［摘 要］ 為研究剪切參數(shù)對混裝乳化炸藥穩(wěn)定性及爆炸性能的影響規(guī)律，以新疆某露天煤礦混裝乳化炸藥地面站為工程背景，通過自然儲存、運(yùn)輸顛簸振動(dòng)、爆炸性能測試等方法，優(yōu)化了該地面站混裝乳化炸藥的乳化工藝及剪切參數(shù)。結(jié)果表明：一定范圍內(nèi)，乳膠基質(zhì)的抗顛簸振動(dòng)及自然儲存穩(wěn)定性與剪切強(qiáng)度正相關(guān);采用渦輪式葉片制備的乳膠基質(zhì)穩(wěn)定性最好，推進(jìn)式葉片次之，槳式葉片最差;隨著攪拌槳葉片長度的增加和葉片層數(shù)的增多，乳膠基質(zhì)的析晶率呈遞減趨勢，穩(wěn)定性升高?，F(xiàn)場爆破試驗(yàn)結(jié)果表明，使用優(yōu)化后的乳化工藝及剪切參數(shù)制備的混裝乳化炸藥的爆速達(dá)到4 200 m/s左右，經(jīng)歷1 000 km的長途運(yùn)輸后仍可穩(wěn)定起爆，爆堆塊度和大塊率明顯降低，爆破效果得到明顯改善。

［關(guān)鍵詞］ 混裝乳化炸藥；剪切參數(shù)；穩(wěn)定性；爆炸性能；參數(shù)優(yōu)化

［分類號］ TQ560.9

Influence of Shear Parameters on the Stability and Explosion Performance of Mixed Emulsion Explosives

WU Yong①， ZHOU Jianmin①， WANG Shuaiwen①， XIAO Minghui②

① Poly Xinlian Blasting Engineering Group Co.， Ltd. （Guizhou Guiyang， 550002）

② Public Security Detachment， Hami Public Security Bureau （Xinjiang Hami， 839000）

［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］ In order to study the influence of shear parameters on stability and explosive performance of mixed emulsion explosives， mixed emulsion explosives produced in a ground station in an open-pit coal mine in Xinjiang was studied. Emulsification process and shear parameters of mixed emulsion explosives were optimized by the methods such as natural storage， transportation vibration， and explosive performance testing. The results indicate that， within a certain range， the anti-vibration and natural storage stability of emulsion matrix are positively correlated with shear strength. The emulsion matrix prepared with turbine blades has the best stability， followed by the emulsion matrix prepared with propulsion blades and propeller blades. As the length of the stirring blade or the number of blade layers increases， crystallization rate of the emulsion matrix shows a decreasing trend， and the" stability is higher. The on-site blasting test results show that， using optimized emulsification technology and shear parameters， the mixed emulsion explosive" has a detonation speed of about 4 200 m/s. After a long-distance transportation of 1 000 km， it can still detonate stably. And the rock fragmentation and block rate significantly decrease after explosion， resulting in a significant improvement in the blasting outcomes.

［KEYWORDS］ mixed emulsion explosive; shear parameter; stability; explosive performance; parameter optimization

0 引言

乳膠基質(zhì)是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，在高速剪切乳化、運(yùn)輸振動(dòng)、管道泵送和儲存過程中可能發(fā)生破壞，導(dǎo)致油、水相分離，引起硝酸銨結(jié)晶析出，最終導(dǎo)致混裝乳化炸藥的性能下降，乃至拒爆［1-6］。為保障混裝乳化炸藥的穩(wěn)定性和爆轟性能，并且能夠經(jīng)受遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)念嶔ふ駝?dòng)，要求乳膠基質(zhì)在制備時(shí)具有高乳化效率和良好的分散性。以往對于乳膠基質(zhì)穩(wěn)定性及爆炸性能優(yōu)化的研究主要集中在乳膠基質(zhì)配方優(yōu)化［7-11］，在乳化工藝對乳膠基質(zhì)性能的影響方面研究較少。高質(zhì)量的剪切作用是保證乳膠基質(zhì)穩(wěn)定性的重要環(huán)節(jié)。合理的配方及乳化工藝能使乳膠基質(zhì)形成均勻、細(xì)小的液滴，并具有合理的流變特性，在改善乳膠基質(zhì)的穩(wěn)定性、提高敏化后的爆炸性能方面至關(guān)重要。

乳膠基質(zhì)的制備是通過乳化工藝進(jìn)行高速剪切，形成油包水型的特殊高內(nèi)相乳狀液。而乳化工藝的剪切參數(shù)直接影響著乳膠基質(zhì)的穩(wěn)定性、流變性及混裝乳化炸藥的爆炸性能。乳化劑溫度、加入水相溶液的速率、剪切強(qiáng)度、剪切時(shí)間以及乳化器葉片類型和尺寸等乳化工藝參數(shù)的選擇對乳膠基質(zhì)的性能產(chǎn)生重要的影響［12-13］。李克升等［14］利用LKS型乳化機(jī)成功地制備了具備高穩(wěn)定性能的乳膠基質(zhì)。研究表明，

高速剪切作用下制備的乳化炸藥在爆炸性能和穩(wěn)定性方面均優(yōu)于通過膠體磨制備的乳化炸藥。張茂煜［15］通過室內(nèi)試驗(yàn)，選用不同的攪拌器類型，制備了多種乳化炸藥，獲得了攪拌槳類型、尺寸等剪切參數(shù)對乳化炸藥儲存穩(wěn)定性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，攪拌槳直徑越大、攪拌槳的翻轉(zhuǎn)率越高，制備的乳膠基質(zhì)粒徑越小、穩(wěn)定性越好。周建敏等［16-17］研究了剪切強(qiáng)度、剪切時(shí)間等對乳膠基質(zhì)穩(wěn)定性、流變特性及爆炸性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)提高剪切強(qiáng)度能夠減小乳膠基質(zhì)粒徑，有效提升乳膠基質(zhì)的流變性及穩(wěn)定性。不同剪切參數(shù)對乳膠基質(zhì)穩(wěn)定性及混裝乳化炸藥爆炸性能的影響較大，即存在最優(yōu)的剪切參數(shù)，使混裝乳化炸藥的穩(wěn)定性和爆炸性能達(dá)到最佳。

本文中，在新疆某露天煤礦混裝乳化炸藥地面站，通過自然儲存、運(yùn)輸顛簸振動(dòng)、爆炸性能測試等試驗(yàn)方法，研究了葉片層數(shù)、葉片長度、葉片類型及剪切速率等剪切參數(shù)對乳膠基質(zhì)穩(wěn)定性及混裝乳化炸藥爆炸性能的影響?？蔀榛煅b乳化炸藥乳化工藝的優(yōu)化提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料及儀器

試驗(yàn)原料：硝酸銨，新鄉(xiāng)市中信化學(xué)有限公司；Span80，非離子表面活性劑，阿拉丁試劑（上海）有限公司；柴油、機(jī)油，中國石油；蒸餾水，自制。

試驗(yàn)儀器： RW20乳化機(jī)；BT-9003S激光粒度儀；BA310生物顯微鏡；CA-5五段爆速儀。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 乳膠基質(zhì)的制備

首先，制備油相溶液：將非離子表面活性劑和機(jī)油、柴油按預(yù)定比例倒入燒杯中，通過手動(dòng)攪拌混合均勻后，加熱至80 ℃?zhèn)溆?。然后，制備水相溶液：將硝酸銨和蒸餾水按預(yù)定比例倒入燒杯中，通過加熱器加熱到硝酸銨全部溶解于水后，留存?zhèn)溆谩⑷榛鞣胖玫接拖嗳芤旱撞恐羞M(jìn)行剪切攪拌，剪切速率（即乳化器轉(zhuǎn)速）首先設(shè)置為500 r/min；然后，將水相溶液通過漏斗勻速倒入油相溶液中，剪切，形成初乳；待水、油相混合剪切形成乳膏狀膠體后，設(shè)定剪切速率1 200～1 600 r/min，對乳膏狀膠體進(jìn)行5 min的高速剪切，最終制備形成乳膠基質(zhì)。

在保持乳膠基質(zhì)配方不變的前提下，調(diào)整剪切參數(shù)，成功制備了9組乳膠基質(zhì)樣品。其中，1#、2#和3#樣品為不同剪切速率（1 200、1 400、1 600 r/min）對照組；3#、4#和5#樣品為不同葉片類型（渦輪式、槳式、推進(jìn)式）對照組；3#、6#和7#樣品為不同葉片長度（10、11、12 cm）對照組；8#、3#和9#樣品為不同葉片層數(shù)（1、2、3）對照組。制備乳膠基質(zhì)的不同剪切參數(shù)如表1所示。

1.2.2 乳膠基質(zhì)抗顛簸振動(dòng)試驗(yàn)

乳膠基質(zhì)制備完成后，進(jìn)行抗顛簸振動(dòng)試驗(yàn)，研究乳膠基質(zhì)在遠(yuǎn)距離運(yùn)輸過程中抗顛簸穩(wěn)定性的差異。

采用現(xiàn)場混裝炸藥車運(yùn)輸制備好的乳膠基質(zhì)，在運(yùn)輸一定里程后，分別對不同乳膠基質(zhì)開展顯微鏡微觀結(jié)構(gòu)觀測和析晶率測試，分析不同乳膠基質(zhì)抗顛簸振動(dòng)的穩(wěn)定性能。

1.2.3 乳膠基質(zhì)自然儲存試驗(yàn)

用燒杯裝載相同質(zhì)量的乳膠基質(zhì)放置于自然儲存環(huán)境中，每隔一定時(shí)間后，對不同乳膠基質(zhì)樣品開展顯微鏡微觀結(jié)構(gòu)觀測和析晶率測試，分析不同乳膠基質(zhì)在自然條件下的儲存性能。

2 剪切參數(shù)對乳膠基質(zhì)穩(wěn)定性的影響

2.1 抗顛簸穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果及分析

乳膠基質(zhì)制備完成后，裝入現(xiàn)場混裝炸藥車中進(jìn)行遠(yuǎn)程運(yùn)輸，每行駛100 km進(jìn)行一次析晶率測試。當(dāng)運(yùn)輸距離達(dá)到500 km時(shí)，利用顯微鏡進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀測，結(jié)果如圖1所示。整個(gè)運(yùn)輸過程中乳膠基質(zhì)的析晶率如表2所示。

隨著運(yùn)輸距離的增加，乳膠基質(zhì)析晶率呈線性

增大趨勢，表明長距離的運(yùn)輸顛簸振動(dòng)容易導(dǎo)致乳膠基質(zhì)內(nèi)相硝酸銨析出，從而破乳。在相同運(yùn)輸距離條件下，1#、2#和8#乳膠基質(zhì)析晶率最大，表明采用該乳化工藝的乳膠基質(zhì)抗顛簸穩(wěn)定性最差。

對比1#、2#和3#乳膠基質(zhì)的析晶率。結(jié)果表明，乳膠基質(zhì)抗顛簸振動(dòng)性能隨著剪切強(qiáng)度的增大而增大。因此，在制備乳膠基質(zhì)時(shí)，適當(dāng)提高剪切速率，可以增加抗顛簸振動(dòng)穩(wěn)定性能。對比3#、4#和5#乳膠基質(zhì)的析晶率發(fā)現(xiàn)，采用不同形狀的攪拌槳葉片制備的乳膠基質(zhì)，抗顛簸穩(wěn)定性差異較大，乳膠基質(zhì)抗顛簸穩(wěn)定性由強(qiáng)到弱使用的葉片分別為：渦輪式葉片、推進(jìn)式葉片、槳式葉片。

分別對比3#、6#和7#乳膠基質(zhì)以及8#、3#和9#乳膠基質(zhì)的析晶率。結(jié)果表明，乳膠基質(zhì)抗顛簸振動(dòng)性能隨著葉片長度、葉片層數(shù)的增加呈上升趨勢。因此，在一定范圍內(nèi)，增加葉片長度和葉片層數(shù)，可以有效提高剪切范圍和乳化效果，提升乳膠基質(zhì)的抗顛簸性。

2.2 自然儲存穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果及分析

用燒杯裝載相同質(zhì)量的乳膠基質(zhì)放置于自然儲存環(huán)境中，在常溫條件下每隔10 d對乳膠基質(zhì)進(jìn)行

析晶率測試。經(jīng)過200 d的自然儲存后，整個(gè)試驗(yàn)過程中乳膠基質(zhì)的析晶率如表3所示。對乳膠基質(zhì)最終狀態(tài)進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀測，如圖2所示。

從表3和圖2可知，隨著儲存時(shí)間的增加，乳膠基質(zhì)的析晶率呈線性增大趨勢，表明長時(shí)間的自然儲存容易導(dǎo)致乳膠基質(zhì)內(nèi)相硝酸銨析出，造成破乳。

隨著剪切速率、葉片長度和葉片層數(shù)的增加，對應(yīng)乳膠基質(zhì)的析晶率呈降低趨勢，表明乳膠基質(zhì)自然儲存穩(wěn)定性隨著剪切速率、葉片長度和葉片層數(shù)的增加而增大。采用不同形狀的攪拌槳葉片制備的

乳膠基質(zhì)，自然儲存穩(wěn)定性差異較大。乳膠基質(zhì)自然儲存穩(wěn)定性由強(qiáng)到弱使用的葉片分別為：渦輪式葉片、推進(jìn)式葉片、槳式葉片。

對比圖1和圖2中乳膠基質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)可知，乳膠基質(zhì)經(jīng)顛簸振動(dòng)和自然儲存后，析晶晶型明顯不同。顛簸振動(dòng)后，晶體呈粒狀或團(tuán)狀形態(tài)析出；而自然儲存后，晶體主要呈針狀形態(tài)析出。

3 混裝乳化炸藥的爆炸性能及爆破效果

在新疆某露天煤礦混裝乳化炸藥地面站進(jìn)行混裝乳化炸藥現(xiàn)場爆速測試及爆破試驗(yàn)。通過上述研究，優(yōu)化得到了乳膠基質(zhì)穩(wěn)定性最優(yōu)的乳化工藝及剪切參數(shù)配方G1，如表4所示。與地面站原有乳化工藝及剪切參數(shù)配方G2進(jìn)行對比測試，通過乳膠基質(zhì)的粒徑、爆速及爆破塊度對比，分析采用優(yōu)化后剪切參數(shù)制備的混裝乳化炸藥的爆炸性能及爆破效果。

3.1 粒徑

根據(jù)表4中乳化工藝及參數(shù)制備乳膠基質(zhì)后，采用BT-9300S激光粒度儀測試乳膠基質(zhì)G1和G2的粒徑及分布情況，如圖3所示。

結(jié)果表明，乳膠基質(zhì)的粒徑基本符合正態(tài)分布。

不同乳化工藝及剪切參數(shù)制備的乳膠基質(zhì)的平均粒徑具有較大差異，G1的平均粒徑為5.68 μm，遠(yuǎn)小于G2的11.02 μm，且G1粒徑相對G2粒徑分布更窄、更為集中。

3.2 爆速

將新制備的乳膠基質(zhì)以及每隔一定距離運(yùn)輸振動(dòng)后的乳膠基質(zhì)進(jìn)行現(xiàn)場敏化。G1和G2乳膠基質(zhì)采用相同的敏化工藝處理后，形成混裝乳化炸藥E1和E2，并在爆破現(xiàn)場開展爆速測試。將外徑為110 mm的PVC管裝滿混裝乳化炸藥，采用套管進(jìn)行封口；每根PVC管在兩端端口100 mm和500 mm距離處各設(shè)2對穿線孔，以便固定靶線探針；靶線探針采用纏繞漆包線；混裝乳化炸藥通過工業(yè)電子雷管進(jìn)行起爆，選用CA-5爆速測試儀測試爆速。

獲得2種混裝乳化炸藥在不同運(yùn)輸距離條件下的爆速，如表5所示。

從表5可知，隨著運(yùn)輸距離的增加，混裝乳化炸藥爆速呈降低趨勢。未運(yùn)輸振動(dòng)時(shí)，E1混裝乳化炸藥的平均爆速為4 238 m/s，略高于E2混裝乳化炸藥的4 035 m/s，說明采用優(yōu)化后的乳化工藝及剪切參數(shù)制備的混裝乳化炸藥爆炸性能更好。

經(jīng)過1 000 km長距離運(yùn)輸后，E1混裝乳化炸藥爆速僅下降了18.4%，能夠可靠起爆。盡管混裝乳化炸藥的爆速有所降低，但從整體上看，相比E2，E1混裝乳化炸藥的爆炸性能變化較小，爆速衰減速率更低，說明選用優(yōu)化后的乳化工藝及剪切參數(shù)制備的混裝乳化炸藥抗顛簸性能更好。

3.3 現(xiàn)場爆破效果

將由未運(yùn)輸振動(dòng)的乳膠基質(zhì)制備的E1、E2 2種混裝乳化炸藥進(jìn)行現(xiàn)場裝藥爆破試驗(yàn)。利用塊度分析軟件，獲得E1、E2 2種混裝乳化炸藥爆破后現(xiàn)場爆堆及塊度分布情況，如圖4所示。不同塊度分布結(jié)果如表6所示。

分析不同混裝乳化炸藥爆破后巖石的平均塊度可知，E1混裝乳化炸藥爆破平均塊度為36.17 cm，低于E2混裝乳化炸藥的53.86 cm。前者的爆破塊度主要集中在0～60 cm之間，最大塊度

為95.48 cm。相比之下，E2混裝乳化炸藥產(chǎn)生的100～150 cm之間的大塊比例達(dá)到了11.03%，最大塊度為113.27 cm。

對比2種混裝乳化炸藥爆破試驗(yàn)的平均塊度、最大塊度可知，采用優(yōu)化后的乳化工藝及剪切參數(shù)制備的混裝乳化炸藥的爆破效果更佳。

4 結(jié)論

針對新疆某露天煤礦混裝乳化炸藥地面站，通過自然儲存、運(yùn)輸顛簸振動(dòng)、爆炸性能測試等方法對不同乳化工藝及剪切參數(shù)的乳膠基質(zhì)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，優(yōu)化了該地面站混裝乳化炸藥制備參數(shù)，有效提高了混裝乳化炸藥的穩(wěn)定性和爆炸性能，得到以下結(jié)論：

1）通過剪切參數(shù)對乳膠基質(zhì)穩(wěn)定性影響的研究發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，剪切強(qiáng)度與乳膠基質(zhì)的抗顛簸振動(dòng)與自然儲存穩(wěn)定性呈正相關(guān)關(guān)系。乳膠基質(zhì)的抗顛簸振動(dòng)與自然儲存穩(wěn)定性由強(qiáng)到弱時(shí)使用的葉片分別為：渦輪式葉片、推進(jìn)式葉片、槳式葉片。同時(shí)，隨著攪拌槳葉片長度的增大或葉片層數(shù)的增加，乳膠基質(zhì)的析晶率呈遞減趨勢，乳膠基質(zhì)穩(wěn)定性增強(qiáng)。

2）通過混裝乳化炸藥現(xiàn)場爆破試驗(yàn)，驗(yàn)證了乳膠基質(zhì)乳化工藝及剪切參數(shù)優(yōu)化的正確性?，F(xiàn)場爆破試驗(yàn)結(jié)果表明，采用優(yōu)化后的乳化工藝及剪切參數(shù)制備的乳膠基質(zhì)平均粒徑更小、分布更均勻，穩(wěn)定性更高。經(jīng)敏化后的混裝乳化炸藥的爆速更高，達(dá)到4 200 m/s左右，經(jīng)歷1 000 km的遠(yuǎn)程顛簸振動(dòng)后，仍可穩(wěn)定起爆。爆破后巖石的平均塊度、大塊率明顯降低，爆破效果得到明顯改善。

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收稿日期：2023-11-10

第一作者：吳勇（1984—），男，初級工程師，主要從事爆破工程技術(shù)研究。E-mail：56616796@qq.com

通信作者：周建敏（1990—），男，博士，正高級工程師，主要從事爆破工程技術(shù)研究。E-mail：377413454@qq.com