现场混装乳化炸药车出口压力控制技术

2021-04-22琚楠松迟洪鹏

矿冶 2021年1期

琚楠松任斌龚兵张鑫迟洪鹏

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2.北京北矿亿博科技有限责任公司，北京 100160)

现场混装乳化炸药技术[1-2]是利用车载设备将乳胶基质和发泡剂按一定比例混合输送进入炮孔，在炮孔内发泡后成为乳化炸药，具有本质安全性高的特点。十一五以来，随着国家行业主管部门大力鼓励推广发展现场混装乳化炸药技术，现场混装炸药车已广泛应用于露天矿山和井下矿山等领域[3-4]。本文所述现场混装乳化炸药车的关键设备为螺杆泵，尽管混装车设计了超温、超压、断流等安全联锁功能，提高了作业过程安全性，但当出现断料干磨或超压断流时，仍会导致螺杆泵内的乳胶基质升温带来安全风险。本文从研究现场混装乳化炸药车出口压力变化的现象入手，分析混装车出口压力的影响因素和控制技术。

1 现场混装乳化炸药技术

现场混装乳化炸药车组成结构如图1所示，主要由汽车底盘和装药系统组成，其中装药系统包括乳胶基质储存及其输送系统、敏化剂储存及其输送系统、减阻系统、压缩空气系统、液压系统、自动控制动态监控信息系统、卷管系统等。

乳胶基质由螺杆泵进行泵送，然后和敏化剂在混合器内进行掺混，通过减阻器后在水环的包裹下经卷筒、输药软管送入炮孔内，在炮孔内敏化发泡后形成成品炸药，其中混装车出口压力、温度、流量分别由布置在基质管道上相应的传感器在线采集并传输至自动控制系统。

图1 现场混装乳化炸药车组成结构Fig.1 Composition structure of emulsified explosive field mixing truck

2 出口压力影响因素分析

综合分析，现场混装乳化炸药车出口压力的影响因素有三大类，第一类为装药设备的内在因素，第二类为基质、敏化剂等半成品原料的外在因素，第三类为装药作业条件外部环境。

2.1 混装设备因素

根据图1可知，混装设备主要有罐体、螺杆泵、混合器、减阻器、卷筒、输药软管等。上述设备对混装车出口压力的影响如下：

乳胶基质罐体是装载原材料的容器，罐体出口出现吸空现象会导致螺杆泵出口压力降低，敏化剂罐或储水罐断料无法形成水环导致出口压力骤增，甚至会发生堵管现象。

混合器是将敏化液和乳胶基质进行充分掺混的专用设备，掺混的好坏直接影响炸药性能，混合器的数量一般为2～3个，数量多掺混好，但压力也会越高。此外，当乳胶基质温度为60℃以上时，混合器布置在减阻器前端，其他温度时布置在末端，前端敏化时，乳胶基质与敏化剂充分混合后在输药管内输送，因敏化发泡破坏水环导致输送压力增加。

减阻器[5]是乳胶基质输送过程中降阻减压的关键设备，减阻器发生堵塞容易造成混装车出口压力不稳或显著增大，这是目前混装作业过程中普遍存在的问题。

卷筒前后存在多处弯头、软管接头，弯头、管接头及管路变径均会造成出口压力增大。输药软管的长短和内径对混装车出口压力影响较大，其他条件不变的情况下，输药软管越长，输药软管内径越小，混装车出口的压力越大。

2.2 原料因素

现场混装乳化炸药装载的半成品原料包括地面站生产的乳胶基质、敏化液、水等。

由于乳胶基质是非牛顿黏性物料，其温度与黏度不具有线性比例关系，但温度高时黏度低；不同厂家生产的乳胶基质各不相同，其黏度、流动性差异大，通常情况下，乳胶基质流动性差、黏度大，其输送压力大。与此同时，由于现场混装乳化炸药的敏化是化学反应，温度高、敏化液浓度大，均会加快化学反应速度，进而促进乳化炸药的快速敏化，输送控制难度大、压力高，因此不同的生产工艺会给乳胶基质定一个比较合适的温度范围和敏化液的配置浓度范围。水和敏化液应当保证干净，避免出现小石子之类的杂质，否则容易造成减阻器堵塞，进而增加输送压力。

2.3 作业条件因素

现场混装作业条件对混装车出口压力影响较大。根据孔的含水状态可分为干孔和水孔。干孔是混装作业的理想条件，相应的混装车出口压力较小；水孔装药作业时需将输药管沉入孔底，且受到静水压力作用，输送压力更高。

根据混装车与炮孔位置高差可分为水平孔和上向孔，相对来说，上向孔装药不但需要克服输送阻力，还需要克服管内乳胶基质的重力，输送压力更高。

3 出口压力的控制技术研究

根据管道沿程阻力损失公式，可知输送阻力与输药软管直径、长度和混装速度关系式：

(1)

μ=0.01～0.02

式中：ΔPf—输送阻力，MPa；λ—沿程阻力系数；μ—阻力系数；g—重力系数，N/kg；l—输药管长度，m；V—混装速度，m/s；D—输药管内径，m。

根据上述公式，可知混装车出口压力与输药软管长度、混装速度及阻力系数成比例关系，与输药软管内径成反比例关系，同时，混装速度影响更大。

3.1 管道阻力输送控制技术

混装作业时，应观察箱体内原材料情况，避免出现吸空现象。当压力过大时，可以在满足混合效果的前提下适当减少混合器内的芯头数量，实现减小压力的目的；设计时应尽量减少弯头以及变径设计，从而实现基质输送过程的顺畅，降低输药阻力。通过现场生产调试数据，现场生产作业参数如表1所示，改变单一自变量条件，获得拟合的混装设备因素与压力之间的趋势图，同时根据公式(1)获得拟合曲线，如图2所示。

表1 现场生产作业参数Table 1 On-site production operation parameters

图2 混装设备因素与压力的关系Fig.2 The relationship between loading equipment factors and pressure

根据图2(a)、(b)、(c)中的试验曲线和公式拟合曲线都可以看出：输药管长度越长，混装速度越大。输药管径越大，出口压力越大。试验曲线和公式拟合曲线所显示的总体趋势相同，但同时两曲线也有较大的差异：理论公式计算的数值明显小于试验曲线数据，这是因为上述理论公式仅考虑了长度、速度以及管径的影响，而乳胶基质输送压力除了受到上述条件影响，还受到水环流量、基质温度、敏化液浓度等影响。从图2(d)可以看出水环流量越大，出口压力越小，因此可以通过适当调整水环流量的大小，实现出口压力的控制；控制混装速度以及输药软管的长度和管径，混装车出口压力可有效控制，但同时输药软管的内径不可太大，必须符合作业现场实际状况和减轻操作人员作业强度要求，因此实际操作时，混装速度、输药软管长度、输药软管内径合理选择后，可有效控制混装车出口压力。

3.2 原料物性控制技术

原材料在管内产生阻力的原因有两方面，一是乳胶基质和敏化剂在管内发泡，体积增大进而增大阻力；二是乳胶基质黏度的影响，基质黏度越大，输送阻力越大。通过现场调试生产获得原材料因素与压力之间的趋势图，现场生产作业参数如表1所示，改变单一自变量条件，获得拟合的混装设备因素与压力之间的趋势图，如图3所示。

图3 原材料因素与压力的关系Fig.3 The relationship between raw material factors and pressure

乳胶基质发泡速度主要受到基质的温度以及敏化剂的浓度的影响，如图3(a)、(b)所示，出口压力随着乳胶基质温度的增大和黏度的增大而增大。乳胶基质的温度有常温和高温两种，一般基质温度越高，发泡速度越快，因此普通混装车装高温乳胶基质压力较高。目前国内针对两种温度的基质均有对应的混装车，高温乳胶基质发泡速度较快，在管内形成的压力也较大，因此高温现场混装车通过前段敏化发泡，管内输送半敏化基质，使得管内基质体积不再明显增加，进而降低混装车出口压力。各个厂家针对不同的基质配了不同浓度的敏化液，敏化液浓度越大，发泡速度越快，为了合理控制出口压力，应当在确保发泡效果的前提下，降低敏化液的浓度。

图3(c)表明出口压力随乳胶基质黏度增大而增大，这是因为基质黏度的增大使得基质在管内摩擦力增大，进而导致出口压力增大，因此在地面站生产乳胶基质应在确保乳胶基质质量的同时，降低乳胶基质的黏度。

3.3 混装车出口压力综合控制技术

混装作业条件无法改变，因此混装车需要针对作业条件实现调节。当遇到水孔时，需要有序拔管，并适当增大水环流量，进而稳定混装车出口压力，若压力增大在可控范围内，可不做调整，当压力增大较为明显时，应及时增大水环流量，必要时可降低混装速度；井下上向孔装药时，因装药时要求有一定的压力，使基质喷射到孔壁周围，达到基质挂壁的要求，因此井下上向孔装药时，可适当降低水环流量，减小输药管半径。

综上所述，混装车出口压力主要受到设备、原材料、作业环境等多方面因素的影响，因此本文通过分析混装车出口压力的影响因素，探讨了出口压力的控制技术，拓展公式(1)，进而更为全面地表达现场混装乳化炸药车的出口压力。

(2)

式中，ΔPf—输送阻力，MPa；μ—阻力系数；a、b、c、d—相关性指数；l—输药管长度，m；V—混装速度，m/s；D—输药管内径，m；W—敏化液浓度，g/L；T—乳胶基质温度，摄氏度；τ—乳胶基质黏度，mPa·s；Q—水环流量，L/min。

式(2)通过总结设备、原材料、作业条件等压力控制技术，较为全面的阐述了混装车出口压力与各影响因素之间的关系，可为后续工程实践提供一定的理论支持和技术指导，但具体相关性指数有待进一步研究。