程扬帆 陶 臣 夏 煜 胡芳芳 张启威 姚雨乐 汪 泉

(1.安徽理工大学化学工程学院,安徽 淮南 232001;2.安徽省爆破器材与技术工程实验室,安徽 淮南 232001)

随着露天矿产资源日益枯竭以及“绿色矿山”理念的提出和实践,金属矿山逐渐由露天转向地下开采。地下矿山采用分段崩落法开采(即自下而上的开采模式)时,需要上向打孔和装填乳化炸药。为了提高采矿效率,上向炮孔深度已达40 m以上[1]。在上向深孔装填乳化炸药时,人工装药劳动强度大、装药效率低[2]。风动装填粉状乳化炸药存在装填密度低、返粉率高等不足,而且粉体悬浮在空中易造成工作面污染[3]。机械泵送地下矿用乳化炸药,存在泵送过程中因流动性差而发生管路堵塞,或者在炮孔内因黏着性低而发生返药现象[4]。此外,当温度低至-20℃时,乳化炸药黏度增大、析晶严重,超低温环境也是地下矿山开采面临的难题之一。

增稠剂是一种功能高分子材料,能够显著增加物质的黏度和稠度[5-6]。采用微囊技术制备的含能敏化剂、储氢微囊和耐压敏化剂等在乳化炸药中已经得到应用,具有许多独特的性能[7-9]。利用微囊技术包覆增稠剂,添加增稠微囊的乳化炸药通过橡胶软管泵送,泵送过程中微囊结构完好;在管口处的增稠微囊受高速剪切破坏释放出增稠剂,使地下矿用乳化炸药到达炮孔后黏度瞬间增强,有助于解决地下矿用乳化炸药在泵送过程中流动性与炮孔内黏着性相矛盾的问题。乳化炸药的耐低温性能主要与水相析晶点和油相界面膜强度有关,通过改进乳化炸药配方,可以提升地下矿用乳化炸药的耐低温性能。

1 试 验

1.1 材 料

硝酸铵(NH4NO3,99%)购于安徽淮化集团有限公司;硝酸钠(NaNO3,AR),尿素(CH4N2O,AR),司班80(Span80,AR),增稠剂(Thickening agent,AR)均购于麦克林试剂有限公司;聚异丁烯丁二酰亚胺(T155,AR)购于成都化夏化学试剂有限公司;柴油、40#机油均购于中国石油化工集团有限公司;空心玻璃微球(堆积密度为0.25 g/cm3,平均粒径为55μm)购于美国3M公司;去离子水为实验室自制。

1.2 地下矿用乳化炸药制备

采用昂尼AM300S-H剪切机乳化制备乳化炸药,每批次100 g。首先将3.11 g柴油、1.55 g机油、1.17 g Span80、1.17 g T155混合均匀水浴加热到90℃形成油相,将68 g NH4NO3、8 g NaNO3、2 g CH4N2O、15 g去离子水混合快速加热到105℃形成水相;然后以1 200 r/min高速搅拌复合油相,将水相缓慢倒入复合油相中,乳化2 min制成地下矿用乳胶基质,配方如表1所示。

表1 地下矿用乳胶基质的组成Table 1 Composition of underground mining emulsion matrix %

1.3 增稠微囊制备

如图1所示,增稠微囊的合成主要步骤为:首先将成膜剂与增稠剂混合均匀形成黏稠状溶液,利用超声波震荡1 h去除内部气泡;然后使用注射器吸取少量的黏稠状溶液,用针口挤出一定体积溶液滴入装有2%CaCl2溶液的容器中;最后黏稠状溶液中的成膜剂与溶液中的钙离子在表面反应生成高强度壳体,1 s后从CaCl2溶液中快速取出微球,并用去离子水清洗微球表面的CaCl2溶液,使得内部成膜剂不与钙离子继续反应,形成封装增稠剂的微囊。

图1 增稠微囊制备示意Fig.1 Schematic of the preparation of thickening microcapsules

如图2所示,当使用机械对上向孔进行泵送装填乳化炸药时,添加增稠微囊的地下矿用乳化炸药通过输送软管泵送到炮孔中。在泵送过程中微囊结构完好,对乳胶基质的物理化学性质无影响。在管口处受到三叶搅拌器高速剪切作用后,增稠微囊壳体破坏而释放出增稠剂,从而使地下矿用乳化炸药到达炮孔后的黏度快速增强,实现孔内增稠,解决地下矿用乳化炸药在泵送过程中流动(要求黏着性低)与炮孔内附着(要求黏着性高)相矛盾的问题。

图2 添加增稠微囊的地下矿用乳化炸药泵送示意Fig.2 Pumping schematic of emulsified explosive for underground mining with thickening microcapsules

2 试验结果与讨论

2.1 微观结构表征

增稠微囊和乳胶基质增稠前后的宏观与微观特征如图3所示。图3(a)为制备的增稠微囊,将增稠剂包覆于球形壳体结构中,由该图可知微囊的粒径约为2 mm,当壳体结构破坏后会释放出内部的增稠剂。图3(b)是含增稠微囊乳胶基质剪切前的实物图,微囊壳体具有一定强度,在乳胶基质中保存完整,可以看出乳胶基质整体均匀、无析晶,说明微囊对乳胶基质稳定性没有影响。含增稠微囊乳胶基质剪切后的实物图和微观图如图3(c)所示,增稠剂以线性结构均匀分布在乳胶基质中,细丝状增稠剂相互交织,形成多维网状结构,油包水乳液粒子位置被固定,阻力增大难以流动,从而增加了乳化炸药黏度。

图3 增稠微囊和乳胶基质增稠前后宏观与微观图Fig.3 Macroscopic and microscopic pictures of thickened microcapsules and latex substrates before and after thickening

2.2 黏度测试

本研究采用RVDV-1数显旋转式黏度计,分析添加不同比例增稠微囊对地下矿用乳化炸药黏度的影响。在-20～60℃范围内,测得乳化炸药黏度变化如图4(a)所示。乳胶基质黏度随着温度的升高而降低,在-20℃低温环境下乳胶基质黏度为96.9 Pa·s。添加1%、2%和3%增稠微囊加入乳胶基质(未高速剪切)的黏度与地下矿用乳胶基质黏度接近,说明增稠微囊的加入对乳胶基质黏度无影响。添加不同比例增稠微囊的乳胶基质在1 000 r/min转速剪切作用后,其黏度变化如图4(b)所示,剪切后的乳胶基质黏度随着增稠微囊含量的增加而增大,且增稠后乳胶基质黏度依然随温度的升高而降低。

图4 不同含量增稠微囊的乳胶基质黏度随温度的变化曲线Fig.4 Viscosity-temperature curves of emulsion matrix with different mass ratios of microcapsules

地下矿用乳化炸药从泵送装药到起爆在当日12 h内完成,测试添加不同比例的增稠微囊的乳化炸药在增稠前后黏度随时间变化,每小时测量一次,共12次,探究乳化炸药在炮孔内的稳定附着情况。乳胶基质加入不同含量的增稠微囊后,剪切前测得其黏度随时间的变化情况如图5(a)所示。地下矿用乳胶基质黏度为49.6 Pa·s,增添不同比例微囊的乳胶基质黏度在同一区间位置波动,乳胶基质黏度随时间的增加几乎不发生变化。如图5(b)所示,剪切增稠后的乳胶基质黏度随增稠微囊含量的增加而增大,并且随着时间的增加乳胶基质黏度维持稳定。黏度数值在固定区间内波动,是由测试乳胶基质时位置变动引起,线性网状结构增稠剂在乳胶基质中交错造成不同位置处乳胶基质黏度存在波动。试验结果表明:增稠微囊在泵送过程中能有效地将增稠剂与乳化炸药隔离,不影响乳化炸药的黏度,到达炮孔后增稠剂对于乳化炸药的增稠效果显著。含2%复合蜡的乳胶基质满足孔内附着要求,测得其黏度值为132 Pa·s,因此将该值作为孔内增稠乳化炸药黏度的参考值。添加2%增稠微囊的地下矿用乳化炸药在1 000 r/min剪切后(模拟到达炮孔时的状态)测得的黏度为127.9 Pa·s,接近含2%复合蜡的乳胶基质黏度。因此,本研究确定增稠微囊添加量为2%。

图5 不同含量增稠微囊的乳胶基质黏度随时间变化的散点分布Fig.5 Viscosity-time scatter distribution of emulsion matrix with different mass ratios of microcapsules

2.3 爆轰性能测试

2.3.1 样品制备

前期爆轰性能测试结果得到乳化炸药中玻璃微球含量为4%时爆轰威力最佳[10]。选用自制乳胶基质,并采用4%空心玻璃微球进行敏化,通过调整增稠微囊含量和冷冻时间,制备出3种地下矿用乳化炸药样品,配方如表2所示。样品1为添加4%玻璃微球的乳化炸药,样品2为添加4%玻璃微球和2%增稠微囊(剪切后)的乳化炸药,样品3由样品1在-20℃环境下储存12 h制得。

表2 3种乳化炸药样品制备配方Table 2 Formulations of three kinds of emulsion explosive samples

2.3.2 铅柱压缩试验

铅柱压缩试验如图6所示,未压缩铅柱的高度与直径分别为60 mm和40 mm[11-13],为了使铅柱均匀受压,在铅柱顶部放置一块薄钢片,然后称取45 g乳化炸药装入直径为40 mm的纸筒中并放置在钢片上。由于地下矿用乳化炸药含水量高达15%,雷管感度较低,因而采用5 g钝化黑索金制成圆柱形药包作为起爆药,钝化黑索金中黑索金与石蜡质量比为100∶5,密度为 1.65 g/cm3[14]。每个乳化炸药样品的猛度试验做3次以上,试验结果取平均值。

图6 铅柱压缩试验示意Fig.6 Schematic of lead column compression test

2.3.3 爆速试验

爆轰速度是描述炸药性能的主要参数之一,可以定义为起爆炸药中化学反应区的传播速度[15]。如图7所示,乳化炸药爆速采用离子探针法进行测量,将乳化炸药装入长40 cm、直径40 mm的PVC管中,相邻探针间距离为50mm,共计4个。采用50 g高感度乳化炸药作为起爆药,为降低起爆药对地下矿用乳化炸药的影响,起爆药与最近探针间距控制在16 cm以上。

图7 爆速测试装置示意Fig.7 Schematic of detonation velocity test apparatus

2.3.4 结果分析

3种乳化炸药爆轰性能参数如表3所示。图8为3种乳化炸药样品铅柱压缩试验结果,从左至右依次是未压缩铅柱、未添加微囊的地下矿用乳化炸药(样品1)、剪切后含2%增稠微囊的地下矿用乳化炸药(样品2)和-20℃冷冻12 h未添加微囊的地下矿用乳化炸药(样品3)。样品1的爆速为5 133 m/s,铅柱压缩量为18.1 mm,添加2%增稠微囊的样品2剪切后爆速为5 030 m/s,铅柱压缩量为17.6 mm,两种样品都具有良好的爆轰性能。样品2与样品1相比爆炸威力有所降低,这是因为增稠剂的主要成分是水,增稠剂的加入使乳化炸药含水量整体增加,但对乳化炸药的爆轰威力影响很小,其铅柱压缩量和爆速分别降低了2.8%和2.0%。相对于样品1,-20℃冷冻12 h制得的样品3铅柱压缩值和爆速分别降低了6.1%和10%,说明制备的地下矿用乳化炸药具备良好的抗低温性能。

表3 3种乳化炸药爆轰性能参数Table 3 Detonation parameters of three types of emulsion explosives

图8 乳化炸药铅柱压缩试验结果Fig.8 Lead column compression test results of emulsion explosive

3 结 论

(1)利用微囊技术制备增稠微囊时,微囊的增稠功能发挥在炮孔内,在泵送过程中不影响乳化炸药的黏度,从而有助于解决上向孔返药问题。

(2)增稠剂以线性网状结构分布在乳化炸药中,从而约束乳化炸药流动,且地下矿用乳化炸药中增稠微囊的最佳添加量为2%。

(3)通过加入尿素和乳化剂复配可以增强乳胶基质的耐低温性能,-20℃冷冻12h后的爆速和铅柱压缩量分别只降低了10%和6.1%。