煤礦許用乳化炸藥配方設計

費 月，王桂萍

(沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽 110159)

煤炭作為主要能源，在我國占一次能源總量的70%以上[1].乳化炸藥是一種含水型炸藥，于上世紀70年代問世.這種炸藥優于銨梯炸藥，開灤試驗證明，在同樣條件下，掘進時采用乳化炸藥15%～25%，回采時乳化炸藥炮眼利用率達96.7%，用量為40 kg/t煤，而銨梯炸藥炮眼利用率僅為88.9%，用量為50 kg/t煤；銨梯炸藥放炮后約20 min才允許人進入放炮區域，而乳化炸藥很快就可進入，能夠縮短放炮排粉時間，提高工效約10%，減少瓦斯、煤塵爆炸事故的發生，也有利于減輕放炮區操作人員受到的粉塵危害和工作量.此外，乳化炸藥生產工藝簡單，原料來源廣，成本低，不含有毒成分，不污染環境，不怕水，除爆轟感度外，其他感度都較低，生產、運輸、使用等過程都比銨梯炸藥安全[2].本文擬通過理論計算，對煤礦許用乳化炸藥的組分含量進行調整，確定新的配方.

1 乳化炸藥配方設計的理論計算

1.1 氧平衡及爆炸反應方程式的確定

乳化炸藥的氧平衡為：

h藥=h1H1+h2H2+…+hngHng

(1)

式中:h1，h2，…hng為乳化炸藥中各組分的氧平衡；H1，H2，…Hng為乳化炸藥中各組分的質量百分比.

采用國際公認的Brinkley-Wilson規則(俗稱B-W規則) ，可確定煤礦許用乳化炸藥的爆炸分解產物, 通過爆炸反應優先順序得出煤礦許用乳化炸藥的爆炸反應方程式.

1.2 爆轟參數的計算

(1) 通常根據蓋斯定律來計算炸藥的定容爆熱，即

QV=QV1,3-QV1,2

(2)

式中：QV1,3為炸藥爆炸產物的定容生成熱之和,kJ/kg;QV1,2為炸藥各組分的定容生成熱之和，kJ/kg.

(2) 根據文獻[2]，可直接運用爆轟產物的平均熱容計算爆溫，即

(3)

(3) 根據已知的炸藥爆炸反應方程式，由Avo- gadro定律可求得炸藥的爆容，即

(4)

式中：m為爆炸反應方程式中炸藥的質量，kg；n為爆炸反應方程式中各氣態產物的總量，mol.

(4) 根據經驗，炸藥的爆速與其定容爆熱和氣體產物絕熱指數有關，即

(5)

式中：gD為炸藥的爆速，m/s;R為氣體產物絕熱指數.

(5) 從大量實驗數據可推知，爆壓與炸藥密度和爆速的關系為：

(6)

式中:P為爆轟氣體產物的理論爆壓，Pa；d0為炸藥密度，g/cm3.

1.3 炸藥的做功能力和單耗計算

(1) 炸藥爆炸時對周圍介質所產生的各種爆破作用的總和稱作炸藥做功能力[3]。常用臼炮能量(其單位為：kJ/kg)來表示炸藥的做功能力.根據文獻[4]可知，臼炮能量為：

A=3.65×10-4QV·V

(7)

(2) 在實際爆破中，炸藥的單耗尤為重要，被定義為單位體積巖石的炸藥消耗量.根據文獻[5],對炸藥單耗影響最大的是其定容爆熱和爆容，可表示為：

(8)

式中:k為炸藥的單耗，kg/m3；a為爆熱所占權重，取0.65；b為爆容所占權重，取0.35.

2 乳化炸藥配方設計的基本原則

安全炸藥的配方設計必須遵循兩大原則，即最大安全原則和能量適中原則.煤礦許用乳化炸藥所達到的氧平衡應趨近于零，以降低煤礦許用乳化炸藥的爆溫和灼熱固體顆粒的量，避免爆炸氣體二次燃燒而產生有害氣體，確保其使用的安全性.

正氧平衡的乳化炸藥與零氧平衡的乳化炸藥相比，其爆炸性能相對較好，但是正氧平衡的煤礦許用炸藥對于礦下使用來說極其危險.負氧平衡不高(即-4%～-2%)的煤礦許用乳化炸藥安全性能更好[4].在微負氧的情況下，炸藥爆炸時不會產生灼熱的炭粒和大量的氧化氮，這樣既可確保煤礦許用乳化炸藥的爆炸能力，也能達到爆破能量適中、爆轟穩定的目的.常用煤礦許用乳化炸藥的性能主要體現在爆轟參數、做功能力及單耗等方面.爆轟參數包括炸藥爆炸過程的爆熱、爆溫、爆壓、爆速、爆容等[5].其中,做功能力與單耗是衡量炸藥性能的主要指標.

3 消焰劑與敏化劑的選擇

消焰劑能夠對瓦斯燃燒爆炸起抑制作用，對鹵化物和無機鹽都有明顯的抑制效果[6].常用的消焰劑有氯化鈉和氯化鉀.考慮到氯化鈉需要高溫熔化，不利于安全生產，本文采用氯化鉀作為消焰劑.

在選擇敏化劑時，考慮到化學敏化需將乳膠基質加入發泡劑中保溫2～4 h才能發泡敏化合格，會造成工序中斷而難以管理[7]，而且會降低敏化劑的敏化能力.因此，本文擬采用物理敏化方式.

在物理敏化中，因膨脹珍珠巖是一種體積大、易吸濕、儲存成本高、基體分布不均勻的多孔蜂窩結構，會導致炸藥性能降低；雖然樹脂空心微球重量輕，可參與爆炸反應，增加爆炸能量，但其成本太高；空心玻璃微球粒徑小，密度約為氧化劑用鹽的十分之一，即使少量添加也能有效地改變煤礦許用炸藥的總密度，可在炸藥基體中均勻分散，而且工藝簡單.因此，最終選擇空心玻璃微球作為敏化劑.

4 乳化劑的選擇

乳化劑是制備乳化炸藥的關鍵組分.根據乳化理論和實踐，生產乳化炸藥，應選擇那些與油料相容性好、相對分子質量大、黏稠度大、乳化能力強、性能穩定、來源廣的油包水型乳化劑.

4.1 乳化劑的理論計算

首先求出乳化炸藥配方的氧平衡，然后確定其化學方程式，最后計算各性能參數并進行比較.原始乳化炸藥配方1和經過調整的配方2中各成分含量等分別見表1和表2.表3所示為乳化劑的理論計算結果.

表1 配方1中各成分含量等

注：配方中各成分含量合計為100%;1 kg炸藥中各成分含量合計為16.257 mol;算出的氧平衡為-2.5%.

配方1的化學方程式為：

9.010NH4NO3+0.942NaNO3+5.556H2O+0.152C18H38+0.060C19H42O4+0.537KCl →27.724H2O+3.581CO2+0.295CO +0.471Na2O+9.471N2+0.537KCl

(9)

表2 配方2中各成分含量等

注：配方中各成分含量合計為100%;1 kg炸藥中各成分含量合計為16.242 mol;算出的氧平衡為-2.5%.

配方2的化學方程式為：

9.000NH4NO3+0.942NaNO3+5.556H2O+0.157C18H38+0.050C24H44O6+0.537KCl →

27.639H2O+3.695CO2+0.525CO +0.471Na2O+9.471N2+0.537KCl

(10)

表3 乳化劑的理論計算結果

4.2 乳化劑的選定

由表3可看出，乳化劑2比乳化劑1的性能更好，含H元素的量更少，反應生成的水較少，有利于提高爆熱，從而提高做功能力.根據結構相似原理，Span-80親水基中—OH與分散相的結構相似，有利于水相在油相中分散;Span-80的親油基(油酸部分)油溶性較好，較易乳化[8].因此，乳化劑采用Span-80.

5 油相材料的選擇

5.1 油相材料的理論計算

原始乳化炸藥配方3中各成分含量等如表4所示.經過調整的配方4同配方2.

表4 配方3中各成分含量等

注：配方中各成分含量合計為100%;1 kg炸藥中各成分含量合計為16.234 mol;算出的氧平衡為-2.4%.

配方3的化學方程式為：

9.000NH4NO3+0.942NaNO3+5.556H2O+0.140C18H38+0.009C35H72+0.050C24H44O6+0.537KCl→27.640H2O+3.879CO2+0.156CO +0.471Na2O+9.471N2+0.537KCl

(11)

配方4與配方2的化學方程式相同.

油相材料的理論計算結果如表5所示.

表5 油相材料的理論計算結果

5.2 油相材料的選定

碳氫含量高的物質有利于提高爆熱.復合蠟1與Span-80這種油包水型乳化劑有良好的乳化迭加效果，且成本低廉.用復合蠟1作油相材料的乳化炸藥，分散相粒子細小且分布均勻，儲存穩定.因此，本文選擇復合蠟1作為油相材料.

考慮到多因素的共同作用，通過正交試驗進行配方設計，對乳化劑和油相材料進行交叉調整，在上述配方基礎上制定了表6所示的配方5.

表6 配方5中各成分含量等

注：配方中各成分含量合計為100%;1 kg炸藥中各成分含量合計為16.244 mol;算出的氧平衡為-5%.

因其氧平衡不在最佳區間，故配方5不合理.

6 水相材料的選擇

6.1 水相材料的理論計算

將原始乳化炸藥配方適當調整，得到表7、表8和表9所示的3個新配方(即配方6、配方7和配方8).

表7 配方6中各成分含量等

注：配方中各成分含量合計為100%;1 kg炸藥中各成分含量合計為16.319 mol;算出的氧平衡為-2.5%.

配方6的化學方程式為：

8.920NH4NO3+0.942NaNO3+0.167CO(NH2)2+5.556H2O+0.147C18H38+0.050C24H44O6+0.537KCl→27.623H2O+3.973CO2+0.400CO+0.471Na2O+9.558N2+0.537KCl

(12)

表8 配方7中各成分含量等

注：配方中各成分含量合計為100%;1 kg炸藥中各成分含量合計為16.394 mol;算出的氧平衡為-2.4%.

配方7的化學方程式為：

8.840NH4NO3+0.942NaNO3+0.333CO(NH2)2+5.556H2O+0.136C18H38+0.050C24H44O6+0.537KCl→27.586H2O+3.968CO2+0.013CO+0.471Na2O+9.644N2+0.537KCl

(13)

表9 配方8中各成分含量等

注：配方中各成分含量合計為100%;1 kg炸藥中各成分含量合計為16.471 mol;算出的氧平衡為-2.4%.

配方8的化學方程式為：

8.760NH4NO3+0.942NaNO3+0.500CO(NH2)2+5.556H2O+0.126C18H38+0.050C24H44O6+0.537KCl →27.570H2O+3.924CO2+0.044CO +0.471Na2O+9.641N2+0.537KCl

(14)

水相材料的理論計算結果如表10所示.

表10 水相材料的理論計算結果

6.2 水相材料的選定

由表10可看出：添加尿素，其爆轟參數及做功能力明顯提高，采用混合氧化劑，以硝酸銨為主，再加入一些能與硝酸銨組成低共熔點的尿素，可降低水相的析晶點；隨著尿素含量的升高，油相材料的減少，理論上雖能提高乳化炸藥的性能，但是油相材料減少，稠度降低，會給生產造成一定的困難；添加2%的尿素時，一氧化碳的生成量最少，更符合煤礦許用乳化炸藥的使用要求.因此，水相材料選取2%的尿素.

7 煤礦許用乳化炸藥設計結果

通過理論計算,多次調整煤礦許用乳化炸藥的配方，確定以氯化鈉作為消焰劑,采取物理敏化方式并選用空心玻璃微球進行敏化,在選定合適的乳化劑、油相材料和水相材料后，最終確定了煤礦許用乳化炸藥的新配方.

最終確定的煤礦許用乳化炸藥配方為配方7，即：硝酸銨(NH4NO3)70.74%、硝酸鈉(NaNO3)8%、尿素(CO(NH2)2)2%、水(H2O)10%、復合蠟1(C18H38)3.26%、Span-80(C24H44O6)2%、氯化鉀(KCl)4%。按此配方算出的煤礦許用乳化炸藥的性能參數如下：定容爆熱為3 377.00 kJ/ kg，爆溫為1 077.00 K，爆容為923.13 L/kg，爆速為5 353.9 m/s，爆壓為7 883 MPa，臼炮能量為1 137.85 kJ/kg，單耗為1.41×10-6kg/m3.