工业炸药现场混装技术的应用与发展趋势

夏 光

(中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司,安徽 淮北 235000)

0 引言

工业炸药现场混装技术是一种将工业炸药原材料或半成品运送至爆破现场,通过现场混装车制备成品炸药,并完成装药工作的作业方式[1]。其工作原理是混装车在移动式或固定式地面站装载炸药所需的原材料后,驶入爆破作业现场,启动控制系统和车载设备,进行物料混合和炮孔装药。工业炸药现场混装技术将炸药由相关专业企业生产、储存、运输,再经销售公司储存、运输到用户储存、运输、使用等环节简化成制药、装药同时在爆破现场进行,减少了炸药制备、储存、运输、使用及中转过程中的不安全因素,减少了炸药生产废气废水排放量、能源消耗,以及厂区、库区土地占用率,大幅度降低爆破成本,是工业炸药技术发展至今本质安全性最高的一项炸药制备、现场装填和爆破一体化技术。《工信部关于民用爆炸物品行业技术进步的指导意见》《民用爆炸物品行业“十三五”发展规划》均提出:我国工业炸药生产鼓励采用现场混装,逐步提高现场混装炸药在工业炸药中的占比,提倡包装型工业炸药生产向现场混装作业方式转变,积极推进井下现场混装技术的应用。工业炸药现场制备、现场装填和爆破一体化技术已成为当今工业炸药生产技术的发展趋势。

1 国内外工业炸药现场混装技术的应用现状

1.1 国外工业炸药现场混装技术现状

20世纪六七十年代,美国IRECO 化学公司、英国ICI 炸药集团公司,以及前苏联有关单位相继利用多孔粒状硝酸铵炸药制作工艺简单的特点研制出铵油炸药混装车,并很快在大型露天矿山得到应用,炸药生产与爆破作业一体化发展之路由此启程并迅速发展。1963年,IRECO公司成功开发了浆状炸药现场混装技术,并得到了推广应用。因乳化炸药具有性能优良、稳定、适用范围广等特点,很快在美国、加拿大、瑞典等国家被大量使用,期间还优化、发展了乳化炸药现场混装技术[2]。直至20世纪90年代中后期,由于车载油相溶液、水相溶液等炸药原料,运送至爆破场地现场制备乳化炸药的工艺技术对工艺条件要求较高,且车载设备较为复杂,制备的乳胶基质稳定性较差,因此车上制乳型乳化炸药现场混装技术很快被西方国家淘汰,继而研制了地面制备乳胶基质、车载乳化炸药半成品乳胶基质、现场制备装填的乳化炸药现场混装技术,混装车在地面站装载乳胶基质后,驶至爆破现场,由车载敏化装置将乳胶基质与敏化剂混合装入炮孔,在装填过程中敏化成炸药。该技术具有制备的乳胶基质性能优良、储存性能稳定、车载设备简单等特点。随后,乳胶基质远程配送技术得到了较快的发展,出现了产能大、覆盖范围广的集中制备乳胶基质(如:澳大利亚猎人谷地面站年产乳胶15～20万t)多点配送的体系。美国 Austin公司、加拿大的ETI公司、澳大利亚ORICA公司、挪威和瑞典的DynoNol公司及时进行了技术跟进,并对外转让相关技术与相应的设备[3]。

目前,北美、南美、澳洲、欧洲等地区相关国家,绝大部分工业炸药生产、装填采用了工业炸药现场混装技术。美国炸药制造商协会(IME)历年发布的《工业炸药使用年报》显示,99%的工业炸药为无雷管感度的爆破剂和氧化剂,大部分爆破剂通过混装车直接运输到矿区使用。德国炸药年消耗量的50%以上都是由移动式混装车制备装填,印度的散装炸药正以平均35%的速度快速增长。澳大利亚不仅90%以上的炸药使用混装车生产,而且对周边国家如新西兰、巴布亚新几内亚也实现了混装炸药的远程配送。国外工业炸药混装车总体技术特点是:机电一体化、数字化、人性化；商品特征是:技术成熟,性能安全可靠,外表美观,方便操作,容易维护。目前正朝着智能化、环保化方向发展。

1.2 国内工业炸药现场混装技术现状

我国工业炸药生产与爆破使用长期处于分离状态,工业炸药须经过定点生产、定点销售才能进入爆破现场,工程爆破主要使用包装型炸药和少量散装炸药。直至20世纪80年代经国家相关部门批准,由山西惠丰特种汽车有限公司(原长治矿山机械厂)引进美国IRECO 化学公司混装车制造技术,通过消化吸收国外技术逐步形成了自己的系列产品,定型产品有BCLH-8、BCLH-15 等型号；后来的江苏澳瑞凯板桥矿山机械有限公司(原江苏兴化矿山机械厂)为澳大利亚ORICA 集团控股公司也进入国内市场,由ORICA 提供关键技术和装置进行制造。

国内工业炸药现场混装技术是在2005年国防科工委民爆局组织召开了大力推广混装车和散装炸药研讨会后,得到了较快的发展。原来只有山西惠丰特种汽车有限公司、江苏兴化矿山机械厂两家企业生产炸药现场混装车,现在生产线技术研制与转让的企业和科研院所也参加了相关技术的研究,如北京矿冶研究院、中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司、长沙矿冶研究院、深圳金奥博科技股份有限公司、石家庄成功机电等科研机构也开展了相关研究。早期主要在南芬铁矿、平朔煤矿、神华集团等国内大型露天矿山推广应用,现已逐渐向公路、铁路、机场建设和小型采石场转移,并取得了良好的经济效益和社会效益。

与国外工业炸药现场混装技术相比,我国在精细化程度和无故障率方面还有很大的差距,但在自动控制、安全联锁和外观设计等方面已领先国外同类产品技术,国外自动控制仍停留在按钮启停、手动调节产能,且部分混装车未设置超温、超压、断流等报警停机的安全联锁和动态监控信息系统。国外的地面站已形成规模化,年产乳胶基质由几万吨到几十万吨,而国内仍处于小而散的状况。2018年我国现场混装炸药在炸药总产量中的占比为25.28%,国内现场混装技术的应用在工业炸药总产量的占比远低于欧洲、南美等地区相关国家。

2 工业炸药现场混装技术特点

工业炸药现场混装技术中混装车装载的是炸药半成品或原料,其生产、运输和使用过程中本质安全性高,目前仍是民爆技术发展中最具本质安全性的一种炸药生产、装药和爆破的一体化技术,现已应用于各种类型露天矿山、非煤地下矿山、采石场等场所。现场混装技术提高了装药效率,降低了工人劳动强度,现场作业人员数量少,既可节约成本又有利于安全管理。工业炸药现场混装技术具有以下显著特点:

1)本质安全性高,使用成本低。工业炸药现场混装车装载的是制备炸药的原料或半成品,不具备爆炸危险性,比成品炸药在运输、储存和使用过程的本质安全性显著提高。减少了生产车间、炸药储存库等设施,节约了占地面积,减少了相应的管理人员,降低了使用过程中的成本。

2)自动控制,计量准确,安全可靠。装药系统由PLC 自动控制,装药完成自动停机,并可准确记录单孔装药量和累计装药量；控制系统对关键参数实现在线监控,如温度和压力,一旦出现超压或超温现象,控制系统发出声光报警,并延时联锁停车,确保装药作业安全、可靠。

3)操作方便,自动化程度高。操作人员只需在触摸屏上键入炮孔装药量,启动装药系统,装药工作和计量工作便自动完成。

4)炸药性能稳定。现场混装炸药是现用现制,炸药性能稳定,不会因为储存时间长而衰减。

5)综合成本低。现场混装技术实现了炮孔的耦合装药,提高爆破效果,扩大孔网参数近30%,钻孔量减少约30%,降低了爆破工程综合成本。

6)爆破有毒气体少,环境污染小。现场混装工业炸药,无包装物丢弃,爆破后有毒气体较少,减小了对环境的污染。

7)劳动强度低,装药效率高。炸药现场混装车装药效率在200～450 kg/min,较传统包装型炸药生产模式有了大幅提高,减轻了劳动强度,缩短了装药时间,提高了装药效率。

3 工业炸药现场混装技术的发展趋势

3.1 乳化基质远程配送系统

乳化基质远程配送技术现已在发达国家民用爆破器材领域广泛应用,这种生产模式一般是将制备乳胶基质的地面站设在配送点的中心,以实现最大范围的辐射,在固定地面站完成乳胶基质规模化生产,乳胶基质运输车将乳胶基质配送至爆破作业点,经乳化炸药现场混装车敏化成炸药。该系统主要由地面站、远程配送车、施工现场辅助设施和混装车组成。这种“一站多点”式的作业方式具有成本低、作业效率高、覆盖范围广(服务半径可达几百千米到上万千米)、运输和使用过程中安全性高等特点[4]。我国工业炸药现场混装技术发展迅速,但乳胶基质远程配送仍采用“一站一点”的作业方式,即一个地面站对应一个项目、一个矿山,致使资源不能共享、爆破成本高等。为充分利用资源,节省建多个地面站的土地和资金,扩大地面站的覆盖范围,乳化基质远程配送是我国现场混装技术发展的重点。

3.2 大产能规模化和移动式小型化的地面站

地面站可分为固定式和移动式两大类。固定式地面站是将水相、油相、敏化剂、乳胶基质和炸药的其他原料和上料装置都建在地面固定的车间内。固定式地面站适用于服务年限较长的矿山和“一站多点”式的大型乳胶基质配送站,按照制乳方式又可分为车上制乳型和地面制乳型,目前主流的地面站为地面制乳型。移动式地面站是将固定式地面站的设备小型化,紧凑地安装在几辆半挂车上,主要由动力车、原材料制备车、生活车、牵引车、油罐车等组成。移动式地面站具有一次投资多次使用,无固定建筑物,可随工程项目的变动而移动等特点,适用于相对服务时间较短的水利、电力、公路、铁路和小型采石场等爆破工程[5]。

目前国外的地面站已形成大产能规模化,单个地面站年产乳胶基质几万吨,甚至几十万吨,而我国仍处于小而散的状况。为能够适应“一站多点”式的生产作业方式,增大覆盖范围,一个站点生产的炸药原料可满足多个爆破作业点的生产需求,地面站应朝着大产能规模化的方向发展。早期我国现场混装技术主要用于民用爆炸物品生产企业和矿山企业,现已逐渐向公路、铁路、机场建设和小型采石场转移,而这些工程多分布零散,规模较小,流动性大,爆破作业工期短,为适应此类爆破工程,地面站移动式小型化是未来发展的主要方向之一。综上所述,我国地面站发展趋势应为大产能规模化和移动式小型化方向。

3.3 井下乳化炸药现场混装技术

爆破是矿山生产中的一个重要环节,国内矿山的井下爆破开采仍以人工装药为主,用炮棍将包装型小药卷炸药装入炮孔,装药劳动强度大、效率低,安全性差,且装药效率、装药质量及爆破的安全性已难以满足矿山高速发展的需求。国内已有地下矿山采用压缩空气装药器,利用压缩空气将粉状炸药输送至炮孔,但存在返药的现象,造成装药作业面环境污染,影响到作业人员的身体健康。此外,该类炸药爆炸威力较乳化炸药低,爆炸后有毒气体生成量较大,且井下炮孔多为含水孔,粉状炸药遇水会失效,不适用于井下爆破作业。

井下现场混装乳化炸药技术,具有装药无返药现象、爆炸有毒气体排放少等特点,适用于干孔、含水孔、倾斜孔装药,可实现高效率的集原材料运输、炸药的制备、装药、爆破一体化作业,能够提高炸药制备、运输和使用安全性,装药效率和爆破效果得到大大提高,实现钻、爆、铲、运协调发展,为矿山的数字化建设提供支撑。目前,葛洲坝易普力股份有限公司、深圳金奥博科技股份有限公司已成功研制出井下乳化炸药现场混装车,并已完成井下现场装药试验,但煤矿井下尚无相关产品的研制与应用。井下乳化炸药现场混装技术未来不仅会在井下矿山得到广泛应用,在煤矿井下、隧道工程、硐室工程等方面也有广阔的应用前景[6]。

3.4 智能化的现场混装车技术

工业炸药现场混装车经过30 多年的发展,技术已日趋成熟,并形成了较为完善的系列产品,主要有乳化炸药、铵油炸药、重铵油炸药等炸药现场混装车,可较好地满足矿山开采、水利水电等工程的需求。近年来非煤井下乳化炸药现场混装车也已研制成功,并得到了应用,标志着我国工业炸药现场混装车技术水平又上了一个台阶[7]。目前,国内工业炸药现场混装车已具备了异常情况报警停机、安全联锁、一键启动装药等功能,对转速、流量、温度、料位等参数进行实时监控,混装车运行的可靠性和计量精度得到了一定程度的提高。但在智能寻孔、炮孔岩性智能识别、炸药品种与岩性智能匹配、装药密度自适应调整等方面还未能实现,这些方面将是工业炸药现场混装车技术发展的方向。

4 结束语

近年以来,随着我国炸药产销与爆破作业模式与国际接轨,逐步走向爆破服务一体化道路,工业炸药现场混装技术得到了快速的发展,但因混装车作为炸药生产设备的特殊性,国家与行业对现场炸药混装车的购买和销售,以及混装车炸药生产的行政审批,硝酸铵及乳胶基质的采购和运输等问题的管控较为严格,一定程度上影响了我国现场混装技术的应用与发展。分析认为,随着国家与行业政策鼓励采用现场混装技术,未来5～10 a 会得到较快的发展,现场混装炸药在炸药总产量的占比将达到或超过40%,而乳化基质的远程配送、大产能规模化和移动式小型化的地面站、井下乳化炸药现场混装技术和智能化的工业炸药现场混装车技术将是现场混装技术发展的重点。