一種上向深孔現(xiàn)場(chǎng)混裝用乳膠基質(zhì)的研究?

熊言濤 魏善太 吳繼昌 李建真

①安徽江南化工股份有限公司(安徽合肥，230088)

②安徽江南化工股份有限公司寧國(guó)分公司(安徽寧國(guó)，242310)

引言

《工信部關(guān)于推進(jìn)民爆行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的意見(jiàn)》、《民用爆炸物品行業(yè)技術(shù)發(fā)展方向及目標(biāo)(2018 年版)》均提出供給結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化，要逐步提高現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥在工業(yè)炸藥中的占比，積極推進(jìn)井下現(xiàn)場(chǎng)混裝作業(yè)方式；同時(shí)，政策要求在2020 年底需置換固定包裝產(chǎn)能為混裝產(chǎn)品產(chǎn)能，使混裝產(chǎn)品產(chǎn)能占企業(yè)總產(chǎn)能的30%以上，即在未來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)的應(yīng)用將作為民爆行業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向[1]。目前，相比地下礦現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)露天現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)應(yīng)用已成熟可靠，并已廣泛運(yùn)用露天礦山裝藥施工。 例如，現(xiàn)場(chǎng)混裝多孔粒銨油炸藥車(chē)、露天現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥車(chē)的應(yīng)用等。 而地下礦裝藥施工分不同工藝種類(lèi)，除部分使用裝藥臺(tái)車(chē)外，其他均采用人工裝成品藥方式。 其中，采用垂直深孔落礦階段礦房法(VCR)的上向孔深孔裝藥基本仍采用裝藥器裝重銨油炸藥，存在人員數(shù)量多、作業(yè)環(huán)境惡劣(如高溫、粉塵等)、勞動(dòng)強(qiáng)度大及安全隱患較多等諸多問(wèn)題。 因此，大力發(fā)展地下現(xiàn)場(chǎng)混裝產(chǎn)品的應(yīng)用已迫在眉睫。

基于理論研究分析，通過(guò)批量試驗(yàn)，逐步優(yōu)化工藝配方，成功研制出適用于上向深孔裝藥施工用的乳膠基質(zhì)。 本文中，介紹了該乳膠基質(zhì)研制過(guò)程并系統(tǒng)分析了產(chǎn)品的性能指標(biāo)及裝藥爆破情況。

1 上向深孔混裝用乳膠基質(zhì)的制備

1.1 具備條件及影響因素分析

文獻(xiàn)資料表明，乳膠基質(zhì)的穩(wěn)定性主要取決于乳膠粒子連續(xù)相油膜的穩(wěn)定性，受工藝、配方、乳膠基質(zhì)粒子大小、分散相的均勻性、界面膜強(qiáng)度、外相黏度等因素的影響[2-3]，乳化劑是其中影響穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素[4-5]；黏度方面，油相材料的黏度起著決定性作用[6]；敏化速度影響因素有原材料、乳膠基質(zhì)溫度、檸檬酸加入量、敏化液濃度等[7]；有毒氣體含量與混裝炸藥氧平衡相關(guān)。 研制上向深孔混裝用乳膠基質(zhì)應(yīng)具備的條件和要求：

1)滿(mǎn)足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，例如GB 50089—2018、GB 28286—2012 等。

2)具有良好的耐顛簸、抗振動(dòng)性能，能適用于300 ～500 km 長(zhǎng)距離遠(yuǎn)程運(yùn)輸及露天至地下礦不同復(fù)雜運(yùn)輸環(huán)境下的倒運(yùn)，不破乳[8-10]。

3)具備適當(dāng)?shù)酿ざ确秶瑵M(mǎn)足流動(dòng)性和上向炮孔黏附力要求；能在復(fù)雜環(huán)境溫度(中、低溫)下快速敏化，保障適用性要求。

4)儲(chǔ)存期為3 ～6 個(gè)月，滿(mǎn)足地下礦施工周期的要求；爆破施工后，有毒氣體含量≤50 L/kg，減少對(duì)地下巷道通風(fēng)環(huán)境的污染。

1.2 乳化劑的選擇及分析

以硝酸銨、硝酸鈉溶液為水相材料，以柴油、機(jī)油為主要的油相材料，而重要因素乳化劑是確保乳膠基質(zhì)儲(chǔ)存穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

通過(guò)對(duì)比及消化吸收國(guó)內(nèi)外地下礦混裝用工藝配方[11]等方式，選擇了一種聚異丁烯馬來(lái)酸酐衍生物類(lèi)乳化劑(concentrated PIBSA derivative，產(chǎn)品代碼XP-1320)，它與低分子失水山梨醇油酸酯乳化劑(Span80)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖1。

通過(guò)圖1 結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)：相比Span80 乳化劑，XP-1320 乳化劑有較長(zhǎng)的分子鏈結(jié)構(gòu)；較長(zhǎng)的分子鏈能貫穿于數(shù)個(gè)乳膠粒子之間，在油膜中自由舒展，可牢牢地將油相中小分子物質(zhì)吸附在自身周?chē)?，鋪展在分散相微粒的外表，?gòu)成連續(xù)的堅(jiān)韌的油膜。 而且，不僅吸附在一個(gè)微粒表面，還可以吸附在兩個(gè)或幾個(gè)微粒表面，使得分散相微粒間既間隔著封閉的油膜，又受到長(zhǎng)鏈烷基及其衍生官能團(tuán)的束縛，從而表現(xiàn)出對(duì)乳膠粒子的立體保護(hù)作用，來(lái)保障整個(gè)體系的穩(wěn)定性。

在乳化炸藥W/O 型體系中，選用的乳化劑親水親油平衡(HLB)值應(yīng)在3 ～6，而適當(dāng)降低HLB值有利于提高乳膠基質(zhì)的穩(wěn)定性[12]。

表1 為幾種乳化劑的關(guān)鍵參數(shù)。 表1 數(shù)據(jù)表明，相比其他類(lèi)混裝用高分子類(lèi)乳化劑，XP-1320 乳化劑的HLB 值在該范圍內(nèi)，同時(shí)低于低分子Span80乳化劑，可提高穩(wěn)定性。

表1 乳化劑參數(shù)對(duì)比情況Tab.1 Comparison of emulsifier

表2 XP-1320 乳化劑生產(chǎn)的乳膠基質(zhì)粒徑情況Tab.2 Particle size of emulsion matrix produced by XP-1320 emulsifier μm

表2、圖2為采用XP-1320乳化劑生產(chǎn)的乳膠基質(zhì)的粒徑分布。表2、圖2 數(shù)據(jù)表示該體系中乳膠粒子顆粒小且分布集中，表明XP-1320 乳化劑具備較好的油溶性質(zhì)和優(yōu)良的微乳化性能，可形成均勻微細(xì)的乳膠粒子。

綜上，XP-1320 乳化劑可從多方面提高乳膠基質(zhì)的穩(wěn)定性。 另外，通過(guò)說(shuō)明書(shū)獲悉XP-1320 乳化劑有效期和使用壽命較長(zhǎng)(3 a)，進(jìn)一步保障了乳膠基質(zhì)的長(zhǎng)期儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

1.3 黏度分析

為解決上向深孔裝藥，該乳膠基質(zhì)應(yīng)具有一定的黏度并應(yīng)滿(mǎn)足泵送要求，常規(guī)露天現(xiàn)場(chǎng)混裝乳膠基質(zhì)黏度為15 ～30 Pa·s[2]，同時(shí)，要求乳膠基質(zhì)在(20 ±5)℃時(shí)黏度低于100 Pa·s[3]，可確保乳膠基質(zhì)在常溫下的可泵性。

首先，通過(guò)80 mm 的PVC 管模擬現(xiàn)場(chǎng)裝藥方式進(jìn)行研究；在滿(mǎn)足PVC 管不返藥或整體下滑情況下，可進(jìn)行實(shí)際炮孔裝藥。

通過(guò)多批次PVC 管試驗(yàn)確定，30 ℃左右乳膠基質(zhì)黏度為50 ～60 Pa·s (Brookfield 黏度計(jì)7＃轉(zhuǎn)子，20 r/min，下同)時(shí)，通過(guò)混裝裝藥設(shè)備可穩(wěn)定裝藥。 在與PVC 管成功裝藥相同的工藝配方下，進(jìn)行了上向孔實(shí)際裝藥試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果大量落藥。 分析原因，炮孔壁含有不同程度石灰渣及裂隙水，顯著影響?zhàn)じ搅?，隨后對(duì)末端噴射裝置及黏度進(jìn)行了調(diào)整。其中，工藝配方進(jìn)行了9 次調(diào)整，主要針對(duì)油相增稠方面進(jìn)行了20 多批次實(shí)際上向孔裝藥，直至成功裝藥不落藥，其裝藥情況見(jiàn)表3。

表3 XP-1320 乳化劑生產(chǎn)的乳膠基質(zhì)裝藥參數(shù)Tab.3 Charging parameters of emulsion matrix produced by XP-1320 emulsifier

對(duì)該批乳膠基質(zhì)的黏度進(jìn)行檢測(cè)，并與Span80生產(chǎn)的乳膠基質(zhì)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表4。

表4 黏度測(cè)試結(jié)果Tab.4 Results of viscosity test Pa·s

多批檢測(cè)顯示，當(dāng)75 ℃時(shí)，乳膠基質(zhì)初始黏度為60 ～65 Pa·s；冷卻至28 ℃時(shí)，黏度為85 ～92 Pa·s；通過(guò)混裝設(shè)備輸藥管末端噴射増黏后取樣檢測(cè)，黏度可達(dá)190 Pa·s 以上，即表明應(yīng)用混裝設(shè)備使用的乳膠基質(zhì)20 ℃時(shí)黏度在90 ～100 Pa·s 之間可穩(wěn)定裝藥。

1.4 配方及生產(chǎn)工藝

地面制乳采用高溫生產(chǎn)工藝技術(shù)，工藝配方比例見(jiàn)表5；工藝流程見(jiàn)圖3。 表5 中，機(jī)油與柴油質(zhì)量比為5︰1。

工藝參數(shù)：水相溶液溫度為85 ℃；水相析晶點(diǎn)為68 ～70 ℃；水相pH 值為2.5 ～3.0；水相密度為1.40 g/cm3；油相溶液溫度為65 ℃。 粗乳器轉(zhuǎn)速550 ～570 r/min；精乳器1″內(nèi)芯2 節(jié)；螺桿泵出口壓力1.25 ～1.30 MPa。

表5 配方比例(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.5 Proportion of formula (mass fracture)%

2 上向深孔混裝用乳膠基質(zhì)的性能

2.1 GB/T 14372—2013 第8 組系列試驗(yàn)

經(jīng)國(guó)家民用爆破器材質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心抽檢檢測(cè)，所檢項(xiàng)目中乳膠基質(zhì)(ANE)的熱穩(wěn)定性試驗(yàn)、乳膠基質(zhì)(ANE)隔板試驗(yàn)和克南試驗(yàn)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，可劃入5.1 氧化劑項(xiàng)；樣品在改進(jìn)的通風(fēng)管試驗(yàn)中未發(fā)生爆炸，根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，樣品可用罐體進(jìn)行運(yùn)輸，滿(mǎn)足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

2.2 儲(chǔ)存期試驗(yàn)

乳膠基質(zhì)儲(chǔ)存期試驗(yàn)采用高低溫循環(huán)試驗(yàn)及自然儲(chǔ)存試驗(yàn)兩種方式驗(yàn)證。

1)高低溫循環(huán)試驗(yàn)。 在塑料螺旋蓋容器中稱(chēng)量80 g 乳膠基質(zhì)，旋緊蓋子后放入自動(dòng)環(huán)境模擬箱中。 編程設(shè)置每一個(gè)循環(huán)為： -30 ℃儲(chǔ)存6 h，50℃儲(chǔ)存6 h。 運(yùn)行結(jié)束后，除去最上層乳膠基質(zhì)樣品，取樣，測(cè)量樣品的析晶面積和析晶數(shù)量。 高低溫循環(huán)前、后乳膠基質(zhì)的外觀見(jiàn)圖4。 高低溫循環(huán)前、后析晶情況見(jiàn)表6；顯微鏡圖見(jiàn)圖5。

在析晶面積和析晶數(shù)量測(cè)試中，數(shù)值越小越好；

表6 高低溫循環(huán)前、后乳膠基質(zhì)的析晶情況Tab.6 Results of high and low temperature cycling test

在樣品表面已被放大100 倍情況下，觀察樣品涂片，面積固定且較??；同時(shí)，結(jié)合不同面積比例下實(shí)際觀察，將析晶面積占比＜5%的結(jié)果判斷為通過(guò)；5% ～10%的結(jié)果判斷為臨界；析晶面積占比＞10%的結(jié)果判斷為失敗，即出現(xiàn)析晶。 表6 數(shù)據(jù)表明，10 個(gè)循環(huán)后乳膠基質(zhì)未析晶破乳。

2)自然儲(chǔ)存試驗(yàn)。 采用4 個(gè)燒杯，每個(gè)燒杯分別放入2 kg 乳膠基質(zhì)，放置在20 ℃恒溫裝置內(nèi)150、180、210、240 d 后，觀察乳膠基質(zhì)外觀，刮去上層基質(zhì)，抽取20 g 樣品檢測(cè)游離硝酸銨質(zhì)量(國(guó)標(biāo)甲醛法)，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 自然儲(chǔ)存測(cè)試結(jié)果Tab.7 Results of natural storage test

試驗(yàn)結(jié)果表明，該工藝配方生產(chǎn)的乳膠基質(zhì)儲(chǔ)存穩(wěn)定性良好，儲(chǔ)存期可達(dá)6 個(gè)月以上。

2.3 抗顛簸性能試驗(yàn)

乳膠基質(zhì)抗顛簸性能試驗(yàn)采用運(yùn)輸模擬試驗(yàn)(低剪切試驗(yàn))及實(shí)際一定距離道路顛簸試驗(yàn)驗(yàn)證。

1)運(yùn)輸模擬試驗(yàn)(低剪切試驗(yàn))。 在50 mL 螺旋蓋容器中裝入50 mL 樣品，抹平杯口。 將樣品杯放入重載油漆搖勻器中，設(shè)定運(yùn)行時(shí)間4 h。 在20℃環(huán)境下，運(yùn)輸模擬4 h 后，除去最上層乳膠基質(zhì)樣品，取樣測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表8、圖6。

表8 運(yùn)輸模擬試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Results of transit test

表8 數(shù)據(jù)表明，運(yùn)輸模擬4 h 后乳膠基質(zhì)未析晶破乳。

2)實(shí)際道路顛簸試驗(yàn)。 采用塑料桶，每桶裝入50 kg 乳膠基質(zhì)，放置在定點(diǎn)運(yùn)輸車(chē)內(nèi)，通過(guò)運(yùn)輸至不同礦山，模擬實(shí)際路況，觀察在運(yùn)輸距離300、400、500、600 km 后乳膠基質(zhì)外觀和檢測(cè)游離硝酸銨質(zhì)量，結(jié)果見(jiàn)表9。試驗(yàn)結(jié)果表明，該工藝配方生產(chǎn)的乳膠基質(zhì)抗顛簸性較好，運(yùn)輸配送距離可達(dá)500 km 以上。

表9 道路顛簸試驗(yàn)結(jié)果Tab.9 Results of road bump simulation test

2.4 泵送試驗(yàn)

乳膠基質(zhì)泵送性能采用泵送模擬試驗(yàn)(高剪切試驗(yàn))及實(shí)際泵送試驗(yàn)驗(yàn)證。

1)泵送模擬試驗(yàn)(高剪切試驗(yàn))。 在5 mL 一次性注射器中裝入4 mL 乳膠基質(zhì)，進(jìn)氣管壓力設(shè)置為0.69 MPa，打開(kāi)開(kāi)關(guān)后，乳膠基質(zhì)從注射器前端沖出并收集至棕色玻璃小瓶中，結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 泵送模擬試驗(yàn)結(jié)果Tab.10 Results of pumping simulation test

表10 數(shù)據(jù)表明，在設(shè)定進(jìn)氣壓力下，乳膠基質(zhì)處于臨界狀態(tài)，若壓力再提高，存在析晶、破乳的風(fēng)險(xiǎn)。

2)實(shí)際泵送試驗(yàn)。 基于現(xiàn)有設(shè)備，通過(guò)基質(zhì)泵進(jìn)行泵送試驗(yàn)，分別記錄乳膠基質(zhì)在常溫下泵送1次、2 次、3 次后的外觀，抽樣檢測(cè)游離硝酸銨質(zhì)量，具體結(jié)果見(jiàn)表11。

表11 實(shí)際泵送模擬試驗(yàn)結(jié)果Tab.11 Results of actual pumping simulation test

試驗(yàn)結(jié)果表明，該工藝配方生產(chǎn)的乳膠基質(zhì)泵送安全性好，在實(shí)際基質(zhì)泵輸送過(guò)程可泵送且未破乳、析晶；同時(shí)，配送儲(chǔ)存罐至混裝設(shè)備采用氣動(dòng)隔膜泵，泵送壓力0.1 ～0.2 MPa，無(wú)任何機(jī)械剪切作用，安全性更高。

2.5 性能指標(biāo)檢測(cè)

產(chǎn)品性能經(jīng)過(guò)國(guó)家安全生產(chǎn)淮北民用爆破器材檢測(cè)中心、煤炭工業(yè)淮北爆破器材產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表12。

表12 產(chǎn)品檢測(cè)報(bào)告Tab.12 Testing report of product

結(jié)合報(bào)告表明，該工藝配方生產(chǎn)的乳膠基質(zhì)經(jīng)敏化后的混裝乳化炸藥所檢項(xiàng)目均滿(mǎn)足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及GB 28286—2012《工業(yè)炸藥通用技術(shù)條件》的要求。

3 實(shí)際爆破應(yīng)用

在某地下礦進(jìn)行了多批次上向拉槽中深孔裝藥爆破試驗(yàn)，裝藥最大孔深大于30 m，孔徑在80 mm，裝藥參數(shù)見(jiàn)表13，爆破效果見(jiàn)圖7。

表13 爆破參數(shù)Tab.13 Blasting parameters

圖7 表明，爆堆松散，塊度均勻，易于鏟裝；鏟裝運(yùn)送后，未見(jiàn)殘孔，爆破效果較好。

4 結(jié)論

1)研制的上向深孔混裝用乳膠基質(zhì)各項(xiàng)性能穩(wěn)定可靠，儲(chǔ)存期達(dá)6 個(gè)月以上，滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，可按5.1 級(jí)進(jìn)行罐體運(yùn)輸，耐顛簸，泵送安全，試驗(yàn)條件下，可遠(yuǎn)程配送。

2)研制的上向深孔混裝用乳膠基質(zhì)通過(guò)混裝設(shè)備裝藥可達(dá)孔深30 m 左右不掉藥；爆破效果良好，解決了上向深孔人工裝藥問(wèn)題，本質(zhì)安全水平大幅度提升，可在地下礦推廣使用。