机械充气的乳剂炸药及其相关方法

本申请是申请号为201980010042.4，申请日为2019年1月25日，发明名称为“机械充气的乳剂炸药及其相关方法”的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本公开整体涉及炸药组合物领域。更具体地讲，本公开涉及机械充气的乳剂炸药及其相关方法。

附图说明

本文的书面公开内容描述了非限制性和非详尽的示例性实施方案。对附图中示出的此类示例性实施方案中的某些进行了参照，其中：

图1是示出用于制造机械充气的乳剂炸药的工艺流程的一个实施方案的示意图。

图2是示出用于制造机械充气的乳剂炸药的工艺流程的另一个实施方案的示意图。

具体实施方式

本公开整体涉及用作炸药的油包水(或油包熔体)乳剂以及相关方法。术语“油包水”是指水溶液或与水混溶的熔体(不连续相)的液滴在油或与水不混溶的有机物质(连续相)中的分散体。本发明的油包水乳剂炸药包含作为连续相的与水不混溶的有机燃料和作为不连续相的乳化无机氧化剂盐溶液或熔体。(下文中的术语“溶液”或“熔体”应互换使用。)

乳剂炸药常用于采矿、采石和挖掘产业，用于破碎岩石和矿石。通常，在表面(诸如地面)中钻出一个孔，其被称为“爆破孔”或“钻孔”。然后可将乳剂炸药泵入或钻入爆破孔中。乳剂炸药通常作为较致密以至于不能完全爆炸的乳剂(称为乳剂基质)被运输到工地或在工地上制造。不认为乳剂基质是炸药。一般来讲，乳剂基质需要被“敏化”以使乳剂基质成功地引爆。敏化的乳剂基质被认为是乳剂炸药。

通常通过向乳剂基质中引入小空隙来实现敏化。这些空隙充当用于传播爆炸的热点。这些空隙可通过以下方式引入：将气体注入乳剂中从而形成离散的气泡，添加微球、其他多孔介质，和/或注入化学析气剂以在乳剂中反应从而形成离散的气泡。

乳剂基质可被设计为可重复泵送的。可在设施处制造可重复泵送的乳剂基质，然后将其泵送到移动处理单元(例如，运输卡车)的存储库中。然后可在移动处理单元上再次安全且经济地泵送可重复泵送的乳剂基质，以提供足够的动能，从而将乳剂基质处理成乳剂炸药并将乳剂炸药递送到钻孔中。

乳剂基质也可现场制造。这被称为现场混合的乳剂基质。现场混合的乳剂基质可不必设计成可重复泵送的。相反，例如，乳剂基质可以在足够的压力下制造，使得残余压力提供足够的动能，以完成乳剂基质向乳剂炸药的处理，并将乳剂炸药递送到钻孔中。

在本公开中，向乳剂基质中引入气泡可通过机械方式实现，诸如经由通过扩散器的多孔构件递送到乳剂基质的压缩气体。然后可以使敏化的乳剂炸药经受剪切应力，从而增大乳剂炸药的粘度。所得的均化的乳剂炸药可用于任何合适的目的，诸如用于钻孔中的爆炸。在一些实施方案中，均化的乳剂炸药不含或基本上不含气泡稳定剂，诸如卤代烷基酯、小颗粒和蛋白质。在一些实施方案中，均化的乳剂包含乳化剂、均化剂或两者。下文更详细地讨论了本公开的特定实施方案的具体特征。

短语“流体连通”以其普通意义被使用，并且足够宽泛至指其中流体(例如，气体或液体)可从一个元件流向另一个元件的布置方式。短语“气泡稳定剂”或“发泡剂”是指相对于不含气泡稳定剂的基本上相同的气体注入乳剂，降低气体注入乳剂中气泡聚结速率的组合物。短语“均化剂”是指在乳剂经受剪切应力时促进乳剂粘度增加的组合物。此类匀化剂可在乳剂经受剪切应力时促进氧化剂相的相对小的液滴的形成。术语“乳化剂”是指使乳剂中不同液体之间的液体界面稳定的组合物。组合物可用作均化剂和乳化剂两者。

在一些实施方案中，可以通过首先获得相对低粘度的乳剂基质来制造具有相对高粘度的均化的乳剂炸药，所述相对低粘度的乳剂基质包括在燃料的连续相中的氧化剂盐溶液液滴的不连续相。燃料可为柴油燃料(其可另选地称为“燃料油”，或在具体实施方案中称为“燃料油#2”)和乳化剂(诸如脂肪酸)的混合物。在一些实施方案中，乳剂基质为约90％至约96％的氧化剂盐溶液和约4％–10％的燃料(重量/重量)，诸如约94％的氧化剂盐溶液和约6％的燃料。在一些实施方案中，氧化剂盐溶液为约70重量％至约90重量％的硝酸铵。

在一些实施方案中，均化乳剂炸药不含气泡稳定剂，诸如卤代烷基酯(包括氟代脂族聚合物酯)、小颗粒(诸如二氧化硅颗粒、胆影酸乙酯颗粒、和各种胶态颗粒)、和蛋白质。例如，均化乳剂炸药可不含任何卤代烷基酯、小颗粒和蛋白质。排除的小颗粒的尺寸可在亚微米(例如，20nm)至50微米尺寸的范围内。换句话说，均化的乳剂炸药可不含使乳剂中的气泡稳定的发泡剂或表面活性剂。

与气泡稳定剂相比，在一些实施方案中，乳剂包含乳化剂、均化剂或两者。乳化剂可选自任何合适的乳化剂，并且可为燃料的一部分，并且因此可为连续相的一部分。例如，燃料可包含至多25重量％的乳化剂、匀化剂或两者。例如，匀化剂可为燃料中乳化剂/匀化剂的20％至100％。因此，例如，当燃料为均化乳剂的约6重量％时，匀化剂可为均化乳剂的约0.3重量％至约1.5重量％。

可选择使用的乳化剂和匀化剂的示例包括：醇烷氧基化物、酚烷氧基化物、聚(氧化烯)二醇、聚(氧化烯)脂肪酸酯、胺烷氧基化物、山梨醇和甘油的脂肪酸酯、脂肪酸盐、脱水山梨糖醇酯、聚(氧化烯)脱水山梨糖醇酯、脂肪胺烷氧基化物、聚(氧化烯)二醇酯、脂肪酸酰胺、脂肪酸酰胺烷氧基化物、脂肪胺、季胺、烷基噁唑啉、烯基噁唑啉、咪唑啉、烷基磺酸盐、烷基芳基磺酸盐、烷基磺基琥珀酸盐、烷基磷酸盐、烯基磷酸盐、磷酸酯、卵磷脂、聚(氧化烯)二醇和聚(12-羟基硬脂酸)的共聚物。在一些实施方案中，乳化剂为聚异丁烯基琥珀酸酐(PIBSA)。例如，PIBSA可用作可重复泵送的乳剂基质中的乳化剂。在一些实施方案中，乳化剂为脱水山梨糖醇单油酸酯。例如，脱水山梨糖醇单油酸酯可用于现场混合的乳剂基质中。

结合图1所示的工艺流程100描述了制造机械充气的乳剂炸药的某些实施方案。例如，工艺流程100可以与可重复泵送的乳剂基质一起使用，无论乳剂基质在现场形成还是在别处形成。

乳剂基质105最初可具有约4,000cP至约20,000cP，诸如约6,000cP至约8,000cP、约7,000cP至约10,000cP、约8,000cP至约14,000cP、约10,000cP至约20,000cP、约12,000cP至约20,000cP、或约15,000cP至约20,000cP的粘度。换句话讲，在即将递送到扩散器中之前(如下文所述)，乳剂基质105可具有相对较低的粘度(例如，低于20,000cP)。粘度可用布氏粘度计测量，诸如型号为#HADVII+的粘度计，其具有在20℃处转速为20rpm的LV-3心轴。

然后可通过将气泡引入乳剂基质105中来“敏化”乳剂基质105。气泡可以机械方式引入到乳剂基质105中。例如，在工艺流程100中，以机械方式将气体引入乳剂基质105中包括将气体120通过扩散器110的多孔构件递送进入乳剂基质105中。

压缩气体(诸如压缩氮气、氦气、惰性气体或压缩空气)可通过扩散器110递送。换句话讲，压缩气体120可与用于使乳剂基质105通过的流动路径流体连通，从而使得气体能够通过扩散器110机械递送进入流动路径中的乳剂基质105。

当加压气体被递送到扩散器110时，乳剂基质105可被推动(诸如通过在进入扩散器110之前泵送乳剂基质105所提供的压力)通过流动路径并从扩散器110离开。当乳剂基质105行进穿过扩散器110时，扩散器110内的加压气体可穿过扩散器110的多孔构件并且进入乳剂基质105中，从而在乳剂基质105中形成气泡。这样，气体可被机械地递送到乳剂基质105，从而使乳剂基质105敏化以爆炸。

在一些实施方案中，多孔构件包括多孔陶瓷、烧结玻璃和/或烧结钢。其他多孔材料也可用于形成多孔构件。孔径可为约1微米至5微米或更小。例如，孔径可在纳米范围内。中值气泡尺寸可为约1微米至10微米。中值气泡尺寸可通过显微照相术测定。

将气体引入乳剂基质105中将降低乳剂基质105的密度。可以选择气体120的流速，以实现所得的乳剂炸药的所需密度。

在通过引入气泡使乳剂基质105敏化之后，可将所得的乳剂炸药递送到匀化器130。匀化器130可以改变乳剂炸药中氧化剂盐溶液液滴的尺寸分布。例如，在一些实施方案中，匀化器130破坏相对较大的氧化剂盐溶液液滴，从而将此类液滴转化成具有更窄尺寸分布的较小液滴。对氧化剂盐溶液液滴的此类操纵可以导致均化的乳剂炸药的粘度增加(例如，显著增加)。

在一些实施方案中，通过使乳剂炸药经受剪切应力来实现均化。匀化器130可以包括被配置为在乳剂炸药上(即，在充气的乳剂基质105上)引入剪切应力的装置，诸如阀门。用于使乳剂炸药通过匀化器130的动能可通过在进入扩散器110之前以足够的压力泵送乳剂基质105来提供。

在一些实施方案中，由于均化，均化的乳剂炸药的粘度可相对于乳剂基质105增加超过约45,000cP，诸如增加至少约50,000cP、至少约60,000cP、至少约80,000cP、或至少约100,000cP。在一些实施方案中，均化的乳剂炸药相对于乳剂基质105的粘度可以增加约45,000cP至约75,000cP、约60,000cP至约90,000cP、约75,000cP至约105,000cP、或约90,000cP至约140,000cP。在一些实施方案中，均化的乳剂炸药的粘度可以大于或等于80,000cP。例如，均化的乳剂炸药的粘度可以为约80,000cP至约150,000cP，诸如约80,000cP至约100,000cP、约90,000cP至约120,000cP、约105,000cP至约135,000cP、或约120,000cP至约150,000cP。

均化的乳剂炸药可以被递送到钻孔140中以用于爆炸。换句话说，可以通过软管递送均化的乳剂炸药，并将其置于钻孔140内以用于后续的爆炸。

图2描绘了在某些方面类似于上述工艺流程100的工艺流程200的实施方案。因此，类似特征部以类似的附图标记指代，其中首位数字增至“2”。例如，图2所示的实施方案包括扩散器210，该扩散器在一些或所有方面可类似于图1的扩散器110。同样，图2包括匀化器230，该匀化器在一些或所有方面可类似于图2的匀化器130。因此上述有关类似标识的特征部的相关公开内容在下文中可能不再重复。此外，结合图1示出或描述的工艺流程100的特定元件可能没有在附图中由附图标号示出或标识，或者没有在随后的书面描述中具体讨论。然而，此类特征部可能明确地与在其他实施方案中示出和/或关于此类实施方案描述的特征部相同或基本上相同。因此，这些特征的相关描述同样适用于图2所示的工艺流程200和相关组件的特征。关于图1中示出的工艺流程100和相关元件描述的特征的任何合适的组合及其变型可以用于图2的工艺流程100和相关组件，反之亦然。

图2所示的工艺流程200大致类似于上述工艺流程100。然而，与图1所示的工艺流程100相比，工艺流程200具体地涉及而非可选地涉及现场混合的乳剂基质。在该示例性实施方案中，氧化剂盐溶液201被分成第一部分和第二部分。氧化剂盐溶液201的第一部分与燃料203混合以形成低粘度富含燃料的乳剂基质。燃料203基本上不含稳定气泡的添加剂。

富含燃料的乳剂基质穿过扩散器210以形成富含燃料的乳剂炸药。然后将氧化剂盐溶液201的第二部分与富含燃料的乳剂炸药混合，以形成具有增加的粘度的更平衡的乳剂炸药(“更平衡的”是指乳剂炸药的氧平衡)。然后将更平衡的乳剂炸药均化，以形成具有进一步增加的粘度的均化乳剂炸药。

在一些实施方案中，氧化剂盐溶液201从一个或多个容器通过分流器202泵送，所述分流器将氧化剂盐溶液沿不同方向分流(例如，分叉)。例如，分流器202可将氧化剂盐溶液201的第一部分引导至通向第一混合区204的第一路径207，同时分流器还将氧化剂盐溶液201的第二部分引导至绕过第一混合区通向第二混合区206的第二路径208。在一些实施方案中，等量的氧化剂盐溶液被引导至第一流动路径207(即，朝向第一混合区204)和第二流动路径208(即，朝向第二混合区206)。在其他实施方案中，氧化剂盐溶液被引导至第二流动路径208的百分比高于被引导至第一流动路径207的百分比。例如，在一些实施方案中，55％至65％的氧化剂盐溶液被引导至第二流动路径208，同时35％至45％的氧化剂盐溶液被引导至第一流动路径207。另选地，氧化剂盐溶液被引导至第一流动路径207的百分比可高于被引导至第二流动路径208的百分比。在其它实施方案中，第一流动路径207和第二流动路径208不是连接到单个分流器202，而是各自连接到氧化剂盐溶液201的不同容器。

在通过分流器202之后，氧化剂盐溶液201的第一部分进入第一混合区204中。第一混合区204被配置为有利于氧化剂盐溶液201与燃料203(诸如柴油燃料和乳化剂)的混合。换句话讲，氧化剂盐溶液201和燃料203均可被泵送到第一混合区204中。氧化剂盐溶液201和燃料203可在第一混合区内混合以产生富含燃料的乳剂基质。当富含燃料的乳剂基质离开第一混合区204时，富含燃料的乳剂基质可具有相对较低的粘度，诸如约8,000cP至约14,000cP。

然后，富含燃料的乳剂基质可从第一混合区204行进到扩散器210中。扩散器210可大致类似于上述扩散器110。例如，扩散器210可被配置为接收压缩气体220，并机械地将气泡引入穿过扩散器210的乳剂基质中。这样，富含燃料的乳剂基质可被敏化。

离开扩散器210之后，富含燃料的乳剂炸药可以进入第二混合区206。第二混合区206可以被配置为接收通过第二流动路径208递送的氧化剂盐溶液201的第二部分，从而有利于氧化剂盐溶液201的第二部分与进入第二混合区206的富含燃料的乳剂炸药的混合。在一些实施方案中，以重量比计，氧化剂盐溶液的第二部分为所得乳剂中氧化剂盐溶液201的总量的约45％至约80％。氧化剂盐溶液201的第二部分与富含燃料的乳剂炸药的混合可以增加更平衡的乳剂炸药的粘度。例如，在一些实施方案中，相对于富含燃料的乳剂炸药，更平衡的乳剂炸药的粘度增加约6,000cP至约20,000cP(例如，增加约6,000cP至约12,000cP、约9,000cP至约15,000cP、约12,000cP至约18,000cP、或约15,000cP至约20,000cP)。更平衡的乳剂炸药的粘度可以为约20,000cP至约35,000cP，诸如约20,000cP至约26,000cP、约23,000cP至约29,000cP、约26,000cP至约32,000cP、或约29,000cP至约35,000cP。

然后，更平衡的乳剂炸药可以进入匀化器230中。匀化器230可以操纵更平衡的乳剂炸药，以改变乳剂中的氧化剂盐溶液201液滴的尺寸分布。例如，在一些实施方案中，匀化器230破坏氧化剂盐溶液201的相对较大的液滴，从而将这些液滴转化成具有更窄尺寸分布的较小液滴。对氧化剂盐溶液液滴的此类操纵可导致乳剂的粘度增加(例如，显著增加)。对氧化剂盐溶液201加压可以提供使更平衡的乳剂炸药均化所需的压力的至少一部分。均化还可减小气泡尺寸并且使气泡在乳剂中的分布更均匀(即，更均质)。

例如，相对于更平衡的乳剂炸药，均化的乳剂炸药的粘度可以增加超过约45,000cP，诸如增加至少约50,000cP、至少约60,000cP、至少约80,000cP、或至少约100,000cP。在一些实施方案中，均化的乳剂炸药的粘度可以增加约45,000cP至约75,000cP、约60,000cP至约90,000cP、约75,000cP至约105,000cP、或约90,000cP至约140,000cP。例如，均化的乳剂炸药的粘度可以大于或等于80,000cP。例如，均化的乳剂炸药的粘度可以为约80,000cP至约150,000cP，例如约80,000cP至约100,000cP、约90,000cP至约120,000cP、约105,000cP至约135,000cP、或约120,000cP至约150,000cP。

图2的扩散器210被示出为不同于第一混合区和第二混合区的组件。然而，在其他实施方案中，扩散器可与第一混合区或第二混合区一体化。例如，在一些实施方案中，混合区包括用于递送液体或乳剂的两个入口和用于通过多孔构件递送压缩空气的第三入口。来自每个入口的输入可组合在一起以形成充气乳剂。换句话说，来自第一入口的输入、来自第二入口的输入和来自第三入口的压缩气体可在混合区内的单个位置处组合以形成气体注入乳剂。所得的气体注入乳剂可通过用于将乳剂递送到例如另一个混合区或匀化器的出口从所述混合区离开。

无论是再泵送的还是现场混合的，均化的乳剂炸药的增加的粘度都可以减少气泡迁移和/或气泡聚结，从而得到具有增加的成分稳定性的乳剂炸药。换句话讲，至少部分地由于均化的乳剂炸药的粘度增加，乳剂内的气泡的移动性降低和/或与其他气泡合并的倾向降低。

相比之下，不包含气泡稳定剂的相对较低粘度的机械充气乳剂炸药往往具有气泡迁移和聚结问题。当将不包含气泡稳定剂的相对粘度较低的气体注入乳剂炸药置于钻孔中时，乳剂中的气泡可向上迁移(由于相对于乳剂，气体的密度低)，因而得到一组合物，在该组合物中气泡不均匀地分布在乳剂中。气泡的不均匀分布导致乳剂炸药的均质性降低、性能不如期望、以及潜在的不可爆炸性。粘度相对较低的乳剂内的气泡也可部分地由于其流动性增加而趋于与其它气泡聚结。气泡聚结的增加还导致乳剂炸药的均质性降低、性能不如期望、以及潜在不可爆炸性。

本文所述的粘度相对较高的机械充气均化乳剂炸药的实施方案可在不需要气泡稳定剂的情况下对泡迁移和/或聚结具有更高抵抗性。

受益于本公开，本领域的普通技术人员将理解，可使用任何数量的系统来实现本文所述的方法。另外，受益于本公开，本领域的普通技术人员将理解，本文所述的机械充气的均化的乳剂炸药可以本领域已知的其他方式进行另外处理。

例如，可在将均化的乳剂基质通过导管递送至钻孔的同时引入润滑剂，诸如水。

附加组分诸如固体敏化剂和/或能量增加剂可与均化的乳剂炸药混合。固体敏化剂的示例包括但不限于玻璃或烃微球、纤维素膨松剂、膨胀矿物膨松剂等。能量增加剂的示例包括但不限于金属粉末(诸如铝粉)和固体氧化剂。固体氧化剂的示例包括但不限于形成为多孔球体的氧释放盐，在本领域中也称为“小球”。氧释放盐的示例包括硝酸铵、硝酸钙和硝酸钠。可以使用本领域已知并且与均化的乳剂炸药的燃料相容的任何固体氧化剂。均化的乳剂炸药还可以与炸药混合物共混，诸如硝酸铵燃料油(“ANFO”)混合物。

本文所述的机械充气的均化的乳剂炸药可在地上和地下应用两者中用作散装炸药。本文所述的所有方法步骤可经由移动处理单元来执行。机械充气的均化的乳剂炸药一旦设置在钻孔内，就可以任何合适的方式进行引爆。例如，本文所述的具有足够低的水的机械充气的均化的乳剂炸药可被充分敏化，以在不受限制时或在高于特定密度的临界直径的爆炸孔中，用8号雷管进行引爆。

本文所公开的任何方法包括用于执行所述方法的一个或多个步骤或动作。所述方法步骤和/或动作可彼此互换。换句话讲，除非对于实施方案的正确运行需要特定顺序的步骤或动作，否则可以修改特定步骤和/或动作的顺序和/或用途。此外，本文所述方法的子程序或仅一部分可以是本公开范围内的单独的方法。换句话讲，一些方法可以仅包括在更详细的方法中描述的步骤的一部分。

本说明书通篇对“实施方案”或“所述实施方案”的提及意指，结合该实施方案所述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施方案中。因此，如本说明书通篇所述，引用的短语或其变型不一定全部涉及相同实施方案。

类似地，受益于本公开的本领域的技术人员应当认识到，为了使本公开简化，在上述实施方案的描述中，有时将多个特征集中在单个实施方案、图或其描述中。然而，这种公开的方法不应解释为反映以下意图，即任何权利要求需要比该权利要求中明确列举的那些特征更多的特征。相反，如以下权利要求书所反映，本发明的方面在于比任何单个前述公开的实施方案的所有特征更少的特征的组合。因此，该具体实施方式后的权利要求书据此明确地并入到该具体实施方式中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施方案。本公开包括独立权利要求与其从属权利要求的所有排列。

权利要求书中关于特征或元件的术语“第一”的叙述不一定暗示存在第二或另外的此类特征或元件。对于本领域的技术人员将显而易见的是，可在不脱离本公开的基本原理的情况下对上述实施方案的细节作出改变。