基于增稠微囊的地下礦用乳化炸藥配方設(shè)計及性能表征

程揚(yáng)帆 陶 臣 夏 煜 胡芳芳 張啟威 姚雨樂 汪 泉

(1.安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.安徽省爆破器材與技術(shù)工程實驗室,安徽 淮南 232001)

隨著露天礦產(chǎn)資源日益枯竭以及“綠色礦山”理念的提出和實踐,金屬礦山逐漸由露天轉(zhuǎn)向地下開采。地下礦山采用分段崩落法開采(即自下而上的開采模式)時,需要上向打孔和裝填乳化炸藥。為了提高采礦效率,上向炮孔深度已達(dá)40 m以上[1]。在上向深孔裝填乳化炸藥時,人工裝藥勞動強(qiáng)度大、裝藥效率低[2]。風(fēng)動裝填粉狀乳化炸藥存在裝填密度低、返粉率高等不足,而且粉體懸浮在空中易造成工作面污染[3]。機(jī)械泵送地下礦用乳化炸藥,存在泵送過程中因流動性差而發(fā)生管路堵塞,或者在炮孔內(nèi)因黏著性低而發(fā)生返藥現(xiàn)象[4]。此外,當(dāng)溫度低至-20℃時,乳化炸藥黏度增大、析晶嚴(yán)重,超低溫環(huán)境也是地下礦山開采面臨的難題之一。

增稠劑是一種功能高分子材料,能夠顯著增加物質(zhì)的黏度和稠度[5-6]。采用微囊技術(shù)制備的含能敏化劑、儲氫微囊和耐壓敏化劑等在乳化炸藥中已經(jīng)得到應(yīng)用,具有許多獨特的性能[7-9]。利用微囊技術(shù)包覆增稠劑,添加增稠微囊的乳化炸藥通過橡膠軟管泵送,泵送過程中微囊結(jié)構(gòu)完好;在管口處的增稠微囊受高速剪切破壞釋放出增稠劑,使地下礦用乳化炸藥到達(dá)炮孔后黏度瞬間增強(qiáng),有助于解決地下礦用乳化炸藥在泵送過程中流動性與炮孔內(nèi)黏著性相矛盾的問題。乳化炸藥的耐低溫性能主要與水相析晶點和油相界面膜強(qiáng)度有關(guān),通過改進(jìn)乳化炸藥配方,可以提升地下礦用乳化炸藥的耐低溫性能。

1 試 驗

1.1 材 料

硝酸銨(NH4NO3,99%)購于安徽淮化集團(tuán)有限公司;硝酸鈉(NaNO3,AR),尿素(CH4N2O,AR),司班80(Span80,AR),增稠劑(Thickening agent,AR)均購于麥克林試劑有限公司;聚異丁烯丁二酰亞胺(T155,AR)購于成都化夏化學(xué)試劑有限公司;柴油、40#機(jī)油均購于中國石油化工集團(tuán)有限公司;空心玻璃微球(堆積密度為0.25 g/cm3,平均粒徑為55μm)購于美國3M公司;去離子水為實驗室自制。

1.2 地下礦用乳化炸藥制備

采用昂尼AM300S-H剪切機(jī)乳化制備乳化炸藥,每批次100 g。首先將3.11 g柴油、1.55 g機(jī)油、1.17 g Span80、1.17 g T155混合均勻水浴加熱到90℃形成油相,將68 g NH4NO3、8 g NaNO3、2 g CH4N2O、15 g去離子水混合快速加熱到105℃形成水相;然后以1 200 r/min高速攪拌復(fù)合油相,將水相緩慢倒入復(fù)合油相中,乳化2 min制成地下礦用乳膠基質(zhì),配方如表1所示。

表1 地下礦用乳膠基質(zhì)的組成Table 1 Composition of underground mining emulsion matrix %

1.3 增稠微囊制備

如圖1所示,增稠微囊的合成主要步驟為:首先將成膜劑與增稠劑混合均勻形成黏稠狀溶液,利用超聲波震蕩1 h去除內(nèi)部氣泡;然后使用注射器吸取少量的黏稠狀溶液,用針口擠出一定體積溶液滴入裝有2%CaCl2溶液的容器中;最后黏稠狀溶液中的成膜劑與溶液中的鈣離子在表面反應(yīng)生成高強(qiáng)度殼體,1 s后從CaCl2溶液中快速取出微球,并用去離子水清洗微球表面的CaCl2溶液,使得內(nèi)部成膜劑不與鈣離子繼續(xù)反應(yīng),形成封裝增稠劑的微囊。

圖1 增稠微囊制備示意Fig.1 Schematic of the preparation of thickening microcapsules

如圖2所示,當(dāng)使用機(jī)械對上向孔進(jìn)行泵送裝填乳化炸藥時,添加增稠微囊的地下礦用乳化炸藥通過輸送軟管泵送到炮孔中。在泵送過程中微囊結(jié)構(gòu)完好,對乳膠基質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)無影響。在管口處受到三葉攪拌器高速剪切作用后,增稠微囊殼體破壞而釋放出增稠劑,從而使地下礦用乳化炸藥到達(dá)炮孔后的黏度快速增強(qiáng),實現(xiàn)孔內(nèi)增稠,解決地下礦用乳化炸藥在泵送過程中流動(要求黏著性低)與炮孔內(nèi)附著(要求黏著性高)相矛盾的問題。

圖2 添加增稠微囊的地下礦用乳化炸藥泵送示意Fig.2 Pumping schematic of emulsified explosive for underground mining with thickening microcapsules

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 微觀結(jié)構(gòu)表征

增稠微囊和乳膠基質(zhì)增稠前后的宏觀與微觀特征如圖3所示。圖3(a)為制備的增稠微囊,將增稠劑包覆于球形殼體結(jié)構(gòu)中,由該圖可知微囊的粒徑約為2 mm,當(dāng)殼體結(jié)構(gòu)破壞后會釋放出內(nèi)部的增稠劑。圖3(b)是含增稠微囊乳膠基質(zhì)剪切前的實物圖,微囊殼體具有一定強(qiáng)度,在乳膠基質(zhì)中保存完整,可以看出乳膠基質(zhì)整體均勻、無析晶,說明微囊對乳膠基質(zhì)穩(wěn)定性沒有影響。含增稠微囊乳膠基質(zhì)剪切后的實物圖和微觀圖如圖3(c)所示,增稠劑以線性結(jié)構(gòu)均勻分布在乳膠基質(zhì)中,細(xì)絲狀增稠劑相互交織,形成多維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),油包水乳液粒子位置被固定,阻力增大難以流動,從而增加了乳化炸藥黏度。

圖3 增稠微囊和乳膠基質(zhì)增稠前后宏觀與微觀圖Fig.3 Macroscopic and microscopic pictures of thickened microcapsules and latex substrates before and after thickening

2.2 黏度測試

本研究采用RVDV-1數(shù)顯旋轉(zhuǎn)式黏度計,分析添加不同比例增稠微囊對地下礦用乳化炸藥黏度的影響。在-20～60℃范圍內(nèi),測得乳化炸藥黏度變化如圖4(a)所示。乳膠基質(zhì)黏度隨著溫度的升高而降低,在-20℃低溫環(huán)境下乳膠基質(zhì)黏度為96.9 Pa·s。添加1%、2%和3%增稠微囊加入乳膠基質(zhì)(未高速剪切)的黏度與地下礦用乳膠基質(zhì)黏度接近,說明增稠微囊的加入對乳膠基質(zhì)黏度無影響。添加不同比例增稠微囊的乳膠基質(zhì)在1 000 r/min轉(zhuǎn)速剪切作用后,其黏度變化如圖4(b)所示,剪切后的乳膠基質(zhì)黏度隨著增稠微囊含量的增加而增大,且增稠后乳膠基質(zhì)黏度依然隨溫度的升高而降低。

圖4 不同含量增稠微囊的乳膠基質(zhì)黏度隨溫度的變化曲線Fig.4 Viscosity-temperature curves of emulsion matrix with different mass ratios of microcapsules

地下礦用乳化炸藥從泵送裝藥到起爆在當(dāng)日12 h內(nèi)完成,測試添加不同比例的增稠微囊的乳化炸藥在增稠前后黏度隨時間變化,每小時測量一次,共12次,探究乳化炸藥在炮孔內(nèi)的穩(wěn)定附著情況。乳膠基質(zhì)加入不同含量的增稠微囊后,剪切前測得其黏度隨時間的變化情況如圖5(a)所示。地下礦用乳膠基質(zhì)黏度為49.6 Pa·s,增添不同比例微囊的乳膠基質(zhì)黏度在同一區(qū)間位置波動,乳膠基質(zhì)黏度隨時間的增加幾乎不發(fā)生變化。如圖5(b)所示,剪切增稠后的乳膠基質(zhì)黏度隨增稠微囊含量的增加而增大,并且隨著時間的增加乳膠基質(zhì)黏度維持穩(wěn)定。黏度數(shù)值在固定區(qū)間內(nèi)波動,是由測試乳膠基質(zhì)時位置變動引起,線性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增稠劑在乳膠基質(zhì)中交錯造成不同位置處乳膠基質(zhì)黏度存在波動。試驗結(jié)果表明:增稠微囊在泵送過程中能有效地將增稠劑與乳化炸藥隔離,不影響乳化炸藥的黏度,到達(dá)炮孔后增稠劑對于乳化炸藥的增稠效果顯著。含2%復(fù)合蠟的乳膠基質(zhì)滿足孔內(nèi)附著要求,測得其黏度值為132 Pa·s,因此將該值作為孔內(nèi)增稠乳化炸藥黏度的參考值。添加2%增稠微囊的地下礦用乳化炸藥在1 000 r/min剪切后(模擬到達(dá)炮孔時的狀態(tài))測得的黏度為127.9 Pa·s,接近含2%復(fù)合蠟的乳膠基質(zhì)黏度。因此,本研究確定增稠微囊添加量為2%。

圖5 不同含量增稠微囊的乳膠基質(zhì)黏度隨時間變化的散點分布Fig.5 Viscosity-time scatter distribution of emulsion matrix with different mass ratios of microcapsules

2.3 爆轟性能測試

2.3.1 樣品制備

前期爆轟性能測試結(jié)果得到乳化炸藥中玻璃微球含量為4%時爆轟威力最佳[10]。選用自制乳膠基質(zhì),并采用4%空心玻璃微球進(jìn)行敏化,通過調(diào)整增稠微囊含量和冷凍時間,制備出3種地下礦用乳化炸藥樣品,配方如表2所示。樣品1為添加4%玻璃微球的乳化炸藥,樣品2為添加4%玻璃微球和2%增稠微囊(剪切后)的乳化炸藥,樣品3由樣品1在-20℃環(huán)境下儲存12 h制得。

表2 3種乳化炸藥樣品制備配方Table 2 Formulations of three kinds of emulsion explosive samples

2.3.2 鉛柱壓縮試驗

鉛柱壓縮試驗如圖6所示,未壓縮鉛柱的高度與直徑分別為60 mm和40 mm[11-13],為了使鉛柱均勻受壓,在鉛柱頂部放置一塊薄鋼片,然后稱取45 g乳化炸藥裝入直徑為40 mm的紙筒中并放置在鋼片上。由于地下礦用乳化炸藥含水量高達(dá)15%,雷管感度較低,因而采用5 g鈍化黑索金制成圓柱形藥包作為起爆藥,鈍化黑索金中黑索金與石蠟質(zhì)量比為100∶5,密度為 1.65 g/cm3[14]。每個乳化炸藥樣品的猛度試驗做3次以上,試驗結(jié)果取平均值。

圖6 鉛柱壓縮試驗示意Fig.6 Schematic of lead column compression test

2.3.3 爆速試驗

爆轟速度是描述炸藥性能的主要參數(shù)之一,可以定義為起爆炸藥中化學(xué)反應(yīng)區(qū)的傳播速度[15]。如圖7所示,乳化炸藥爆速采用離子探針法進(jìn)行測量,將乳化炸藥裝入長40 cm、直徑40 mm的PVC管中,相鄰探針間距離為50mm,共計4個。采用50 g高感度乳化炸藥作為起爆藥,為降低起爆藥對地下礦用乳化炸藥的影響,起爆藥與最近探針間距控制在16 cm以上。

圖7 爆速測試裝置示意Fig.7 Schematic of detonation velocity test apparatus

2.3.4 結(jié)果分析

3種乳化炸藥爆轟性能參數(shù)如表3所示。圖8為3種乳化炸藥樣品鉛柱壓縮試驗結(jié)果,從左至右依次是未壓縮鉛柱、未添加微囊的地下礦用乳化炸藥(樣品1)、剪切后含2%增稠微囊的地下礦用乳化炸藥(樣品2)和-20℃冷凍12 h未添加微囊的地下礦用乳化炸藥(樣品3)。樣品1的爆速為5 133 m/s,鉛柱壓縮量為18.1 mm,添加2%增稠微囊的樣品2剪切后爆速為5 030 m/s,鉛柱壓縮量為17.6 mm,兩種樣品都具有良好的爆轟性能。樣品2與樣品1相比爆炸威力有所降低,這是因為增稠劑的主要成分是水,增稠劑的加入使乳化炸藥含水量整體增加,但對乳化炸藥的爆轟威力影響很小,其鉛柱壓縮量和爆速分別降低了2.8%和2.0%。相對于樣品1,-20℃冷凍12 h制得的樣品3鉛柱壓縮值和爆速分別降低了6.1%和10%,說明制備的地下礦用乳化炸藥具備良好的抗低溫性能。

表3 3種乳化炸藥爆轟性能參數(shù)Table 3 Detonation parameters of three types of emulsion explosives

圖8 乳化炸藥鉛柱壓縮試驗結(jié)果Fig.8 Lead column compression test results of emulsion explosive

3 結(jié) 論

(1)利用微囊技術(shù)制備增稠微囊時,微囊的增稠功能發(fā)揮在炮孔內(nèi),在泵送過程中不影響乳化炸藥的黏度,從而有助于解決上向孔返藥問題。

(2)增稠劑以線性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布在乳化炸藥中,從而約束乳化炸藥流動,且地下礦用乳化炸藥中增稠微囊的最佳添加量為2%。

(3)通過加入尿素和乳化劑復(fù)配可以增強(qiáng)乳膠基質(zhì)的耐低溫性能,-20℃冷凍12h后的爆速和鉛柱壓縮量分別只降低了10%和6.1%。