乳化炸藥的配方設(shè)計與應(yīng)用評價

崔雪峰，劉萬義，孟祥宇，董英健

(1.鞍鋼礦業(yè)爆破有限公司， 遼寧 鞍山市 114046；2.遼寧科技大學， 遼寧 鞍山市 114051)

0 前言

在采礦工程中，爆炸效果的優(yōu)劣直接影響到后續(xù)工序的進行和礦山經(jīng)濟效益，關(guān)乎安全生產(chǎn)。炸藥是工程爆破中廣泛使用的特種能源材料，如何正確地選擇性能優(yōu)良、配合比合理、價格適宜的炸藥，以滿足不同的礦、巖石以及工程爆破要求，具有十分重要的意義。以往的乳化炸藥配方設(shè)計只是將氧平衡作為唯一的設(shè)計原則和要求進行，較少考慮到炸藥的爆熱、爆壓等熱化學參數(shù)和炸藥原材料成本，考慮因素較為單一。大多數(shù)礦山使用的炸藥品種少且配方固定，對炸藥、特別是乳化炸藥的選擇性差，難以實現(xiàn)與礦巖特性的合理匹配，使得爆破效果和成本受到較大影響。因此，對乳化炸藥的配方優(yōu)化設(shè)計與乳化炸藥性能評價2種手段可以作為上述問題解決的思路和技術(shù)方法。

1 乳化炸藥的配方優(yōu)化設(shè)計

在礦用炸藥品種系列中，乳化炸藥具有良好的抗水性，但需要進行炸藥的配方設(shè)計與優(yōu)化，才能生產(chǎn)具有不同爆性指標的乳化炸藥。

依據(jù)炸藥的氧平衡、熱化學參數(shù)和成本等綜合條件建立目標函數(shù)和約束條件，通過計算機程序運算，可以設(shè)計并直接優(yōu)選出炸藥的配方。此方法遵循以下原則：

（1）原材料體系的氧平衡應(yīng)小于且接近于零或等于零；

（2）炸藥的爆性指標主要包括能量指標，即做功能力，爆速應(yīng)達到對巖石有效破碎和拋擲的要求；

（3）炸藥的能量釋放特性，即爆炸氣體的膨脹特性應(yīng)與巖石的力學特性相適應(yīng)；

（4）所設(shè)計的炸藥配方應(yīng)具有優(yōu)越的性能價格比。

第1條原則稱為氧平衡原則，第2、3條稱為性能適應(yīng)性原則，第4條稱為經(jīng)濟性原則。以上4條均從總體角度考慮，并通過最優(yōu)化方法予以實現(xiàn)，因此又稱為系統(tǒng)原則。

對甘薯淀粉/魔芋膠復配凝膠體系進行應(yīng)變掃描，以確定其線性粘彈區(qū)，結(jié)果如圖2所示。應(yīng)變能夠反映體系在應(yīng)力作用下的變形程度。隨應(yīng)變增加，體系的儲能模量（G'，圖 2-a）、損耗模量（G"，圖 2-b）在 0.01%～500%的應(yīng)變范圍內(nèi)表現(xiàn)出不同的變化趨勢。可以發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)變較高時儲能模量呈下降趨勢，而損耗模量先上升再下降，當儲能模量和損耗模量不再隨應(yīng)變發(fā)生改變時，說明體系在該應(yīng)變時處于線性粘彈區(qū)間。最終選擇應(yīng)變?yōu)?.0%進行動態(tài)頻率掃描。

乳化炸藥的配方設(shè)計途徑是根據(jù)炸藥爆炸反應(yīng)的熱化學方程，建立數(shù)學模型，利用數(shù)學模型計算不同質(zhì)量分數(shù)的硝酸銨、硝酸鈉、水、乳化劑和油相材料對熱化學參數(shù)爆熱和比容的影響，附加各組分成本和氧平衡等約束條件的限定，最終由計算機程序完成運算。

乳化炸藥爆炸反應(yīng)方程式按最常用的 B-W（Brinkley-Wilson）規(guī)則，反應(yīng)方程式為：

其中M為一價金屬。

各種成分寫成的炸藥通式為 CaiHbiOciNdiNaei,摩爾質(zhì)量為mi。組分i物質(zhì)的量為10xi，i=1，2，…，n。則各組分的摩爾分數(shù)：

若組分i種物質(zhì)的定容生成焓為ΔHi：i=1，…，n，則炸藥爆熱為：

已知在含 C、H、O、N、Na元素的乳化炸藥中：

式中，x1，…，x6分別為硝酸銨、硝酸鈉、水、乳化劑、石蠟和油相材料的質(zhì)量百分數(shù)。

約束條件為：

式中，K為氧平衡；P為炸藥原材料成本；x1，…，x6分別為硝酸銨、硝酸鈉、水、乳化劑、石蠟和油相材料的質(zhì)量百分數(shù)。原材料成本按當前市場平均價格計。

通過計算，得到在不同K和P條件下的乳化炸藥配方，以及該配方炸藥的最大爆熱值，進而可以針對特定的礦巖選擇性價比高的炸藥配方。

2 乳化炸藥的效率計算與評價

首先設(shè)計并優(yōu)化選擇一組性價比高的炸藥配方（通常為 5個左右），然后通過波阻抗測試和匹配來確定具有實用價值的炸藥配方。

2.1 炸藥與爆破介質(zhì)性能的匹配對爆破效果的影響

爆破破碎理論認為，藥包在炮孔內(nèi)爆炸后產(chǎn)生的爆轟波壓力在數(shù)微秒內(nèi)急劇上升至數(shù)千兆帕，并劇烈沖擊炮孔周邊巖石，當炸藥的波阻抗與巖石波阻抗相匹配時，才能發(fā)揮出最大做功效率，因此需要測試出炸藥及巖石的波阻抗。炸藥的波阻抗是指炸藥的密度與爆速的乘積，反映的是炸藥能量對巖石的作用時間和壓力。巖石的波阻抗是指巖石中縱波波速與巖石密度的乘積，反映的是應(yīng)力波使巖石質(zhì)點運動時巖石阻止波能傳播的作用。由于巖石和爆炸過程的復雜性以及其它的影響因素，導致巖石破碎過程也十分復雜。影響爆破效果的因素主要有巖石爆破特性、炸藥爆炸特性以及爆破參數(shù)和工藝等。其中重要的是根據(jù)不同的巖石匹配不同性能參數(shù)的炸藥，以阻抗匹配為理論基礎(chǔ)，使炸藥與巖石的波阻抗相近，此時巖體中產(chǎn)生的塑性區(qū)最大、炮孔壁上產(chǎn)生的峰值壓力最大，爆破效果最佳。

測試巖石波阻抗和炸藥波阻抗的方法如下：在裝有炸藥的炮孔內(nèi)放入爆速連續(xù)測試裝置的金屬導線，在剩余炮孔內(nèi)放入巖體波速測試裝置的探頭，獲取現(xiàn)場炮孔內(nèi)炸藥的連續(xù)爆速和巖體縱波速度，計算巖石和炸藥的波阻抗并進行合理匹配。

聲波測試方法為利用聲源訊號發(fā)射系統(tǒng)向發(fā)射換能器發(fā)射電脈沖，激勵晶片發(fā)出聲波在巖石試件中傳播，接收器接收后把聲能轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大在顯示器顯示上波形，讀出傳播時間后可計算出縱波波速。

2.2 礦巖波速測試

使用I-RPT(Rock Parameter Test)巖石波速測試儀，測得鞍山地區(qū)各種礦巖的波速見表1。

2.3 炸藥孔內(nèi)爆速測試

現(xiàn)場爆速測試遵循國家標準《工業(yè)炸藥爆速測定方法》（GB/T 13228—2015）中有關(guān)規(guī)定。由于采用110 mm外徑的PVC管裝現(xiàn)場混裝炸藥進行電測法或?qū)П靼l(fā)爆速測定需要專門的場地，且測定的爆速數(shù)據(jù)極差偏大，對此引進了加拿大的MicroTrap VOD/數(shù)據(jù)記錄儀（見圖1），該記錄儀通過記錄爆破炮孔內(nèi)特制線性電阻探針電阻值來計算爆速。現(xiàn)場操作時，測試人員將線性電阻探針軸向置于炮孔藥柱內(nèi)，炸藥起爆后，線性電阻探針將隨炸藥爆轟的傳播而熔化，電路電阻將隨該探針長度縮短而成比例地相應(yīng)減小。MicroTrap將記錄整個探針上因此而產(chǎn)生的電壓與時間相比的縮小值。應(yīng)用MicroTrap分析軟件自動將已記錄的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為距離對時間的曲線。曲線在任何位置上的斜率均為炸藥在相應(yīng)位置的爆速，如圖2所示。

表1 鞍山地區(qū)各種礦巖的波速/(m/s)

圖1 MicroTrap VOD/數(shù)據(jù)記錄儀

圖2 孔內(nèi)炸藥的爆速曲線

2.4 乳化炸藥的效率計算

在測定了給定環(huán)境中巖體的聲波傳播速度VR之后，根據(jù)式（2）計算炸藥效率：

式中，EPT為炸藥效率；ρ1為炸藥密度，g/cm3；ρ2為巖石密度，g/cm3；D為炸藥爆速，km/s；VR為巖體波速，km/s；R為不耦合率；EM為計算的炸藥最大非理論膨脹功，J/kg；ET為計算的炸藥最大理論膨脹功，J/kg。

不同的乳化炸藥在不同特性的礦巖中，其效率計算值EPT相差明顯。參照炸藥爆速D與巖石波速VR之間的比值D/VR是否大于1.3（經(jīng)驗值），可以確定出與不同特性的礦巖相匹配達到最佳爆破效果的乳化炸藥。

以眼前山鐵礦井下使用的乳化炸藥為例，計算求得最大非理論膨脹功EM=1 954 862 J/kg，最大理論膨脹功ET=262 043 J/kg，炸藥爆速按5500 m/s計算，眼前山鐵礦的幾種礦巖體的波速VR分別為：磁鐵礦4450 m/s，混合巖3840 m/s，綠泥片巖3550 m/s，千枚巖3280 m/s。眼前山鐵礦各種礦巖中的炸藥效率及D/VR列于表2。

表2 眼前山鐵礦各種礦巖爆破的炸藥效率

從表2中的計算結(jié)果可以得出，依據(jù)滿足D/VR＞1.3的條件，井下用乳化炸藥在混合巖中的效率最高，千枚巖中最低。而對于磁鐵礦，井下用乳化炸藥的爆速偏低，當炸藥的爆速達到5785 m/s時，才能滿足D/VR＞1.3的條件。

2.5 深水孔裝藥過程中孔底部分藥段的“減效”問題

盡管乳化炸藥具有良好的抗水性，但現(xiàn)場裝藥時，輸藥管末端產(chǎn)生的射流作用卷起孔底巖屑與底部部分炸藥混合。相關(guān)試驗表明，當水深 0.3 m、巖屑0.2 m時，15 cm～40 cm段內(nèi)水的體積占1/6、巖屑占1/12左右，這部分炸藥被巖屑和水產(chǎn)生“離析”作用，其爆炸性能和效率明顯下降，甚至拒爆或半爆，影響爆破效果。因此通過改變輸藥管射流方式，在末端加裝側(cè)向射流孔，改變炸藥射流方向為炮孔徑向，從而減少了孔底炸藥的“劣化”，保證孔內(nèi)炸藥柱的連續(xù)性和爆炸性能及效率。

3 結(jié)論

（1）采用考慮氧平衡、爆熱、原材料成本等多種綜合因素的數(shù)學模型進行乳化炸藥的優(yōu)化設(shè)計，獲得了合理的配比方案，為礦山實際爆破工程提供理論依據(jù)。

（2）使用乳化炸藥進行爆破的過程中，不同種類的巖石采用同一種乳化炸藥，不能合理利用炸藥效率，爆破效果不佳。采用EPT法選擇與礦巖特性相匹配的乳化炸藥，很大程度地提高了炸藥效率。