高溫對(duì)現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥安全性的影響

嚴(yán)定國(guó)，王衛(wèi)國(guó)

(1 安徽和瑞安全技術(shù)咨詢(xún)有限公司，安徽 合肥 230031；2 安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001)

現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥是指一種利用乳化技術(shù)制作的油包水結(jié)構(gòu)工業(yè)炸藥，與普通乳化炸藥相比，具有低粘度，可以進(jìn)行泵送裝藥。世界各地露天或地下煤層火災(zāi)面積大，高溫、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)造成嚴(yán)重的安全問(wèn)題和經(jīng)濟(jì)損失。在中國(guó)、南非、印度、美國(guó)、澳大利亞等許多國(guó)家，煤火災(zāi)一直是煤礦采掘爆破過(guò)程中的主要問(wèn)題之一[1]。到目前為止，在煤火分布與發(fā)展、煤火探測(cè)與監(jiān)測(cè)、地下煤火建模、環(huán)境與人類(lèi)健康影響評(píng)價(jià)、消防工程等方面開(kāi)展了大量研究[2]。然而，煤礦在煤火或高溫領(lǐng)域的爆破仍然是有限的。

1 現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥研究現(xiàn)狀

乳化炸藥是以氧化劑水溶液為水相，乳化劑和礦物油為油相，形成一種油包水結(jié)構(gòu)。乳化炸藥的安全性是指室溫下儲(chǔ)存一段時(shí)間后仍然保持乳化炸藥的物理狀態(tài)和對(duì)周?chē)h(huán)境沒(méi)有威脅的能力。研究人員開(kāi)發(fā)了水冷卻和耐熱的方法來(lái)控制鉆孔的溫度，為了安全的要求，鉆孔的溫度必須保持在100 ℃以下，在一個(gè)典型的工藝過(guò)程中，先將一根尺寸合適的消防水帶放入井中充水，然后將現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥泵送到炮孔中，使炮孔溫度保持在水的沸點(diǎn)以下(～100 ℃)[3]。但是，長(zhǎng)時(shí)間的熱水浴蒸煮會(huì)對(duì)乳化炸藥的爆炸和安全性能產(chǎn)生重要影響。林謀金等[4]采用熱電偶測(cè)溫技術(shù)對(duì)煤礦許用乳化炸藥內(nèi)部不同位置點(diǎn)的溫度變化進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量，獲得了高溫炮孔中煤礦許用乳化炸藥內(nèi)部溫度升高規(guī)律。傅建秋等[5]研究高溫情況電雷管和乳化炸藥在不同時(shí)間的性能變化。結(jié)果表明當(dāng)溫度高達(dá)130 ℃時(shí)電雷管發(fā)生自爆；乳化炸藥在長(zhǎng)時(shí)間高溫儲(chǔ)存下會(huì)破乳失效。束學(xué)來(lái)等[6]對(duì)耐熱乳化炸藥的耐熱機(jī)理進(jìn)行分析，得出而加入適量減緩炸藥分解的物質(zhì),加入少量高能炸藥等方法改性的普通工業(yè)炸藥,其耐熱性能大幅度提高。

在我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥生產(chǎn)配方中可以看出，地面站生產(chǎn)的乳膠基質(zhì)一般含有15%以上的水[7]。水是惰性物質(zhì)，水的存在會(huì)大大的降低了現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥的摩擦感度、熱感度和靜電感度，和其它種類(lèi)炸藥相比，普遍認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥在使用中相對(duì)安全。但是，高溫情況下會(huì)使乳膠基質(zhì)中水分蒸發(fā)，溫度升高，導(dǎo)致危險(xiǎn)性增加。因此研究現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥在高溫情況下的安全性是非常必要和有意義的。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 試劑和器材

硝酸銨 (NH4NO3，98%)，硝酸鈉 (NaNO3，AR)，購(gòu)于安徽淮化集團(tuán)有限公司；柴油，40#機(jī)油，均購(gòu)于中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司；司班80 (Span80，AR)購(gòu)于上海麥克林生化科技有限公司，去離子水(實(shí)驗(yàn)室自制)。

TGA/DSC2+熱重分析儀，Mettler Toledo公司；SG50光學(xué)顯微鏡，蘇州神鷹光學(xué)有限公司；AM300S-H剪切機(jī)，上海昂尼儀器儀表有限公司；JT2003D電子天平，玻璃棒，燒杯，鐵架臺(tái)，溫度計(jì)，膠頭滴管，電熱板，均購(gòu)于上海麥克林生化科技有限公司。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

現(xiàn)場(chǎng)混裝乳膠基質(zhì)的制備：實(shí)驗(yàn)以每批次200 g 進(jìn)行高速剪切乳化，稱(chēng)取140 g 硝酸銨，30 g水，16 g硝酸銨加熱到105 ℃，使硝酸銨溶解形成高濃縮水相，4 g柴油，4 g機(jī)油，3 g司班80攪拌均勻加熱到95 ℃形成油相，在1300 r/min高速剪切下，把水相緩慢加入到油相中，剪切3 min后制備出現(xiàn)場(chǎng)混裝乳膠基質(zhì)，配方見(jiàn)表1。

表1 現(xiàn)場(chǎng)混裝乳膠基質(zhì)組成成分

3 結(jié)果與討論

3.1 高溫儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)

圖1 乳化炸藥在不同溫度下儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Storage test results of emulsion explosives at different temperatures

取20 g現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥用聚乙烯塑料薄膜包裹成球形，放入不同溫度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每3 h觀察一次，現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥在45 ℃和90 ℃存儲(chǔ)結(jié)果如圖1所示。在45 ℃儲(chǔ)存下6 h內(nèi)外觀變化不大，可以得出現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥可以承受一定溫度，在此溫度下結(jié)構(gòu)保持不變，沒(méi)有出現(xiàn)析晶現(xiàn)象。在90 ℃儲(chǔ)存下，現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥顏色在短時(shí)間內(nèi)就發(fā)生顯著變化，高溫使得乳化炸藥油相和水相狀態(tài)發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)破壞，存在一定的危險(xiǎn)性。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥在高溫下微觀結(jié)構(gòu)

圖2 乳化炸藥光學(xué)顯微圖Fig.2 OM images of emulsion explosive

用光學(xué)顯微鏡對(duì)現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥高溫前后微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3所示?，F(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥在高溫前油包水結(jié)構(gòu)分布均勻，沒(méi)有出現(xiàn)析晶，具有較好的穩(wěn)定性。高溫后現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥出現(xiàn)析晶現(xiàn)象，說(shuō)明高溫情況下會(huì)使乳膠基質(zhì)油相和水相部分物質(zhì)蒸發(fā)，從而使油包水結(jié)構(gòu)破壞，高濃縮乳液溢出，硝酸銨在表面結(jié)晶，穩(wěn)定性變差。高溫下可能會(huì)發(fā)生自爆現(xiàn)象，對(duì)爆破施工帶來(lái)一定潛在危險(xiǎn)。

3.3 熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

圖3 乳化炸藥TG曲線Fig.3 TG curve of emulsion explosive

用熱分析儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥的熱穩(wěn)定進(jìn)行研究，裝藥量為10 mg，升溫速率為5 K/min，得出TG曲線如圖3所示。乳化炸藥重量損失分為2個(gè)階段，第一階段為130 ℃以下，為乳膠基質(zhì)中水和少量沸點(diǎn)低的礦物油油蒸發(fā)，大約占總質(zhì)量的15%。第二階段為130～300 ℃，重量損失最大，約占總質(zhì)量的65%，為乳化炸藥中硝酸銨受熱分解和蒸發(fā)所致。后期幾乎沒(méi)有重量損失。從熱分析結(jié)果得出，在高溫情況下水和低沸點(diǎn)的礦物油最先蒸發(fā)，水為惰性介質(zhì)，水的流失，會(huì)降低乳化炸藥的安全性，容易發(fā)生炸藥早爆事故，給施工和人員造成危害。

4 結(jié) 論

通過(guò)自制現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥進(jìn)行高溫存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)，得出高溫條件下會(huì)使乳化炸藥狀態(tài)發(fā)生改變，不利于乳化炸藥的儲(chǔ)存?，F(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥在高溫下微觀結(jié)構(gòu)得出，乳化炸藥在高溫下油包水結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，硝酸鈉析晶嚴(yán)重，給乳化炸藥使用帶來(lái)潛在危險(xiǎn)，TG實(shí)驗(yàn)得出，乳化炸藥在100 ℃以下會(huì)首先發(fā)生水分蒸發(fā)，水為惰性介質(zhì)，水的蒸發(fā)會(huì)使乳化炸藥的安全性顯著降低，不利于乳化炸藥的儲(chǔ)存和使用。