装填乳状液炸药组合物的装置和方法 本发明涉及一种用来装填燃料包水型和燃料包熔体型乳状液炸药组合物的装置和方法。本发明特别适于用来以最佳粘性装填乳状液炸药组合物以使它能保持在一上孔之中。
当在民用爆炸作业中使用炸药时，是通过钻制爆炸孔，然后用随后将被引爆的散装或封装炸药组合物来装填这些爆炸孔而将岩石炸裂的。很多的爆炸作业是利用燃料包水型或燃料包熔体型乳状液炸药组合物来完成的。燃料包水型乳状液炸药组合物包括一诸如氧化盐水溶液的供氧组分的不连续相液滴，在有一种或多种乳化剂的情况下，该不连续相液滴分散在一连续相有机燃料内。燃料包熔体型乳状液炸药组合物的所述供氧连续相仅仅包括一小部分的水或者仅仅包括一小部分外来不定水(adventitious water)。所述不连续相可以是一低共熔组合物，也就是说该组合物的熔点可以是在所述不连续相组分盐的低共熔点或低共熔点的区域内。本文所使用的术语乳状液炸药组合物指的是那些燃料包水型和燃料包熔体型乳状液炸药组合物。
在Bluhm的美国专利3,447,978中首次揭示了乳状液炸药组合物。在Healy的美国专利no.4,248,644中，描述了一种乳状液炸药组合物，其中将所述氧化盐作为一熔体加入所述乳化剂中以形成一种燃料包熔体型乳状液炸药组合物。它们还可以包括种种添加剂，诸如敏化剂或改变密度的附加剂诸如玻璃微球、塑料微球、膨胀聚苯乙烯微球或气泡。常常将氧化盐颗粒或氧化盐和燃料油的混合物混合入乳状液炸药组合物内。
在需要大量散装炸药的情况中，散装的炸药通常是在制造厂里进行制造后用卡车运送到爆炸点，或者是在小规模制造装置现场进行制造。这些装置通常被设计成可移动并且有些装置是位于诸卡车上(称为移动制造装置或MMU’s)。所述制造装置包括(或连接于)诸容器，炸药组合物的前体各自分开地存储在诸容器内，直到在所述制造装置的混合装置内将它们相互混合在一起为止。
炸药在制作之后，必须将它们装填到诸爆炸孔中。有些现场制造装置包括用来将散装炸药组合物运送到诸爆炸孔内的全套系统。爆炸孔的装填是通过三种主要方法中的一种来进行地，即灌注、泵送或喷气装填(blow loading)，采用哪一种方法取决于产物的类型和应用的方便性。
就其最简单的形式来说，装填作业仅仅包括倾斜一装有炸药组合物的容器，从而使所述组合物直接地灌入一爆炸孔内。有时候，利用一螺旋推进器将所述组合物从所述容器运送到所述爆炸孔的孔口，在该处所述组合物在重力作用下向孔底掉落。相反，喷气装填则需使用大量的压缩空气，以推动炸药组合物经过一输送软管而进入诸爆炸孔内。自1960年代开始，人们就使用喷气装填方法来装填炸药组合物，在澳大利亚专利No.441775(Fox)、466558(Persson)、469494(Bizon& Simpson)和474509(Hay & Fox)中描述了这种喷气装填炸药组合物的方法。
利用机械或气动装置将所述组合物通过一输送软管而泵送进入诸爆炸孔可能是装填散装炸药组合物方法中最常用的方法。从理想上说来，炸药组合物最好具有足够低的粘度以便可以方便地将它从一存储容器泵送到诸爆炸孔内。粘性越高，所需的用来移动炸药组合物的泵送压力就越大，作用在泵上的应力也越大。如果粘性太高，泵可能不能产生足以移动所述组合物的作用力，并且/或者它可能会开始滑动。
相反，如果乳状液炸药组合物的粘性太低，它可能会因流入爆炸孔内的裂缝和断层而发生流失或者因与地下水发生浸出而受到破坏。这是在“下孔”中遇到的一个具体问题，所述下孔是那些以一在水平面和垂直方向之间的角度向下延伸的爆炸孔。低粘性组合物还可能具有悬浮粒子从液相或半液相中发生重力分离现象的缺点。在有些爆炸作业中，诸如地下开采，可能必须将所述乳状液炸药组合物装填到那些称为“上孔”的爆炸孔中，上孔是指以一在水平面和垂直方向之间的角度向上延伸的爆炸孔。在上孔中使用的乳状液炸药组合物必须具有足够的粘性，从而使它能形成一粘性体，该粘性体能自身相粘并能粘附于所述上孔孔壁上，不会因重力作用而掉落下来。
在过去，人们作了种种努力，以便能用具有适当粘性的炸药组合物来装填特别是上孔的爆炸孔。但是，泵送高粘性乳状液炸药组合物所需要的高泵送压力会引起剪切结晶作用(shear crystallisation)、使乳化液分离并且会损坏某些组分，诸如玻璃微球。人们作了种种尝试，例如通过将液体注射在被泵送的乳状液炸药组合物和所述软管或其它装填导管的内表面之间来降低所需的泵送压力。
在过去，人们作了种种尝试来解决水包油型乳装液炸药组合物(称为“浆料”)的高泵送压力的问题，这种炸药组合物是燃料包水型和燃料包熔体型乳状液炸药组合物之前人们常常使用的。例如，澳大利亚专利申请no.15955/66和美国专利No.3,303,738(Clay)描述了采用化学方法来解决泵送问题。具体地说，将一稠化剂包含在所述浆料组合物中，所述稠化剂延迟到所述炸药组合物位于爆炸孔中之后才起稠化作用，因此，所述浆料的粘性在泵送过程中是低的，但在浆料离开装填软管之后，浆料粘性将增大。
还有其它更复杂的机械装置用来提供在泵送过程中具有低粘性而在爆炸孔中粘性增大的乳状液炸药组合物。在澳大利亚专利申请no.48979/85(Miller)中，是通过一位于爆炸孔装填软管的端部附近的阀将浆料组合物泵送的，所述阀能提供足够的剪切力，从而能刚好在浆料排出所述软管之前增大浆料的粘性。
本发明提供了一种在泵送乳状液炸药组合物的过程中使用的系统，它能以可接受的压力泵送乳状液炸药组合物，但它能调节乳状液炸药组合物的粘性，并且为了在上孔中能保持住而需要极高粘性的乳状液炸药组合物的情况中，它是特别有用的。因此，本发明提供了一种用来装填乳状液炸药组合物的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)将乳状液炸药组合物泵送经过一位于一装填导管内的剪切力产生装置；
(b)在所述乳状液炸药组合物和所述导管之间引入一层液体润滑层；以及
(c)将所述乳状液炸药组合物和液体润滑层泵送经过一位于所述装填导管出口处或其附近的混合装置；
其中，所述混合装置至少将部分所述液体润滑层渗入所述乳状液炸药组合物内。
在另一个方面，本发明提供了一种用来装填乳状液炸药组合物的装置，它包括：
一装填导管，它具有
一剪切力产生装置，
一适于在所述导管和正被泵送的所述乳状液炸药组合物之间提供一层液体润滑剂的液体润滑源，以及
一位于所述装填导管出口处或其附近的混合装置，它至少将一部分液体润滑层渗入所述乳状液炸药组合物内。
我们发现，在引入液体润滑剂之前使乳状液炸药组合物受到剪切力产生装置的作用是特别有用的。在没有液体润滑剂的情况下，当与存在液体润滑剂的情况相比时，乳状液炸药组合物的稠化会对乳状液炸药组合物产生较少的破坏，并且会使乳状液炸药组合物的粘性增加得较大。
所述剪切力产生装置可以是任何一种常用的结构，诸如一位于导管内的阀、缩颈或阻尼孔。所述剪切力产生装置可以形成液体润滑剂源的一部分。
在一较佳实施例中，所述剪切力产生装置包括一个或多个位于所述导管内的阻尼孔。不希望受到理论的限制，我们相信，接近一阻尼孔的所述乳化剂不连续相的液滴将受到一剪切力场的作用，也就是说，该液滴的前缘开始比其后缘更迅速地运动。这使得该液滴变得纵向拉长并且分成几个更小的液滴。阻尼孔直径两端的速率梯度也产生一能分裂该液滴的侧向剪切力场。水滴越小，就能越好地分散乳状液炸药组合物的不连续相，组合物的粘性就越大。
提供两个或两个以上的阻尼孔可以进一步增大粘性。给予乳状液炸药组合物的剪切力的大小以及随后粘性的增大可以受到以下诸因素的影响：阻尼孔的数量、它们的间距、阻尼孔的长度、阻尼孔的直径，以及导入的角度。在一较佳实施例中，(诸)阻尼孔是圆形的，并且其直径在3至30毫米之间，或者是椭圆形的，并且具有一在3至30毫米之间的最大长度。为了能提供足够的乳状液炸药组合物侧向剪切力，所述乳状液炸药组合物最好流过几个直径逐渐减小的阻尼孔。诸阻尼孔也可以彼此相互偏置。
在藉所述混合装置进行混合作业之后，当乳状液炸药组合物离开装填软管时，所述乳状液炸药组合物的粘性最好在600 000厘泊至1 600 000厘泊之间(Tf为5转/分，Heliopath为20℃)，或者，更好是在800 000厘泊至1 000 000厘泊之间。
液体润滑剂源可以是任何一种在已有技术中已知的源，用来引入液体以降低导管和经过该导管的乳状液炸药组合物之间的摩擦力或阻力。一种诸如一注水头的简单注射装置就足以起到一液体润滑剂源的作用。
所述混合装置的作用是使液体润滑剂在其乳状液炸药组合物和导管之间的空间位置移动，并将液体润滑剂与乳状液炸药组合物混合以形成一均相的组合物。这保证了乳状液炸药组合物可以在所述爆炸孔内形成一粘结体，这是要求组合物能保持容纳在诸上孔内而不掉落下来的一个重要的特征。将液体润滑剂混合入乳状液炸药组合物通常会稍稍降低乳状液炸药组合物的粘性，因此，必须使乳状液炸药组合物的粘性稍稍大于所需的在孔内的粘性。
所述混合装置可以是任何一种能将至少一部分液体润滑剂渗入所述乳状液炸药组合物内的适当装置。静态混合装置可以适于将液体润滑剂和乳状液炸药组合物相混合。所述混合装置还可包括一用来分离一部分液体润滑剂、使其不能与乳状液炸药组合物相混合的装置。所述用来分离一些液体润滑剂的装置最好是可调节的，从而可以改变与乳状液炸药组合物相混合的液体润滑剂的剂量，以得到具有不同粘性的诸产物。
所述混合装置还能调节乳状液炸药组合物从导管端口排出时的速率从而能选择最佳的速率，在该最佳速率时，组合物能粘留在爆炸孔的底部，而不会反弹出爆炸孔。
所述导管适于提供将乳状液炸药组合物从一储存容器或形成点传送到爆炸孔的通道。它通常包括一连接有一软管的不可弯曲的管道，所述软管可以移出或移入诸爆炸孔。在一较佳实施例中，所述导管包括一软管，并且所述剪切力产生装置和流体润滑源都位于所述软管的入口处或其附近，而所述混合装置则位于所述软管的出口处或其附近。本发明的方法和装置可以用来装填那些具有任何适当直径和长度的诸上孔和下孔；在地下应用中，所述爆炸孔的直径可以在50至200毫米之间，而在地上应用中，所述爆炸孔的直径最大可以达300毫米或更大。
在本发明的系统中使用的乳状液炸药组合物可以是任何一种适于泵送的乳状液炸药组合物，但它最好包括一乳化剂。但只有当诸颗粒是足够小或者呈这样一种形式，即它们不会堵塞剪切力产生装置或混合装置时，诸如颗粒氧化盐(particulate oxidiser salts)的颗粒物质才可以与所述乳状液炸药组合物相混合。
在乳状液炸药组合物的不连续相中使用的氧化盐最好是从一组由铵、碱和碱土金属硝酸盐、高氯酸盐和其混合物组成的组中选择出来的。所述乳状液炸药组合物的不连续相通常包括60至97％(按重量计算)的组合物，并且最好是包括86至96％(按重量计算)的组合物。
乳状液炸药组合物的与水不可混合的连续相包括一种有机燃料。在所述连续相中使用的适当有机燃料包括在配方温度处于液体状态的脂族、脂环族、芳族化合物及其混合物。适当的有机燃料可以是从燃料油、柴油、馏出油、炉油、煤油、挥发油、蜡(例如，微晶蜡、石蜡和疏松石蜡)、石蜡油、苯、甲苯、二甲苯、沥青材料、聚合油，诸如低分子量的烯烃聚合物、动物油、鱼油、植物油和其它矿物烃或者脂油和其混合物中选择出来的。人们发现那些诸如canola油、橄榄油、花生油、葵花油、玉米油、椰子油、棕榈仁油、棉花籽油、红花油、和大豆油的油对于促进快速增大粘性来说是特别有用的。通常，乳状液炸药组合物的与水不相混合的连续相包括3至50％(按重量计算)的乳状液炸药组合物，并且最好是4至15％(按重量计算)的乳状液炸药组合物。
在本发明的系统中使用的乳状液炸药组合物的乳化剂组分可以是任何一种在已有技术中已知的适当乳化剂。例如，所述乳化剂可以包括一个或多个聚[烷基(链烯基)]琥珀酐物种的衍生物或脱水山梨醇单油酸酯或其混合物。所用的乳化剂组分的较佳含量是乳状液炸药组合物的0.4至5.0％的(按重量计算)范围内。
如果需要，也可以再将别的燃料材料混合入所述乳状液炸药组合物内，但最好是那些不会使炸药组合物的氧含量太低的材料。这些次级燃料的例子包括经细碎的材料，诸如硫、铝、含碳材料诸如天然沥青、细碎焦炭或木炭、碳黑、诸如松香酸等的树脂酸、诸如葡萄糖或右旋糖的糖和其它诸如淀粉、果仁粉、谷粉和木浆的植物产物以及其混合物。经细碎的材料可以只与乳状液炸药组合物相混合，如果它们是经充分细碎或呈一种不会堵塞剪切力产生装置或混合装置的形式的材料。通常所使用的再另外的燃料的含量最多是乳状液炸药组合物重量的30％(按重量计算)。
可以将空隙剂加入乳状液炸药组合物中以形成一可以改变组合物密度和/或灵敏度的不连续相。所述空隙剂可以包括一不连续的气相，可以例如将所述气相渗入所述乳状液炸药组合物中，例如作为分散在组合物内的微气泡，作为通常称为微球或微球体的中空颗粒，作为多孔颗粒(例如珍珠岩)或其混合物。可以藉助机械搅拌、注射或使气体鼓泡通过所述组合物，或者通过化学方法就地产生气体，将空隙剂的不连续相渗入所述乳状液炸药组合物中。
不连续的气相也可以通过将一种气体前体混合入乳状液炸药组合物中而形成。该气体前体可以例如是亚硝酸盐和/或硫氰酸盐或者是其它在已有技术中已知的前体。可以将形成气体的前体在任一适当阶段中引入本发明的方法中。例如，可以在所述组合物已经通过剪切力产生装置之前或之后，或者在提供了所述液体层之前或之后，将形成气体的前体注射入所述乳状液炸药组合物中。诸如静态混合构件的辅助混合构件可以设置在装填导管内，以将形成气体的前体更均匀地散布在所述乳状液炸药组合物中。所述形成气体的前体起作用以形成一具有细泡的分散相。
在一较佳实施例中，本发明的液体润滑剂包括一形成气体的前体，当混合装置将至少一部分所述液体润滑剂渗入所述乳状液炸药组合物中时，所述形成气体的前体能变得散布在所述乳状液炸药组合物内。所述液体润滑剂可以例如包括一溶解在水中的亚硝酸盐物种和/或硫氰酸盐物种或渗入作为一微乳化剂的组分。
或者，所述乳状液炸药组合物可以包括形成气体的前体，而液体润滑剂包括一个或多个能与形成气体的前体起反应的化学物种。所述化学物种可以例如起作用以引发或增大气泡生成的速率和效率。在一较佳实施例中，形成气体的前体是一亚硫酸盐和/或硫氰酸盐混合物，而化学物种是一硝酸铵。
本发明的液体润滑剂可以包括一纯液体、溶液、乳化剂或其它类似物。水是一种价廉和有效的润滑流体。可以将种种添加剂溶解或混合在所述液体润滑剂中，以便当将一些液体润滑剂混合入所述组合物中时，能改变其特性或乳状液炸药组合物的性能。所述添加剂可以例如包括一个或多个溶解或混合在液体润滑剂中以提高其润滑特性、粘性、流动特性、凝固点和其它特征的化学物种。所述添加剂还能改善乳状液炸药组合物的泵送特性或者所述组合物的爆炸灵敏度。
另一方面本发明还提供了一种爆炸方法，它包括利用上述方法将一乳状液炸药组合物装填入一爆炸孔内，从而使所述爆炸组合物与一包括起爆管和雷管的起爆系统作工作性接触，然后起爆所述起爆管和所述乳状液炸药。
很显然，本发明的方法不仅可以用来装填爆炸孔，而且还可以用来装填弹药筒、弹药箱、弹药包或其它希望用来将炸药组合物存储在其内的容器。例如，在制造经封装的乳状液炸药的过程中，可以利用本发明的方法来装填弹药筒。
下面将结合附图对本发明的方法的一实施例进行进一步描述，其中，图1是一装填炸药系统的平面图。
图1示出了一由一空气电动机(2)驱动的、藉助一管道(3)可以将乳状液炸药组合物给送入其内的泵(1)。所述泵将乳状液炸药组合物给送入一具有一软管(4a)的导管(4)内。所述乳状液炸药组合物穿过一能给予剪切作用并因此能增大乳状液炸药组合物的粘性的阻尼孔(5)。然后，所述组合物穿过一注水器(6)，该注水器能将一环形水流提供在乳状液炸药组合物周围，起润滑作用使它能顺利地流过所述软管。所述软管沿着一上孔(7)延伸，在乳状液炸药组合物刚好要离开软管之前，一混合装置(8)将水混合入所述乳状液炸药组合物内，以形成一均匀产物，所述均匀产物填充在爆炸孔中呈一粘性体，该粘性体在装填和引爆之间的沉眠时间(sleeptime)期间不会有显著的流动。
下面结合以下示例，对本发明作进一步的说明：
示例1(a)
利用图1所示的系统和一基于POWERGEL 2500UB地下散装乳状液炸药组合物的乳状液炸药组合物，将两个直径为115毫米、长度为12米的垂直上孔进行孔底装药，以进入孔口一米的内部。(POWERGEL是帝国化学工业澳大利亚经营有限公司的注册商标)。孔内的乳状液炸药组合物的粘性是980 000厘泊(Tf为5转/分，并且Heliopath为20℃)。由于存在着来自先前试验的乳状液炸药组合物，诸爆炸孔具有稍稍滑腻的孔壁，但除此之外这些孔壁却呈干的。在3个月内对这些孔进行定期检查，未发现有产物损失或者渗漏现象。
示例1(B)
用根据示例1(a)所述方法制得的乳状液炸药组合物装填倾斜度在59至90°之间、直径为115毫米、长度在3至20米之间的二十四个干燥上孔。在装填和爆炸之间的3天沉眠时间内，没有检测到任何产物损失或渗漏。所有的孔都被成功地爆炸了。
示例1(c)
用根据示例1(a)所述方法制得的乳状液炸药组合物装填倾斜度在59至70°之间、直径为76毫米、长度最长达20米的三十九孔。这些孔的情况不同，有的具有一潮湿的外观，有的沿着孔壁连续地向下滴水。在潮湿上孔内的产物保持情况没有在干燥孔内的好。
示例1(d)
用根据示例1(a)所述方法制得的乳状液炸药组合物装填倾斜度为45°、直径为76毫米、长度为10米的十二个孔。所有的孔都是潮湿的，并且大多数都有沿着孔壁向下滴的水。所用的乳状液炸药组合物具有含量相对较高的乳化剂和油，也就是说，5％(按重量计算)的乳化剂和30％(按重量计算)的植物油。所述产物的粘性为1 180 000厘泊(Tf为5转/分，Heliopath为20℃)。对乳状液炸药组合物的保留情况观察了几天，没有发现有产物损失掉的现象。
示例1(e)
用示例1(e)的乳状液炸药组合物装填倾斜度在50至90°之间、长度最多为50米、直径为108毫米的五十一个孔。孔有的是于的，有的是潮湿的，其中有些孔是敞开的或者在挖开的地面内。产物的稠化良好，并且在装药过程中的产物损失现象很小。在点火之前，产物在诸孔内保留了几天。
示例1(a)、1(b)、1(c)、1(d)和1(e)表明：由本发明的方法形成的具有足够粘性的乳状液炸药组合物不会在其沉眠期间在诸干燥的孔内有显著流动。在极其湿润的诸孔内，粘附作用不象在干燥的诸孔内那样好，这是人们所预料到的，因为显然很难使一种油性物料，诸如一种乳化剂粘附于一潮湿的表面。但是，乳状液炸药组合物的稍稍变化可以改善所述粘附作用。
虽然以上经结合本发明的较佳实施例对本发明进行了描述，但是，应予理解的是，对于本技术领域的熟练人员来说，在阅读了该说明书之后能作出种种改变或改进，将是很显然的。因此，应予理解的是，本文所揭示的本发明应该覆盖这些改变或改进，让它们都落在所附权利要求书的保护范围之内。