郝亞飛 薛 里 張小勇 楊敏會(huì) 肖青松

(1.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)易普力股份有限公司,重慶 401121;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司,北京 100081)

相比傳統(tǒng)包裝炸藥爆破技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥爆破技術(shù)具有安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，目前已在我國(guó)水利水電、礦山、機(jī)場(chǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中廣泛應(yīng)用，尤其是在大型露天礦山，其大孔徑、高臺(tái)階作業(yè)特點(diǎn)充分發(fā)揮了現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥的優(yōu)勢(shì)[1-5]。相比露天工程領(lǐng)域，現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥在地下工程領(lǐng)域的發(fā)展較為緩慢。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)個(gè)別礦山開(kāi)始嘗試在上向孔爆破中應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥，并取得了一定的效果[6-9]。但是在巷道掘進(jìn)爆破應(yīng)用環(huán)境中，受制于單次爆破藥量低、炮孔直徑小、光面爆破難以解決等問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥在巷道掘進(jìn)爆破中的推廣應(yīng)用受限[9-11]。國(guó)外現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥爆破技術(shù)在巷道掘進(jìn)中應(yīng)用較為成熟，如ORICA公司開(kāi)發(fā)的MCU2000系列移動(dòng)裝藥單元設(shè)備，南非AEL公司開(kāi)發(fā)的MCU系列移動(dòng)裝藥單元設(shè)備，可方便放置在適應(yīng)地下環(huán)境的通用底盤(pán)裝備上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥裝藥爆破，但是上述設(shè)備不對(duì)國(guó)內(nèi)銷售。為此，本研究以某礦山水平巷道掘進(jìn)為試驗(yàn)對(duì)象，開(kāi)發(fā)了模塊化現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥裝藥器，設(shè)計(jì)了末端敏化裝置，開(kāi)展了不同時(shí)間下的敏化技術(shù)研究，探究了采用現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥實(shí)現(xiàn)光面爆破的方式，取得了較好的巷道掘進(jìn)爆破試驗(yàn)效果。

1 模塊化裝藥器

模塊化裝藥器由集成在鋼架內(nèi)的乳化基質(zhì)罐、聯(lián)動(dòng)柱塞泵組、電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、敏化劑箱、水環(huán)裝置等組成，采用液壓式聯(lián)動(dòng)柱塞泵技術(shù)，結(jié)合裝藥控制技術(shù)、末端靜態(tài)敏化技術(shù)和無(wú)線終端控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了雙輸藥管遙控、穩(wěn)定、精確裝藥，主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。裝藥器主要參數(shù)取值為:裝藥效率12～30 kg/min;額定泵送工作壓力1～2 MPa，最高工作壓力4 MPa;乳化基質(zhì)料箱容積為800 L;兩個(gè)敏化劑料箱容積分別為15 L和30 L;外形尺寸為1.6 m×1.3 m×1.6 m(長(zhǎng)×寬×高);空載重量為800 kg。相比現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥裝藥車，模塊化裝藥器可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工況，集成在不同類型的車輛底盤(pán)上，適用范圍廣。

圖1 模塊化裝藥器Fig.1 Modular charging device

1.1 裝藥控制技術(shù)

巷道掘進(jìn)爆破與露天臺(tái)階爆破相比，炮孔直徑小、進(jìn)尺短，單孔裝藥量低，甚至單個(gè)炮孔裝藥量低于1 kg，故對(duì)裝藥器的運(yùn)行穩(wěn)定性和裝藥精度要求極高。裝藥器采用電液比例閥控制柱塞泵，可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同的裝藥需求，通過(guò)電控系統(tǒng)的觸摸屏設(shè)定比例閥開(kāi)度值實(shí)現(xiàn)精確裝藥。同時(shí)，為保障裝藥器運(yùn)行速度穩(wěn)定，液壓系統(tǒng)增加了壓力補(bǔ)償邏輯控制元件，即使在運(yùn)行過(guò)程中負(fù)載發(fā)生變化，在設(shè)定的壓力范圍內(nèi)也可以保證穩(wěn)定泵送。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，裝藥器裝藥精度誤差在±1.5%以內(nèi)。

1.2 末端靜態(tài)敏化技術(shù)

敏化技術(shù)是現(xiàn)場(chǎng)乳化炸藥生產(chǎn)中影響炸藥爆轟性能的核心環(huán)節(jié)，直接決定現(xiàn)場(chǎng)爆破作業(yè)的質(zhì)量和安全[12-14]。

1.2.1 靜態(tài)敏化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

靜態(tài)敏化器由2個(gè)靜態(tài)混合單元1和1個(gè)混合單元2組成，靜態(tài)混合單元1包括1個(gè)大直徑管道和1個(gè)小直徑管道單元，靜態(tài)混合單元2是1個(gè)類似網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)單元，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 靜態(tài)敏化器幾何模型Fig.2 Geometry model of static sensitizer

1.2.2 安全驗(yàn)算

采用專業(yè)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析軟件SOLIDWORKS Flow Simulation對(duì)乳化基質(zhì)與敏化劑在靜態(tài)敏化器中的靜態(tài)敏化過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。選用工程常用的3種入口流體質(zhì)量流率進(jìn)行安全驗(yàn)算(表1)。數(shù)值分析表明:當(dāng)乳化基質(zhì)、敏化劑混合流流經(jīng)靜態(tài)混合單元時(shí)，乳化基質(zhì)、敏化劑混合流會(huì)逐級(jí)產(chǎn)生壓降，使系統(tǒng)壓力逐漸提高，如圖3所示。在3種不同質(zhì)量流率下，靜態(tài)敏化器的速度流場(chǎng)除了最高流速增大外，其混合分布形態(tài)未發(fā)生變化，但靜態(tài)敏化器的整體靜壓會(huì)隨著質(zhì)量流率增大而增大，最大靜壓力為1.5 MPa，壓力值在乳化基質(zhì)管路安全泵送的壓力范圍(0.8～1.5 MPa)內(nèi)[15]。因此，靜態(tài)敏化器實(shí)際工作時(shí)應(yīng)采用低于0.5 kg/s入口質(zhì)量流率。

圖3 靜態(tài)敏化器不同入口質(zhì)量流率縱向靜壓流場(chǎng)分布Fig.3 Distribution of longitudinal static pressure flow field of mass flow rate at different inlet of static sensitizer

表1 入口流體質(zhì)量流率Table 1 Mass flow rates of inlet fluidkg/s

1.2.3 敏化質(zhì)量驗(yàn)證

本研究分為2組進(jìn)行敏化效果對(duì)比，試驗(yàn)1的靜態(tài)敏化器中包含2個(gè)靜態(tài)混合單元1，試驗(yàn)2在2個(gè)靜態(tài)混合單元1中間加入1個(gè)靜態(tài)混合單元2。試驗(yàn)效果對(duì)比(圖4)表明:30 min后，試驗(yàn)1敏化劑混合不均勻，炸藥密度為1.22～1.27 g/cm3;試驗(yàn)2敏化劑分散混合均勻，炸藥密度為1.1～1.17 g/cm3。可見(jiàn)，試驗(yàn)2采用的組合靜態(tài)敏化器的敏化混合均勻性明顯優(yōu)于試驗(yàn)1。

圖4 靜態(tài)敏化效果對(duì)比Fig.4 Comparison of the static sensitization effects

1.3 無(wú)線終端控制系統(tǒng)

無(wú)線PDA手持裝藥終端技術(shù)以無(wú)線WIFI為中介，將現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)監(jiān)控技術(shù)和手機(jī)APP技術(shù)相結(jié)合，包含無(wú)線操作控制系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控管理和數(shù)據(jù)傳遞等3個(gè)方面的應(yīng)用。無(wú)線PDA手持裝藥終端能實(shí)時(shí)管理電控系統(tǒng)的裝藥控制參數(shù)，從而控制裝藥設(shè)備按控制指令參數(shù)工作;通過(guò)配置2臺(tái)PDA終端，實(shí)現(xiàn)2個(gè)輸藥管交替作業(yè)，PDA操作界面如圖5所示?，F(xiàn)場(chǎng)組態(tài)監(jiān)控技術(shù)以PLC為核心控制單元，采用溫度和壓力傳感器實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、安全報(bào)警及聯(lián)鎖等。

圖5 PDA操作界面Fig.5 PDA operation interface

2 工藝配方

崔雪峰等[16]在露天礦山創(chuàng)新應(yīng)用了乳化基質(zhì)“一點(diǎn)生產(chǎn)、遠(yuǎn)程配送、多點(diǎn)使用”模式，由于巷道掘進(jìn)爆破炸藥用量低，為降低炸藥生產(chǎn)成本，可采用遠(yuǎn)程配送方式供應(yīng)乳化基質(zhì)，故巷道用乳化基質(zhì)應(yīng)具備良好的抗顛簸、易泵送、耐儲(chǔ)存等性能，并可在常溫下快速敏化。乳化劑和油相材料是穩(wěn)定現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥兩個(gè)重要組分，尤其是乳化劑材料，雖然在配方中占比很低，但是對(duì)乳化炸藥的穩(wěn)定性能起到至關(guān)重要作用[17-18]。通過(guò)采用高分子乳化劑技術(shù)配置一體化油相，確定了乳化基質(zhì)配方，制備的乳化基質(zhì)滿足了以下工藝技術(shù)指標(biāo):室溫(20±10)℃條件下儲(chǔ)存期應(yīng)不小于6個(gè)月，能夠經(jīng)受1 000 km以上顛簸、6次以上泵送，0～40 ℃基質(zhì)黏度不高于150 Pa·s;0～40℃條件下能夠在15 min內(nèi)快速敏化至1.15 g/cm3;臨界直徑不大于20 mm(起爆藥包);燃料油閃點(diǎn)不低于100 ℃;炸藥爆速不低于3 500 m/s;儲(chǔ)存和非保溫運(yùn)輸溫度不低于0 ℃。

3 現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)

在四川某地下礦山掘進(jìn)巷道開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)所在區(qū)域主要為黃銅黃鐵礦化條紋狀石英鈉長(zhǎng)巖，呈現(xiàn)粒狀、鱗片變晶結(jié)構(gòu)，條紋狀構(gòu)造;巖體結(jié)構(gòu)面閉合性好，巖體節(jié)理裂隙不太發(fā)育，呈塊狀和片狀結(jié)構(gòu)，巖石力學(xué)強(qiáng)度較高，巖體完整性較好。將模塊化裝藥器與BCJ-5000井下車底盤(pán)整裝，形成適合巷道掘進(jìn)爆破作業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥裝藥臺(tái)車，如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥裝藥臺(tái)車Fig.6 Charging trolley of on-site mixed emulsion explosive

3.1 敏化試驗(yàn)

光爆孔采用低密度炸藥(低于1.0 g/cm3)、耦合裝藥，實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)光面爆破。敏化溫度對(duì)乳化炸藥的穩(wěn)定性有較大影響[19-20]，為保障現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥的敏化溫度、敏化時(shí)間及敏化效果，在常溫條件下，敏化試驗(yàn)按敏化劑濃度開(kāi)展2組試驗(yàn)，敏化劑濃度分別為4%、2.36%，試驗(yàn)曲線如圖7所示。由圖7可知:敏化時(shí)間相同時(shí)，敏化劑濃度越高，炸藥密度越低;炸藥密度隨著敏化時(shí)間的推移而降低，2 h后，炸藥密度基本達(dá)到最低值，敏化劑濃度為4%、2.36%時(shí)對(duì)應(yīng)的炸藥密度為0.9、1.0 g/cm3。

圖7 炸藥密度隨敏化劑濃度的變化曲線Fig.7 Variation curves of explosive density with sensitizer concentration

對(duì)不同密度炸藥進(jìn)行了爆速測(cè)試，將炸藥泵入無(wú)縫鋼管(外徑48 mm、壁厚4 mm、長(zhǎng)度400 mm)內(nèi)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。由于敏化時(shí)間不同，故炸藥密度及對(duì)應(yīng)的爆速存在差異;爆破后無(wú)縫鋼管完全破碎，如圖8所示。根據(jù)乳化基質(zhì)敏化及爆速測(cè)試情況，在巷道掘進(jìn)作業(yè)面裝藥時(shí)，應(yīng)先裝光爆孔，邊墻孔、崩落孔、底板孔次之，最后裝掏槽孔。

表2 爆速測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of detonation velocity

圖8 無(wú)縫鋼管破碎情況Fig.8 Breakage of seamless steel pipe

3.2 爆破試驗(yàn)

巷道斷面尺寸為4.0 m×3.5 m，主要爆破參數(shù)取值見(jiàn)表3，藥量設(shè)計(jì)原則為光爆孔藥量最小，其他炮孔藥量按照巷道斷面從上往下、從外到內(nèi)逐步增大，炮孔平面布置如圖9所示。所有炮孔均為連續(xù)裝藥，現(xiàn)場(chǎng)裝藥順序?yàn)楣獗?、邊墻孔、崩落孔、底板孔、掏槽?采用工業(yè)電子雷管起爆網(wǎng)路，傳爆順序依次為掏槽孔、崩落孔、邊墻孔、底板孔、光爆孔，各段延期間隔為300～500 ms，待炮孔內(nèi)炸藥密度穩(wěn)定后起爆。全斷面現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械化裝藥總量為136 kg，2個(gè)人負(fù)責(zé)裝藥，裝藥時(shí)間約25 min;傳統(tǒng)包裝炸藥作業(yè)方式，4個(gè)人負(fù)責(zé)裝藥，裝藥時(shí)間約30 min。

表3 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)Table 3 Design of the blasting parameters

圖9 炮孔布置平面Fig.9 Layout plane of blasting holes

爆后現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果表明:無(wú)盲炮、無(wú)殘孔;工作面巖石穩(wěn)定，無(wú)拉裂現(xiàn)象;爆堆穩(wěn)定，巖石塊度較小;掘進(jìn)進(jìn)尺2.6 m;工作面輪廓面保持良好，半孔率達(dá)到85%以上，爆后效果如圖10所示。

圖10 爆后效果Fig.10 Post-explosion effects

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)巷道掘進(jìn)爆破采用現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥技術(shù)時(shí)的單孔藥量低、臨界直徑小、光面爆破難以實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥技術(shù)特點(diǎn)和巷道掘進(jìn)爆破環(huán)境，開(kāi)發(fā)了基于液壓式聯(lián)動(dòng)柱塞泵技術(shù)的模塊化裝藥器，研究采用了精確裝藥控制技術(shù)、末端靜態(tài)敏化技術(shù)和無(wú)線終端控制系統(tǒng)，定制的高分子乳化劑形成的乳化基質(zhì)配方，可滿足乳膠基質(zhì)遠(yuǎn)程配送、長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)、低溫敏化等應(yīng)用需求。

(2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，不同類型炮孔采用對(duì)應(yīng)密度的現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥，爆破效果良好，且現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥光面爆破技術(shù)性能初步得以驗(yàn)證，可以有效代替?zhèn)鹘y(tǒng)包裝炸藥爆破作業(yè)方式。

(3)后續(xù)工作中，需要進(jìn)一步優(yōu)化爆破孔網(wǎng)參數(shù)，提高炮孔利用率，擴(kuò)大單次爆破循環(huán)進(jìn)尺，充分發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥爆破技術(shù)安全、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。