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我国混装炸药车爆破应用技术发展与瞻望

2017-04-19 17:00:28.0 责任编辑:崔玮娜

周桂松

(葛洲坝易普力股份有限公司,重庆,401122)

摘要:本文结合笔者从事混装车爆破多年工作实践,回顾了 20年来我国在混装车爆破施工技术、混装炸药配方与工艺技术、混装炸药生产装备技术等方面取得的一些成绩,并瞻望了混装车爆破技术发展未来,提出多样化、小型化、便捷化、区域化、规模化、精细化、机械化、自动化、智能化、信息化等技术发展思路,以供民爆行业科研与管理工作人员参考借鉴。

关键词:混装炸药车;爆破技术;发展;瞻望

 

 

近20年来,我国工程爆破事业取得了飞速发展,其中混装炸药车爆破应用技术(以下简称混装车爆破技术)从无到有并不断突破,对我国工程爆破技术发展做出了卓越贡献。本文结合笔者从事混装车爆破的多年实践,回顾了混装车爆破技术发展经历,并对其未来进行瞻望,以抛砖引玉,与行业同仁共同推进我国混装车爆破技术的发展。

1混装车爆破技术简介

现场混装炸药生产系统包括混装炸药车地面辅助设施(以下简称地面站)和现场混装炸药车(以下简称混装车)两个部分。地面站是为混装车配套进行原材料储存以及水相、油相、敏化剂、乳胶基质等半成品制备的场所,在地面站将原材料、半成品装入混装车相应料仓,而混装车就像移动式炸药加工厂,在爆破现场完成混制装填。对于化学敏化的混装乳化炸药,通常乳胶基质在炮孔内经过10~20min的发泡才成为真正意义上的炸药。所以,混装车爆破技术是集现场制药、装填、起爆于一体的爆破技术。

由于混装车爆破作业采取一体化生产作业方式,在安全性、可靠性、高效性、经济性等方面,相对传统炸药生产和人工装药爆破的方式具有明显优势。在安全方面,由于混装车在爆破现场混药,在炮孔内形成炸药,减少了炸药的运输、储存等环节,有利于避免炸药流失造成公共安全隐患;在装药质量方面,混装炸药流动性好,有利于保证炮孔装药的连续性,杜绝了在炮孔装药过程中卡孔、断药等现象,有利于提高炮孔装药质量;在装药效率方面,由于采用机械化装药方式,装药效率通常在200kg,/min以上,相对于人工装药作业,减少人工65%,节约时间60%以上[1];在经济性方面,混装炸药无包装等传统炸药生产工序,在材料运输、储存等环节的费用也大大降低。

2混装车爆破技术回顾

1985年经国家经贸部批准,南芬铁矿引进美国埃列克公司混装车技术,开启了混装炸药车在国内矿山应用的先河。经过20多年的发展,混装车爆破技术在大型矿山开采、国家重点工程建设中得到了较快的推广应用。据统计,我国现场混装炸药年使用量占工业炸药用量比例约20%。下面结合笔者的工作实践,重点介绍葛洲坝易普力股份有限公司(以下简称易普力公司)20年来在混装车爆破施工技术、混装炸药配方与工艺技术、混装炸药生产装备技术方面的一些经验。

2.1  混装车爆破施工技术

20世纪90年代初,宏伟的世纪工程——三峡工程开工建设,总土石方施工量约1.3×108m3,面对如此巨大的工作量,采取传统的人工装药爆破方式根本不可能满足施工进度的要求。作为易普力公司的前身,葛洲坝集团爆破公司被批准为“国家级科技成果重点推广计划”项目“乳化炸药混装车应用技术”的技术依托单位,在国内水电领域首次引入乳化炸药混装车应用技术,承担了约70%的爆破工程量,爆破作业效率大幅提高,对保障三峡工程施工进度起到了至关重要的作用。爆破作业效率提升的直接体现的是爆破作业规模的提升,近二十几年来,在我国大型矿山开采领域,随着大孔径穿孔设备的应用,混装车爆破作业规模有了明显提升,露天深孔台阶爆破的当天单次爆破炸药用量,大多数已从原来几百公斤至几吨增加到了十几吨至几十吨的规模,在新疆的一些大型煤矿爆破,一天单次爆破炸药用量已超过百吨;随着预装药技术的应用,在山西平朔煤矿、内蒙古黑岱沟煤矿等矿山,采用混装车技术,单次爆破规模更是达到数百吨乃至上千吨,其爆破规模的提升,大大提升了综合开采效率。

混装车爆破作业方式不仅带来了作业效率的提升,爆破质量水平也不断提升。爆破的用途不同,对爆破质量指标要求也不同,通俗地讲有三类:第一类是要求控制大块率与根底,减小破岩块度,如矿山开采爆破;第二类是要求降低细料比例,要求爆破后块石比例越高越好;第三类是要求控制粗细料比例,满足级配曲线要求,如堆石坝级配料开采。应用混装车爆破作业方式,第一类爆破应用混装车爆破技术后普遍非常成功;第二类爆破也有成功应用混装车的案例,如我们在广东阳江核电站防波堤块石料开采中成功应用了混装乳化炸药车爆破技术;第三类爆破应用混装车的难度最大,但我们的工程技术人员,通过大量爆破试验,系统分析块度与岩体性质、爆破参数、装药结构、起爆方式的关系,建立起块度级配的经验数据库文件,形成块度优化预测模型,成功将混装车应用于贵州洪家渡水电站[2]、湖北水布垭水电站、四川瀑布沟水电站的面板堆石坝坝料开采,相关技术已处于世界领先水平。

混装车爆破质量与安全的改善不是一劳永逸的工作,是一个动态过程,必须在实践中不断总结经验、完善提高。混装炸药采取耦合装药方式,有利于降低大块率、减少根底产生,改善梯段爆破质量,但是,对于水电工程,边坡、保护层开挖量很大,对建基面的保护要求高,直接装填混装炸药,必然会增加对建基面岩体的损伤,我们的工程技术人员,在综合采取水平预裂、孔底设柔性垫层、孔内分层装药、孔内延时分段等技术措施后,成功将混装炸药车用于建基面开挖爆破,在大幅度加快施工进度的同时,很好地解决了对建基面保护的问题。比如三峡工程永久船闸开挖,最高边坡达160m,闸室结构复杂,开挖进度要求高,易普力公司工程技术人员采取差异化的炮孔装药结构:主爆孔(直接装填混装乳化炸药)→次缓冲孔(塑料套管内连续装填混装乳化炸药实现径向不耦合装药) →主缓冲孔(塑料套管内间隔装填混装乳化炸药实现径向与纵向的不耦合装药) →预裂孔(采用包装炸药间隔装药)。爆破振动等监测表明,这种混装乳化不耦合装药爆破未对直立墙岩体造成损伤,同时工程进度大幅度提高[3]。再如,混装炸药流动性好,但对于石灰石开采爆破,溶洞较多,直接装填混装炸药,不仅浪费炸药,而且漏药造成的集中药包效应会导致飞石事故,我们采取炮孔内套编织袋再装填混装炸药的装药施工工艺,较好地解决了混装炸药漏药问题。

混装车爆破作业方式不仅带来制药装药环节成本费用降低,还从钻、爆、挖、破等多个环节整体上降低了综合费用。比如,在易普力公司服务的某个矿山项目,工程技术人员采用混装乳化炸药替代包装炸药后,由于混装乳化炸药密度高、全耦合装药,炸药体积威力与延米装药量相对增加,延米爆破方量增加了32%,,钻孔费用与联网费用明显下降,大块率下降了30%,根底面积减少了93%,电铲作业效率增加了45%,电铲斗齿消耗下降了18%,破碎效率增加了12%,二次爆破处理费用与后续的挖装、破碎费用都有了明显下降。

另外,在混装车配套的起爆技术方面也有很大进步。比如,混装乳化炸药入孔温度一般较高(通常在50~80℃),不能采用普通塑料导爆管入孔起爆,起初孔内采用“导爆索+起爆具”方式起爆,并通过地表分段的方式实现延时起爆,先爆炮孔容易对地表网路造成扰动破坏,经常出现盲炮现象。随着我国起爆器材技术的发展,耐温抗拉的高强度导爆管雷管投入市场,混装乳化炸药车爆破的起爆方式也随之进步,采用高强度、高精度的导爆管雷管起爆,实现了高段导爆管雷管入孔的逐孔起爆破技术,爆破块度得以优化,振动危害效应减轻,盲炮率也大大降低。

2.2混装炸药配方与工艺技术

易普力公司最初混装乳化炸药配方工艺采用美国埃列克公司混装炸药技术,混装炸药配方中组分有8种原材料,半成品配制工艺复杂,我们经过对配方的优化试验,将用于普通露天爆破的混装车炸药配方材料减少到5组分,工艺更为简洁,炸药成本有所降低[4]。另外,最初混乳化炸药装车制药工艺主要靠人工操作,需定期对半成品配比进行标定,这种方式计量误差大(约5%)、初始制药阶段工艺损耗大(约60~120kg),易普力公司自主研发的混装乳化炸药车自动控制系统,降低了计量误差(小于2%)与工艺损耗(小于20kg)。针对不同的爆破作业要求,我国混装炸药配方技术也不断提升,举例如下:

(1)适合深水下爆破的配方工艺。在三峡三期上游RCC围堰爆破中,要求炸药在50m深水下浸泡7天后爆速大于4500m/s,爆力大于320mL,猛度大于16mm,传统的混装炸药性能不能满足这些要求。在汪旭光院士的悉心指导下,易普力公司经过多次室内外试验,研制成功了高爆速、高威力、高抗水性能并便于长距离多次泵送的混装乳化炸药,炸药在50m深水下浸泡7天后爆速5460m/s,爆力346mL,猛度18.6mm,刷新了世界同类混装炸药性能指标的记录。

(2)适合硫化矿爆破得配方工艺。硫化矿与传统的硝铵类炸药接触会发生反应,反应不断加速,温度不断积累,最终将导致炸药自燃或爆炸。易普力公司科研人员采用物理隔离(通过提高乳胶粒子油膜强度增强炸药与矿岩的隔离效果)与化学抑制(通过增添高效抑制剂阻断炸药与矿石的放热反应)相结合的方法,成功研制出在硫化矿爆破全耦合装药条件下的防自燃自爆本质安全型混装乳化炸药,该混装乳化炸药与硫化矿粉接触时,在90℃温度条件下持续24h以上没有发生升温现象,已在多个硫化矿区爆破中成功应用。

(3)适合高寒环境爆破的配方工艺。传统的混装炸药配方工艺不适合在高寒爆破作业环境下使用,如多孔粒状铵油炸药在-15℃以下环境条件下,吸油效果明显下降,爆破效果不好,甚至出现拒爆现象,而混装乳化炸药在高寒条件下,也常因发泡速度变慢而影响敏化效果,甚至导致拒爆现象的发生。易普力公司科研人员成功研制了适合在高寒作业条件下使用的混装乳化炸药配方,解决了低温化学敏化关键技术难题,并成功采用自动控制技术,使乳胶基质在10~80℃区间温度变化的条件下都能在20min内实现正常敏化,同时配合相应的保温技术措施,使混装炸药车在高寒作业条件下得以成功应用。

(4)适合乳胶基质远程配送的配方工艺。乳胶基质远程配送是国外常用的混装作业组织方式,也是我国混装车爆破的一个发展方向,乳胶基质的安全性、质量可靠性是推广乳胶基质远程配送技术的关键。乳胶基质要满足储存与运输条件,必须通过联合国第8列试验才作为氧化剂进行储运,乳胶水质还要满足抗颠簸性能、反复泵送性能、储存期性能等质量指标要求,易普力公司科研人员采用高分子乳化剂新材料技术研制的乳胶基质已完全满足这些安全质量要求,乳胶基质在颠簸条件下运输半径大于800km,反复泵送超过10次,储存期大于2个月,并在区域市场成功应用

2.3混装炸药生产装备技术

我国最早引进的混装车主要包括混装乳化炸药车、混装多孔粒状铵油炸药车、混装重铵油炸药车几种车型,经过这些年消化吸收,我国山西惠丰特种汽车制造厂、北京星宇惠龙公司、湖南金能科技公司等企业成功研发了相应的车型,实现了国产化。混装乳化炸药车主要适用于露天、水孔或干孔、中硬岩爆破,混装多孔粒状铵油炸药车主要适用于露天、干孔、软岩爆破,混装重铵油炸药乍主要适用于露天、水孔或干孔、坚硬岩体爆破,这些车型都已在我国成功应用。多功能混装炸药车可以根据爆破现场需求,在混装车上灵活混制乳化、铵油、重铵油三个炸药品种,代表了国外混装车领域的先进技术,这些年,继澳瑞凯公司在江苏板桥生产多功能混装炸药车后,我国多功能混装炸药车技术也逐渐成熟。

除了露天爆破领域外,我国在地下混装车爆破领域也不断突破。如北京星宇惠龙公司在21世纪初成功研制了BCJ型地下装药车,成功应用于地下爆破作业。易普力公司在21世纪初成功引进加拿大BTI乳化炸药地下装药车技术,并成功应用于水电工程地下开挖[5]。针对地下矿山开采特点,我国煤山铁矿等矿山也引进了国外诺曼特等公司的地下装药车,国内地下装药车研制工作也在不断推进,但总体上还处于起步阶段。

传统的地面站建设周期长、投入大,不适合水电、场平等“短、平、快”工程爆破的需要。21世纪初,为满足混装炸药车跨省服务、全国漫游的需要,易普力公司与山西特种汽车制造厂合作开发了移动式地面站,将半成品制备、动力、供热、检测等集成在可移动的集装箱内,占地面积小、投资省、建设快,对易普力公司在国内快捷地实施爆破服务提供了可靠保障,目前已在国内成功应用几十套。

随着爆破服务项目的增加,客观上要求提高混装车的信息化水平。近年来,易普力公司自主开发了混装炸药车动态信息管理系统,实现了混装车生产数据、地理位置等信息的动态传输,同时实现了与行业信息管理系统的对接,混装车信息化管理水平得以提升。

3混装车爆破未来瞻望

畅想未来,我认为混装车爆破作业的应用领域与区域范围将不断拓展,规模化与精细化水平将不断提升,机械化、自动化、智能化、信息化程度也将随之提高。

3.1  混装车爆破应用领域将继续拓展

我国混装炸药车目前应用市场主要集中于大型矿山与基础设施建设,现场混装炸药占工业炸药用量约20%,但我国国情决定了爆破市场是以中小型矿山或短周期的基础设施建设项目为主,这部分炸药用量占工业炸药总量约40%,目前主要采用大包散装成品炸药与直径大于Ф40mm的药卷型炸药进行人工装药爆破。从技术角度看,这类爆破市场多采取台阶爆破作业方式,具备机械化装药的条件,但目前混装车车体相对庞大、移动不便,不太适合这种作业条件。另外,随着我国大型矿山逐渐从露天开采转入深部地下开采,对地下装药设备的需求也将不断增长,地下矿山装药作业也必然催生小型、便捷混装设备的出现。所以,笔者认为混装炸药车除了在传统规模化爆破市场继续发展外,中小规模露天矿山、地下矿山、临时性工程建设项目也将会成为混装设备应用的新兴市场,类似国外系列化的混装设备(如用于露天的MMU、用于地下的MCU、用于狭窄工作面施工的便携式PCU),我国混装装备也将向多样化、小型化、便捷化方向发展。

3.2混装车爆破跨区域服务将成为主流

我国混装炸药车以往主要采用“一点一站”的建设方式,即一个爆破点建设一套地面站,混装车的应用范围常被限定在特定区域,跨区域混装车爆破服务受到诸多限制。而国外混装车应用模式通常采取地面站集中制备乳胶基质,然后对乳胶基质进行远程配送,最终实现对多个爆破作业点的辐射服务。我国爆破作业相对分散、点多面广,尤其适合乳胶基质远程配送技术的发展,将来国内传统的混装车爆破服务模式必将被远程配送服务模式所取代,实现混装车爆破的省区内、甚至跨省区的快捷服务。当然,随着乳胶基质远程配送技术的发展,需要地面站在乳胶基质大产能制备技术方面进一步突破,未来年产能5万吨、10万吨乃至20万吨以上的乳胶基质制备地面集中制备站有望在我国不断涌现。

3.3  混装车爆破规模化水平将不断提升

露天深孔台阶爆破是混装车爆破的主战场。露天深孔台阶爆破作业规模的增加,有利于减少爆破频次,减少爆破警戒时设备频繁撤离,提高劳动生产率与施工组织效率。传统人工装药爆破方式的钻孔直径通常在100mm以下,单孔装药量通常为几十公斤;目前混装车装药爆破方式的钻孔直径通常在100~200mm之间,单孔装药量通常为几百公斤;随着牙轮钻机等大孔径穿孔设备在我国的推广应用,很多混装车爆破的钻孔直径已达到200mm以上,单孔装药量增加到1t以上,单次爆破作业规模过100t。随着乳胶基质安全性、抗颠簸性、储存期等性能的提高,采用混装车进行预装药爆破,规模化水平将进一步提升。

3.4混装车爆破精细化水平将有质的提升

混装车台阶爆破主要体现为大量的、重复性的施工作业,但是爆破条件(如台阶高度、钻孔直径、岩石性能、炸药类型、环境要求等)是不断变化的,而目前爆破设计主要依赖爆破作业人员的经验来完成,单靠经验是难以保证设计科学性的。物联网应用技术的发展为混装车爆破精细化提供了机遇。借助物联网技术,爆破人员可以快速采集爆破现场的主要技术参数,形成经验数据库,通过具有学习能力的爆破设计软件,指导爆破设计与施工,这样,爆破设计的科学性将更有保障。随行爆破设计软件等数字化爆破技术、混装炸药柔性化配方工艺技术、混装车个性化现场装药技术、数码电子雷管起爆破技术在台阶爆破中的不断创新,相信未来混装车爆破作业的精细化水平也将有质的提升。

3.5机械化、自动化、智能化、信息化程度将不断提高

目前混装车的现场制药已基本实现机械化与自动化控制,但是输药管的送拔管还需要人工辅助来完成,劳动强度还较大,拔管速度的不均匀也会影响装药质量,但是,随着新技术的应用,混装车将会集成自动送管系统与智能寻孔技术,这些问题有望得以解决。混装车爆破的堵塞作业也主要靠人工完成,劳动强度也很大,随着新型堵塞材料及堵塞机械的不断应用,相信未来也会有所改善。随行我国工程爆破事业的发展,必将产生具有国际一流水平的大型爆破企业、这类大型爆破企业旗下爆破作业项目成百上千,客观上要求对爆破作业项目建立科学的集团管控模式,这也必将推动爆破管理信息化水平的提高。

参考文献

[1]段明,等.乳化炸药混装车在三峡工程中的应用[J].工程爆破,1996,2(4):90~94.

[2]周桂松,等.铵油炸药混装车在中小型水电站中的研究应用[J].长江科学院院报,2003,20:128~130.

[3]饶辉灿,等.混装乳化炸药不耦合装药爆破技术的研究和应用[J].工程爆破,2002,8(4):79~84.

[4]段明,等.车制乳化炸药配方的优化研究[J].工程爆破,1998,4(2):30~32.

[5]饶辉灿,等.浅谈散装药地下装药车技术在水电工程中的试验与应用[J].爆破,2001,18:8l~83.

摘自《中国爆破新进展》


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