高威力煤礦許用乳化炸藥的研究

黃 嵩，王文斌

(貴州盤江民爆有限公司，貴州 貴陽(yáng) 551400)

膠狀乳化炸藥是以硝酸銨、硝酸鈉等氧化劑水溶液為內(nèi)相，以復(fù)合燃料油為外相，通過乳化劑和剪切力作用下形成W/O型乳化膠體，再通過敏化形成的膠狀炸藥。按使用目的可分為巖石型乳化炸藥和煤礦許用型乳化炸藥[1]。

煤礦許用乳化炸藥適用于有沼氣或煤塵爆炸危險(xiǎn)的煤礦爆破場(chǎng)所。在煤礦井下開采過程中，會(huì)逸出可燃性性氣體和礦塵，這些可燃性氣體和礦塵與空氣混合后，當(dāng)達(dá)到爆炸濃度極限時(shí)，就具有爆炸性。煤礦許用乳化炸藥通過添加有效阻斷可燃性氣體和粉塵發(fā)生意外爆炸反應(yīng)的阻化劑——消焰劑。常用的消焰劑有氯化鈉和氯化鉀等，一般是在生產(chǎn)過程中直接加入。隨著消焰劑加入量增加，炸藥的威力減小[2]。

針對(duì)目前煤礦炸藥要滿足安全性要求，特別是較高安全級(jí)別的煤礦許用乳化炸藥，必須加入大量惰性無機(jī)鹽消焰劑，由此導(dǎo)致炸藥的爆炸性能大幅降低的問題[3]，從研究煤礦炸藥爆炸引燃瓦斯機(jī)理出發(fā)[4]，運(yùn)用煤礦炸藥理論，結(jié)合乳化炸藥現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)，開發(fā)研究具有爆炸消焰作用的多功能材料及其在乳化炸藥中應(yīng)用的技術(shù)，主要解決現(xiàn)有煤礦許用乳化炸藥產(chǎn)品存在的由于惰性消焰劑加入而導(dǎo)致炸藥爆炸性能大幅降低的問題，目的在于研究開發(fā)一種高安全等級(jí)、高做功能力的新型煤礦用乳化炸藥。通過試驗(yàn)表明：該型號(hào)高威力煤礦許用乳化炸藥可燃性安全度達(dá)到三級(jí)煤礦許用乳化炸藥要求，做功能力達(dá)到巖石乳化炸藥要求，滿足煤礦使用要求。

1 原 理

1.1 炸藥威力影響因素

乳化炸藥爆炸時(shí)，高溫高壓的爆炸產(chǎn)物膨脹對(duì)外作功[5]，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，見式(1)。

A=μQ

(1)

式中：A為炸藥的作功能力；Q為炸藥的爆熱；μ為炸藥的作功效率。

由式(1)中可以看出，爆熱越大。爆炸產(chǎn)物膨脹程度越高，做功越大。爆炸是決定炸藥作功能力的最基本因素，提高爆熱是提高炸藥作功能力的最有效途徑[6-7]。

1.2 煤礦許用乳化炸藥消焰原理

煤礦瓦斯燃燒的化學(xué)反應(yīng)遵循鏈反應(yīng)機(jī)理，外界作用能量大于鏈起始反應(yīng)的活化能時(shí)，引起反應(yīng)。煤礦許用炸藥消焰劑能夠明顯阻滯反應(yīng)的進(jìn)行或化學(xué)反應(yīng)速度，同時(shí)降低爆炸產(chǎn)物的溫度，降低可燃?xì)怏w點(diǎn)火的可能性。

煤礦許用乳化炸藥消焰劑主要為堿金屬鹵化物，其具有較強(qiáng)的極性和活潑性，能夠有效地破壞或者束縛鏈反應(yīng)中的活潑中心自由基，破壞反應(yīng)鏈傳遞。其主要作用方式有三種：一是自由基在運(yùn)動(dòng)過程中與消焰劑產(chǎn)生有效碰撞，產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)移，使其衰變；二是多相催化作用，抑制劑晶體表面的原子基團(tuán)顯示強(qiáng)烈的不飽和性和吸附性，因而能夠吸附或黏附可燃?xì)怏w中的自由基團(tuán)，通過相互作用，使之達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；三是消焰劑熱量較大，在爆炸過程吸附爆炸產(chǎn)物的能量，降低了炸藥爆炸產(chǎn)物的溫度[7]。

1.3 消焰劑的副作用

由于消焰劑的工作機(jī)理和炸藥的威力影響因素可知，消焰劑的使用影響了爆炸能量，在一定范圍隨著消焰劑量的增加，炸藥威力下降[8]。

消焰劑大幅度降低了炸藥的爆轟穩(wěn)定性和爆轟感度，增大了炸藥燃燒的可能性。此外，某些消焰劑對(duì)燃燒也有一定的催化作用，加劇了燃燒進(jìn)行。消焰劑的加入也會(huì)導(dǎo)致水相析晶點(diǎn)升高、產(chǎn)品保質(zhì)期縮短等問題。

1.4 消焰劑加入方式

國(guó)內(nèi)外煤礦許用乳化炸藥消焰劑加入方式是直接加入到炸藥體系中，當(dāng)炸藥爆炸時(shí)，產(chǎn)生高溫使消焰劑氣化并擴(kuò)散使可燃?xì)怏w氧化反應(yīng)得到控制。這種方式使炸藥的威力大幅下降，同時(shí)降低炸藥的感度及爆炸性能。

為了解決消焰劑帶來的負(fù)面效應(yīng)，采用在炸藥中加入一些無機(jī)鹽，這些無機(jī)鹽的離子或離子團(tuán)在高溫高壓的爆轟瞬間可以相互作用形成消焰劑，使炸藥不但有安全性，爆炸威力損失也不大[9]。其機(jī)理見式(2)和式(3)。

NaNO3+NH4Cl→NH4NO3+NaCl

(2)

KNO3+NH4Cl→NH4NO3+KCl

(3)

消焰劑化合物中的陽(yáng)離子基團(tuán)對(duì)消焰效果是至關(guān)重要的，大量試驗(yàn)表明，堿金屬具有最好的效果，堿土金屬次之，順序?yàn)椋篖i+、Na+、K+、Ca2+、Ba2+、NH4+、Ph4+[1]。NH4Cl消焰劑加入炸藥中也會(huì)有一定的消焰作用同時(shí)降低炸藥的威力，但其與NaCl和KCl相比消焰效果較差，反應(yīng)生成的NH4NO3會(huì)提高炸藥的爆炸威力。

結(jié)果形成分子級(jí)的微細(xì)消焰劑，其消焰效果比直接加入方式要更為有效。

1.5 配方設(shè)計(jì)要求

1) 煤礦許用炸藥的爆炸熱能應(yīng)受到一定的限制。

2) 爆炸反應(yīng)必須完全。

3) 配方設(shè)計(jì)中必須含有消焰劑。

4) 煤礦許用炸藥的氧平衡為零氧平衡或微負(fù)氧平衡。

2 試 驗(yàn)

2.1 配方

高威力煤礦許用乳化炸藥組分配比以我國(guó)炸藥生產(chǎn)單位常用的較為成熟的二級(jí)煤礦許用乳化炸藥配方為基礎(chǔ)，在油相中加入一定比例的NaNO3、KNO3和NH4Cl，各組分進(jìn)行微調(diào)，使組分配比炸藥為微負(fù)氧平衡，組分配比見表1，油相中加入無機(jī)鹽材料。

表1 高威力煤礦許用乳化炸藥組分配比

2.2 工藝流程

高威力煤礦許用乳化炸藥工藝流程如圖1所示。

2.3 性能測(cè)試結(jié)果

對(duì)生產(chǎn)的高威力乳化炸藥進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果見表2。

該高威力煤礦許用乳化炸藥殉爆距離5.5 cm，高于巖石乳化炸藥和二級(jí)煤礦許用乳化炸藥；爆速為4 570 m/s，高于延時(shí)乳化炸藥；猛度16.7 mm，高于巖石乳化炸藥；可燃?xì)獍踩取?00 g，符合三級(jí)煤礦許用乳化炸藥要求；做功能力為268 mL，高于巖石乳化炸藥和二級(jí)煤礦許用乳化炸藥。

圖1 高威力煤礦許用乳化炸藥工藝流程圖

表2 高威力乳化炸藥與乳化炸藥國(guó)標(biāo)產(chǎn)品性能要求比較

高威力乳化炸藥巖石乳化炸藥二級(jí)煤礦許用乳化炸藥三級(jí)煤礦許用乳化炸藥殉爆距離/cm5．5≥4≥3≥3爆速/(m/s)4570≥4200≥2800≥2800猛度/mm16．7≥12≥10≥10作功能力/mL268≥260≥200≥200可燃?xì)獍踩?g≥400/≥180≥400

該高威力煤礦許用乳化炸藥威力高于巖石乳化炸藥和二級(jí)煤礦許用乳化炸藥，可燃?xì)獍踩冗_(dá)到三級(jí)煤礦乳化炸藥要求。

2.4 儲(chǔ)存性試驗(yàn)

通過儲(chǔ)存試驗(yàn)見表3，該型號(hào)高威力煤礦許用乳化炸藥在保質(zhì)期內(nèi)產(chǎn)品性能變化不大，殉爆距離、

爆速和猛度稍有下降。

表3 產(chǎn)品儲(chǔ)存性能

3 結(jié) 論

1) 該型號(hào)高威力煤礦許用乳化炸藥在原材料中加入無機(jī)鹽，炸藥在爆炸過程中生成消焰劑的方式是可行的，可燃?xì)獍踩冗_(dá)到三級(jí)煤礦乳化炸藥的可燃?xì)獍踩纫蟆?/p>

2) 該型號(hào)高威力煤礦許用乳化炸藥滿足煤礦的高安全性要求，作功能力達(dá)到巖石乳化炸藥的要求，解決了煤礦許用乳化炸藥的低威力的問題。

3) 該型號(hào)高威力煤礦許用乳化炸藥儲(chǔ)存性較好，保質(zhì)期內(nèi)爆炸性能變化較小。

4) 該型號(hào)高威力煤礦許用乳化炸藥滿足煤礦使用要求。

[1] 黃文堯，顏事龍.炸藥化學(xué)與制造[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

[2] 汪旭光．乳化炸藥[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2008．

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[4] 王文斌，高娜娜，楊祖一,等.乳化器內(nèi)乳膠基質(zhì)熱爆炸條件探討[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2015，35(3)：23-26.

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