地下现场混装乳化炸药技术装备在西藏的应用

2021-05-27田惺哲张纪东袁永生

有色金属（矿山部分） 2021年3期

田丰，黄麟，田惺哲，张纪东，袁永生

(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)

我国西部省份的地下金属矿山常位于高海拔地区，随着海拔高度升高，大气压力和空气含氧量下降，对地下采矿装备提出一系列特殊要求。同时，采用化学敏化的包装型乳化炸药，随海拔高度增加，炸药的爆速性能呈下降趋势，海拔高度对炸药性能有明显影响[1]。

为了实现高海拔地下矿自动化爆破装药，减轻高原缺氧环境下井工爆破的劳动强度，提高装药效率、改善爆破效果，矿冶科技集团、北京北矿亿博公司基于高海拔工程机械技术特点[2-5]，在现场混装乳化炸药高海拔性能特点研究基础上，研发了BCJ-4I高原型地下矿用乳化炸药混装车，并在海拔4 490 m的西藏甲玛铜矿进行了应用推广，取得了良好的工程效果。

1 地下炸药混装车

地下乳化炸药混装车由铰接式矿用底盘、乳化炸药储存和输送系统、工作臂与送管器辅助系统、输药管自动卷筒、液压及电气控制系统等部分组成，如图1所示。

图1 高原型地下矿混装车(单位：mm)Fig.1 The high-altitude underground explosive charging vehicle(unit：mm)

物料储存系统分别装载混装炸药半成品，即乳化基质和敏化剂，在爆破现场经过输药管末端安装的静态混合器进行静压力掺混，随后以喷射形式装入炮孔，装药速率30～50 kg/min。

工作臂与自动送管器是辅助装药设备，工作臂具备水平100°回转、垂直俯仰、伸缩等功能，水平作业半径6.3 m、垂直作业高度6 m，在工作臂末端、送管器底部还有两个360°回转机构，可以使送管器出口对准巷道内任意位置、任意角度炮孔。

送管器将输药软管自动送入炮孔内，送管速度为12～15 m/min，并在送管过程中自动测量送入炮孔中的输药长度；退管时，基于PID控制的控制系统根据流量计计量的装药速率自动调节送管器的退管速度，从而控制装药密度。输药管外径30 mm、管长50 m，送管器可实现上向40 m深孔自动送管。

装药混装车行走机构采用铰接式矿用底盘，以柴油内燃机为动力，整车转弯半径3 720 mm(内)/5 870 mm(外)，具有良好的井下巷道通过性。装药过程则采用外接电源作为动力，利用车载配电系统分别为液压系统、控制系统及辅助照明提供电源。

2 高海拔混装炸药爆速特点

有学者研究表明[1]，包装型乳化炸药的爆速随着海拔高度上升出现先增大后减小的趋势，如图2所示。通过电镜扫描分析得知，乳化炸药中起爆炸“热点”作用的微气泡随着外界气压的降低而迅速逃逸，导致爆炸反应中心点减少，因此爆速性能下降。

图2 不同海拔高度下乳化炸药爆速拟合曲线Fig.2 The detonation speed of emulsion explosives at different altitudes

通过试验，对不同海拔高度下的现场混装乳化炸药进行了测试。如表1所示，将相同配方的混装乳化炸药分别在不同海拔高度的金属矿山进行实地爆速测试。结果表明：现场混装乳化炸药与包装型乳化炸药不同，随着海拔高度上升，其爆速衰减现象并不明显。

表1 不同海拔高度混装乳化炸药爆速

分析其原因，现场混装乳化炸药与包装型乳化炸药虽然都采用化学敏化法，但混装炸药现场敏化发泡时间短，根据矿山生产组织，装药后约1～2 h即连线起爆，大气压力变化未对敏化气泡“逃逸”产生明显作用；包装型乳化炸药在装药生产线上生产，整体暴露在大气环境中，受大气压力影响较大，而现场混装乳化炸药是在进入炮孔(测试用PVC管)后才开始进行发泡反应，仅有孔口部分与大气接触，受大气压力影响较小。

从井下实际爆破效果来看，不同海拔高度下混装乳化炸药的性能差异不大，影响井下爆破效果的主要是爆破设计和装药量。

3 混装车高海拔应用特点

现场混装炸药在高海拔环境下的性能影响不明显，但混装炸药车在高原缺氧环境下出现一些特殊现象，为混装炸药车的研发制造提供了工程经验。

1)发动机实际输出功率下降

随着海拔高度上升，空气密度与含氧量下降，喷入发动机气缸的燃油没有足够氧气进行充分燃烧。因此造成功率下降，海拔每升高1 000 m下降功率约为10%[2]。发动机选型时应根据所在高度进行功率补偿，优先选用燃油系统经过优化的发动机型，特别在海拔3 000 m以上应选用高海拔调校型发动机。

改进发动机进气系统也是适应高原缺氧环境的必要措施之一。炸药混装车长期在空气稀薄、粉尘大、通风条件差的地下矿作业，应采用大直径空滤器以增大发动机进气量，减少过滤器堵塞，减少发动机非正常磨损。

此外，青藏高原水的沸点可低至70～80 ℃，水冷型发动机应注意防止冷却液蒸发和沸腾外溢，注意增大水箱盖蒸汽阀弹簧压力并加强冷却系统密封性。在日常保养中增加冷却液添加频率，缩短冷却液箱清理周期以及冷却液、密封件更换周期。

2)电动机实际输出功率下降

为减少尾气排放对井下人员健康影响，地下矿用工程机械大多采用外接电源，即电机驱动液压系统进而驱动钻孔、铲装和装药等设备。高海拔地区电气设备必须根据作业点海拔高度选择适当的高原型电机。

高海拔地区大气压力与空气密度降低，对电机产生的主要影响有：(1)外绝缘强度和耐击穿电压降低，需增大电机的电气间隙防止击穿；(2)空气冷却效应降低，需增强升温等级；(3)由于线圈导磁能力降低，实际功率有所降低。

高海拔工程机械在电机订购时，必须向电机厂家明确告知使用海拔和使用环境温度，由电机厂家计算功率补偿和绝缘温升需求，不能简单换用大功率电机。

3)加强电气系统防潮密封

由于高海拔地区空气稀薄、自然散热效率降低，电气设备在运行过程中升温较快，设备断电后由于高原井下环境温度较低，在快速冷却过程中极易形成冷凝水流入线路，在下一次通电时造成短路。地下炸药混装车应特别重视电气系统防潮密封。

温差造成的冷凝水短路通常发生在设备检修过程中，特别是地下硐室内进行设备检修。由于地下硐室内环境湿度较高，长时间通电检修后，应注意在配电柜、控制柜内放置干燥剂。

此外，由于高海拔地区室外紫外线强烈、空气干燥，使橡胶、毛毡等材质的电器柜密封条、密封胶等老化加速，应加强气密性检查，及时更换失效密封件。

4)冷却换热补偿

随着海拔高度上升，空气密度与大气压力下降，对电器和液压系统的冷却散热产生影响。地下混装车液压控制系统、配电系统电源开关等设备均采用风冷式散热。在工程上，可参考温升修正系数(表2)k(z)对海拔高度进行当量温度补偿，从而对冷却器选型进行简化估算[3]。

表2 高海拔温升修正系数表

以液压系统的风冷却器为例，通常采用换热功率法选型。查询冷却器选型手册，根据液压系统排量和对应海拔温升修正系数，将高海拔换热功率折算为低海拔当量换热功率，并增加10%安全余量。

4 装药爆破效果

中国黄金集团甲玛铜矿位于西藏自治区墨竹工卡县，矿区平均海拔4 780 m，最低处海拔4 000 m，最高处海拔5 360 m，空气含氧量仅为低海拔平原地区的40%～60%。甲玛铜矿采用中深孔分段崩落分层矿房嗣后充填采矿法，上向孔最大孔深25～30 m。此前一直采用人工压气式装药，装填粉状改性铵油炸药。

BCJ-4I高原型地下矿乳化炸药混装车在甲玛铜矿进行了井下装药爆破应用(图3)，先后在4420水平、4440水平、4490水平累计装药30余t。

图3 BCJ-4I高原型混装车在西藏甲玛铜矿井下装药Fig.3 The BCJ-4I charging vehicle working in the Tibet Jiama copper mine

1)实现遥控自动化装药、劳动强度显著降低

多自由度机械臂、送管器等自动化装药辅助设备实现了高海拔金属矿井下自动化装药，替代了以往多人、高强度手工送管装药的落后模式，显著降低了劳动强度，爆破现场作业人员由过去的6～8人减少为3～5人。

混装乳化炸药耦合自动化装药，解决了粉状炸药返粉率高以及装药密度低、安全性差、环境污染等一系列问题，有利于井下爆破安全生产。

2)爆破效果显著改善

与以往铵油炸药人工装药相比，使用现场混装乳化炸药自动化装药虽然炸药单耗上升了约15%，但爆后大块率显著下降，矿石块度均匀性较好，利于铲运出矿。个别采场顶部区域甚至发生超挖现象，在矿体较破碎的采场实施装药爆破后，发生后两排相邻炮孔被振坏的现象。反映出现场混装炸药性能较好，爆破设计参数需要根据炸药性能相应调整，钻孔与炸药成本也有望进一步降低。现场爆破效果见图4。

图4 现场爆破效果Fig.4 The blasting effect

3)能够满足高海拔特殊工况要求

混装车底盘动力系统功率在1月份的冬季依然比较充沛，从乳化基质倒装区至4490坑口连续上坡转弯、海拔上升590 m，平均行驶速度为3.8 km/h，且没有发生高海拔地区常见的工程机械冬季发动机启动难问题。

在装药寻孔送管过程中，混装车液压动力系统能提供稳定压力确保工作臂各关节运动平稳、准确，送管器能有效克服输药软管与孔壁间的摩擦阻力，实现垂直上向30 m深孔稳定送管。在装药过程中，系统可提供稳定流量确保装药系统、输药管卷筒、自动送管器在比例联动状态下，实现40～50 kg/min自动装药与调速收退管。