地下現場混裝乳化炸藥技術裝備在西藏的應用

田 豐，黃 麟，田惺哲，張紀東，袁永生

(1.礦冶科技集團有限公司，北京100160；2.北京北礦億博科技有限責任公司，北京100160)

我國西部省份的地下金屬礦山常位于高海拔地區，隨著海拔高度升高，大氣壓力和空氣含氧量下降，對地下采礦裝備提出一系列特殊要求。同時，采用化學敏化的包裝型乳化炸藥，隨海拔高度增加，炸藥的爆速性能呈下降趨勢，海拔高度對炸藥性能有明顯影響[1]。

為了實現高海拔地下礦自動化爆破裝藥，減輕高原缺氧環境下井工爆破的勞動強度，提高裝藥效率、改善爆破效果，礦冶科技集團、北京北礦億博公司基于高海拔工程機械技術特點[2-5]，在現場混裝乳化炸藥高海拔性能特點研究基礎上，研發了BCJ-4I高原型地下礦用乳化炸藥混裝車，并在海拔4 490 m的西藏甲瑪銅礦進行了應用推廣，取得了良好的工程效果。

1 地下炸藥混裝車

地下乳化炸藥混裝車由鉸接式礦用底盤、乳化炸藥儲存和輸送系統、工作臂與送管器輔助系統、輸藥管自動卷筒、液壓及電氣控制系統等部分組成，如圖1所示。

圖1 高原型地下礦混裝車(單位：mm)Fig.1 The high-altitude underground explosive charging vehicle(unit：mm)

物料儲存系統分別裝載混裝炸藥半成品，即乳化基質和敏化劑，在爆破現場經過輸藥管末端安裝的靜態混合器進行靜壓力摻混，隨后以噴射形式裝入炮孔，裝藥速率30～50 kg/min。

工作臂與自動送管器是輔助裝藥設備，工作臂具備水平100°回轉、垂直俯仰、伸縮等功能，水平作業半徑6.3 m、垂直作業高度6 m，在工作臂末端、送管器底部還有兩個360°回轉機構，可以使送管器出口對準巷道內任意位置、任意角度炮孔。

送管器將輸藥軟管自動送入炮孔內，送管速度為12～15 m/min，并在送管過程中自動測量送入炮孔中的輸藥長度；退管時，基于PID控制的控制系統根據流量計計量的裝藥速率自動調節送管器的退管速度，從而控制裝藥密度。輸藥管外徑30 mm、管長50 m，送管器可實現上向40 m深孔自動送管。

裝藥混裝車行走機構采用鉸接式礦用底盤，以柴油內燃機為動力，整車轉彎半徑3 720 mm(內)/5 870 mm(外)，具有良好的井下巷道通過性。裝藥過程則采用外接電源作為動力，利用車載配電系統分別為液壓系統、控制系統及輔助照明提供電源。

2 高海拔混裝炸藥爆速特點

有學者研究表明[1]，包裝型乳化炸藥的爆速隨著海拔高度上升出現先增大后減小的趨勢，如圖2所示。通過電鏡掃描分析得知，乳化炸藥中起爆炸“熱點”作用的微氣泡隨著外界氣壓的降低而迅速逃逸，導致爆炸反應中心點減少，因此爆速性能下降。

圖2 不同海拔高度下乳化炸藥爆速擬合曲線Fig.2 The detonation speed of emulsion explosives at different altitudes

通過試驗，對不同海拔高度下的現場混裝乳化炸藥進行了測試。如表1所示，將相同配方的混裝乳化炸藥分別在不同海拔高度的金屬礦山進行實地爆速測試。結果表明：現場混裝乳化炸藥與包裝型乳化炸藥不同，隨著海拔高度上升，其爆速衰減現象并不明顯。

表1 不同海拔高度混裝乳化炸藥爆速

分析其原因，現場混裝乳化炸藥與包裝型乳化炸藥雖然都采用化學敏化法，但混裝炸藥現場敏化發泡時間短，根據礦山生產組織，裝藥后約1～2 h即連線起爆，大氣壓力變化未對敏化氣泡“逃逸”產生明顯作用；包裝型乳化炸藥在裝藥生產線上生產，整體暴露在大氣環境中，受大氣壓力影響較大，而現場混裝乳化炸藥是在進入炮孔(測試用PVC管)后才開始進行發泡反應，僅有孔口部分與大氣接觸，受大氣壓力影響較小。

從井下實際爆破效果來看，不同海拔高度下混裝乳化炸藥的性能差異不大，影響井下爆破效果的主要是爆破設計和裝藥量。

3 混裝車高海拔應用特點

現場混裝炸藥在高海拔環境下的性能影響不明顯，但混裝炸藥車在高原缺氧環境下出現一些特殊現象，為混裝炸藥車的研發制造提供了工程經驗。

1)發動機實際輸出功率下降

隨著海拔高度上升，空氣密度與含氧量下降，噴入發動機氣缸的燃油沒有足夠氧氣進行充分燃燒。因此造成功率下降，海拔每升高1 000 m下降功率約為10%[2]。發動機選型時應根據所在高度進行功率補償，優先選用燃油系統經過優化的發動機型，特別在海拔3 000 m以上應選用高海拔調校型發動機。

改進發動機進氣系統也是適應高原缺氧環境的必要措施之一。炸藥混裝車長期在空氣稀薄、粉塵大、通風條件差的地下礦作業，應采用大直徑空濾器以增大發動機進氣量，減少過濾器堵塞，減少發動機非正常磨損。

此外，青藏高原水的沸點可低至70～80 ℃，水冷型發動機應注意防止冷卻液蒸發和沸騰外溢，注意增大水箱蓋蒸汽閥彈簧壓力并加強冷卻系統密封性。在日常保養中增加冷卻液添加頻率，縮短冷卻液箱清理周期以及冷卻液、密封件更換周期。

2)電動機實際輸出功率下降

為減少尾氣排放對井下人員健康影響，地下礦用工程機械大多采用外接電源，即電機驅動液壓系統進而驅動鉆孔、鏟裝和裝藥等設備。高海拔地區電氣設備必須根據作業點海拔高度選擇適當的高原型電機。

高海拔地區大氣壓力與空氣密度降低，對電機產生的主要影響有：(1)外絕緣強度和耐擊穿電壓降低，需增大電機的電氣間隙防止擊穿；(2)空氣冷卻效應降低，需增強升溫等級；(3)由于線圈導磁能力降低，實際功率有所降低。

高海拔工程機械在電機訂購時，必須向電機廠家明確告知使用海拔和使用環境溫度，由電機廠家計算功率補償和絕緣溫升需求，不能簡單換用大功率電機。

3)加強電氣系統防潮密封

由于高海拔地區空氣稀薄、自然散熱效率降低，電氣設備在運行過程中升溫較快，設備斷電后由于高原井下環境溫度較低，在快速冷卻過程中極易形成冷凝水流入線路，在下一次通電時造成短路。地下炸藥混裝車應特別重視電氣系統防潮密封。

溫差造成的冷凝水短路通常發生在設備檢修過程中，特別是地下硐室內進行設備檢修。由于地下硐室內環境濕度較高，長時間通電檢修后，應注意在配電柜、控制柜內放置干燥劑。

此外，由于高海拔地區室外紫外線強烈、空氣干燥，使橡膠、毛氈等材質的電器柜密封條、密封膠等老化加速，應加強氣密性檢查，及時更換失效密封件。

4)冷卻換熱補償

隨著海拔高度上升，空氣密度與大氣壓力下降，對電器和液壓系統的冷卻散熱產生影響。地下混裝車液壓控制系統、配電系統電源開關等設備均采用風冷式散熱。在工程上，可參考溫升修正系數(表2)k(z)對海拔高度進行當量溫度補償，從而對冷卻器選型進行簡化估算[3]。

表2 高海拔溫升修正系數表

以液壓系統的風冷卻器為例，通常采用換熱功率法選型。查詢冷卻器選型手冊，根據液壓系統排量和對應海拔溫升修正系數，將高海拔換熱功率折算為低海拔當量換熱功率，并增加10%安全余量。

4 裝藥爆破效果

中國黃金集團甲瑪銅礦位于西藏自治區墨竹工卡縣，礦區平均海拔4 780 m，最低處海拔4 000 m，最高處海拔5 360 m，空氣含氧量僅為低海拔平原地區的40%～60%。甲瑪銅礦采用中深孔分段崩落分層礦房嗣后充填采礦法，上向孔最大孔深25～30 m。此前一直采用人工壓氣式裝藥，裝填粉狀改性銨油炸藥。

BCJ-4I高原型地下礦乳化炸藥混裝車在甲瑪銅礦進行了井下裝藥爆破應用(圖3)，先后在4420水平、4440水平、4490水平累計裝藥30余t。

圖3 BCJ-4I高原型混裝車在西藏甲瑪銅礦井下裝藥Fig.3 The BCJ-4I charging vehicle working in the Tibet Jiama copper mine

1)實現遙控自動化裝藥、勞動強度顯著降低

多自由度機械臂、送管器等自動化裝藥輔助設備實現了高海拔金屬礦井下自動化裝藥，替代了以往多人、高強度手工送管裝藥的落后模式，顯著降低了勞動強度，爆破現場作業人員由過去的6～8人減少為3～5人。

混裝乳化炸藥耦合自動化裝藥，解決了粉狀炸藥返粉率高以及裝藥密度低、安全性差、環境污染等一系列問題，有利于井下爆破安全生產。

2)爆破效果顯著改善

與以往銨油炸藥人工裝藥相比，使用現場混裝乳化炸藥自動化裝藥雖然炸藥單耗上升了約15%，但爆后大塊率顯著下降，礦石塊度均勻性較好，利于鏟運出礦。個別采場頂部區域甚至發生超挖現象，在礦體較破碎的采場實施裝藥爆破后，發生后兩排相鄰炮孔被振壞的現象。反映出現場混裝炸藥性能較好，爆破設計參數需要根據炸藥性能相應調整，鉆孔與炸藥成本也有望進一步降低。現場爆破效果見圖4。

圖4 現場爆破效果Fig.4 The blasting effect

3)能夠滿足高海拔特殊工況要求

混裝車底盤動力系統功率在1月份的冬季依然比較充沛，從乳化基質倒裝區至4490坑口連續上坡轉彎、海拔上升590 m，平均行駛速度為3.8 km/h，且沒有發生高海拔地區常見的工程機械冬季發動機啟動難問題。

在裝藥尋孔送管過程中，混裝車液壓動力系統能提供穩定壓力確保工作臂各關節運動平穩、準確，送管器能有效克服輸藥軟管與孔壁間的摩擦阻力，實現垂直上向30 m深孔穩定送管。在裝藥過程中，系統可提供穩定流量確保裝藥系統、輸藥管卷筒、自動送管器在比例聯動狀態下，實現40～50 kg/min自動裝藥與調速收退管。

5 經驗與總結

1)現場混裝乳化炸藥爆速性能受海拔高度、氣壓變化影響較小。但對于習慣使用包裝型乳化炸藥的高海拔地下礦山，應根據炸藥性能變化及時調整爆破設計。

2)由于高原地區空氣稀薄、含氧量低，對底盤發動機、電動機、冷卻換熱系統的實際功率有明顯影響，壓力閥設定值等與沸點相關的設置應相應調整，并做好井下低溫環境下電氣設備防凝水短路。

3)通過連續井下裝藥生產證明，地下混裝炸藥車機械臂自動尋孔、上向深孔自動送管裝藥，顯著減少人員勞動強度和現場崗位定員。此外，還要充分考慮減少維修保養時的勞動強度，做到易損件易于拆解更換，不在狹小密閉空間內對設備檢修。