多孔粒狀銨油炸藥爆炸后有毒氣體含量的常壓測試方法?

孫 晨

中煤科工集團(tuán)淮北爆破技術(shù)研究院有限公司檢測中心（安徽淮北，235100）

引言

作為現(xiàn)場混裝炸藥的一種，多孔粒狀銨油炸藥在制造和使用方面具有諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，得到迅速發(fā)展且用量大幅提升。隨著以現(xiàn)場混裝炸藥[2]為主導(dǎo)產(chǎn)品的格局的逐步形成，建立以多孔粒狀銨油炸藥為代表的現(xiàn)場混裝炸藥爆炸后有毒氣體測試方法，對指導(dǎo)現(xiàn)場混裝炸藥產(chǎn)品配方調(diào)整、控制有毒氣體產(chǎn)生量等方面均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國內(nèi)工業(yè)炸藥爆炸產(chǎn)生有毒氣體方面的研究，基本上采用傳統(tǒng)工業(yè)炸藥測試標(biāo)準(zhǔn)GB18098—2000中規(guī)定的方法[3-6]。而對現(xiàn)場混裝炸藥爆炸產(chǎn)生有毒氣體方面的研究鮮有報(bào)道。南理工的學(xué)者針對多孔粒狀銨油炸藥爆炸后有毒氣體含量進(jìn)行了研究，且取得一定成果，但依然采用傳統(tǒng)方法適當(dāng)改進(jìn)后進(jìn)行檢測[7]。傳統(tǒng)工業(yè)炸藥爆炸后有毒氣體測試方法中，裝藥量一般在130 g以下，試驗(yàn)藥量較小且限制了炸藥裝藥直徑，尤其是后期需對彈筒進(jìn)行抽真空，導(dǎo)致樣品在真空狀態(tài)下引爆，與實(shí)際爆破作業(yè)環(huán)境不符。

本研究中，將多孔粒狀銨油炸藥放置在實(shí)驗(yàn)室前期建立的有毒氣體爆炸箱中，在常壓狀態(tài)下引爆。一方面，可以擴(kuò)大試驗(yàn)藥量，更貼近混裝炸藥真實(shí)爆轟[8]；另一方面，可改變裝藥直徑，分析其有毒氣體產(chǎn)生量的影響因素，進(jìn)而建立常壓下多孔粒狀銨油炸藥爆炸后有毒氣體的測試方法。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置與主要儀器

試驗(yàn)裝置如圖1所示。最大試驗(yàn)藥量500 g TNT當(dāng)量；爆炸箱有效容積15.56 m3；內(nèi)置鋼炮的外部尺寸為?450 mm×600 mm，中心孔尺寸為?100 mm×420 mm。

圖1 有毒氣體爆炸箱測試裝置Fig.1 Toxic gas explosion box test device

試驗(yàn)儀器設(shè)備:數(shù)字式溫濕度計(jì)，KDTH-1型，溫度測量精度為±0.5℃，濕度測量精度為±3%；便攜式紅外一氧化碳分析儀，GXH-3011A1型，分辨率0.001%；U型壓力計(jì)，量程0～10 kPa，分度值0.1 kPa；紫外-可見分光光度計(jì)，UV1900型。

1.2 試驗(yàn)方法及步驟

雷管均選擇8＃工業(yè)電雷管。以煤礦許用乳化炸藥作為起爆藥，試驗(yàn)用多孔粒狀銨油炸藥裝藥密度為0.94 g/cm3，假定起爆藥與受試藥爆炸后有毒氣體具有加和性。試驗(yàn)用牛皮紙長300 mm、寬200 mm，并按直徑要求制成相應(yīng)紙筒，底部用裁好的規(guī)格一致的牛皮紙密封。試驗(yàn)改裝用牛皮紙的質(zhì)量低至幾克，與幾百克炸藥爆炸相比，其產(chǎn)生的有毒氣體量相對很小，因此不考慮牛皮紙對有毒氣體含量的影響。

試驗(yàn)前，用溫濕度計(jì)測試爆炸箱內(nèi)系統(tǒng)的溫度和濕度。將改裝后的試驗(yàn)藥卷放入爆炸箱內(nèi)起爆；起爆完畢，開啟循環(huán)風(fēng)機(jī)至少工作5 min，使爆炸箱內(nèi)的氣體混合均勻；打開箱體外壁管路閥門，待壓力穩(wěn)定后，記錄U型壓力計(jì)的壓差、爆破后爆炸箱內(nèi)部的溫度和濕度、測試時(shí)環(huán)境的氣壓；最后，用取樣器進(jìn)行取氣測試。

爆炸箱密封性判定:爆炸后，循環(huán)加靜置15 min以上，以箱體側(cè)壁U型壓力計(jì)示數(shù)基本保持穩(wěn)定為準(zhǔn)。如壓力計(jì)示數(shù)一直降低，無法穩(wěn)定讀數(shù)，則判定為密封不達(dá)標(biāo)。

氣體試樣中，一氧化碳采用定制量程為0～1.000%的便攜式紅外一氧化碳分析儀測定，氮氧化物采用紫外-可見分光光度計(jì)測定。具體的測定方法參照《工業(yè)炸藥爆炸后有毒氣體含量的測定》中規(guī)定的方法進(jìn)行。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

1.3.1 確定石英砂填充量

工業(yè)卷裝乳化炸藥爆炸性能相對穩(wěn)定，可以作為研究對象。在不改變原藥卷狀態(tài)下，稱取500 g卷裝乳化炸藥，改變石英砂的填充量，分別進(jìn)行4組試驗(yàn)。在常壓下大爆炸箱內(nèi)，研究石英砂填充量對炸藥爆炸后有毒氣體含量的影響。

1.3.2 確定起爆藥量

稱取500 g左右多孔粒狀銨油炸藥，用牛皮紙改裝為直徑80 mm的受試藥卷，分別在起爆藥質(zhì)量為50、60、70、80、90、100、110 g和120 g下進(jìn)行起爆試驗(yàn)。

1.3.3 不同裝藥量和裝藥直徑試驗(yàn)

在確定起爆藥量后，改變多孔粒狀銨油炸藥的裝藥量為300、400 g和500 g，分別進(jìn)行試驗(yàn)，記錄有毒氣體數(shù)據(jù)；在最佳起爆藥量和裝藥量下，改變裝藥直徑為70、80 mm和90 mm分別進(jìn)行試驗(yàn)。

1.4 計(jì)算公式

由于測試過程為非真空狀態(tài)，因此參照原有毒氣體計(jì)算公式進(jìn)行調(diào)整，得到常壓下單位質(zhì)量多孔粒狀銨油炸藥爆炸產(chǎn)生的有毒氣體體積V的計(jì)算公式:

式中:V箱表示有毒氣體爆炸箱測試裝置(含管道部分)的實(shí)際有效容積，L；V起為單位質(zhì)量起爆藥爆炸后生成的有毒氣體體積，L/kg；p3為U型壓力計(jì)測定的壓力，kPa；p2為試驗(yàn)前、后水蒸氣的分壓差，kPa；p1為測定時(shí)的大氣壓力，kPa；?1和?2分別為改裝藥卷(含起爆藥)爆炸后氣體試樣中一氧化碳和氮氧化物的體積分?jǐn)?shù)，%；m為測定用起爆藥量，g；m′為測試用現(xiàn)場混裝炸藥量，g；t為測定時(shí)爆炸箱內(nèi)室溫，℃；101.3為壓力換算系數(shù)。

測試在常壓條件下進(jìn)行，試驗(yàn)環(huán)境為非真空且容積較大，爆炸箱體內(nèi)本身存在空氣且空氣中帶有水蒸氣；因而，初始狀態(tài)下存在水蒸氣分壓。分壓差p2表示為:

式中:θ1、θ2分別為試驗(yàn)前、后空氣的相對濕度；p′、p″分別為試驗(yàn)前、后對應(yīng)溫度下的飽和水蒸氣壓力。

2 結(jié)果與討論

2.1 石英砂填充量的影響

稱取500 g煤礦許用乳化炸藥，加入石英砂后，在試驗(yàn)裝置中引爆。裝藥情況如圖2所示；測試結(jié)果如表1所示。

圖2 不同石英砂填充量時(shí)的裝藥Fig.2 Charge with different filling volume of quartz sand

由表1數(shù)據(jù)可知，常壓下起爆時(shí)，隨著石英砂填充量的增加，有毒氣體含量呈降低趨勢。未填充石英砂時(shí)，炸藥與鋼炮孔之間存在較大間隙。填充石英砂后，相當(dāng)于增加了炸藥的束縛，使爆轟效果更好；同時(shí)，炸藥爆炸后，石英砂起到快速冷卻周圍氣體的作用，使反應(yīng)向不利于一氧化碳生成的方向進(jìn)行。當(dāng)石英砂剛好覆蓋住受試藥卷和雷管尾部后，再增加石英砂量，有毒氣體含量基本保持恒定。因?yàn)樵谠摋l件下，炸藥達(dá)到穩(wěn)定爆轟狀態(tài)，再增加石英砂量對爆炸反應(yīng)的影響很小，導(dǎo)致有毒氣體量趨于穩(wěn)定。因此，為統(tǒng)一試驗(yàn)條件和便于操作，后續(xù)測試時(shí)可選擇石英砂填充至剛覆蓋住受試藥卷。

表1 石英砂填充量對有毒氣體量的影響Tab.1 Influence of filling amount of quartz sand on content of toxic gas

2.2 起爆藥量的影響

以50 g起爆藥量起爆，爆炸效果如圖3所示。觀察爆炸效果發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)后裝置內(nèi)無殘藥，以此判斷50 g試驗(yàn)藥量可使500 g多孔粒狀銨油炸藥完全起爆。起爆藥量對多孔粒狀銨油炸藥爆炸產(chǎn)生有毒氣體的影響見圖4。

圖3 起爆藥量50g時(shí)的爆炸效果Fig.3 Explosion outcome when detonating charge is 50 g

由圖4可知:隨著起爆藥量的增加，多孔粒狀銨油炸藥爆炸后有毒氣體量整體呈下降趨勢；起爆藥增加到一定藥量，有毒氣體量基本趨于穩(wěn)定。造成該差異的主要原因:當(dāng)起爆藥量較小時(shí)，雖能起爆多孔粒狀炸藥，但是由于起爆能量較低，導(dǎo)致爆轟效果不穩(wěn)定，因而產(chǎn)生較多的有毒氣體；當(dāng)繼續(xù)增大起爆藥量，相當(dāng)于增加了起爆能量，500 g多孔粒狀銨油炸藥爆轟效果趨于穩(wěn)定，從而有毒氣體量降低且趨于穩(wěn)定。為統(tǒng)一變量，后續(xù)試驗(yàn)研究中起爆藥量選擇100 g。

圖4 起爆藥量與多孔粒狀銨油炸藥爆炸產(chǎn)生的有毒氣體含量的關(guān)系Fig.4 Relationship between amount of explosive and content of toxic gas produced by explosion of porous granular ammonium

2.3 裝藥直徑和裝藥量的影響

多孔粒狀銨油炸藥在大爆炸箱內(nèi)試驗(yàn)的裝藥示意圖見圖5。

圖5 多孔粒狀銨油炸藥裝藥圖Fig.5 Charge diagram of porous granular ammonium explosive

確定多孔粒狀銨油炸藥裝藥量為500 g時(shí)，改變裝藥直徑為70、80 mm和90 mm，以100 g起爆藥進(jìn)行起爆。測試結(jié)果如表2所示。

由表2結(jié)果可知，裝藥直徑為80 mm時(shí)，有毒氣體含量最少。當(dāng)裝藥直徑為70 mm時(shí)，裝藥長度較長，多孔粒狀銨油炸藥的裝藥本身就具有不穩(wěn)定性，起爆時(shí)藥卷傳爆效果不理想，爆轟不連續(xù)，導(dǎo)致有毒氣體含量增加。而藥卷直徑過大，接近炮孔直徑時(shí)，有毒氣體量也會(huì)增加。

表2 裝藥直徑對有毒氣體含量的影響Tab.2 Influence of charge diameter on content of toxic gas

造成此現(xiàn)象的原因:改裝后的多孔粒狀炸藥在該炮孔內(nèi)可能已達(dá)到炸藥極限直徑。同時(shí)，在同樣500 g藥量下，直徑90 mm時(shí)藥卷過短，參照之前研究[9]，炸藥并不是在起爆后立即達(dá)到穩(wěn)定爆轟狀態(tài)，而需要傳爆一定距離，爆轟反應(yīng)才達(dá)到穩(wěn)定；藥卷過短導(dǎo)致炸藥爆轟未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)或穩(wěn)定爆轟段過小，從而有毒氣體含量增加。

確定裝藥直徑為80 mm、起爆藥量為100 g時(shí)，改變多孔粒狀銨油炸藥的裝藥量進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表3所示。

表3 多孔粒狀銨油炸藥裝藥量對有毒氣體含量的影響Tab.3 Influence of charges of porous granular ammonium explosives on content of toxic gas

由表3測試結(jié)果可得，對于現(xiàn)場混裝炸藥而言，在裝藥直徑相同的情況下，裝藥量(即試驗(yàn)藥量)增大，有毒氣體含量降低。主要因?yàn)獒槍ΜF(xiàn)場混裝炸藥而言，在條件允許的情況下，大藥量更能真實(shí)反應(yīng)炸藥爆轟情況，在一定范圍內(nèi)有利于爆炸的穩(wěn)定性。由于試驗(yàn)裝置對試樣藥量的限制，繼續(xù)增大試驗(yàn)藥量可行性不高；因此，根據(jù)炸藥爆炸性能，設(shè)想當(dāng)裝藥量繼續(xù)增大，裝藥長度增加，最終由于裝藥長度過長可能導(dǎo)致爆炸反應(yīng)過程不穩(wěn)定，傳爆性能下降，有毒氣體量增加。

3 結(jié)論

1)基于有毒氣體爆炸箱測試裝置，建立了多孔粒狀銨油炸藥在常壓環(huán)境下大藥量爆炸時(shí)產(chǎn)生的有毒氣體含量的測試方法，試驗(yàn)藥量達(dá)500 g。該方法同時(shí)可為其他現(xiàn)場混裝炸藥爆炸產(chǎn)生有毒氣體含量的測試提供參考。

2)在常壓下測試時(shí)，石英砂裝填量選擇剛覆蓋住受試藥卷為宜；再增加石英砂用量，有毒氣體含量無明顯變化。

3)以工業(yè)卷裝乳化炸藥作為起爆藥起爆多孔粒狀銨油炸藥的結(jié)果是可行的。選擇起爆藥量為100 g、多孔粒狀銨油炸藥裝藥量為500 g、裝藥直徑為80 mm時(shí)，有毒氣體含量最低。以此作為多孔粒狀銨油炸藥常壓下爆炸產(chǎn)生有毒氣體含量測試的最佳試驗(yàn)條件。