琚楠松 任 斌 龔 兵 張 鑫 遲洪鵬

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

現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥技術(shù)[1-2]是利用車(chē)載設(shè)備將乳膠基質(zhì)和發(fā)泡劑按一定比例混合輸送進(jìn)入炮孔，在炮孔內(nèi)發(fā)泡后成為乳化炸藥，具有本質(zhì)安全性高的特點(diǎn)。十一五以來(lái)，隨著國(guó)家行業(yè)主管部門(mén)大力鼓勵(lì)推廣發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥車(chē)已廣泛應(yīng)用于露天礦山和井下礦山等領(lǐng)域[3-4]。本文所述現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥車(chē)的關(guān)鍵設(shè)備為螺桿泵，盡管混裝車(chē)設(shè)計(jì)了超溫、超壓、斷流等安全聯(lián)鎖功能，提高了作業(yè)過(guò)程安全性，但當(dāng)出現(xiàn)斷料干磨或超壓斷流時(shí)，仍會(huì)導(dǎo)致螺桿泵內(nèi)的乳膠基質(zhì)升溫帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。本文從研究現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥車(chē)出口壓力變化的現(xiàn)象入手，分析混裝車(chē)出口壓力的影響因素和控制技術(shù)。

1 現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥車(chē)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由汽車(chē)底盤(pán)和裝藥系統(tǒng)組成，其中裝藥系統(tǒng)包括乳膠基質(zhì)儲(chǔ)存及其輸送系統(tǒng)、敏化劑儲(chǔ)存及其輸送系統(tǒng)、減阻系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、自動(dòng)控制動(dòng)態(tài)監(jiān)控信息系統(tǒng)、卷管系統(tǒng)等。

乳膠基質(zhì)由螺桿泵進(jìn)行泵送，然后和敏化劑在混合器內(nèi)進(jìn)行摻混，通過(guò)減阻器后在水環(huán)的包裹下經(jīng)卷筒、輸藥軟管送入炮孔內(nèi)，在炮孔內(nèi)敏化發(fā)泡后形成成品炸藥，其中混裝車(chē)出口壓力、溫度、流量分別由布置在基質(zhì)管道上相應(yīng)的傳感器在線采集并傳輸至自動(dòng)控制系統(tǒng)。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥車(chē)組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Composition structure of emulsified explosive field mixing truck

2 出口壓力影響因素分析

綜合分析，現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥車(chē)出口壓力的影響因素有三大類(lèi)，第一類(lèi)為裝藥設(shè)備的內(nèi)在因素，第二類(lèi)為基質(zhì)、敏化劑等半成品原料的外在因素，第三類(lèi)為裝藥作業(yè)條件外部環(huán)境。

2.1 混裝設(shè)備因素

根據(jù)圖1可知，混裝設(shè)備主要有罐體、螺桿泵、混合器、減阻器、卷筒、輸藥軟管等。上述設(shè)備對(duì)混裝車(chē)出口壓力的影響如下：

乳膠基質(zhì)罐體是裝載原材料的容器，罐體出口出現(xiàn)吸空現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致螺桿泵出口壓力降低，敏化劑罐或儲(chǔ)水罐斷料無(wú)法形成水環(huán)導(dǎo)致出口壓力驟增，甚至?xí)l(fā)生堵管現(xiàn)象。

混合器是將敏化液和乳膠基質(zhì)進(jìn)行充分摻混的專(zhuān)用設(shè)備，摻混的好壞直接影響炸藥性能，混合器的數(shù)量一般為2～3個(gè)，數(shù)量多摻混好，但壓力也會(huì)越高。此外，當(dāng)乳膠基質(zhì)溫度為60℃以上時(shí)，混合器布置在減阻器前端，其他溫度時(shí)布置在末端，前端敏化時(shí)，乳膠基質(zhì)與敏化劑充分混合后在輸藥管內(nèi)輸送，因敏化發(fā)泡破壞水環(huán)導(dǎo)致輸送壓力增加。

減阻器[5]是乳膠基質(zhì)輸送過(guò)程中降阻減壓的關(guān)鍵設(shè)備，減阻器發(fā)生堵塞容易造成混裝車(chē)出口壓力不穩(wěn)或顯著增大，這是目前混裝作業(yè)過(guò)程中普遍存在的問(wèn)題。

卷筒前后存在多處彎頭、軟管接頭，彎頭、管接頭及管路變徑均會(huì)造成出口壓力增大。輸藥軟管的長(zhǎng)短和內(nèi)徑對(duì)混裝車(chē)出口壓力影響較大，其他條件不變的情況下，輸藥軟管越長(zhǎng)，輸藥軟管內(nèi)徑越小，混裝車(chē)出口的壓力越大。

2.2 原料因素

現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥裝載的半成品原料包括地面站生產(chǎn)的乳膠基質(zhì)、敏化液、水等。

由于乳膠基質(zhì)是非牛頓黏性物料，其溫度與黏度不具有線性比例關(guān)系，但溫度高時(shí)黏度低；不同廠家生產(chǎn)的乳膠基質(zhì)各不相同，其黏度、流動(dòng)性差異大，通常情況下，乳膠基質(zhì)流動(dòng)性差、黏度大，其輸送壓力大。與此同時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥的敏化是化學(xué)反應(yīng)，溫度高、敏化液濃度大，均會(huì)加快化學(xué)反應(yīng)速度，進(jìn)而促進(jìn)乳化炸藥的快速敏化，輸送控制難度大、壓力高，因此不同的生產(chǎn)工藝會(huì)給乳膠基質(zhì)定一個(gè)比較合適的溫度范圍和敏化液的配置濃度范圍。水和敏化液應(yīng)當(dāng)保證干凈，避免出現(xiàn)小石子之類(lèi)的雜質(zhì)，否則容易造成減阻器堵塞，進(jìn)而增加輸送壓力。

2.3 作業(yè)條件因素

現(xiàn)場(chǎng)混裝作業(yè)條件對(duì)混裝車(chē)出口壓力影響較大。根據(jù)孔的含水狀態(tài)可分為干孔和水孔。干孔是混裝作業(yè)的理想條件，相應(yīng)的混裝車(chē)出口壓力較?。凰籽b藥作業(yè)時(shí)需將輸藥管沉入孔底，且受到靜水壓力作用，輸送壓力更高。

根據(jù)混裝車(chē)與炮孔位置高差可分為水平孔和上向孔，相對(duì)來(lái)說(shuō)，上向孔裝藥不但需要克服輸送阻力，還需要克服管內(nèi)乳膠基質(zhì)的重力，輸送壓力更高。

3 出口壓力的控制技術(shù)研究

根據(jù)管道沿程阻力損失公式，可知輸送阻力與輸藥軟管直徑、長(zhǎng)度和混裝速度關(guān)系式：

(1)

μ=0.01～0.02

式中：ΔPf—輸送阻力，MPa；λ—沿程阻力系數(shù)；μ—阻力系數(shù)；g—重力系數(shù)，N/kg；l—輸藥管長(zhǎng)度，m；V—混裝速度，m/s；D—輸藥管內(nèi)徑，m。

根據(jù)上述公式，可知混裝車(chē)出口壓力與輸藥軟管長(zhǎng)度、混裝速度及阻力系數(shù)成比例關(guān)系，與輸藥軟管內(nèi)徑成反比例關(guān)系，同時(shí)，混裝速度影響更大。

3.1 管道阻力輸送控制技術(shù)

混裝作業(yè)時(shí)，應(yīng)觀察箱體內(nèi)原材料情況，避免出現(xiàn)吸空現(xiàn)象。當(dāng)壓力過(guò)大時(shí)，可以在滿足混合效果的前提下適當(dāng)減少混合器內(nèi)的芯頭數(shù)量，實(shí)現(xiàn)減小壓力的目的；設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少?gòu)濐^以及變徑設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)基質(zhì)輸送過(guò)程的順暢，降低輸藥阻力。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)調(diào)試數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)作業(yè)參數(shù)如表1所示，改變單一自變量條件，獲得擬合的混裝設(shè)備因素與壓力之間的趨勢(shì)圖，同時(shí)根據(jù)公式(1)獲得擬合曲線，如圖2所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)作業(yè)參數(shù)Table 1 On-site production operation parameters

圖2 混裝設(shè)備因素與壓力的關(guān)系Fig.2 The relationship between loading equipment factors and pressure

根據(jù)圖2(a)、(b)、(c)中的試驗(yàn)曲線和公式擬合曲線都可以看出：輸藥管長(zhǎng)度越長(zhǎng)，混裝速度越大。輸藥管徑越大，出口壓力越大。試驗(yàn)曲線和公式擬合曲線所顯示的總體趨勢(shì)相同，但同時(shí)兩曲線也有較大的差異：理論公式計(jì)算的數(shù)值明顯小于試驗(yàn)曲線數(shù)據(jù)，這是因?yàn)樯鲜隼碚摴絻H考慮了長(zhǎng)度、速度以及管徑的影響，而乳膠基質(zhì)輸送壓力除了受到上述條件影響，還受到水環(huán)流量、基質(zhì)溫度、敏化液濃度等影響。從圖2(d)可以看出水環(huán)流量越大，出口壓力越小，因此可以通過(guò)適當(dāng)調(diào)整水環(huán)流量的大小，實(shí)現(xiàn)出口壓力的控制；控制混裝速度以及輸藥軟管的長(zhǎng)度和管徑，混裝車(chē)出口壓力可有效控制，但同時(shí)輸藥軟管的內(nèi)徑不可太大，必須符合作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況和減輕操作人員作業(yè)強(qiáng)度要求，因此實(shí)際操作時(shí)，混裝速度、輸藥軟管長(zhǎng)度、輸藥軟管內(nèi)徑合理選擇后，可有效控制混裝車(chē)出口壓力。

3.2 原料物性控制技術(shù)

原材料在管內(nèi)產(chǎn)生阻力的原因有兩方面，一是乳膠基質(zhì)和敏化劑在管內(nèi)發(fā)泡，體積增大進(jìn)而增大阻力；二是乳膠基質(zhì)黏度的影響，基質(zhì)黏度越大，輸送阻力越大。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試生產(chǎn)獲得原材料因素與壓力之間的趨勢(shì)圖，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)作業(yè)參數(shù)如表1所示，改變單一自變量條件，獲得擬合的混裝設(shè)備因素與壓力之間的趨勢(shì)圖，如圖3所示。

圖3 原材料因素與壓力的關(guān)系Fig.3 The relationship between raw material factors and pressure

乳膠基質(zhì)發(fā)泡速度主要受到基質(zhì)的溫度以及敏化劑的濃度的影響，如圖3(a)、(b)所示，出口壓力隨著乳膠基質(zhì)溫度的增大和黏度的增大而增大。乳膠基質(zhì)的溫度有常溫和高溫兩種，一般基質(zhì)溫度越高，發(fā)泡速度越快，因此普通混裝車(chē)裝高溫乳膠基質(zhì)壓力較高。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)兩種溫度的基質(zhì)均有對(duì)應(yīng)的混裝車(chē)，高溫乳膠基質(zhì)發(fā)泡速度較快，在管內(nèi)形成的壓力也較大，因此高溫現(xiàn)場(chǎng)混裝車(chē)通過(guò)前段敏化發(fā)泡，管內(nèi)輸送半敏化基質(zhì)，使得管內(nèi)基質(zhì)體積不再明顯增加，進(jìn)而降低混裝車(chē)出口壓力。各個(gè)廠家針對(duì)不同的基質(zhì)配了不同濃度的敏化液，敏化液濃度越大，發(fā)泡速度越快，為了合理控制出口壓力，應(yīng)當(dāng)在確保發(fā)泡效果的前提下，降低敏化液的濃度。

圖3(c)表明出口壓力隨乳膠基質(zhì)黏度增大而增大，這是因?yàn)榛|(zhì)黏度的增大使得基質(zhì)在管內(nèi)摩擦力增大，進(jìn)而導(dǎo)致出口壓力增大，因此在地面站生產(chǎn)乳膠基質(zhì)應(yīng)在確保乳膠基質(zhì)質(zhì)量的同時(shí)，降低乳膠基質(zhì)的黏度。

3.3 混裝車(chē)出口壓力綜合控制技術(shù)

混裝作業(yè)條件無(wú)法改變，因此混裝車(chē)需要針對(duì)作業(yè)條件實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。當(dāng)遇到水孔時(shí)，需要有序拔管，并適當(dāng)增大水環(huán)流量，進(jìn)而穩(wěn)定混裝車(chē)出口壓力，若壓力增大在可控范圍內(nèi)，可不做調(diào)整，當(dāng)壓力增大較為明顯時(shí)，應(yīng)及時(shí)增大水環(huán)流量，必要時(shí)可降低混裝速度；井下上向孔裝藥時(shí)，因裝藥時(shí)要求有一定的壓力，使基質(zhì)噴射到孔壁周?chē)?，達(dá)到基質(zhì)掛壁的要求，因此井下上向孔裝藥時(shí)，可適當(dāng)降低水環(huán)流量，減小輸藥管半徑。

綜上所述，混裝車(chē)出口壓力主要受到設(shè)備、原材料、作業(yè)環(huán)境等多方面因素的影響，因此本文通過(guò)分析混裝車(chē)出口壓力的影響因素，探討了出口壓力的控制技術(shù)，拓展公式(1)，進(jìn)而更為全面地表達(dá)現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥車(chē)的出口壓力。

(2)

式中，ΔPf—輸送阻力，MPa；μ—阻力系數(shù)；a、b、c、d—相關(guān)性指數(shù)；l—輸藥管長(zhǎng)度，m；V—混裝速度，m/s；D—輸藥管內(nèi)徑，m；W—敏化液濃度，g/L；T—乳膠基質(zhì)溫度，攝氏度；τ—乳膠基質(zhì)黏度，mPa·s；Q—水環(huán)流量，L/min。

式(2)通過(guò)總結(jié)設(shè)備、原材料、作業(yè)條件等壓力控制技術(shù)，較為全面的闡述了混裝車(chē)出口壓力與各影響因素之間的關(guān)系，可為后續(xù)工程實(shí)踐提供一定的理論支持和技術(shù)指導(dǎo)，但具體相關(guān)性指數(shù)有待進(jìn)一步研究。

4 總結(jié)

本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥技術(shù)應(yīng)用情況，從設(shè)備、原料、作業(yè)環(huán)境等多方面分析了影響混裝車(chē)出口壓力的因素，探討了不同影響因素條件下的壓力控制技術(shù)。得出如下結(jié)論：

1)輸藥軟管的長(zhǎng)度、裝藥速度、敏化液濃度、乳膠基質(zhì)溫度、乳膠基質(zhì)黏度、輸藥管揚(yáng)程和混裝車(chē)出口壓力呈一定正相關(guān)的關(guān)系；

2)輸藥軟管的內(nèi)徑、水環(huán)流量和混裝車(chē)出口壓力呈一定的負(fù)相關(guān)的關(guān)系；

3)水孔裝藥壓力比干孔裝藥壓力大，需要適當(dāng)干預(yù)以控制混裝車(chē)出口壓力；

4)應(yīng)當(dāng)正確選取輸藥管和接頭等輸藥設(shè)備，并減少不必要的彎頭和突變接口；

5)根據(jù)分析結(jié)果，總結(jié)了裝藥出口壓力公式。