高溫對現場混裝乳化炸藥安全性的影響

嚴定國，王衛國

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

現場混裝乳化炸藥是指一種利用乳化技術制作的油包水結構工業炸藥，與普通乳化炸藥相比，具有低粘度，可以進行泵送裝藥。世界各地露天或地下煤層火災面積大，高溫、持續時間長，會造成嚴重的安全問題和經濟損失。在中國、南非、印度、美國、澳大利亞等許多國家，煤火災一直是煤礦采掘爆破過程中的主要問題之一[1]。到目前為止，在煤火分布與發展、煤火探測與監測、地下煤火建模、環境與人類健康影響評價、消防工程等方面開展了大量研究[2]。然而，煤礦在煤火或高溫領域的爆破仍然是有限的。

1 現場混裝乳化炸藥研究現狀

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，形成一種油包水結構。乳化炸藥的安全性是指室溫下儲存一段時間后仍然保持乳化炸藥的物理狀態和對周圍環境沒有威脅的能力。研究人員開發了水冷卻和耐熱的方法來控制鉆孔的溫度，為了安全的要求，鉆孔的溫度必須保持在100 ℃以下，在一個典型的工藝過程中，先將一根尺寸合適的消防水帶放入井中充水，然后將現場混裝乳化炸藥泵送到炮孔中，使炮孔溫度保持在水的沸點以下(～100 ℃)[3]。但是，長時間的熱水浴蒸煮會對乳化炸藥的爆炸和安全性能產生重要影響。林謀金等[4]采用熱電偶測溫技術對煤礦許用乳化炸藥內部不同位置點的溫度變化進行詳細測量，獲得了高溫炮孔中煤礦許用乳化炸藥內部溫度升高規律。傅建秋等[5]研究高溫情況電雷管和乳化炸藥在不同時間的性能變化。結果表明當溫度高達130 ℃時電雷管發生自爆；乳化炸藥在長時間高溫儲存下會破乳失效。束學來等[6]對耐熱乳化炸藥的耐熱機理進行分析，得出而加入適量減緩炸藥分解的物質,加入少量高能炸藥等方法改性的普通工業炸藥,其耐熱性能大幅度提高。

在我國現場混裝乳化炸藥生產配方中可以看出，地面站生產的乳膠基質一般含有15%以上的水[7]。水是惰性物質，水的存在會大大的降低了現場混裝乳化炸藥的摩擦感度、熱感度和靜電感度，和其它種類炸藥相比，普遍認為現場混裝乳化炸藥在使用中相對安全。但是，高溫情況下會使乳膠基質中水分蒸發，溫度升高，導致危險性增加。因此研究現場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 驗

2.1 試劑和器材

硝酸銨 (NH4NO3，98%)，硝酸鈉 (NaNO3，AR)，購于安徽淮化集團有限公司；柴油，40#機油，均購于中國石油化工集團有限公司；司班80 (Span80，AR)購于上海麥克林生化科技有限公司，去離子水(實驗室自制)。

TGA/DSC2+熱重分析儀，Mettler Toledo公司；SG50光學顯微鏡，蘇州神鷹光學有限公司；AM300S-H剪切機，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，溫度計，膠頭滴管，電熱板，均購于上海麥克林生化科技有限公司。

2.2 實驗方法

現場混裝乳膠基質的制備：實驗以每批次200 g 進行高速剪切乳化，稱取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后制備出現場混裝乳膠基質，配方見表1。

表1 現場混裝乳膠基質組成成分

3 結果與討論

3.1 高溫儲存實驗

圖1 乳化炸藥在不同溫度下儲存實驗結果Fig.1 Storage test results of emulsion explosives at different temperatures

取20 g現場混裝乳化炸藥用聚乙烯塑料薄膜包裹成球形，放入不同溫度下進行實驗，每3 h觀察一次，現場混裝乳化炸藥在45 ℃和90 ℃存儲結果如圖1所示。在45 ℃儲存下6 h內外觀變化不大，可以得出現場混裝乳化炸藥可以承受一定溫度，在此溫度下結構保持不變，沒有出現析晶現象。在90 ℃儲存下，現場混裝乳化炸藥顏色在短時間內就發生顯著變化，高溫使得乳化炸藥油相和水相狀態發生改變，結構破壞，存在一定的危險性。

3.2 現場混裝乳化炸藥在高溫下微觀結構

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

用光學顯微鏡對現場混裝乳化炸藥高溫前后微觀結構進行觀察，結果如圖3所示。現場混裝乳化炸藥在高溫前油包水結構分布均勻，沒有出現析晶，具有較好的穩定性。高溫后現場混裝乳化炸藥出現析晶現象，說明高溫情況下會使乳膠基質油相和水相部分物質蒸發，從而使油包水結構破壞，高濃縮乳液溢出，硝酸銨在表面結晶，穩定性變差。高溫下可能會發生自爆現象，對爆破施工帶來一定潛在危險。

3.3 熱穩定性實驗

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

用熱分析儀對現場混裝乳化炸藥的熱穩定進行研究，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個階段，第一階段為130 ℃以下，為乳膠基質中水和少量沸點低的礦物油油蒸發，大約占總質量的15%。第二階段為130～300 ℃，重量損失最大，約占總質量的65%，為乳化炸藥中硝酸銨受熱分解和蒸發所致。后期幾乎沒有重量損失。從熱分析結果得出，在高溫情況下水和低沸點的礦物油最先蒸發，水為惰性介質，水的流失，會降低乳化炸藥的安全性，容易發生炸藥早爆事故，給施工和人員造成危害。

4 結 論

通過自制現場混裝乳化炸藥進行高溫存儲實驗，得出高溫條件下會使乳化炸藥狀態發生改變，不利于乳化炸藥的儲存。現場混裝乳化炸藥在高溫下微觀結構得出，乳化炸藥在高溫下油包水結構發生破壞，硝酸鈉析晶嚴重，給乳化炸藥使用帶來潛在危險，TG實驗得出，乳化炸藥在100 ℃以下會首先發生水分蒸發，水為惰性介質，水的蒸發會使乳化炸藥的安全性顯著降低，不利于乳化炸藥的儲存和使用。