JP3902236B2 - エマルジョン火薬の空気圧式の送り出し装置系 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、加圧容器から乳化状のエマルジョン火薬をボアホールの中に送り出す装置系および方法に関する。さらに詳しくは、この装置系および方法は圧力容器から送り出しホースを通してエマルジョン火薬をボアホールの中に空気圧式に押し出すことを含む。送り出しホースを通るエマルジョン火薬の流れは、エマルジョン火薬の外面と送り出しホースの内面との間に環状に圧力水流を噴射することで潤滑される。空気圧式の押し出しと、水噴射潤滑との組み合わせが、ボアホールの中にエマルジョン火薬を送り出すための安全で簡単な装置系を可能にする。
発明の背景
本発明のエマルジョン火薬は、この分野でよく知られた油中水形エマルジョンで構成される。例えば米国特許第４９３１１１０号を参照されたい。これらの火薬は連続有機液体燃料相（continuous organic liquid fuel phase）を含み、その全体に水性または水混和無機酸化性塩溶液相（aqueous or aqueous-miscible inorganic oxidizer salt solution phase）の粒滴が分散されている。「油中水」の用語は、「水」またはその等価物のような強極性の親水性液体または融成物を意味し、疎水性の無極性液体は「油」と考える。エマルジョンの形成には乳化機が一般に使用される。
エマルジョン火薬は通常は大気温度の下での保存の後であっても流体であり、したがって容器からパッケージまたはボアホールの中にポンプで圧送することができる。しかしながらエマルジョン火薬のポンプ圧送または再ポンプ圧送による１つの問題点は、エマルジョン火薬の粘度が比較的大きいために高いレベルのポンプ圧力を必要とすることである。それにも拘わらずに、粘性エマルジョン火薬は亀裂やボアホールの割れ目に流れ込むのを防ぐため、また流動水による乳化作用や上方へ伸びるボアホール内に装填するときの重力に基づく流れ出しを防ぐために望ましい。比較的粘度の大きいエマルジョン火薬をポンプ圧送することに関してのこれまでの研究は、高い水頭を発生できる高価で大荷重に耐えるポンプを必要としていた。このようなポンプおよびこれにより得られる圧力または潜在圧力（potential pressures）は採鉱作業において安全配慮を生み、またエマルジョンまたはその成分の安定性に対して破壊力を与え得る。
エマルジョン火薬のポンプ圧送はその火薬に対して運動エネルギーを必然的に与えるので、付随的な安全配慮が欠かせない。ポンプ圧送のために必要な潜在的に高い作業圧力に加え、押圧のため（against dead head）のポンプ運転がポンプ圧送される媒体すなわちエマルジョン火薬にかなりのエネルギーを加えて、望ましくない爆発を生じることになりかねない。さらに、ポンプが「乾燥」状態で運転されてエマルジョン火薬がポンプ圧送されないならば、残留している製品の全てがオーバーヒートして自爆する程のかなりのエネルギー入力を受けることになる。このようにして精巧なポンプ監視・遮断装置系が設計され、各種のエマルジョン火薬ポンプ圧送用途に実用化されてきた。しかしながらこれらの検出装置系は設置するのに大きな費用がかかり、作動モードに保持するのが困難である。したがって、高価且つ高圧なポンプの使用を必要とせずにボアホールにエマルジョン火薬を導き入れる装置系が必要とされる。本発明は、比較的低圧の下で圧力容器から出口および送り出しホースを通してエマルジョン火薬を空気圧式に押し出すことのできる装置系および方法を提供する。水噴射装置系を付加することで押し出されたエマルジョン火薬の周囲に水の環状流を形成し、送り出しホースを通るエマルジョン火薬の移動のために潤滑する。この装置系および方法の利点は、以下を含む。
１． 装置系の費用が漸進式キャビティポンプ装置系（progressive cavity pump system）の費用の一部ですむ。
２． この装置系の作動は単純であり、ポンプ装置系に比べて保守が少なくてすむ。本発明の装置系は流体圧作動部品、電力使用部品または動的すなわち運動部品を全く必要としない。
３． この装置系は潜在的な高圧および高温が回避されるので、ポンプ装置系に比べて本質的に安全である。
４． この装置系はポンプ装置系に比べて運転がかなり静かであり、この結果は地中での用途に特に望まれる。
送り出しホースを通してエマルジョン火薬を導くのに水噴射装置系を使用することはこの分野で周知である。例えば米国特許第４２７３１４７号および同第４６１５７５２号を参照されたい。これは、環状水流が保持されるならば、ポンプ装置系に対するポンプ圧送圧力の要求値を低下させる助けとなる。しかしながらエマルジョン火薬が空気圧式に送り出される装置系の使用は、この分野で知られていない。エマルジョン火薬を押し出すための空気圧作動式の圧力容器と、送り出しホースを通るエマルジョン火薬の流れを潤滑するための水噴射装置系の組み合わせは、本発明における相互依存的な利点を与える。高価なポンプ圧送装置系を運転する動的危険性が回避されるだけでなく、水噴射潤滑は比較的低圧で、また一般的にほとんど全ての採鉱作業で容易に利用できる圧力で、エマルジョン火薬の送り出しを可能にする。
発明の概要
本発明はボアホールの中にエマルジョン火薬を空気圧式に押し出す装置系を提供する。この装置系は圧力を加えた状態でエマルジョン火薬を保存する圧力容器と、圧力水供給源（圧力を加えた状態で水を保持する容器であるのが好ましい）と、エマルジョン火薬容器からの出口と、この出口を送り出しホースおよび圧力水を水噴射装置へ供給する導管（流体導管のような）に連結する水噴射装置とを含む。本明細書で使用するように、「エマルジョン火薬」という用語は、不感応性（unsensitized）としたエマルジョン相も含む。エマルジョンは出口と通して水噴射装置の中へ押し出され、加圧水が送り出しホースを通してエマルジョン火薬の流動を潤滑するためにそのエマルジョン火薬の周囲に環状水流として噴射される。本発明の方法は、容器から延在している出口を通して圧力容器からエマルジョン火薬を空気圧式に押し出す段階と、エマルジョン火薬が出口から水噴射装置の中へ押し出されるときに、そのエマルジョン火薬の周囲に環状水流として圧力水を供給する段階と、水噴射装置に連結されている送り出しホースを通してボアホールの中にエマルジョン火薬を送り出し段階とを含み、これにより環状水流が送り出しホースを通るエマルジョン火薬の流動を潤滑するようになす。したがって、本発明の装置系および方法はボアホールの中にエマルジョン火薬を安全、簡単且つ比較的安価に送り出すやり方を提供するのであり、この装置系および方法は地中での小径のボアホールに特に好適である。
【図面の簡単な説明】
図１はこの装置系の簡単化した概略図である。
発明の詳細な説明
この装置系は圧力を加えた水の供給源を含み、これは圧力容器１であるのが好ましいが、圧力を加えられていないタンクおよびポンプから圧力水を供給することもできる。この装置系はエマルジョン用圧力容器２をさらに含む。加圧された圧縮空気の供給源３（図示せず）は圧力調整器４を経て水用圧力容器１およびエマルジョン用圧力容器２へ導かれる。水用圧力容器１およびエマルジョン用圧力容器２の両方に圧力解放バルブ（図示せず）が備えられるのが好ましい。エマルジョン用圧力容器２はエマルジョン火薬を収容し、そのエマルジョン火薬は容器からボアホールの中へ押し出される。エマルジョン火薬は空気圧またはガス圧によってエマルジョン用圧力容器から空気圧式に押し出される。圧力空気が採鉱現場で利用できないならば、例えば圧縮空気または圧縮窒素の缶を使用できる。ボールバルブ１１が開かれると、エマルジョンは出口１０、変換器１９を経て水噴射装置１４へ流入する。エマルジョンの圧力は圧力ゲージ１２で監視される。水噴射装置１４は、出口１０を通して押し出されるエマルジョンロッドの周囲に圧力水による薄い環状スリーブ状の水流を形成するようになす。押し出されたエマルジョン火薬の周囲の水の薄い環状流は、第１ホース部分１７、連結具１５および送り出しホース１６を通るエマルジョン火薬の流れを潤滑する。
水は水用圧力容器１から導管９を通して空気圧式に水噴射装置１４へ導かれる。水は水フィルタ５、変換器１８、開放ボールバルブ７および流量計８を通過されるのが好ましい。
水噴射装置１４へ導かれる水の圧力はエマルジョンの圧力と等しいかそれ以上とされる。水圧はエマルジョンの圧力よりも少なくとも０．７０３ｋｇ／ｃｍ²（１０プサイ）ほど高いレベルに保持される。この圧力要求値は潤滑環状水流の一体性（完全性）を保持するのに必要であると見い出された。エマルジョン圧力と水圧との間の差圧は、エマルジョンのレオロジーによって変化する。水噴射は本発明の基本的概念である。何故なら、水噴射は送り出しホースを通るエマルジョンの流れを潤滑し、また受け入れることのできる低いレベルに押し出し圧力要求値を保持するからである。水噴射は、押し出し圧力をできる限り低く保持するためにエマルジョン用圧力容器の出口に接近して行われるべきである。
低い押し出し圧力を保持する他のやり方は、小径のボアホールの中へ差し込めるようにするために特に送り出しホース１６が縮小された直径を有さねばならない場合には、出口１０、水噴射装置１４、および第１ホース部分１７の内径をできる限り大きく保持することである。さらに、縮小された直径の送り出しホース１６の長さは、与えられた深さのボアホールに装填するのに必要な最小長さとなるように最少限にされねばならない。連結具１５は押し出されたエマルジョンロッドおよび環状水流層の断面直径を第１ホース部分１７の内径から送り出しホース１６の縮小された内径へと次第に減少させるように設計されるのが好ましい遷移具である。内面および寸法の遷移をできる限り小さく保持し、これにより環状水流の一体性が保持されるようにするために、連結具１５の雌側端部が大きな直径の第１ホース部分１７に連結され、雄側端部が小さな直径の送り出しホース１６に連結される。これらのさまざまな形状の全ては、押し出し圧力を許容できる低いレベルに保持するために、押し出されたエマルジョンに作用する抵抗力を減少し、環状水流の一体性を保持することを意図している。
装置系における特別な構成部材の選択は、この分野に熟知した当業者ができる範囲で十分である。水用圧力容器１および２は圧力を加えることができねばならず、ステンレス鋼で作られるのが好ましい。例えば、地中での小径の用途は、３７．９リットル（１０ガロン）の容量を有する水用タンクおよび７２６ｋｇ（１６００ポンド）の容量を有するエマルジョン用容器を必要とする。水は押し出されるエマルジョンの重力の約５％以下の流量で噴射されるのが好ましく、約３％以下の流量で噴射されるのがさらに好ましい。水はこの分野で周知の酸化性塩溶液または他の水溶液で置換されることができる。例えば、水溶液中の界面活性剤が環状水流に潤滑性を加えることができ、休止時における環状水流の保持を助成する。本明細書で使用するように、「水」という用語はそのような水溶液を含む。各種のバルブ、導管、ホース、流量計、および圧力調整器は標準的な常備品である。水噴射装置はこの分野で共通して使用される設計のものとすることができる。連結具１５および送り出しホース１６の内面は環状水流の一体性を保持するために滑らかでなければならない。送り出しホース１６は柔軟ではあるがボアホールに挿入できる程に十分な硬さを有していなければならない。
鉱山が約５．６２ｋｇ／ｃｍ²（８０プサイ）の空気圧の供給源を有しているならば、そのような供給源は水用圧力容器およびエマルジョン用圧力容器に圧力を加えるのに直ちに使用できる。そうではない場合には、圧縮空気の供給源を備えねばならない。エマルジョンが約１４０００センチポアズの標準的な粘度を有し、送り出しホースが約１．９０ｃｍ（０．７５インチ）の内径を有する場合、エマルジョン用圧力容器の圧力は約５．６２ｋｇ／ｃｍ²（８０プサイ）以上の必要があり、これに相応して水圧は約６．３３ｋｇ／ｃｍ²（９０プサイ）以上であるのが好ましい。これらのパラメータは約３８．６ｋｇ（８５ポンド）／分のエマルジョン流量および約１．１４ｋｇ（２．５ポンド）／分の水流量を生む。明らかなように、これらのパラメータおよび設備寸法は、所望の流量範囲を生じるように単独で、またはさまざまな組み合わせにおいて調整することができる。水およびエマルジョンの温度は大気温度とすることができる。
例 １
５．６２ｋｇ／ｃｍ²（８０プサイ）に加圧されたエマルジョン用圧力容器と、６．３３ｋｇ／ｃｍ²（９０プサイ）に加圧された水用圧力容器とを有する装置系でテストが行われた。この装置系は、ドリフトラウンド全体の、長さが３．６６ｍ（１２フィート）で直径が２．７０ｃｍ（１．７５インチ）の５５本の孔に約１４０００センチポアズの粘度を有するエマルジョン火薬を装填するのに使用された。エマルジョン用圧力容器からの出口、水噴射装置、および第１ホース部分は全て２．５４ｃｍ（１インチ）の内径を有していた。第１ホース部分は長さが７．６２ｍ（２５フィート）の柔軟なゴム製であった。送り出しホースは柔軟なゴム製であり、１．９１ｃｍ（０．７５インチ）の内径、および４．５７ｍ（１５フィート）の長さを有していた。漸進式キャビティポンプ装置系で得られる流量に匹敵する流量で各孔に装填するのに約５〜７秒かかった。装填完了後、ホース内に残っている製品は圧力水で排出された。この装填作業はポンプ装置系に比べて単純且つ簡単で、静かである。
例 ２
２．４６ｋｇ／ｃｍ²（３５プサイ）に加圧されたエマルジョン用圧力容器と、３．８７ｋｇ／ｃｍ²（５５プサイ）に加圧された水用圧力容器とを有する装置系でテストが行われた。エマルジョン火薬は約１４０００センチポアズの粘度を有していた。エマルジョン用圧力容器からの出口、水噴射装置、および第１ホース部分は全て２．５４ｃｍ（１インチ）の内径を有していた。第１ホース部分は長さが９．１４ｍ（３０フィート）の柔軟なゴム製であった。送り出しホースは柔軟なゴム製であり、１．９１ｃｍ（０．７５インチ）の内径、および５．１８ｍ（１７フィート）の長さを有していた。エマルジョンの送り出し流量は４９．９ｋｇ（１１０ポンド）／分であり、漸進式キャビティポンプ装置系で得られる流量に匹敵していた。装填作業中、１５〜２０分の中断すなわち休止時間が水環状流の崩壊を生じることなく定期的に持たれ、水環状流は押し出し作業の再開によって継続して潤滑を与えた。
既に説明したように、「エマルジョン火薬」という用語は不感応性としたエマルジョン相も含むのであり、このエマルジョン相はエマルジョン用圧力容器から押し出された後にこの分野で周知の化学的ガス化成分（chemical gassing ingredient）または固体密度制御成分（solid density control）を加えて敏感化されることができる。
本発明は幾つかの図解実施例および好ましい実施例を参照して説明されたが、各種の変更が当業者に明白となり、それらの全ての変更は請求の範囲の欄に記載された発明の範囲に含まれることを意図している。

Claims (6)

1. （ａ）圧力を加えた状態の下でエマルジョン火薬を保存し、そのエマルジョン火薬を空気圧式に排出できる出口を有するエマルジョン用圧力容器、
   （ｂ）この出口に連結され、エマルジョン火薬の周囲に加圧された環状水流を形成するための水噴射装置、
   （ｃ）エマルジョン火薬の圧力より少なくとも０．７０３ｋｇ／ｃｍ²（１０プサイ）高い圧力で水噴射装置へ圧力水を供給するための圧力水供給源、
   （ｄ）エマルジョン用圧力容器からボアホールの中へエマルジョン火薬を送り出すために水噴射装置から延在されている送り出しホース、
   を含み、これにより環状圧力水流が送り出しホースを通るエマルジョン火薬の流動を潤滑するようになされたボアホールの中にエマルジョン火薬を空気圧式に射出する装置系。
2. 請求項１に記載された装置系であって、圧力水供給源が加圧可能な水用圧力容器と、その水用圧力容器から水噴射装置へ導かれた導管とを含んでいる装置系。
3. 請求項１に記載された装置系であって、送り出しホースの内径が出口および水噴射装置の内径よりも小さく、送り出しホースはエマルジョン火薬の周囲の環状水流を破壊することのない連結具を経て水噴射装置に連結されている装置系。
4. 請求項３に記載された装置系であって、第１ホース部分が水噴射装置と連結具との間に介装されている装置系。
5. （ａ）圧力容器から延在した出口を通して該圧力容器からエマルジョン火薬を空気圧式に押し出す段階、
   （ｂ）エマルジョン火薬の圧力より少なくとも０．７０３ｋｇ／ｃｍ²（１０プサイ）高い圧力に加圧された水を、出口から押し出されたエマルジョン火薬の周囲の環状水流として供給する段階、
   （ｃ）出口から送り出しホースを通してボアホールの中にエマルジョン火薬を導く段階、
   とを含み、環状水流が送り出しホースを通るエマルジョン火薬の流動を潤滑するようになすボアホールの中にエマルジョン火薬を導く方法。
6. 請求項５に記載された方法であって、送り出しホースの直径が出口の直径よりも小さい方法。

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