化學增稠乳化炸藥在井下礦的應用

李強,周賀,馮有景,吉學軍,王軍,王強,賈蓮珍

(山西惠豐特種汽車有限公司,山西 長治市 045000)

0 前言

我國礦產(chǎn)資源豐富,表面覆蓋層厚薄不一。覆蓋層薄的適合露天開采,覆蓋層厚的適合地下開采。有些開采多年的露天礦山,剝采比嚴重失調(diào),也需要轉(zhuǎn)入地下開采。我國地下鐵礦山多數(shù)采用無底柱分段崩落法開采,需要向上向炮孔裝填乳化炸藥。由于井下礦規(guī)模小,炸藥用量少,需從外地購買。乳化炸藥存在以下兩個問題:第一,儲存期短,抗震動、耐顛簸性能不能滿足長距離運輸?shù)囊?第二,乳化炸藥黏稠度小,容易出現(xiàn)裝藥返流現(xiàn)象。

山西惠豐特種汽車有限公司提供的HF7號炸藥配方,選用脂類高分子乳化劑合成油相,使乳膠基質(zhì)延長了儲存期,提高了抗震動、耐顛簸性能;用化學增稠的方法減小了輸送過程的壓力,解決了裝藥返流的難題;采用現(xiàn)場混裝工藝,由于乳膠基質(zhì)屬于炸藥半成品,降低了運輸過程中的危險性。在爆破現(xiàn)場,用混裝炸藥車添加催化劑和敏化劑,并泵送到炮孔內(nèi),經(jīng)過發(fā)泡才能成為炸藥,提高了井下炸藥裝填過程的安全性。

1 HF7號炸藥配方

1.1 油相材料的選擇

要想獲得抗震動、耐顛簸、儲存期長、可遠距離運輸?shù)娜槟z基質(zhì),油相材料是關(guān)鍵。眾所周知,乳化炸藥為油包水型乳化液,俗稱乳膠基質(zhì),敏化后形成炸藥。它主要有水相(氧化劑)和油相(可燃劑)兩種互不相溶的物料乳化而成。將水相攪拌成微小液滴均勻地分散在油相中,形成乳膠基質(zhì)。水相為分散相或稱為內(nèi)相,油相為連續(xù)相或稱為外相。乳膠基質(zhì)穩(wěn)定性與油相在水相溶液小液滴表面形成保護膜的厚度和致密程度有關(guān),與油相材料有直接的關(guān)系。在油相材料中乳化劑又起著重要的作用,所以選擇乳化劑是關(guān)鍵。常用的乳化劑有S-80 和高分子乳化劑兩種,高分子乳化劑又有酰胺類和脂類兩種。圖1為span-80乳化劑、聚異丁烯丁二酰亞胺乳化劑和聚異丁烯酯三種乳化劑的結(jié)構(gòu)式。

圖1 三種乳化劑的分子結(jié)構(gòu)

SP-80因其疏水基團中含有碳碳(鏈)雙鍵,導致其疏水基團在氧化劑小液滴表面形成的保護膜不夠致密,加之其疏水基團的碳鏈長度也相對較短,因此,在散裝乳化炸藥中對氧化劑小液滴表面的穩(wěn)定作用相對較弱。聚異丁烯丁二酰亞胺的疏水基團為聚異丁烯,碳鏈較長,但是其親水的基團通過丁二酰亞胺結(jié)構(gòu)與聚異丁烯相連。由于丁二酰亞胺的環(huán)狀結(jié)構(gòu),導致其親水基團與疏水基團之間連接點的剛性增加,調(diào)整二者之間的相對位置的難度增加,不利于該表面活性劑在氧化劑小液滴表面的緊密排列。聚異丁烯酯的疏水基團為聚異丁烯,碳鏈較長,其親水的基團通過酯基與聚異丁烯相連。由于酯基具有較好的柔性,酯基兩段連接的聚異丁烯疏水基團和親水基團能夠更加容易地改變其相對位置,有利于該表面活性在氧化劑小液滴表面的緊密排列。因此,在散裝乳化炸藥生產(chǎn)中,聚異丁烯酯表面活性劑能夠賦予乳膠基質(zhì)更好的穩(wěn)定性。HF7 號配方選用EX9126高分子聚丁烯酯乳化劑。

油相中其他供選擇的材料很多,如機油、柴油和石蠟油等。本配方選擇了基礎油,即不含添加劑的油,有利于乳化和提高乳膠基質(zhì)的穩(wěn)定性,價格也比較低。用脂類高分子乳化劑、基礎油并添加一定比例的增稠劑,在反應釜內(nèi)加熱發(fā)生化學反應后生產(chǎn)成EX9003合成油相。

EX9003油相具有以下優(yōu)點:良好的乳化性能;生產(chǎn)的乳膠基質(zhì)具有極好的抗水性;具有較寬的化學敏化溫度范圍;滿足苛刻的運輸條件;較長的儲存期等。EX9003油相典型數(shù)據(jù)見表1。

表1 EX9003油相典型數(shù)據(jù)

1.2 水相材料的選擇

水相在乳化炸藥中的含量占總量的90%以上,由此可見它是乳化炸藥的重要組成部分。水相在炸藥中提供“正”氧,是乳化炸藥進行氧化反應、釋放能量的源泉。本配方選用單一氧化劑,即水和硝酸銨,其配方簡單,材料來源廣泛。HF7 號配方見表2。

表2 炸藥配方

1.3 乳膠基質(zhì)性能試驗

乳膠基質(zhì)性能試驗結(jié)果見表3。

表3 性能測試結(jié)果

2 炸藥返流解決方法

目前,解決炸藥返流的方法有三種。

2.1 油相中加蠟

該方法制備的乳膠基質(zhì)需要將溫度降到常溫(25℃以下),乳膠基質(zhì)才能變得黏稠,方可向上向炮孔裝藥。如果提高蠟的含量,乳膠基質(zhì)的溫度越低,黏度越高,泵送壓力越高,將帶來安全隱患。

2.2 物理增稠

物理增稠是在地面站生產(chǎn)乳膠基質(zhì)時減小剪切強度,獲得黏稠度較低的乳膠基質(zhì),在混裝炸藥車輸藥膠管的末端加裝靜態(tài)乳化器,通過二次乳化達到增稠的目的。這種方法降低了乳膠基質(zhì)的質(zhì)量,不能長距離運輸,同時輸藥壓力又高達2～3 MPa,具有一定的安全隱患。

2.3 化學增稠

此種炸藥工藝的成功研制提高了乳膠基質(zhì)的質(zhì)量,降低了炸藥輸送過程中的壓力,解決了井下礦上向炮孔裝藥返流的問題,保障了井下炸藥裝填過程的本質(zhì)安全性。

2.3.1 化學增稠原理

HF7號配方主要是為井下礦山裝上向炮孔設計的,采用化學增稠方法,經(jīng)試驗室試驗加入增稠劑,使乳膠基質(zhì)10 s內(nèi)增稠三倍。又通過工業(yè)試驗成功解決了上向炮孔裝藥返流的難題。具體做法是在油相中加入少量中低分子量的有機酰胺類物質(zhì),該物質(zhì)與油相具有高度相容性,在形成乳膠基質(zhì)時,因其是中低分子量的線性分子,所以并不影響乳膠基質(zhì)原有的黏稠度,不影響乳膠基質(zhì)在管道中的正常輸送。當乳膠基質(zhì)進入炮孔和敏化劑、催化劑混合時,該類物質(zhì)正好與催化劑中的有機酸相遇,有機酸很快發(fā)揮作用,在10 s內(nèi)使中低分子量的線性酰胺產(chǎn)生反應,形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而達到增稠效果,裝入炮孔的乳膠基質(zhì)就不會出現(xiàn)返流現(xiàn)象。同時和敏化劑中的亞硝酸鈉發(fā)生反應,產(chǎn)生氣泡,乳膠基質(zhì)的密度降低,成為炸藥。反應原理如下:

2.3.2 黏稠度試驗

用EX9003含增稠功能的油相和加蠟的油相做乳膠基質(zhì)黏稠度對比試驗,兩種配方用同一套乳化裝置,同一生產(chǎn)工藝。使用數(shù)字式旋轉(zhuǎn)黏度計,7號轉(zhuǎn)子,速度為5 r/min,并使用水銀溫度計等。根據(jù)實踐經(jīng)驗,乳膠基質(zhì)黏度必須在1 800 000 CP以上才不會返料。相關(guān)對比試驗數(shù)據(jù)見表4。

表4 乳膠基質(zhì)黏稠度對比試驗數(shù)據(jù)

從表4中數(shù)據(jù)可以看出,用EX9003油相生產(chǎn)的乳膠基質(zhì)溫度降至60℃以下就可下井裝藥。而用含蠟的油相,基質(zhì)溫度必須降到25℃左右才能下井裝藥。夏季,特別是在南方,乳膠基質(zhì)很難降到25℃,如果加大蠟的含量,40℃時也能下井裝藥,但隨著溫度的降低,乳膠基質(zhì)的黏稠度急劇增大,會導致泵送壓力過高。而用EX9003油相生產(chǎn)的乳化炸藥(HF7)很好地解決了溫度適應范圍窄、泵送壓力過高和裝藥返流的難題。

3 井下現(xiàn)場混裝乳化炸藥車

現(xiàn)場混裝乳化炸藥車工作原理如圖2所示,井下現(xiàn)場混裝乳化炸藥車由底盤、料箱、送管器、軟管卷筒、輸藥膠管、電腦控制系統(tǒng)和水膜潤滑裝置等零部件組成。料箱內(nèi)分別盛裝炸藥的原材料,主要有乳膠基質(zhì)、敏化劑、催化劑和清洗水等。三套泵送系統(tǒng)由輸送泵、質(zhì)量流量計、液壓馬達和電腦控制系統(tǒng)形成閉環(huán)控制。工作時,輸入炮孔編號和單孔裝藥量,按下啟動鍵,送管器將輸藥膠管和起爆器材送入孔底。電腦將自動啟動三種原材料泵送系統(tǒng),按比例輸入炮孔,送管器開始收管。收管速度、炸藥密度和炮孔直徑匹配要合理,如果收管速度過快,就會造成斷藥;如果收管速度過慢,輸藥膠管就會把炸藥拖下來。從圖2可以看出,敏化劑在輸藥膠管的最外層,起到潤滑作用,減小泵送壓力。催化劑在中心,三種物料在輸藥膠管內(nèi)相互不混合,當輸送到輸藥管末端時,經(jīng)靜態(tài)混合器,將三種物料混拌均勻,這時催化劑中的酸和增稠劑相遇發(fā)生反應,10 s內(nèi)增稠。催化劑中的酸又和敏化劑中的亞硝酸鈉相遇發(fā)生反應,產(chǎn)生氣泡,在20～30 min內(nèi)炸藥密度敏化到1.15～1.18 g/cm3,具備起爆條件。

圖2 井下現(xiàn)場混裝乳化炸藥車工作原理

4 現(xiàn)場試驗

4.1 存在問題及優(yōu)化

8月13日生產(chǎn)了第一批乳膠基質(zhì),首先在地面站用Φ100×4PVC 管做模擬試驗,管內(nèi)加上自來水,基質(zhì)打進垂直的管中,無返流現(xiàn)象。而8月17日到順風鐵礦井下做試驗時,裝入炮孔內(nèi)的炸藥卻全部滑落下來,孔內(nèi)幾乎一點藥都沒有。裝入炮孔內(nèi)的炸藥返流原因主要有:PVC管材料是聚丙烯有機物,與乳膠基質(zhì)中油相親和力較好,管臂和炸藥的靜摩擦力大于炸藥的重力,所以炸藥不會返流;順風鐵礦的礦石為磁鐵礦(Fe3O4),是無機物,與油相沒有親和力;炮孔內(nèi)壁表面光滑,不停地往外滲水;炮孔內(nèi)表面還附有微細砂粒,形成一層帶砂粒的潤滑水膜,摩擦系數(shù)很小,炸藥與孔壁產(chǎn)生的靜摩擦力小于炸藥的重力,所以造成裝藥返流。

4.2 解決措施

(1)對油相進行了調(diào)整,在油相中添加親水性物質(zhì),使敏化后乳化炸藥的親水性得到大幅度提升;

(2)把敏化劑中的無機酸改為有機酸,進一步增加乳化炸藥的親水性能;

(3)改進了輸藥管出口混合器結(jié)構(gòu),使藥漿從混合器周邊45°方向形成噴射狀態(tài),打破了孔壁上的水膜和砂粒層,使炸藥牢牢地黏結(jié)到炮孔內(nèi)壁上。

4.3 優(yōu)化后的試驗結(jié)果

8月22日采取以上措施后生產(chǎn)了第二批乳膠基質(zhì),到井下進行了驗證試驗,炸藥未出現(xiàn)裝藥返流現(xiàn)象,說明上述措施有效,問題得以解決。8月23日正式下井裝藥,在裝藥過程中,未出現(xiàn)炸藥返流問題。試驗后爆破效果良好。隨著礦井生產(chǎn)正常開展,在之后的三年中累計裝藥2600 余t,至此化學增稠乳化炸藥在井下礦山順利應用。

5 結(jié)論

(1)采用HF7號配方生產(chǎn)的乳膠基質(zhì),具有抗震動、耐顛簸、儲存期長、能遠距離運輸?shù)膬?yōu)點。

(2)采用敏化劑和催化劑外加方法,獲得了較寬的敏化溫度范圍,保證了炸藥正常敏化和炸藥質(zhì)量,改善了爆破效果。

(3)利用化學增稠綜合技術(shù)生產(chǎn)的乳化炸藥,在炮孔內(nèi)快速達到了增稠效果,解決了井下礦上向炮孔裝藥返流問題。