现场混装乳化炸药车应用于地下矿山
爆破装药研究
一、研究背景及意义
爆破作业是矿业生产和工程爆破各项作业中一项非常重要而又艰苦的工作，对作业环境和安全保证等方面的要求非常严格。
从上世纪七十年代开始，随着铵油炸药、浆状炸药、乳化炸药等研制成果的迅速推广应用，由于这类炸药摩擦和冲击感度低，同时具有一定的流动性及优良爆炸性能，为炮孔爆破作业实现机械化装药创造了有利条件。
国外相继推出了应用于露天和地下矿山爆破现场散装炸药混装车及装药器。
在国内，长沙矿山研究院同期率先研制了地下矿用的中深孔粉状炸药装药器、露天矿用的浆状炸药现场混装车、露天乳化炸药混装车及其配套设备，从而开始改变了我国人工装药的落后面貌。
我国地大物博，自然环境千差万别，大孔径爆破的大型露天矿山较少，大部分的工程爆破和矿山采掘爆破使用的是中小直径炮孔，使得包装炸药、露天乳化炸药现场混装车的使用范围受到了较大限制。
特别是地下矿山受作业条件限制，环境恶劣、工作空间小、装药劳动强度大、安全系数低，运输、爆破作业及劳动卫生要求高，尽快研制适用于复杂爆破作业环境条件的散装乳化炸药装药设备显得尤为重要。
工业和信息化部关于民爆技术发展的方向指明：我国工业炸药生产方式鼓励由固定地面生产线向现场混装作业方式发展；民爆行业十二五发展规划要求进一步优化产业结构，工业炸药向安全高效、系列化方向发展，着力发展乳化炸药和多孔粒状铵油炸药，大力发展现场混装和散装型产品，所占比例达到50%以上。
然而，因为民爆技术发展的制约，我国原有工业炸药的生产和装药方式及设备已不能全面满足我国和谐民爆、安全民爆的发展要求，急需研发具有本质安全的炸药现场混装技术及装药设备。
使用散装乳胶基质、实现现场敏化和装填，不仅炸药生产成本大幅度降低、经济效益显著，而且由于乳胶基质感度低，其生产、运输、储存和使用的本质安全性将大幅度提高。
大力推广乳化炸药现场混装技术和现场混装设备，是矿业生产和工程爆破行业发展的方向，是民爆生产朝着本质安全、高效发展的必然要求，是我国优化民爆产品结构、改善装药环境、减轻装药工人劳动强度，实现民爆行业“节能减排”、“减少碳排放”目标的根本技术途径。
同时，乳化炸药现场混装技术和设备的应用有助于推进采矿作业实现机械化和自动化、矿山装备无轨化，并朝大型化发展，真正发展高效、智能和绿色矿山。
二、国内外现场混装技术研究现状及发展趋势
1.国外现场混装技术研究现状及发展趋势
在国外，自上个世纪五十年代铵油炸药诞生后，随之推出了多种型号混装车及装药器。
瑞典、芬兰、美国及前苏联在六十年代开始研制并推广了铵油炸药混装车。
浆状炸药出现后，使得现场混装炸药的技术得到进一步发展，不仅可在工厂混装，亦可在爆破工地现场混装。
乳化炸药发明后，特别在美国，借鉴浆状炸药现场混装技术，很快形成了乳化炸药现场混装技术及配套设备。
从1982年开始，美国、澳大利亚、加拿大等西方国家陆续在露天和井下爆破作业使用了乳化炸药现场混装技术及混装车，且发展成为他们工业炸药的主导生产方式。
乳化炸药现场混装是一种由固定或移动式地面站集中制备油水相溶液，混装车车载油水相溶液，在装药现场完成乳胶基质制备、敏化、装填的现场混装技术。
1990年以来，国外露天现场混装乳化炸药技术又取得了新的进展，发展了“乳胶基质远程配送与现场混装”的第二代露天现场混装乳化炸药新技术，且已逐步取代了第一代露天现场混装乳化炸药的生产工艺技术。
这一新技术的主要进步表现在装药车不再运送炸药原料热溶液，改为运送乳胶基质半成品（即将车载乳胶基质从装药车上分离，车上配置乳胶基质贮仓、敏化剂罐和乳胶基质输送、敏化、装填等系统，将乳胶基质制备的油水相泵送、计量、乳化、自控系统移至地面固定厂房，实现乳胶基质的大规模生产，将乳胶基质视同氧化剂材料实行跨地区、跨
国界远程分级配送，然后在最终用户的爆破现场由乳化炸药现场混装车将乳胶基质装填进入炮孔、并在炮孔内敏化成为炸药），从而简化了整车保温系统与混装工艺，不仅可确保乳胶基质的质量更加稳定，而且使装药车的整车抗颠簸、抗冲击性能得以提高，可大幅提高装药车的综合作业效率，延长整车的使用寿命。
目前，在欧美等国，现场混装散装乳化炸药用量达到市场份额的80%以上。
2.国内现场混装技术研究现状及发展趋势
与国外相比，虽然我国早在“六五”中期开始了乳化炸药的研究与应用，但直到八十年代初期，我国只有长沙矿山研究院一家从事乳化炸药现场混装技术的研究工作。
在国家“七五”重大技术装备科研项目中，为从根本改变我国大型露天矿山人工装药的落后状况，提高爆破质量，适应高效率采矿的需要，长沙矿山研究院承担了“乳化炸药混装车及配套设备的研究”项目，经长沙矿山研究院与海南铁矿、湖北大冶铁矿等单位的协作攻关，先后研制成功了RHC微机自控乳化炸药混装车和RHC-12型乳化炸药混装车及地面站，并获得1991年国家科技进步二等奖，其中RHC-12型乳化炸药混装车及地面站成功应用于葛洲坝水电站、三峡水利工程和香港新机场的建设，取得了显著的经济及社会效益。
1986年我国从美国埃里克公司引进了乳化炸药混装车，由山西长治矿山机械厂进行消化吸收。
从1991年开始，我国第一代露天现场混装乳
化炸药技术先后在南芬铁矿、德兴铜矿、平朔煤矿等国内大型露天矿山推广应用，但发展速度远不及发达国家。
九十年代以来，国内从事民爆研究的科研单位纷纷将乳化炸药现场混装药技术列为重点科研项目，近年由我国自主开发的基于“乳胶基质远程配送与现场混装”技术的露天现场混装乳化炸药技术及其装药车已获成功，如北矿院开发的MEF移动式乳胶基质制备站和BCJ系列乳化炸药混装车，长沙矿冶院研制的BCHR系列现场混装乳化炸药车等，其技术先进性与本质安全性受到业界的广泛认可，并在大型露天矿山得到了广泛发展和应用。
但上述混装车（或装药车）的生产技术只适用于露天矿山中大直径炮孔装填无雷管感度乳化炸药，难以满足复杂环境下中小直径爆破装药，特别是地下矿山的的中深孔爆破作业。
对爆破作业人员来说，露天与地下爆破作业的一般区别只是爆破装药的炮孔直径大小不同而已，以露天和地下矿山为例，前者通常采用牙轮钻或潜孔钻钻凿较大直径的炮孔(Φ100mm以上)，后者的炮孔直径则较小(Φ35～Φ100mm)。
众所周知，以乳化炸药为代表的现代工业炸药，装药直径对其爆轰传播影响很大，适合小直径炮孔爆破的炸药，应具备较小的临界爆轰直径和稳定的传爆性能；且地下现场混装乳化炸药技术也不是露天现场混装乳化炸药技术的简单移植，增加了乳胶基质的长距
离输送、连续敏化成药及对孔、送管、拔管等关键工艺技术。
因此，地下现场混装乳化炸药技术比露天现场混装乳化炸药技术难度更大。
爆破施工现场使用现场混装技术，是当今世界先进国家的普遍作业模式，是先进生产力的代表，是安全、技术、经济效益及规模的需要，也符合我国民爆产业技术进步和政策的发展方向。
只有鼓励大力发展适用于不同工作环境特别是井下复杂作业环境的乳化炸药现场混装设备及配套工艺技术，并推进在实际爆破工程上更多使用现场混装设备，总结、改进、提高自身技术水平，才能赶上与国外装药车的技术差距。
三、乳化炸药现场混装技术优势
(一)现场混装和人工装药比较
传统人工装药，就是爆破施工单位从生产厂家购买卷装或散装炸药，先储存到工地附近的临时炸药库，使用时从炸药库运输到爆破工作面后，由人工将炸药装入炮孔。
乳化炸药现场混装技术，就是由现场混装炸药车装载炸药原材料或乳胶基质，驶入爆破作业现场后用车载系统将其连续制备成炸药，并完成炮孔装填。
这一现场混装炸药技术能实现工程爆破的机械化、高效率作业，最大限度地提高炸药制备、运输和使用的安全性。
表1 现场混装与手工装药对比
(二)现场混装乳化炸药的优势
1.本质安全
1)在西方发达国家，乳胶基质按照氧化剂化学品管理，不属于爆炸
危险品，因此可以采用固定式工厂集中生产，跨地区跨国家远程配送。
我国乳胶基质按照爆炸危险品管理，可确保混装车的原材料储存、生产和运输的本质安全；
2)现场混装车以非雷管感度的乳胶基质为主要原材料，其机械感度
和撞击感度较低，装入炮孔前乳胶基质和敏化材料不发生反应，在输药软管出口二者混合，进入炮孔经一定时间才敏化成炸药，从本质上消除了爆破作业现场装药过程的安全和遗失炸药隐患；
3)能可靠的将起爆药包通过输药软管送至孔底、实现连续耦合装
药，有效避免间断装药的各种爆破风险；
4)实现了机械化装药和自动化操作，降低了劳动强度。
2.节约成本
1)由于完全实现了连续耦合装药，炮孔利用率得到显著提高，可达
96%以上，炸药做功能量可充分释放；
2)有助于扩大爆破孔网参数、减少钻孔数量，节省钻孔量28%以上，
显著降低爆破成本，提高爆破效率；
3)混装炸药现用现制，生产工艺简单，减少了包装环节，与包装炸
药相比节省人工、能耗及材料（40%～60%）；
4)全过程机械装药，可提高装药效率40～60%，节省人工60%以上；
5)显著提高爆破综合效率，台阶爆破后不留根底、大块率低，节约
二次爆破或二次破碎成本，有效提高铲装效率；
6)炸药的装药密度及性能可根据岩石性质在小范围内调整，具有广
泛的适用性。
3.方便高效
1)在有水炮孔中装填效果好，因装药初从孔底开始，有效的将水孔
中的水排出，可按爆破设计要求连续装药，杜绝人工装填卷状药的不连续和非耦合装药带来的爆破留坎、留底等“老大难”问题；
2)根据不同的爆破规模，混装车每次可载炸药量在几百公斤到15t
之间，可满足不同爆破量的要求；
3)装药过程由微机控制，自动化程度高，操作简便；
4.绿色环保
1)混装炸药配方简单、性能优良，本身不含有害物质，爆破有毒气
体生成量少，安全可靠，是我国大力推广的环保型炸药；
2)生产过程减少了包装环节，节省了包装材料，消除了环境影响，
符合当前“节能减排”的环保要求，现场混装乳化炸药是当前工业
炸药中最实用、最理想的环保产品。
四、中小直径现场混装乳化炸药车
1.中小直径现场混装乳化炸药车说明
1)散装乳化炸药配方设计
中小直径现场混装乳化炸药车是使用外部提供的乳胶基质，在爆破作业现场完成乳化炸药的输送、敏化和装填。
其所用乳胶基质必须具有良好的储存稳定性，满足长距离运输和长时间储存要求；常温下具有良好的流动性，满足泵送和低阻力管道输送要求；采用化学敏化，满足中低温快速敏化要求；具有合适的黏度，能提供足够的粘附力，使其装填于井下上向中深孔不返药，且放置一定时间后具有优良的爆炸性能。
表2 乳胶基质配方设计
油相水相组分
机油柴油乳化剂高粘度组分水硝酸铵硝酸钠配比（%）1~3 1~3 1.5~3 0~1 13~18 70~75 3~8
表3 乳胶基质主要物性参数
物理量名称温度（℃）密度（g/cm3）粘度（Pa·s）储存期（天）外观参数5~50 1.3~1.35 100~300 ≮30 棕黄色半透明膏体
2)工艺流程
乳胶基质、敏化剂分别贮存在各自的物料储罐中，装药时按比例同步泵入输药管路，在输药管路出口，乳胶基质和敏化剂经管式混合器快速混合，直接装入炮孔，约10min后敏化成炸药，工艺流程如图1：
图1 散装乳化炸药现场装药工艺流程图
3)设备型号说明
中小直径现场混装乳化炸药车按行走方式和底盘结构不同分采用四轮驱动铰接底盘的轮胎式中小直径现场混装乳化炸药车和采用履带底盘的履带式小直径现场混装乳化炸药车两种类型，型号表示方法如下：
B C □R—□—□
药箱装载量，吨
产品设计序号（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ…）
乳化炸药
型式代号，L为履带式，T为轮胎式
混装车
装药设备
混装车动力源可采用井下专用低污染柴油发动机，也可采用外接电源，整车采用全液压驱动，通过发动机或电机驱动液压站为各个执行机构提供动力。
所以，根据动力源选择不同，混装车又可派生出发动机驱动和电力驱动等不同规格。
4)性能参数
表4 中小直径现场混装乳化炸药车技术参数
5)技术优势
a)敏化剂复合改性技术
根据现场混装乳化炸药在线连续敏化和低温快速敏化的特殊要求，炸药敏化后可能出现密度反弹，尤其是高温条件下气泡大量逸失导致敏化失效，通过化学方法对敏化剂进行改性，添加改性剂以控制反应产气速率，提高表面活性即降低表面张力利于成泡、固泡；同时，采用改性后的敏化剂作润滑剂以减小管路输送阻力，改性后的敏化剂具有敏化和降阻双重功效。
b)敏化剂添加和低阻力管路输送技术
为解决乳胶基质管道输送阻力大的问题，必须提高胶体的流动性或降低胶体与管壁间的黏阻力。
减阻剂减阻是通过往流体中添加微量的某种表面活性剂，将其溶于被输送的流体后自发地向流体表面游移，最终吸附在两相界面上，形成新的低能表面，使两相界面上的分子间作用力降低，进而达到降阻效果。
经复合改性后的敏化剂中含有一定量的表面活性成分，通过调整其加入量多少，能够满足减阻剂减阻要求。
减阻剂选用环保型低表面活性材料，与炸药不会发生反应。
敏化剂添加及在装药软管输送过程中，应确保乳胶基质、敏化剂与敏化促进剂在输送过程中不会发生反应。
BCTR、BCLR系列中小直径现场混装乳化炸药车采用具有自主知识产权（发明专利：201110237993.0）的低阻力管路输送技术，设计了具有特殊结构的复合减阻/敏化剂添加装置。
敏化剂、降阻型敏化促进剂及乳胶基质流经预混器进入输药软管后，其特殊的环形分布结构可使敏化剂在管壁与乳胶基质间形成具有润滑功能的环状液膜，减少输送阻力，同时使敏化促进剂成线性聚集于乳胶基质中心，在管路内以多元环形分布进行输送，保证输送过程中敏化剂和敏化促进剂不相遇，达到乳胶基质在输药管内不发生敏化的目的。
图2 输药管中胶体环形输送示意图
通过添加减阻剂和采用先进的环形分布添加技术，能有效降低乳胶基质管路输送阻力以满足工艺要求，显著提高炸药敏化效果和增强炸药贮存稳定性，炸药在炮孔中储存10天能可靠起爆，爆破效果超过重铵油炸药水平。
c)管式混合器
管式混合器，是实现中小直径乳化炸药现场混装的一个关键装置，其精巧的结构设计，可有效保证乳胶基质与敏化剂的连续均匀混合。
管
式混合器位于输药软管的末端，其作用是使多元环形分布的敏化剂、敏化促进剂和乳胶基质实现混合均匀，至炮孔后快速发泡、敏化成药。
使用表明，基质温度在0～50℃范围内、敏化时间10～30min后，敏化气泡致密均匀，具有低表面张力、高稳定性、体积密度大等特点。
图3 管式混合器结构图
d)上向炮孔装填及孔底起爆技术
图4 炮孔装填及孔底起爆药安全装置示意图
在地面站或配送站装载乳胶基质及敏化剂后，BCTR、BCLR系列中小直径现场混装乳化炸药车可直接驶入装药作业现场，并根据爆破设计要求进行现场混装作业。
设定炮孔装药量后，车载PLC控制系统就可自动起停各系统协同动作，自动完成每个炮孔的装填作业，并存储、显示
每个炮孔的装药量与累计装药量。
装填作业效率在15～80kg/min范围内可调，装药计量误差小于2%。
e)安全性设置
A.生产工艺的安全性
BCTR、BCLR系列中小直径现场混装乳化炸药车通过对工艺设备及导致炸药生产安全的敏化热点、热积累、冲击激发等因素的分析，关键部位设置超温、超压、断料和断流的自动保护装置。
当装药过程出现断料、吸空或胶体流量骤降，能即时实现全机自动报警或停车，装药系统本质安全。
B.乳胶基质安全性
BCTR、BCLR系列中小直径现场混装乳化炸药车使用地面站生产的高流动性、钝感的乳胶基质。
我们对乳胶基质的起爆感度、冲击感度实验进行了测试和检验，用1发8#雷管引爆，拒爆率100%。
冲击感度测试采用10Kg落锤，500mm落锤高，0.050g药量，爆炸率0%，表明所制乳化基质具有无雷管感度和冲击感度。
为控制危险源头，对乳胶基质的制备工艺严格把关、精选原料供货，严格要求质量标准，严格进行原材料的入厂质量检验；乳化前，水相设置两道过滤，油相设置三道过滤，严防固体杂质进入乳化器；配方中所有原料不含感度较高与稳定性较差的原料，且利于长距离管道输送。
