的裝藥器可由2個(gè)工人輕松卸車及裝車。

移動(dòng)性方面，原研制的裝藥器需依靠隨車吊上下車，下車后若需跟隨作業(yè)區(qū)移動(dòng)時(shí)僅能靠人抬。為使裝藥器在復(fù)雜施工作業(yè)面應(yīng)用便捷，在其支架上安裝兩個(gè)350 mm半實(shí)心橡膠輪胎，將扶手改進(jìn)成彎管形式，便于操作工發(fā)力推動(dòng)裝藥器，改進(jìn)后既可方便移動(dòng)設(shè)備，又可減輕工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，整個(gè)裝置可由1人輕松推動(dòng)。

2.2 聯(lián)動(dòng)裝置

聯(lián)動(dòng)裝置在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)生數(shù)次乳化基質(zhì)泵密封閥球卡死在閥座上，致使乳化基質(zhì)泵無(wú)法輸出乳化基質(zhì)。經(jīng)分析因密封球?yàn)樗芰喜馁|(zhì)，硬度較低，承受較大壓力時(shí)易卡死在閥座上，更換為不銹鋼材質(zhì)后，泵送性能穩(wěn)定。

同時(shí)，在乳化基質(zhì)泵出口壓力增大時(shí)，敏化劑泵無(wú)法正常泵出敏化劑且無(wú)法起到水環(huán)潤(rùn)滑作用。經(jīng)分析主要原因?yàn)槊艋瘎┍玫奶间撁芊忾y座磨損，與塑料密封球無(wú)法實(shí)現(xiàn)密封配合，致使敏化劑泵存在內(nèi)泄露現(xiàn)象，在外部壓力增大時(shí)，敏化劑通過(guò)磨損口泄露回管道。將敏化劑泵閥球、閥座更換為不銹鋼材質(zhì)，提高其強(qiáng)度及耐腐蝕性能，改進(jìn)后泵送性能穩(wěn)定。

2.3 裝備性能試驗(yàn)

2.3.1 調(diào)整裝藥效率

裝藥時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)裝藥需求，調(diào)整便攜式裝藥器上的單向節(jié)流閥開度，以調(diào)整便攜式裝藥器的裝藥效率，調(diào)整方法為調(diào)整手柄向上側(cè)旋轉(zhuǎn)，壓縮空氣量會(huì)增大，便攜式裝藥器聯(lián)動(dòng)柱塞泵運(yùn)行加快，裝藥效率增大；反之，調(diào)整手柄向下側(cè)旋轉(zhuǎn)，壓縮空氣量會(huì)減小，便攜式裝藥器聯(lián)動(dòng)柱塞泵運(yùn)行變慢，裝藥效率降低。

2.3.2 標(biāo)定

采用水對(duì)裝藥器中聯(lián)動(dòng)柱塞泵進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定前，首先調(diào)整泵單位時(shí)間內(nèi)的工作效率，即每分鐘柱塞泵運(yùn)行的循環(huán)次數(shù)。標(biāo)定時(shí)先將標(biāo)定輸送管道充滿工藝水，然后在統(tǒng)一指令下將乳化基質(zhì)泵、敏化劑泵出口管同時(shí)放入稱量容器中，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間(如1 min)后，在統(tǒng)一指令下同時(shí)停止兩泵，最后分別稱量?jī)蓚€(gè)容器內(nèi)水質(zhì)量，并進(jìn)行計(jì)算確認(rèn)兩泵配比，如果配比不準(zhǔn)確，調(diào)整聯(lián)動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)上敏化劑泵的安裝位置。經(jīng)標(biāo)定，乳化基質(zhì)泵泵送效率1.68 kg/次，敏化劑泵泵送效率0.063 kg/次。

2.3.3 增稠試驗(yàn)

裝藥器上的增稠裝置位于乳化基質(zhì)輸送泵的出口，采用工藝水進(jìn)行測(cè)試時(shí)，增稠裝置出口端噴出水呈霧化傘狀裝；采用增稠后的乳化基質(zhì)(粘度約5×104萬(wàn)mPa·s)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，在不裝輸藥管及末端敏化單元的情況下，用塑料袋套住增稠裝置出口，噴出的乳化基質(zhì)能掛在塑料袋壁面不掉落，增稠效果明顯。

2.4 計(jì)量上報(bào)

計(jì)量上報(bào)系統(tǒng)包括計(jì)量模塊及上報(bào)模塊，上報(bào)模塊與計(jì)量模塊之間通過(guò)串口通信傳輸，計(jì)量模塊將裝藥量通過(guò)串口通信傳輸至上報(bào)模塊中，滿足主管部門的管理要求。計(jì)量模塊主要用于對(duì)裝藥量進(jìn)行計(jì)量并儲(chǔ)存，上報(bào)模塊主要用于將存儲(chǔ)的裝藥量信息上報(bào)到監(jiān)管平臺(tái)。其中計(jì)量模塊包括檢測(cè)、控制以及計(jì)量等功能，上報(bào)模塊包括信息儲(chǔ)存以及信息傳輸?shù)裙δ埽蠄?bào)模塊中的處理器經(jīng)過(guò)運(yùn)算后將裝藥信息儲(chǔ)存在SD卡內(nèi)，SD卡內(nèi)的炸藥量信息可保存3個(gè)月。

3 工藝試驗(yàn)

3.1 工藝配方

乳化基質(zhì)和敏化劑兩者通過(guò)裝藥器上的聯(lián)動(dòng)柱塞泵進(jìn)行輸送，因裝藥器啟動(dòng)時(shí)，柱塞泵腔體內(nèi)瞬時(shí)壓力可能較高，若工藝配方中含有柴油(柴油閃點(diǎn)低)，極有可能發(fā)生安全事故，油相材料應(yīng)選擇閃點(diǎn)較高的產(chǎn)品。

對(duì)原有乳化基質(zhì)的生產(chǎn)工藝配方進(jìn)行了調(diào)整，采用新的配方生產(chǎn)水相、油相，其中水相密度1.35～1.38 g/cm3、PH3.4～3.9、析晶點(diǎn)63～66℃，油相密度0.86 g/cm3，水相、油相質(zhì)量比為94∶6，預(yù)乳器轉(zhuǎn)速控制在530～570 rpm范圍，采用靜態(tài)混合器進(jìn)行靜態(tài)制乳[8]。

3.2 敏化試驗(yàn)

采用表1中敏化劑配方，按照乳化基質(zhì)：敏化劑質(zhì)量比=96∶4配比，采用手動(dòng)攪拌方式對(duì)乳化基質(zhì)進(jìn)行敏化小試。從圖2可以看出，10 min時(shí)密度為1.145 g/cm3，16 min時(shí)密度為1.1 g/cm3，最終基本穩(wěn)定在1.05 g/cm3，符合生產(chǎn)工藝要求。

圖 2 敏化試驗(yàn)Fig. 2 Sensitization test

表 1 敏化劑配比Table 1 Sensitizer ratio

3.3 末端敏化

為降低乳化基質(zhì)的輸送壓力，裝藥器采用水環(huán)潤(rùn)滑和末端敏化技術(shù)，將敏化劑作為潤(rùn)滑劑，在輸藥膠管的內(nèi)壁形成一層薄膜，實(shí)現(xiàn)乳化基質(zhì)和敏化劑的分層輸送，以減少輸送阻力，提高炸藥輸送的安全性。在輸藥膠管出料口安裝靜態(tài)混合器，使乳化基質(zhì)和敏化劑在出料口充分混合，快速敏化，共同送入炮孔后在炮孔內(nèi)形成混裝乳化炸藥。

對(duì)不同溫度(20、60℃)下的乳化基質(zhì)，通過(guò)末端敏化(靜態(tài)混合單元)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)裝藥敏化試驗(yàn)，敏化試驗(yàn)結(jié)果如圖3、4所示。從圖中可以看出，新研發(fā)的乳化基質(zhì)配方工藝，乳化基質(zhì)不管是低溫、還是高溫，敏化后密度均能在15 min左右降至1.1 g/cm3，敏化速度快、穩(wěn)定，后效不明顯，敏化后的氣泡均勻，敏化溫度范圍寬。

圖 3 乳化基質(zhì)20℃時(shí)敏化情況Fig. 3 Sensitization of emulsion matrix at 20℃

圖 4 乳化基質(zhì)60℃時(shí)敏化情況Fig. 4 Sensitization of emulsion matrix at 60℃

3.4 低壓遠(yuǎn)距離輸送

新配方工藝生產(chǎn)的乳化基質(zhì)，具有常溫流動(dòng)性。裝藥器采用水環(huán)減阻技術(shù)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，常規(guī)裝藥時(shí)，φ20輸藥管輸送乳化基質(zhì)距離60 m，工作壓力在1.5 MPa以內(nèi)；增稠裝藥時(shí)，即前端采用孔板射流、末端采用靜態(tài)混合器進(jìn)行增稠，增稠后乳化基質(zhì)粘度可達(dá)3×105cp，可解決裂隙發(fā)育巖石漏藥問(wèn)題，輸送距離達(dá)60m，最高壓力不超過(guò)3 MPa，尤其適用于向上孔作業(yè)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)

采用外徑110 mm、壁厚5 mm、長(zhǎng)1000 mm的PVC管，裝藥900 mm、靶距400 mm，對(duì)裝藥器輸藥管輸出的混裝炸藥進(jìn)行爆速測(cè)試，測(cè)得現(xiàn)場(chǎng)制備的混裝乳化炸藥爆速4460 m/s，符合要求。

在水泥砂巖礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，孔網(wǎng)參數(shù)6.5 m×4 m，炮孔直徑150 mm，炮孔深度13.5 m，裝藥深度8 m，單孔裝藥量190 kg，裝藥時(shí)間3.3 min/孔，現(xiàn)場(chǎng)裝藥過(guò)程中無(wú)堵管、無(wú)漏藥現(xiàn)象，經(jīng)敏化發(fā)泡后實(shí)測(cè)混裝藥深度為9 m，最后堵塞長(zhǎng)度4.5 m，爆破效果良好。見(jiàn)圖5。

圖 5 爆破效果圖Fig. 5 Blasting effect pictures

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)改進(jìn)，改進(jìn)后的裝藥器更加小巧、輕便、可移動(dòng)，可在中小型爆破作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)便捷應(yīng)用；調(diào)整后的生產(chǎn)工藝配方匹配裝藥器的需求，裝藥器的柱塞泵送形式適合低壓遠(yuǎn)距離輸送，滿足“小、零、散”爆破項(xiàng)目的需求。裝藥器豐富了現(xiàn)場(chǎng)裝藥裝備，為“小、零、散”爆破項(xiàng)目供藥提供了一種新的解決方案。