石怡帆，田惺哲，席 韜，段莉莉

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.天津市天河計(jì)算機(jī)技術(shù)有限公司，天津300457)

目前我國礦產(chǎn)資源經(jīng)過幾十年的開采，大多數(shù)的露天礦山開采逐漸進(jìn)入中后期，露天轉(zhuǎn)地下開采是許多礦山的必然選擇[1]。國內(nèi)的地下礦山主要以中小直徑炮孔爆破為主，裝藥爆破主要包括人工裝藥、壓氣裝填銨油炸藥和現(xiàn)場混裝乳化炸藥[2]。相較于人工裝藥勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，壓氣裝填時(shí)裝藥返粉導(dǎo)致作業(yè)環(huán)境污染的問題，現(xiàn)場混裝乳化炸藥因其使用安全方便、操作簡單、裝藥效率高等優(yōu)點(diǎn)，具有十分廣闊的市場前景[3]。

井下現(xiàn)場混裝乳化炸藥是指借助乳化炸藥現(xiàn)場混裝車裝載乳化基質(zhì)和敏化液，并將其運(yùn)輸至爆破現(xiàn)場，采用連續(xù)輸送和靜態(tài)敏化技術(shù)，使乳化基質(zhì)在炮孔內(nèi)最終敏化成炸藥。目前靜態(tài)敏化技術(shù)使用較多的是后端連續(xù)敏化，其原理如圖1所示，敏化液與乳化基質(zhì)以“水包裹油”的形式被連續(xù)輸入裝藥軟管中，乳化基質(zhì)從管中心流過，敏化液在管壁處起潤滑作用，隨后一起進(jìn)入尾端靜態(tài)敏化區(qū)，在連續(xù)敏化器的作用下，乳化基質(zhì)與敏化液充分混合，最后進(jìn)入炮孔敏化成藥[4]。

圖1 現(xiàn)場混裝乳化炸藥的靜態(tài)敏化技術(shù)原理Fig.1 Technical principle of static sensitization of mixed emulsion explosives on site

連續(xù)敏化器作為井下乳化炸藥混裝車的重要裝置，需要保證乳化基質(zhì)和敏化液連續(xù)均勻地混合。由于井下裝藥中上向孔占比較多，為了防止掉藥現(xiàn)象，乳化基質(zhì)的黏度會適當(dāng)增大[5]，從而導(dǎo)致乳化基質(zhì)輸送壓力和連續(xù)敏化器壓力的提高，安全風(fēng)險(xiǎn)上升。因此考慮到混裝車系統(tǒng)的壓力，為了使連續(xù)敏化器在較低的壓降下實(shí)現(xiàn)乳化基質(zhì)與敏化液的混合，筆者擬采用流體模擬仿真技術(shù)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，在現(xiàn)有連續(xù)敏化器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，借助正交實(shí)驗(yàn)，對不同結(jié)構(gòu)的連續(xù)敏化器的壓力和混合效果進(jìn)行分析，得出連續(xù)敏化器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，使得優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)不僅滿足乳化基質(zhì)與敏化液的混合要求，并且降低流體經(jīng)過連續(xù)敏化器的壓降。

1 模擬計(jì)算

1.1 模型建立和網(wǎng)格劃分

連續(xù)敏化器是一種沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)元件，依靠流體自身的能量，應(yīng)用撞擊流技術(shù)，借助內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)乳化基質(zhì)與敏化液快速混合的裝置。目前井下乳化炸藥混裝車后端敏化的連續(xù)敏化器結(jié)構(gòu)如圖2所示，其分流口直徑3 mm，分流口數(shù)量3個(gè)，分流口角度35°，匯流口直徑8 mm。

圖2 連續(xù)敏化器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of continuous sensitizer

影響連續(xù)敏化器的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有分流口角度、分流口直徑、匯流口直徑和分流口數(shù)量，在現(xiàn)有連續(xù)敏化器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對這4個(gè)影響因素，設(shè)計(jì)4因子3水平的正交實(shí)驗(yàn)，共建立9個(gè)連續(xù)敏化器模型(見表1)。

表1 連續(xù)敏化器的正交實(shí)驗(yàn)Table 1 Orthogonal test of continuous sensitizer

通過Mesh模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對連續(xù)敏化器區(qū)域使用加密的四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，輸藥管區(qū)域使用六面體網(wǎng)格，并進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，最終網(wǎng)格最小尺寸取0.120 mm，網(wǎng)格總數(shù)達(dá)105萬。

1.2 兩相流模型和邊界設(shè)置

兩相流模型選取Mixture多相流混合模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行模擬計(jì)算。在工作壓力和制備溫度下，乳化基質(zhì)與敏化液的物性參數(shù)如表2所示。乳化基質(zhì)的流變特性屬于非牛頓流體，選用廣義牛頓流體本構(gòu)方程Herschel-Bulkley模型進(jìn)行計(jì)算[6-8]。

表2 乳化基質(zhì)與敏化液物性參數(shù)Table 2 Physical parameters of emulsifying matrix and sensitizing liquid

邊界條件設(shè)置為速度入口和壓力出口。設(shè)置乳化炸藥產(chǎn)能50 kg/min，計(jì)算得乳化基質(zhì)以5.781 m/s入口速度從管中心流入，敏化液以4.479 m/s入口速度從環(huán)形流道進(jìn)入。

1.3 模擬結(jié)果與分析

正交實(shí)驗(yàn)各個(gè)模型的模擬計(jì)算結(jié)果如表3所示。壓降為連續(xù)敏化器入口截面與出口截面的壓差，敏化液的液相體積分?jǐn)?shù)方差是指在敏化器出口截面處均勻取100個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，提取這100個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的敏化液液相體積分?jǐn)?shù)，并計(jì)算其方差，方差越小代表敏化液分布越均勻，混合效果越好。

表3 模擬結(jié)果Table 3 Simulation results

1)連續(xù)敏化器的壓降分析。各個(gè)連續(xù)敏化器模型的壓降分析結(jié)果如表4所示。表中的k值指各影響因素下對應(yīng)模型的壓降平均值，即當(dāng)分流口角度為25°時(shí)，對應(yīng)表3中模型1～3，壓降分別是4.794、0.719、0.219 MPa，其壓降平均值k為1.911 MPa。k值越小，代表平均壓降越低。因此從降低連續(xù)敏化器壓降來看，當(dāng)分流口角度取30°，分流口直徑取5 mm，匯流口直徑取8 mm，分流口數(shù)量取4時(shí)為結(jié)構(gòu)最佳。

表4 壓降分析結(jié)果Table 4 Pressure drop analysis results

表4中的R值指各影響因素下k的最大值與最小值之差，即分流口角度R值0.590是對應(yīng)k的最大值1.911與最小值1.321之差。R值決定了各影響因素的影響程度，R值越大表示該因素的影響程度越大。因此，對連續(xù)敏化器壓降影響最大的是分流口直徑，其次是分流口數(shù)量和匯流口直徑，影響最小的是分流口角度。

2)連續(xù)敏化器的混合效果分析。各個(gè)連續(xù)敏化器模型的混合效果分析結(jié)果如表5所示。表中的k指各影響因素下對應(yīng)模型的敏化液體積分?jǐn)?shù)方差的平均值。k值越小，代表敏化液在連續(xù)敏化器出口處分散地越均勻，混合效果越好。當(dāng)考慮連續(xù)敏化器的混合效果時(shí)，分流口角度取30°，分流口直徑取4 mm，匯流口直徑取6 mm，分流口數(shù)量取2時(shí)最合適。

表5 混合效果分析結(jié)果Table 5 Mixed effect analysis results

表5中的R值指各影響因素下k的最大值與最小值之差，R值越大，該因素對連續(xù)敏化器的混合效果影響越大。可以得知，匯流口直徑對混合效果的影響是優(yōu)于分流口數(shù)量、分流口角度和分流口直徑。

結(jié)合表4和表5，分流口直徑對連續(xù)敏化器的壓降影響最明顯，分流口直徑越大，相同流量下流體的流速越低，壓降越低，但是流速降低會使流體的撞擊強(qiáng)度降低，影響混合效果，因此分流口直徑取4 mm；匯流口直徑對連續(xù)敏化器的混合效果影響最大，匯流口直徑取6 mm；在優(yōu)先考慮壓降下，分流口角度取30°,分流口數(shù)量取4。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

控制相同的實(shí)驗(yàn)條件，通過井下乳化炸藥混裝車對優(yōu)化后的連續(xù)敏化器與現(xiàn)有連續(xù)敏化器進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，并取樣進(jìn)行發(fā)泡監(jiān)測和爆速實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，分別提取純水、乳化基質(zhì)與敏化液經(jīng)過連續(xù)敏化器的壓降(見表6)。相較于現(xiàn)有的連續(xù)敏化器，優(yōu)化后連續(xù)敏化器純水壓降降低了50%、乳化基質(zhì)與敏化液的壓降降低25%，有效降低了流體經(jīng)過連續(xù)敏化器的壓降。

表6 連續(xù)敏化器壓降結(jié)果Table 6 Continuous sensitizer pressure drop results (MPa)

在樣品發(fā)泡1 h后，分別對2個(gè)對照樣品進(jìn)行取樣檢測和爆速實(shí)驗(yàn)(見圖3)。乳化基質(zhì)與敏化液經(jīng)過2個(gè)連續(xù)敏化器都具有較好的混合效果。樣品爆速測試使用φ110×1 000 PVC圓管裝填樣品炸藥，裝藥量10 kg；以長100 mm、質(zhì)量0.7 kg的φ90成品藥卷作為起爆藥，每組樣品分別進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)取平均爆速，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7所示，2組樣品在爆破時(shí)都具有較好的爆破效果。因此，優(yōu)化后的連續(xù)敏化器在滿足乳化基質(zhì)與敏化液混合要求的基礎(chǔ)上，降低了流體壓降。

圖3 樣品Fig.3 Sample

表7 炸藥的密度和爆速Table 7 Explosives density and detonation velocity

3 結(jié)論

1)通過流場模擬計(jì)算，對連續(xù)敏化器壓降和混合效果影響最大的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別是分流口直徑和匯流口直徑，優(yōu)化后的連續(xù)敏化器分流口角度為30°，分流口直徑為4 mm，匯流口直徑為6 mm，分流口數(shù)量為4。

2)通過對比現(xiàn)有連續(xù)敏化器實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化后的連續(xù)敏化器對乳化基質(zhì)與敏化液具有較好的混合效果，并且相對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)降低了25%的壓降。