現場混裝乳化炸藥在巷道掘進爆破中的試驗研究

郝亞飛 薛 里 張小勇 楊敏會 肖青松

(1.中國葛洲壩集團易普力股份有限公司,重慶 401121;2.中國鐵道科學研究院集團有限公司,北京 100081)

相比傳統包裝炸藥爆破技術，現場混裝炸藥爆破技術具有安全、經濟、高效、環保等優點，目前已在我國水利水電、礦山、機場等基礎設施建設中廣泛應用，尤其是在大型露天礦山，其大孔徑、高臺階作業特點充分發揮了現場混裝炸藥的優勢[1-5]。相比露天工程領域，現場混裝炸藥在地下工程領域的發展較為緩慢。近年來，國內個別礦山開始嘗試在上向孔爆破中應用現場混裝乳化炸藥，并取得了一定的效果[6-9]。但是在巷道掘進爆破應用環境中，受制于單次爆破藥量低、炮孔直徑小、光面爆破難以解決等問題，現場混裝炸藥在巷道掘進爆破中的推廣應用受限[9-11]。國外現場混裝炸藥爆破技術在巷道掘進中應用較為成熟，如ORICA公司開發的MCU2000系列移動裝藥單元設備，南非AEL公司開發的MCU系列移動裝藥單元設備，可方便放置在適應地下環境的通用底盤裝備上進行現場混裝炸藥裝藥爆破，但是上述設備不對國內銷售。為此，本研究以某礦山水平巷道掘進為試驗對象，開發了模塊化現場混裝乳化炸藥裝藥器，設計了末端敏化裝置，開展了不同時間下的敏化技術研究，探究了采用現場混裝乳化炸藥實現光面爆破的方式，取得了較好的巷道掘進爆破試驗效果。

1 模塊化裝藥器

模塊化裝藥器由集成在鋼架內的乳化基質罐、聯動柱塞泵組、電控系統、液壓系統、敏化劑箱、水環裝置等組成，采用液壓式聯動柱塞泵技術，結合裝藥控制技術、末端靜態敏化技術和無線終端控制系統，實現了雙輸藥管遙控、穩定、精確裝藥，主要結構如圖1所示。裝藥器主要參數取值為:裝藥效率12～30 kg/min;額定泵送工作壓力1～2 MPa，最高工作壓力4 MPa;乳化基質料箱容積為800 L;兩個敏化劑料箱容積分別為15 L和30 L;外形尺寸為1.6 m×1.3 m×1.6 m(長×寬×高);空載重量為800 kg。相比現場混裝炸藥裝藥車，模塊化裝藥器可根據現場應用工況，集成在不同類型的車輛底盤上，適用范圍廣。

圖1 模塊化裝藥器Fig.1 Modular charging device

1.1 裝藥控制技術

巷道掘進爆破與露天臺階爆破相比，炮孔直徑小、進尺短，單孔裝藥量低，甚至單個炮孔裝藥量低于1 kg，故對裝藥器的運行穩定性和裝藥精度要求極高。裝藥器采用電液比例閥控制柱塞泵，可依據現場不同的裝藥需求，通過電控系統的觸摸屏設定比例閥開度值實現精確裝藥。同時，為保障裝藥器運行速度穩定，液壓系統增加了壓力補償邏輯控制元件，即使在運行過程中負載發生變化，在設定的壓力范圍內也可以保證穩定泵送。經過現場試驗，裝藥器裝藥精度誤差在±1.5%以內。

1.2 末端靜態敏化技術

敏化技術是現場乳化炸藥生產中影響炸藥爆轟性能的核心環節，直接決定現場爆破作業的質量和安全[12-14]。

1.2.1 靜態敏化器結構設計

靜態敏化器由2個靜態混合單元1和1個混合單元2組成，靜態混合單元1包括1個大直徑管道和1個小直徑管道單元，靜態混合單元2是1個類似網狀結構單元，結構如圖2所示。

圖2 靜態敏化器幾何模型Fig.2 Geometry model of static sensitizer

1.2.2 安全驗算

采用專業的計算流體動力學分析軟件SOLIDWORKS Flow Simulation對乳化基質與敏化劑在靜態敏化器中的靜態敏化過程進行數值模擬。選用工程常用的3種入口流體質量流率進行安全驗算(表1)。數值分析表明:當乳化基質、敏化劑混合流流經靜態混合單元時，乳化基質、敏化劑混合流會逐級產生壓降，使系統壓力逐漸提高，如圖3所示。在3種不同質量流率下，靜態敏化器的速度流場除了最高流速增大外，其混合分布形態未發生變化，但靜態敏化器的整體靜壓會隨著質量流率增大而增大，最大靜壓力為1.5 MPa，壓力值在乳化基質管路安全泵送的壓力范圍(0.8～1.5 MPa)內[15]。因此，靜態敏化器實際工作時應采用低于0.5 kg/s入口質量流率。

圖3 靜態敏化器不同入口質量流率縱向靜壓流場分布Fig.3 Distribution of longitudinal static pressure flow field of mass flow rate at different inlet of static sensitizer

表1 入口流體質量流率Table 1 Mass flow rates of inlet fluidkg/s

1.2.3 敏化質量驗證

本研究分為2組進行敏化效果對比，試驗1的靜態敏化器中包含2個靜態混合單元1，試驗2在2個靜態混合單元1中間加入1個靜態混合單元2。試驗效果對比(圖4)表明:30 min后，試驗1敏化劑混合不均勻，炸藥密度為1.22～1.27 g/cm3;試驗2敏化劑分散混合均勻，炸藥密度為1.1～1.17 g/cm3。可見，試驗2采用的組合靜態敏化器的敏化混合均勻性明顯優于試驗1。

圖4 靜態敏化效果對比Fig.4 Comparison of the static sensitization effects

1.3 無線終端控制系統

無線PDA手持裝藥終端技術以無線WIFI為中介，將現場組態監控技術和手機APP技術相結合，包含無線操作控制系統、實時監控管理和數據傳遞等3個方面的應用。無線PDA手持裝藥終端能實時管理電控系統的裝藥控制參數，從而控制裝藥設備按控制指令參數工作;通過配置2臺PDA終端，實現2個輸藥管交替作業，PDA操作界面如圖5所示。現場組態監控技術以PLC為核心控制單元，采用溫度和壓力傳感器實現在線實時監測、安全報警及聯鎖等。

圖5 PDA操作界面Fig.5 PDA operation interface

2 工藝配方

崔雪峰等[16]在露天礦山創新應用了乳化基質“一點生產、遠程配送、多點使用”模式，由于巷道掘進爆破炸藥用量低，為降低炸藥生產成本，可采用遠程配送方式供應乳化基質，故巷道用乳化基質應具備良好的抗顛簸、易泵送、耐儲存等性能，并可在常溫下快速敏化。乳化劑和油相材料是穩定現場混裝乳化炸藥兩個重要組分，尤其是乳化劑材料，雖然在配方中占比很低，但是對乳化炸藥的穩定性能起到至關重要作用[17-18]。通過采用高分子乳化劑技術配置一體化油相，確定了乳化基質配方，制備的乳化基質滿足了以下工藝技術指標:室溫(20±10)℃條件下儲存期應不小于6個月，能夠經受1 000 km以上顛簸、6次以上泵送，0～40 ℃基質黏度不高于150 Pa·s;0～40℃條件下能夠在15 min內快速敏化至1.15 g/cm3;臨界直徑不大于20 mm(起爆藥包);燃料油閃點不低于100 ℃;炸藥爆速不低于3 500 m/s;儲存和非保溫運輸溫度不低于0 ℃。

3 現場爆破試驗

在四川某地下礦山掘進巷道開展現場爆破試驗，試驗所在區域主要為黃銅黃鐵礦化條紋狀石英鈉長巖，呈現粒狀、鱗片變晶結構，條紋狀構造;巖體結構面閉合性好，巖體節理裂隙不太發育，呈塊狀和片狀結構，巖石力學強度較高，巖體完整性較好。將模塊化裝藥器與BCJ-5000井下車底盤整裝，形成適合巷道掘進爆破作業的現場混裝乳化炸藥裝藥臺車，如圖6所示。

圖6 現場混裝乳化炸藥裝藥臺車Fig.6 Charging trolley of on-site mixed emulsion explosive

3.1 敏化試驗

光爆孔采用低密度炸藥(低于1.0 g/cm3)、耦合裝藥，實現巷道掘進光面爆破。敏化溫度對乳化炸藥的穩定性有較大影響[19-20]，為保障現場混裝乳化炸藥的敏化溫度、敏化時間及敏化效果，在常溫條件下，敏化試驗按敏化劑濃度開展2組試驗，敏化劑濃度分別為4%、2.36%，試驗曲線如圖7所示。由圖7可知:敏化時間相同時，敏化劑濃度越高，炸藥密度越低;炸藥密度隨著敏化時間的推移而降低，2 h后，炸藥密度基本達到最低值，敏化劑濃度為4%、2.36%時對應的炸藥密度為0.9、1.0 g/cm3。

圖7 炸藥密度隨敏化劑濃度的變化曲線Fig.7 Variation curves of explosive density with sensitizer concentration

對不同密度炸藥進行了爆速測試，將炸藥泵入無縫鋼管(外徑48 mm、壁厚4 mm、長度400 mm)內，測試結果見表2。由于敏化時間不同，故炸藥密度及對應的爆速存在差異;爆破后無縫鋼管完全破碎，如圖8所示。根據乳化基質敏化及爆速測試情況，在巷道掘進作業面裝藥時，應先裝光爆孔，邊墻孔、崩落孔、底板孔次之，最后裝掏槽孔。

表2 爆速測試結果Table 2 Test results of detonation velocity

圖8 無縫鋼管破碎情況Fig.8 Breakage of seamless steel pipe

3.2 爆破試驗

巷道斷面尺寸為4.0 m×3.5 m，主要爆破參數取值見表3，藥量設計原則為光爆孔藥量最小，其他炮孔藥量按照巷道斷面從上往下、從外到內逐步增大，炮孔平面布置如圖9所示。所有炮孔均為連續裝藥，現場裝藥順序為光爆孔、邊墻孔、崩落孔、底板孔、掏槽孔;采用工業電子雷管起爆網路，傳爆順序依次為掏槽孔、崩落孔、邊墻孔、底板孔、光爆孔，各段延期間隔為300～500 ms，待炮孔內炸藥密度穩定后起爆。全斷面現場機械化裝藥總量為136 kg，2個人負責裝藥，裝藥時間約25 min;傳統包裝炸藥作業方式，4個人負責裝藥，裝藥時間約30 min。

表3 爆破參數設計Table 3 Design of the blasting parameters

圖9 炮孔布置平面Fig.9 Layout plane of blasting holes

爆后現場檢查結果表明:無盲炮、無殘孔;工作面巖石穩定，無拉裂現象;爆堆穩定，巖石塊度較小;掘進進尺2.6 m;工作面輪廓面保持良好，半孔率達到85%以上，爆后效果如圖10所示。

圖10 爆后效果Fig.10 Post-explosion effects

4 結 論

(1)針對巷道掘進爆破采用現場混裝炸藥技術時的單孔藥量低、臨界直徑小、光面爆破難以實現等問題，結合現場混裝乳化炸藥技術特點和巷道掘進爆破環境，開發了基于液壓式聯動柱塞泵技術的模塊化裝藥器，研究采用了精確裝藥控制技術、末端靜態敏化技術和無線終端控制系統，定制的高分子乳化劑形成的乳化基質配方，可滿足乳膠基質遠程配送、長時間存儲、低溫敏化等應用需求。

(2)通過現場試驗驗證，不同類型炮孔采用對應密度的現場混裝炸藥，爆破效果良好，且現場混裝炸藥光面爆破技術性能初步得以驗證，可以有效代替傳統包裝炸藥爆破作業方式。

(3)后續工作中，需要進一步優化爆破孔網參數，提高炮孔利用率，擴大單次爆破循環進尺，充分發揮現場混裝炸藥爆破技術安全、高效、經濟、環保等優勢。