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Abstract

一种改进的爆破组合物，该组合物包括约13-15%(重量)的蜡，约15-25%(重量)的铝粉、约10-52%(重量)的高氯酸钠和约10-52%(重量)的硝酸铵。爆破组合物在应用中可与ANFO结合使用以代替常规的固体AP推进剂，并且它还可成为一种经济廉价的代用品。

Description

性能提高了的炸药
发明背景
ANFO在采石爆破中是常采用的炸药，采爆的岩石种类可包括石灰石、花岗石和其它岩浆岩。ANFO是由约94％的硝酸铵与6％的燃料油组成的混合物。
在采石爆破中，需要按预置点阵或排布来钻凿出许多的炮眼。例如，炮眼可按彼此间隔10英尺(3m)×10英尺(3m)的阵型钻凿，各炮眼直径为3-9英寸(7.6-22.9cm)，深度是20-90英尺(6-27m)。带有起爆筒的浇注式传爆药放置在炮眼的底部，将ANFO再加入到炮眼中，使ANFO物料层的上界面与地表面之间的距离接近8英尺。将1/4-1/2英寸(0.635-1.27cm)大小的小石片放置在孔眼的顶部，以封堵住ANFO，这些石块通常称为堵塞物。炮眼的起爆是依次进行的，这样可以使碎石向自由采掘面移动。
爆破所在的地质结构的差异造成了能量因数和功率因数的不同。例如，石灰石需要2-5磅/吨(1000-2500g/mt)的功率因数。
ANFO还用于露天矿的开采，例如煤、铁英岩、铜和金的开采。在露天矿开采中，惯用的炮眼的直径是10-15英寸(25-38cm)，并以28×28英尺(8.5×8.5m)的阵型钻凿成40-60英尺(12-18m)的采掘面。
ANFO在采石和露天矿开采中是一种普及的炸药，这是因为它的成本低廉。但是，ANFO也有着一些局限性。当炮眼中填入柱型ANFO固体时，在炮眼内起爆仅能达到60-70％的效率。因此，在这种直的ANFO爆破中，为避免对后续使用的在爆破后用于处理碎石的挖掘机和破碎机有害的太大的材料，须考虑30-40％的ANFO浪费。同时，这种浪费使生产碎石的成本提高了。
用于克服固体ANFO爆破的低效并提高它在炮眼中功效的多种方法已经被开发出来。其中之一是使用固体AP推进剂，该推进剂是一种典型的火箭燃料。由于许多核裁军条约的签订和对解除导弹的要求，该材料基本上成为了过量的原料。须对该材料进行处理清除，传统的处理方法是将其作为一种废料，以推进剂发动机在露天燃烧或直接将该推进剂在露天燃烧掉。然而，这些处理方法由于环境保护的原因不再是可行的。
在U.S专利5,261,327中，公开了将这种固体AP推进剂与ANFO制成爆破组合物用于采石爆破。其中，固体AP推进剂是由近70％的高氯酸铵、20％的铝和10％的粘合剂组成的混合物。
然而，在应用这种固体推进剂时还存在着问题，首先，这种固体推进剂的存量极显著地减少了。另外，它的价格相对昂贵了。因此，即使有人计划使用更多的固体推进剂，但其价格妨碍了它在采石爆破中被使用。本发明概述
我们发现了一种新的并且改进了的爆破组合物，以及一种用于表层采矿爆破的方法。尤其是，本发明提供了与现有的ANFO与AP推进剂的组合物相比，有着同样良好甚至更好效果的组合物，并且该组合物基本上较为便宜。
具体地讲，本发明组合物包括了约13-15％(重量)的未经精炼的石油蜡、约15-25％(重量)的铝粉、约10-52％(重量)的高氯酸钠和约10-52％(重量)的硝酸铵。在本文中所用的所有重量和百分比均以组合物的总重量为基础。
本发明爆破组合物可与ANFO按常规的方式结合使用。例如，采用美国专利5,261,327中描述的技术内容代替该专利中提及的固体AP推进剂。
本发明还公开了一种爆破体系，该体系包括作为第一组分的ANFO和作为第二组分的本发明组合物。第一组分与第二组分的相对量在约70∶30至30∶70之间的范围内，并且优选在约40±2∶60±2至60±2∶40±2之间。附图简述
图1和5是试验示意图，图2-6是所做试验效果的图解。本发明详述
本发明涉及的炸药优选是一种热融型组合物，该组合物包括石油蜡、雾化铝粉、高氯酸钠和硝酸铵。蜡是作为粘合剂对推进剂起固结作用。铝粉可增加在爆炸过程中热化学性的热能的释放量，高氯酸钠和硝酸铵是氧化剂。
组合物的制备，首先是将石油蜡(一般在140-150°F(60-65℃)的温度下)熔融。在搅拌的同时再将铝粉加入到熔融蜡中。随后是加入高氯酸钠并同时搅拌，最后，同样是在搅拌的条件下向混合物中加进硝酸铵。以上所有的操作都是在常压下进行的。
混合完成后，可将推进剂在传动皮带上冷却、成粒、并封装起来，或倾入适当的模型例如塑料袋及其类似物中，使推进剂冷却并凝结。
在应用时，例如在采石或露天矿开采中使用该爆破组合物时，须按预先设计的点阵或排布来钻凿出许多具有预定直径和深度的炮眼。将一次装填的基层炸药例如浇注型传爆药填装在孔眼的底部，同时使引(爆)线自基层填料向上引出直至炮眼的顶部，此过程中要防止引线落入到炮眼中。
然后，将ANFO倒入炮眼中，覆盖在基层填料上，并达到预定的深度例如12英寸(30.48cm)高。将安装成棒形或以压碎的形式包装的本发明的炸药填入孔中，再在本发明炸药层顶部加上另一层ANFO。附加ANFO层是随后加入的，并且ANFO层和本发明的炸药层依次重复直至填至距地表面近10英尺处。最后将一层ANFO填入到炮眼中。
通常，炮眼是由引线串联起来，在采取了正常的和适当的安全防护措施后，爆破是通过引发一次装填的基层炸药或多次装填的基层炸药引爆的。此操作过程的具体说明是常规的，并且在美国专利5,261,327中有描述。
为了评估本发明的组合物进行了如下一系列的试验：
制备了本发明推进剂的四种不同的组合物，它们的组分含量各不相同。组合物的制备是，首先将石油蜡在140-150°F(60-65℃)的温度下熔融。然后加入铝粉，并将混合物在常压下以20rpm(转/分钟)的转速搅拌5分钟。随后，将规定量的高氯酸钠加入到混合物中，并将混合物再次在常压下以20rpm的转速搅拌5分钟。将一半预定量的硝酸铵加入至混合物中，在常压和转速为20rpm的条件下搅拌10分钟。随后，再把余下的一半硝酸铵加入到混合物中以20rpm转速搅拌10分钟。将混合物的温度保持在140-150°F(60-65℃)下。然后将该炸药在热融状态下浇注到聚乙烯袋中，使之冷却并凝结。
所采用的蜡是由Chevron Corporation指定为142N的未精制石油蜡。该蜡的凝固点是129°F/ASTI-D938，套管穿透值在77°F(56℃)是71/ASTI-D937，油含量分别是4690+3990/ASTI-D3235和ASTI-D721，色度是＜4.5/ASTI-D1500。蜡中的端点组分石蜡的重量通过气相色谱测得是3490，平均分子量是461。这种未精制蜡的颜色是浅棕色至黑色。它含有的杂质是有机硫化合物。蜡的比重在77°F(56℃)时约是0.92g/cc。这种蜡是一种无弹性的相对小分子，例如相对硫化有机聚合物比较而言。其次，与常用的具有良好确定粘弹性质的硫化聚合物相比，这种蜡只可软化并可熔融成液体。另外，在市售固体AP推进剂中惯常使用的硫化聚合物比本发明的蜡要贵10至50倍。
采用的铝粉是Alan-Togo America ATA101型的。该铝粉是一种自由流动性的雾化铝粉，它具有规则的颗粒尺寸和约2.7g/cc的比重值。它基本上是纯的金属铝，其平均颗粒直径是18微米。该物质在早先称为Alan MD101。该组分的主要作用是提高燃烧的热能，增加流动性和增大推进剂组合物的密度。
采用的高氯酸钠是Western Electro Chemical Company(WECCO)的NaClO4。该组分的比重是2.54，颗粒大小接近300微米。高氯酸钠是现今可购买到的最经济实用的高氯酸盐，其价格是高氯酸铵的三分之一。高氯酸钠的密度也比高氯酸铵高，即前者是2.34g/cc而后者是1.95g/cc。虽然高氯酸钠具有吸湿性，但由于与热蜡混合，使它的吸湿性在一定程度上被抵消了。
所用的硝酸铵(NaH4NO3)具有1.725g/cc的比重值和接近1,000-2,000微米的孔隙。硝酸铵是极容易得到，因它可用作农用化肥。虽然它的纯物质是吸湿的，但钻孔包层(Coating)方法使其能够自由流动。本发明试验中采用的硝酸铵是E-2级的，是由Northern CaliforniaFertilizer Company生产的。
进行了五种不同的爆炸试验并进行了漏斗型爆破评估。组合物分别如下：
组合物1是ANFO；
组合物2是722号组合物/ANFO按40/60的混合物；
组合物3是724号组合物/ANFO按40/60的混合物；
组合物4是726号组合物/ANFO按40/60的混合物；
组合物5是727号组合物/ANFO按40/60的混合物；
试验所用的爆破组合物的组成如下：
    组分                          组合物编号
    722     724     726     727
    蜡     15％     15％     13％     13％
    铝粉     25％     15％     25％     25％
    高氯酸钠     10％     10％     10％     52％
    硝酸铵     50％     60％     52％     10％
作为商用炸药，对于用户通常有3个因素是至关重要的，即所谓的石块的碎裂、石块的位移和过度的地面振动。对采用本发明组合物与ANFO的一系列试验进行了评价。通常，炸药效能的直接指标是它移动石块的能力。高度的振动是炸药过度封闭或不能移动石块的指征，一般而言在所有类型的爆破中都希望振动的水平低。
为了评价如上所述的本发明组合物，进行了一系列的单孔漏斗形爆破。单孔漏斗形试验旨在比较不同受试炸药的强度。在各试验中，仅填ANFO的炮眼作为空白对照用来建立用于比较的基准线。在每个试验中，一次装入的炸药、重量和埋入的深度都是一定的。
图1表示漏斗形试验示意图。
图2表示本发明所述各组合物的漏斗形爆破位移与ANFO的对比结果。
图3是漏斗形爆破产生的振动的对比结果。
图4是本发明各组合物的两次漏斗形爆破位移试验的总对比结果。
从这些附图中可看出，本发明组合物等效于单独使用ANFO或至少是同样好。
采用高速照相机设备进行位移的测定以提供采掘面的移动、地层隆起和填塞物的喷射数据。照相机的成像速度高至400幅/秒，并每2.5毫秒产生1张相片。通过把目标物安置在采掘面、平台顶部和矿底的特定位置上可精确地计算出采掘面的移动和地层隆起的速度。将照相底片冲洗出来，输入计算机可进行精确计算并得到原始数据。
然后进行采掘面位移的计算以评价本发明组合物。通常，在用炸药碎石的大多应用中，爆破出一个自由采掘面是有利的。理想的自由采掘面是与炸药柱的轴相平行的，这时能量分布最佳。在此条件下，炸药与它在漏斗形爆破中相比其作用方式是不同的。当炸药柱被起爆时，能量直接作用于采掘面。该采掘面从炸药柱中部弯曲并被破碎。石块在压应力强度高的地方出现断裂，当应力波由岩石自由采掘面反弹回来，岩石受到应力压迫，当强度足够大时岩石就会瓦解。一旦岩石已被粉碎，引爆产生的高压气体就会将它们喷带出来。位移速度和位移范围与炸药的气体产生特性有着直接的关系。单孔采掘面位移试验旨在评价受试炸药对自由采掘面的轰击能力。图5是采掘面评估中典型试验的示意图。
图6表示本发明中，不同的组合物分别相对于ANFO的位移对比结果。如图6所示，本发明中的各组合物产生的位移量基本上与ANFO单独使用时相同或更好一些。

Claims (7)

1.一种采石爆破用的组合物，包括以重量计约13-15％的蜡、约15-25％的铝粉、约10-52％的高氯酸钠和约10-52％的硝酸铵，所有的重量百分比均以组合物的总重量为基础。
2.根据权利要求1所述的组合物，其中以重量计蜡的含量为15％，铝粉的含量为25％，高氯酸钠的含量为10％，硝酸铵的含量为50％。
3.根据权利要求1所述的组合物，其中以重量计蜡的含量为15％，铝粉的含量为15％，高氯酸钠的含量为10％，硝酸铵的含量为60％。
4.根据权利要求1所述的组合物，其中以重量计蜡的含量为13％，铝粉的含量为25％，高氯酸钠的含量为10％，硝酸铵的含量为52％。
5.根据权利要求1所述的组合物，其中以重量计蜡的含量为13％，铝粉的含量为25％，高氯酸钠的含量为52％，硝酸铵的含量为10％。
6.一种爆破体系，其中包括由两种组分组成的混合物，第一组分是ANFO，第二组分是一种组合物，该组合物含有以重量计约13-15％的蜡、约15-25％的铝粉、约10-52％的高氯酸钠和约10-52％的硝酸铵，所有的重量百分比都以组合物的总重量为基础，其中第一组分与第二组分的重量比值约在70/30至30/70之间。
7.根据权利要求6所述的爆破体系，其中第一组分与第二组分的重量比值在40±2：60±2至60±2：40±2之间。
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