混裝乳化炸藥在高寒高海拔地區(qū)的應(yīng)用研究

齊紅雪，劉大維，代澤軍，李俊杰

(中國(guó)葛洲壩集團(tuán) 易普力股份有限公司，重慶 400023)

西藏自治區(qū)墨竹工卡縣巨龍銅業(yè)采區(qū)屬于高寒高海拔地區(qū)，其海拔達(dá)到5000 m以上，常年低溫，氣壓偏低。采區(qū)使用的現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥生產(chǎn)技術(shù)為地面站靜態(tài)制乳+現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥車敏化裝藥[1,2]，地面站制乳系統(tǒng)位于海拔4372 m的雪域高原上，生產(chǎn)出的乳化基質(zhì)儲(chǔ)存期短，僅20 d左右，表面易結(jié)殼，導(dǎo)致基質(zhì)儲(chǔ)罐及混裝車清洗頻次高，勞動(dòng)強(qiáng)度大；基質(zhì)配方的水含量低于17%，基質(zhì)儲(chǔ)罐儲(chǔ)存量大于10 t，屬于重大危險(xiǎn)源，安全風(fēng)險(xiǎn)大；混裝乳化炸藥現(xiàn)場(chǎng)敏化質(zhì)量差，無(wú)效大氣泡過(guò)多，炸藥呈“豆腐渣”狀態(tài)。針對(duì)上述應(yīng)用問(wèn)題，通過(guò)詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)調(diào)研，從混裝乳化基質(zhì)水相配方設(shè)計(jì)、油相配方設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)敏化等工藝技術(shù)方面著手進(jìn)行試驗(yàn)優(yōu)化，解決混裝乳化炸藥在高寒高海拔環(huán)境下生產(chǎn)應(yīng)用方面的技術(shù)難題。

1 水相配方設(shè)計(jì)

1.1 水相配方設(shè)計(jì)

當(dāng)前使用的混裝乳化基質(zhì)含水量?jī)H14%，為降低基質(zhì)儲(chǔ)存的安全風(fēng)險(xiǎn)，減少采區(qū)重大危險(xiǎn)源數(shù)量，為此試驗(yàn)僅改變水相配方中硝酸銨與水的比例，其他水相組分不變，水、油相配比不變，使得基質(zhì)配方含水量達(dá)到17%。根據(jù)以前的研究結(jié)果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提高基質(zhì)配方含水量(也就是較低的硝酸銨濃度)可以降低水相析晶點(diǎn)，有利于基質(zhì)儲(chǔ)存穩(wěn)定性[3]。

試驗(yàn)配方按地面站現(xiàn)執(zhí)行的生產(chǎn)工藝進(jìn)行線上生產(chǎn)試驗(yàn)。進(jìn)行線上生產(chǎn)試驗(yàn)前需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室小試，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室小試判斷基質(zhì)乳化情況，確定水相密度、水相析晶點(diǎn)等工藝參數(shù)。線上主要生產(chǎn)工藝參數(shù)見表1，試驗(yàn)調(diào)整前后基質(zhì)各生產(chǎn)工藝參數(shù)無(wú)明顯變化，基質(zhì)乳化狀態(tài)良好，新生產(chǎn)的乳化基質(zhì)表面均光亮有光澤，狀態(tài)良好。

1.2 混裝乳化炸藥性能測(cè)試試驗(yàn)

新生產(chǎn)的試驗(yàn)基質(zhì)和原配方基質(zhì)分別用透明塑料杯取樣，在當(dāng)?shù)馗吆吆０苇h(huán)境條件下自然敞口儲(chǔ)存，跟蹤觀察兩個(gè)基質(zhì)儲(chǔ)存狀態(tài)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)：原配方基質(zhì)儲(chǔ)存20 d后表面出現(xiàn)析晶，25 d后基質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)析晶；試驗(yàn)基質(zhì)儲(chǔ)存35 d后表面出現(xiàn)析晶，40 d后基質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)少量析晶。對(duì)比結(jié)果表明調(diào)整水相配方后基質(zhì)儲(chǔ)存穩(wěn)定性有所提高。

表 1 地面站主要生產(chǎn)工藝參數(shù)

試驗(yàn)基質(zhì)裝入現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥車運(yùn)輸?shù)奖片F(xiàn)場(chǎng)，在采區(qū)北露天海拔5340～5240 m、驅(qū)龍礦區(qū)海拔5440～5320 m范圍內(nèi)的多個(gè)平臺(tái)進(jìn)行多次爆破試驗(yàn)。用爆速儀測(cè)炸藥樣品的孔外爆速，爆速3900～4000 m/s與試驗(yàn)調(diào)整前爆速3700～4200 m/s相當(dāng)，未有下降。經(jīng)炮堆勘驗(yàn)和挖裝反饋爆破效果良好，無(wú)根底、無(wú)大塊，巖石塊度均勻，見圖1，炸藥性能滿足爆破要求。

圖 1 在北露天5312平臺(tái)爆破效果Fig. 1 Blasting effect on 5312 platform in North Open pit area

2 改善敏化效果

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)：混裝乳化炸藥采用化學(xué)敏化，敏化劑為25%濃度的亞硝酸鈉水溶液，敏化速度非?？?，5 min內(nèi)完成敏化，敏化質(zhì)量很差，炸藥內(nèi)部大氣泡非常多，呈現(xiàn)“豆腐渣”狀態(tài)，同時(shí)炸藥密度控制范圍過(guò)大，達(dá)到1.05～1.25 g/cm3，炸藥質(zhì)量控制較差[4-5]。分析認(rèn)為：主要是水相pH太低，敏化反應(yīng)促進(jìn)條件太強(qiáng)[6]，導(dǎo)致炸藥內(nèi)大量氣泡提前生成，經(jīng)過(guò)后面設(shè)備輸送、泵送等破壞，導(dǎo)致大氣泡聚集或逃逸，使得炸藥呈現(xiàn)“豆腐渣”狀態(tài)。

為此在試驗(yàn)1的基礎(chǔ)上將水相配方中外加添加劑檸檬酸含量調(diào)低，減弱敏化促進(jìn)條件，使得水相pH變高，水相pH由原來(lái)的3.8～4.0調(diào)整到4.2～4.5，以實(shí)現(xiàn)減弱敏化促進(jìn)條件，降低敏化速度；同時(shí)水相中外加基水相重量0.15%的發(fā)泡促進(jìn)劑E[7]，這是一種緩沖劑，可降低高溫基質(zhì)敏化速度和提高低溫基質(zhì)敏化速度，有利于適應(yīng)當(dāng)?shù)囟嘧兊臍夂驐l件。

先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室小試敏化對(duì)比試驗(yàn)，敏化劑添加量均為基質(zhì)質(zhì)量0.3%，外部環(huán)境溫度8℃以下，敏化效果見表2。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)調(diào)整后的炸藥敏化速度明顯放慢，敏化質(zhì)量得到改善，炸藥內(nèi)部大氣泡減少，小氣泡增多。原配方乳化基質(zhì)的最低敏化溫度為60℃，試驗(yàn)基質(zhì)的最低敏化溫度可降低到40℃，這更能滿足現(xiàn)場(chǎng)某些特殊條件，如基質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間未用、天氣過(guò)于寒冷等導(dǎo)致基質(zhì)溫度過(guò)低。

表 2 敏化效果對(duì)比

在北露天5340～5310多個(gè)平臺(tái)試用，用密度杯接取輸藥管口炸藥，每5 min測(cè)量一下炸藥密度，發(fā)現(xiàn)：炸藥從輸藥管口出來(lái)后才開始快速敏化，炸藥敏化速度明顯放慢，敏化時(shí)間由原來(lái)的5 min控制到10 min，孔口炸藥密度基本保持在1.15～1.20 g/cm3范圍內(nèi)，炸藥內(nèi)部大氣泡顯著減少，小氣泡增多，敏化質(zhì)量改善明顯，敏化效果見圖2。用皮尺測(cè)量炮孔內(nèi)炸藥裝藥高度，發(fā)現(xiàn)相同孔徑時(shí)試驗(yàn)炸藥的裝藥高度要高20～30 cm，也就是炸藥線裝藥密度有所下降，這是因?yàn)榕诳變?nèi)炸藥在承壓狀態(tài)下內(nèi)部大氣泡容易被擠壓出炸藥，導(dǎo)致孔內(nèi)炸藥密度增大，體積變小。經(jīng)后期炮堆勘驗(yàn)和挖裝反饋試驗(yàn)炸藥的爆破效果良好，炸藥性能滿足爆破要求。

圖 2 現(xiàn)場(chǎng)敏化效果對(duì)比Fig. 2 Comparison of field sensitization effect

3 油相配方設(shè)計(jì)

3.1 油相配方設(shè)計(jì)

水相配方調(diào)整后混裝乳化基質(zhì)儲(chǔ)存穩(wěn)定性雖有提高，但仍需進(jìn)一步提高基質(zhì)儲(chǔ)存穩(wěn)定性，減少基質(zhì)儲(chǔ)罐及混裝車清洗頻次，為此試驗(yàn)將油相配方中乳化劑EPE-2替換為聚異丁烯丁二酸酐衍生物類高分子乳化劑EPE-3021[8-11]。因?yàn)镋PE-2乳化劑含有一定比例的較短的油溶結(jié)構(gòu)，會(huì)使得乳化基質(zhì)油包水結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性相對(duì)較差，使得基質(zhì)較容易出現(xiàn)析晶破乳，對(duì)基質(zhì)儲(chǔ)存穩(wěn)定性不利，再加上高海拔地區(qū)的多變氣候，基質(zhì)的儲(chǔ)存穩(wěn)定性更差。而聚異丁烯丁二酸酐衍生物類高分子乳化劑EPE-3021是中國(guó)葛洲壩集團(tuán)易普力股份有限公司自主研發(fā)的科研產(chǎn)品，其所制備的乳化基質(zhì)儲(chǔ)存、抗水、抗顛簸、耐泵送性能優(yōu)異，能完全替代NB2424、EPE-2等高分子乳化劑用于金奧博靜態(tài)乳化工藝，且已在多個(gè)生產(chǎn)線成功使用。

在試驗(yàn)1和2的基礎(chǔ)上進(jìn)行本次試驗(yàn)，替換油相配方乳化劑材料，其他油相組分不變，水、油相配比不變，試驗(yàn)配方按地面站現(xiàn)執(zhí)行的生產(chǎn)工藝進(jìn)行線上生產(chǎn)試驗(yàn)。

進(jìn)行線上生產(chǎn)試驗(yàn)前需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室小試，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室小試判斷基質(zhì)乳化情況和敏化速度，確定油相密度等工藝參數(shù)，實(shí)驗(yàn)室小試結(jié)果表明乳化劑替換對(duì)基質(zhì)乳化狀態(tài)和敏化速度基本無(wú)影響。實(shí)驗(yàn)室小試無(wú)問(wèn)題后進(jìn)行線上小試試驗(yàn)，線上主要生產(chǎn)工藝參數(shù)見表3，線上試驗(yàn)結(jié)果表明：乳化劑替換對(duì)基質(zhì)各主要生產(chǎn)工藝參數(shù)無(wú)明顯影響，基質(zhì)乳化狀態(tài)良好，新生產(chǎn)的乳化基質(zhì)表面光亮有光澤，狀態(tài)良好。

3.2 混裝乳化炸藥性能測(cè)試試驗(yàn)

新生產(chǎn)的試驗(yàn)基質(zhì)和原配方基質(zhì)分別用透明塑料杯取樣，在當(dāng)?shù)馗吆吆０苇h(huán)境條件下自然敞口儲(chǔ)存，跟蹤觀察兩個(gè)基質(zhì)儲(chǔ)存狀態(tài)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：原配方基質(zhì)儲(chǔ)存40 d后表面出現(xiàn)析晶，45 d后基質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)析晶；試驗(yàn)配方基質(zhì)儲(chǔ)存60 d后表面出現(xiàn)析晶，70 d后基質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)少量析晶。對(duì)比結(jié)果表明調(diào)整油相配方后基質(zhì)儲(chǔ)存穩(wěn)定性進(jìn)一步提高。

表 3 地面站主要生產(chǎn)工藝參數(shù)

試驗(yàn)基質(zhì)在采區(qū)北露天5230～5370范圍內(nèi)的多個(gè)平臺(tái)進(jìn)行試用，用密度杯接取輸藥管口炸藥，每5 min測(cè)量下炸藥密度，發(fā)現(xiàn)敏化時(shí)間8～10 min，孔口炸藥密度基本保持在1.15～1.20 g/cm3范圍內(nèi)，敏化質(zhì)量無(wú)明顯差異。用爆速儀測(cè)炸藥樣品的孔外爆速，爆速3700～3900 m/s與試驗(yàn)調(diào)整前數(shù)值相當(dāng)。經(jīng)炮堆勘驗(yàn)和挖裝反饋爆破效果良好，見圖3，炸藥性能滿足爆破要求。

圖 3 在北露天5300平臺(tái)爆破效果Fig. 3 Blasting effect on 5300 platform in North Open pit area

4 結(jié)論

通過(guò)調(diào)研現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥在高寒高海拔地區(qū)的使用情況，從實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題出發(fā)，著手一一解決各項(xiàng)問(wèn)題，同時(shí)不會(huì)對(duì)當(dāng)前混裝乳化炸藥生產(chǎn)工藝、炸藥性能和爆破效果產(chǎn)生不良影響：

(1)通過(guò)水相配方設(shè)計(jì)，將基質(zhì)配方含水量提高至17%，減少采區(qū)重大危險(xiǎn)源數(shù)量，提高基質(zhì)本質(zhì)安全度，同時(shí)還可改善基質(zhì)儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

(2)通過(guò)調(diào)整敏化促進(jìn)條件，向水相中外加添加劑，改善炸藥敏化效果，便于控制炸藥密度，減少炸藥使用量。

(3)通過(guò)油相配方設(shè)計(jì)，使用新型高分子乳化劑材料，進(jìn)一步改善基質(zhì)儲(chǔ)存穩(wěn)定性，減少基質(zhì)儲(chǔ)罐及混裝車清洗頻次。