乳化炸藥毒氣抑制劑在礦山爆破中的應用研究

張西良 李二寶 楊海濤 儀海豹 詹思博 1

（1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.馬鞍山礦山研究院爆破工程有限責任公司，安徽 馬鞍山 243000；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山 243000）

爆破工藝被廣泛應用于我國礦山、水利水電、交通等行業建設中，爆破作業過程中產生的有毒有害氣體（簡稱毒氣）［1-4］，惡化井下作業環境，危害作業人員身體健康，嚴重威脅著地下礦山開采安全，采取有效措施降低爆破毒氣濃度具有重大意義。國內外學者已開展了一些相關研究，王天暘等［5］、郭敬中等［6］研制了新型多組分水炮泥配方，測定了不同水炮泥裝填類型以及炮煙中CO、NO濃度變化規律，研究發現，多組份水炮泥對CO的抑制效率提高了51.9%，但對NO的抑制效果提升不顯著；丁厚成等［7］運用計算流體力學軟件FLUENT建立壓入式通風條件下成分運輸模型，分析風筒口至掌子面的距離及風筒入口風速對隧道內風流流場及炮煙濃度分布規律的影響，將模擬結果與現場實測的炮煙濃度分布情況進行對比分析，數據基本吻合；張舸等［8］對某地下礦山獨頭巷道強制通風狀態下的炮煙濃度變化規律進行了研究，發現巷道中炮煙的濃度變化可按e指數規律衰減，且炮煙散發過程中各巷道截面位置處的最大濃度與炮煙拋擲區的理論初始濃度有較強的線性關系。

通過現有成果分析發現，現有研究側重于毒氣運動規律分析，缺少相關現場試驗［9-11］，針對不同類型的炸藥進行毒氣控制的研究成果較少。為此，本研究以乳化炸藥為試驗對象，在理論分析的基礎上，研制出爆破毒氣抑制劑，通過設置不同添加比例、裝填方式，開展爆破毒氣抑制劑降毒氣試驗研究，為有效控制礦山爆破毒氣產生提供理論及數據支撐。

1 爆破毒氣產生機理

工業炸藥爆炸所產生的炮煙是導致中毒事故的根源，由于炸藥成分及爆破作業場所環境復雜等因素，導致爆破毒氣產生的因素多種多樣。根據相關研究［12-15］，炸藥的氧平衡是毒氣產生的重要途徑，工業炸藥除了少數是無機物外，一般都是有機物。這些有機物無論是單質還是混合物，大多數只含C、H、O、N 4種元素，一般所使用的工業炸藥在發生爆炸時，其中的O分別與C、H發生劇烈的氧化反應，生成爆炸產物。單位質量的炸藥中所含的氧元素是否能達到氧平衡，是影響炸藥爆炸產生有毒有害氣體的重要因素。按照最大放熱原理［16-18］，根據含氧量的多少，炸藥反應生成氧化產物的過程可進行如下描述：

式中，a，b，c，d為方程式系數。

零氧平衡時可燃元素充分氧化，理論上不會產生毒氣。雖然礦山使用的工業炸藥大都是零氧或接近零氧平衡，但是由于包裝材料參與反應、巖石間的熱交換、反應本身不完全等因素，造成炸藥爆炸系統本身無法實現零氧平衡，從而產生毒氣。

毒氣產生的另一個重要原因是工業炸藥主要成分硝酸銨的不完全分解，其與炸藥組成、成分性質、炸藥密度、粒度、裝藥直徑、起爆沖能大小等諸多因素有關。根據相關研究，在不同反應環境下，乳化炸藥主要成分NH4NO3可產生的分解方程式見表1。

?

由表1可知：理論上乳化炸藥（主要為硝酸銨）是不產生毒氣的，但炸藥爆炸過程受到多種因素影響，很難能按理論上的反應方程式進行，其余反應方程式中均有毒氣產生，這也是爆破有毒氣體產生的理論基礎。

毒氣產生的另一原因是受到周圍介質的作用，某些礦物介質可與爆炸產物發生化學反應，或者對爆炸產物的二次反應起到催化作用，使有毒氣體含量增大。爆炸作用時，含硫的礦石可生成硫的氧化物或硫化氫有毒氣體。當周圍介質溫度較低時，有些炸藥在低溫情況下也常出現不完全爆炸或爆轟中斷現象，使有毒氣體含量大大增加。

2 爆破毒氣吸收試驗研究

2.1 試驗材料及方案

試驗主要材料為巖石乳化炸藥、爆破毒氣抑制劑、電子計量天平，輔助材料有塑料吸管、膠帶、剪刀等。試驗在自制的爆破毒氣測試系統中進行，容積為2.16 m3（圖1），爆破后采用Drager X-am5000有毒有害氣體檢測儀采集數據，測量精度0.021 4 mg/m3，炸藥的各項性能指標見表2。

?

試驗乳化炸藥卷及雷管分別從正門及頂部懸掛孔置入測試系統，并將雷管插入藥卷內，懸吊在容器中心位置。試驗前應對系統進行通風30 min處理，使用檢測儀進行檢測，并記錄原始值。試驗后立即對系統內側面測量孔的毒氣進行檢測，單個測量孔取樣時間為2 min，計算各毒氣成分含量最大值及平均值。

2.2 不同添加比例試驗

稱量乳化炸藥30 g，將抑制劑與其按照0mass%、3mass%、5mass%、8mass%的比例進行配比（圖2），并制作成直徑32 mm的藥卷。

藥卷起爆后，按照毒氣測定方案對爆破毒氣測試系統內的毒氣產生情況進行檢驗。各成分產生量及各添加比例、毒氣降低率測試結果見表3和表4。

?

?

根據表3和表4，提取了不添加抑制劑時各類毒氣產生量，繪制了4種主要成分占比情況圖，如圖3所示。

由圖3可知：巖石乳化炸藥爆炸后，4種主要毒氣成分中，CO所占比例最高，約占毒氣總量的37.36%～37.98%，NH3、NO、NO2產生量相近，分別占總量的21.22%～23.29%，20.58%～20.8%，17.99%～19.24%。

進一步分析表3、表4可知：與對照試驗（未添加毒氣抑制劑）對比，隨著抑制劑添加比例逐漸增加，毒氣降低率呈現先增大后減小的拋物線走勢，抑制劑與乳化炸藥存在最佳的添加比例，即抑制劑添加比例為5mass%時，炸藥爆炸反應生成的毒氣總量最大值和平均值分別為144.66 mg/m3、128.6 mg/m3，降毒率分別為71.73%、72.03%。

根據上述試驗結果，為了消除試驗誤差的影響，驗證毒氣抑制劑降毒效果，再次開展了5組抑制劑添加5mass%和不添加時的對照試驗，結果見圖4。

由圖4可知：5次試驗所有毒氣成分產生總量為299.41～708.78 mg/m3，添加5mass%的抑制劑后，毒氣產生總量降至107.22～287.82 mg/m3，抑制劑降毒率為53.79%～77.76%，平均降毒率為66.50%，與前述試驗結果相符。

2.3 不同裝填方式試驗

考慮到在施工現場添加毒氣抑制劑困難，選取4種裝填方式（圖5）并設置對照試驗，進行效果對比試驗分析。

試驗后對爆破毒氣主要成分進行檢測，繪制了不同裝填方式下各毒氣成分產生量圖，如圖6所示。

由圖6可知：4種裝填方式均取得了良好的降毒效果，其中降毒效果優劣依次為均勻混合結構、無吸管徑向耦合結構、有吸管徑向耦合結構、軸向耦合結構。均勻混合結構降毒率較其它結構分別提高了26.07%、56.79%、59.54%。

3 工程實例

本研究在某地下鐵礦斜坡道掘進斷面開展現場試驗（圖7）。斷面孔深3.2 m，裝填直徑32 mm乳化炸藥藥卷，每卷質量150 g，孔內雷管微差爆破。本次抑制劑添加比例按照5mass%添加，均勻混合結構，并設置無抑制劑的對照試驗，各鉆孔抑制劑添加量見表5。在距爆源40 m處安裝FGD2-C氣體檢測儀（圖8），分別記錄爆破后通風時間15 min、20 min時的毒氣產生情況（表6）。

?

由表6可知：爆區通風15 min后，對比是否添加抑制劑兩種方案，毒氣產生總量可由119.8 mg/m3降至52.11 mg/m3，降毒率達56.5%；通風20 min后，毒氣產生總量可由96.98 mg/m3降至43.33 mg/m3，降毒率達55.32%。

?

4 結論

（1）設計了30 g巖石乳化炸藥爆炸試驗，在自制的毒氣測試系統中，按照測定方案對毒氣產生量進行檢測，結果表明：炸藥爆炸后，產生的毒氣主要成分有4種。其中，CO所占比例最高，約占毒氣總量的37.36%～37.98%，NH3、NO、NO2產生量相近，分別占總量的21.22%～23.29%，20.58%～20.80%，17.99%～19.24%。

（2）設計0mass%、3mass%、5mass%、8mass%4種抑制劑乳化炸藥配比方案，開展了爆炸試驗：結果表明：隨著抑制劑添加比例增大，降毒率呈先增大后減小的拋物線走勢，且5mass%為最佳添加比例。在此基礎上的5次驗證試驗顯示，平均降毒率為66.5%，與試驗結果一致。

（3）設計4種抑制劑裝填方式，開展了爆炸試驗：結果表明：降毒效果優劣依次為均勻混合結構、無吸管徑向耦合結構、有吸管徑向耦合結構、軸向耦合結構。其中，均勻混合結構降毒率較其它結構分別提高了26.07%、56.79%、59.54%。