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 551400)

膠狀乳化炸藥是以硝酸銨、硝酸鈉等氧化劑水溶液為內相，以復合燃料油為外相，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的煤礦爆破場所。在煤礦井下開采過程中，會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，當達到爆炸濃度極限時，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生意外爆炸反應的阻化劑——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]。

針對目前煤礦炸藥要滿足安全性要求，特別是較高安全級別的煤礦許用乳化炸藥，必須加入大量惰性無機鹽消焰劑，由此導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理出發[4]，運用煤礦炸藥理論，結合乳化炸藥現有生產技術，開發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用的技術，主要解決現有煤礦許用乳化炸藥產品存在的由于惰性消焰劑加入而導致炸藥爆炸性能大幅降低的問題，目的在于研究開發一種高安全等級、高做功能力的新型煤礦用乳化炸藥。通過試驗表明：該型號高威力煤礦許用乳化炸藥可燃性安全度達到三級煤礦許用乳化炸藥要求，做功能力達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，高溫高壓的爆炸產物膨脹對外作功[5]，根據熱力學第一定律，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反應遵循鏈反應機理，外界作用能量大于鏈起始反應的活化能時，引起反應。煤礦許用炸藥消焰劑能夠明顯阻滯反應的進行或化學反應速度，同時降低爆炸產物的溫度，降低可燃氣體點火的可能性。

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

1.3 消焰劑的副作用

由于消焰劑的工作機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，某些消焰劑對燃燒也有一定的催化作用，加劇了燃燒進行。消焰劑的加入也會導致水相析晶點升高、產品保質期縮短等問題。

1.4 消焰劑加入方式

國內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，當炸藥爆炸時，產生高溫使消焰劑氣化并擴散使可燃氣體氧化反應得到控制。這種方式使炸藥的威力大幅下降，同時降低炸藥的感度及爆炸性能。

為了解決消焰劑帶來的負面效應，采用在炸藥中加入一些無機鹽，這些無機鹽的離子或離子團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離子基團對消焰效果是至關重要的，大量試驗表明，堿金屬具有最好的效果，堿土金屬次之，順序為：Li+、Na+、K+、Ca2+、Ba2+、NH4+、Ph4+[1]。NH4Cl消焰劑加入炸藥中也會有一定的消焰作用同時降低炸藥的威力，但其與NaCl和KCl相比消焰效果較差，反應生成的NH4NO3會提高炸藥的爆炸威力。

結果形成分子級的微細消焰劑，其消焰效果比直接加入方式要更為有效。

1.5 配方設計要求

1) 煤礦許用炸藥的爆炸熱能應受到一定的限制。

2) 爆炸反應必須完全。

3) 配方設計中必須含有消焰劑。

4) 煤礦許用炸藥的氧平衡為零氧平衡或微負氧平衡。

2 試 驗

2.1 配方

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

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 性能測試結果

對生產的高威力乳化炸藥進行性能測試，結果見表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煤礦許用乳化炸藥；爆速為4 570 m/s，高于延時乳化炸藥；猛度16.7 mm，高于巖石乳化炸藥；可燃氣安全度≥400 g，符合三級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標產品性能要求比較

高威力乳化炸藥巖石乳化炸藥二級煤礦許用乳化炸藥三級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可燃氣安全度/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煤礦許用乳化炸藥，可燃氣安全度達到三級煤礦乳化炸藥要求。

2.4 儲存性試驗

通過儲存試驗見表3，該型號高威力煤礦許用乳化炸藥在保質期內產品性能變化不大，殉爆距離、

爆速和猛度稍有下降。

表3 產品儲存性能

3 結 論

1) 該型號高威力煤礦許用乳化炸藥在原材料中加入無機鹽，炸藥在爆炸過程中生成消焰劑的方式是可行的，可燃氣安全度達到三級煤礦乳化炸藥的可燃氣安全度要求。

2) 該型號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) 該型號高威力煤礦許用乳化炸藥儲存性較好，保質期內爆炸性能變化較小。

4) 該型號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.炸藥化學與制造[M].北京：冶金工業出版社，2009.

[2] 汪旭光．乳化炸藥[M]．北京：冶金工業出版社，2008．

[3] 耿一平，杜明陽.二級煤礦許用高威力乳化炸藥的研制[J].爆破器材，2006，35(3)：11-13.

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

[5] 王肇中，汪旭光.含鋁工業炸藥作功能力測試研究[J].工程爆破，2008，14(4)：70-72.

[6] 孫德勇.一種新型高威力乳化炸藥的研究[J].爆破器材，2009，38(2)：16-18.

[7] 陳曉春，郭子如.添加AP的乳化炸藥爆轟參數的理論研究[J].工程爆破，2014，20(3)：43-45.

[8] 吳國群，黃文堯，王曉光.二級煤礦許用乳化炸藥爆參數的理論計算[J].安徽理工大學學報：自然科學版，2008，28(1)：78-80.

[9] Niekerk A P,Brower K R.Decomposition of composite explosives containing ammonium nitrate by transient adiabatic gas compression[J].Propellants Explosives Pyrotechnics,1995,20(5):273-278.