低爆速多孔粒狀銨油炸藥的實驗研究

武 軒，郭占江，閆海勇，王建英

(神華準能集團炸藥廠，內蒙古 鄂爾多斯 010300)

1 工程背景

黑岱溝露天煤礦設計開采的煤層為二疊紀6#煤層，平均厚度為31 m，為復合煤層，分6上、6中、6下3層。其中6上厚10 m、6中厚16 m、6下厚5 m，優質煤集中于6中煤層，發熱量為4 200～5 700 kcal。煤臺階分3層開采，現場工作面空間狹窄，穿孔和爆破作業受到很大限制。如何在此不利條件下，使煤臺階爆破[1]的粉碎區范圍減小，裂隙區范圍增大，以提高塊煤率，是一個亟待解決的技術難題[2-3]。

多孔粒狀銨油炸藥ANFO(Ammonium nitrate fuel oil)具有生產工藝簡單、成本低、原材料來源廣、施工操作簡單、可現場混裝等優點，在各類巖石工程爆破中被廣泛應用。多孔粒狀銨油炸藥的爆速通常為3 400 m/s左右，密度為0.86 g/cm3左右，波阻抗為2.92×106kg/m2·s。煤臺階波阻抗為1.1×106kg/m2·s，兩者相差較大。如果炸藥爆炸峰值壓力高，作用時間短，則易造成炮孔周圍巖石過度粉碎，裂隙區發育范圍小，塊煤率低。因此，降低炸藥的波阻抗是解決問題的關鍵[2]。

低爆速炸藥是指一類極限爆速較低的炸藥，其極限爆速通常在1 500～2 200 m/s。目前國內低爆速炸藥主要由改性銨油炸藥添加高分子材料[4]、乳化炸藥中添加黏土或硫酸鈉[5-6]、單質炸藥添加金屬粉末[5]等制成，這些產品生產工藝復雜，成本較高，生產、貯存、使用的安全性較差。自20世紀80年代以來，國外研制了許多品種的低爆速炸藥，如瑞典的納必特、古立恃及日本的SB光爆炸藥等都是含有硝化甘油的粉狀炸藥，但爆速均在3 000 m/s以上。

國內劉曉明[4]在改性的銨油炸藥中添加聚苯乙烯微球來降低爆速，結果表明當聚苯乙烯球的加入量在0.5%～1.0%時，爆速由原來的2 857 m/s降低至2 564 m/s，降低程度并不明顯。馬宏昊等[5]在乳化炸藥中添加5%～25%的黏土，爆速為2 000～ 2 800 m/s主要適用于低爆速爆炸焊接。李占榮等[6]在粉狀乳化炸藥中添加20%～33%的工業硫酸鈉，爆速為2 100～2 200 m/s，主要應用于高端異相金屬板材的爆炸焊接。王鵬等[7]在單質炸藥中添加10%～25%的鋁粉，爆速在2 510～2 760 m/s之間，爆速調節范圍較窄，且安全性能不佳，機械感度較高。近年來低爆速的多孔粒狀銨油炸藥研究較少，能適用于露天礦生產的低爆速炸藥更少。

為了降低多孔粒狀銨油炸藥的爆速，作者在銨油炸藥中添加不同的惰性物質，主要成分是SiO2、Al2O3等氧化物，在低爆速銨油炸藥中不參與反應，只是在局部隔斷了銨油炸藥連續性，延長爆炸反應時間，從而降低了爆速和威力。并探索出了一條生產工藝簡單、成本較低、適合露天礦生產要求且環境友好的工藝路線。

2 實驗研究

2.1 實驗材料與儀器

實驗材料有多孔粒狀硝酸銨(烏拉山化肥廠)、柴油(-35#神華煤制油化工有限公司)、珍珠巖(內蒙古華亨有限責任公司)、火山巖(河北萬景浮石科技有限公司)、陶粒濾料(河南博達凈水材料有限公司)。

儀器有BSW-3A智能爆速測定儀(湖南湘西州奇博礦山儀器廠)，密度杯(自制，體積1 L，不銹鋼材質)。

2.2 炸藥配方

炸藥配方如表1～表3所示，將多孔粒狀硝酸銨、惰性添加物和柴油按表中配比混合均勻，即可得到低爆速粒狀銨油炸藥。

表1 添加珍珠巖的炸藥配方

表2 添加火山巖的炸藥配方

表3 添加陶粒濾料的炸藥配方

2.3 數據測試與結果分析

2.3.1 吸油率

準確稱取惰性物質樣品20 g(精確至0. 000 1 g)，放置入100 mL干燥潔凈的燒杯中，用柴油浸濕并覆蓋試樣，不斷攪拌，浸泡24 h后傾入砂芯漏斗中，用真空泵抽濾10 min后稱取試樣(精確至0.000 1 g)。 吸油率按下式計算：

(1)

式中：x為粒狀硝酸銨吸油率，%；m1為試樣吸油前的總質量，g；m2為試樣吸油后的總質量，g。

珍珠巖、火山巖、陶粒濾料在柴油中的吸油情況，火山巖的吸油率最高達8.3%，陶粒濾料的吸油率最低為6.32%，珍珠巖的吸油率為6.70%。多孔粒狀硝酸銨吸油率為8%～10%。惰性物質吸油率越低越好，造成柴油的浪費少。對比數據可知，陶粒濾料的吸油率最低。

2.3.2 密度

炸藥的密度是炸藥爆炸性能的重要參數之一。用密度杯盛樣粒狀銨油炸藥，用刮刀將杯口刮平，電子秤稱量，計算炸藥密度。

隨著珍珠巖質量比的增加，ANFO的密度下降(見圖1)。當珍珠巖含量在4%～9%之間變化時，炸藥的密度在0.45～0.69 g/cm3之間變化。多孔粒狀硝酸銨的堆積密度為0.73～0.86 g/cm3，本實驗選取的珍珠巖的堆積密度為0.08～0.10 g/cm3。由于兩者密度差異較大，珍珠巖質量比越大，ANFO的密度下降就會越多。

圖1 添加珍珠巖后ANFO的密度

ANFO密度隨著火山巖質量比的增加而增大(見圖2)，當火山巖含量在25%～35%之間變化時，炸藥的密度在0.85～0.88 g/cm3之間變化，且呈現良好的線性關系，說明火山巖與多孔粒狀硝酸銨混合的均勻度最好。本實驗選取的火山巖堆積密度為1.00～1.05 g/cm3，密度略大于多孔粒狀硝酸銨。

圖2 添加火山巖后ANFO的密度

ANFO密度隨著陶粒濾料質量比的增加而增大(見圖3)，當陶粒濾料含量在15%～40%之間變化時，炸藥的密度在0.77～0.91 g/cm3之間變化，陶粒濾料的堆積密度為0.85～0.95 g/cm3，與多孔粒狀硝酸銨的堆積密度差異最小，混合均勻度較好。

圖3 添加陶粒濾料后ANFO的密度

2.3.3 爆速與波阻抗

將配制的炸藥裝在直徑為150 mm 的PVC管內，運送至實驗場，用爆速儀測試爆速。測試前，將兩根把線插入炸藥內部，相距200 mm，通過測試炸藥爆炸時兩根把線前后導通的時間差，計算出爆速。

波阻抗按照下式計算：

Z=ρD

(2)

式中：Z為波阻抗 ；ρ為密度；D為爆速。

添加不同質量比的惰性物質后多孔粒狀銨油炸藥的爆速與波阻抗如表4～表6所示，當珍珠巖的質量比為4.6%～9%時，爆速在1 500～2 200 m/s范圍內，其中含量為4.6%爆速為2 046 m/s時，波阻抗為0.98×106kg/m2·s與煤臺階波阻抗1.1×106kg/m2·s匹配程度較高，應用于露天礦煤臺階松動爆破，塊煤的產出率提高了3%。當火山巖的質量比在27.5%～30%時，爆速在1 500～2 200 m/s范圍內，其中含量為30%時，爆速為1 506 m/s，波阻抗為1.31×106kg/m2·s，此時的質量比最佳。當陶粒濾料的質量比為30%～40%時，爆速在1 500～2 200 m/s范圍內，其中含量為40%時，爆速為1 631 m/s，波阻抗為1.58×106kg/m2·s，此時的質量比最佳。

表4 添加珍珠巖后ANFO的爆速與波阻抗

表5 添加火山巖后ANFO的爆速與波阻抗

表6 添加陶粒濾料后ANFO的爆速與波阻抗

3 3種惰性添加物的優缺點分析

1)珍珠巖。混合均勻性及爆炸穩定性：珍珠巖顆粒密度很低，與多孔粒狀硝酸銨混合后飄在上層，混合均勻度很差，易導致炸藥的爆轟性能不穩定。

環境保護方面：珍珠巖混合過程中有粉塵，車間生產環境差，不利于操作人員身體健康。

成本：珍珠巖價格約為12 000元/t，多孔粒狀硝酸銨價格約為3 000元/t，-35#柴油價格約為7 000元/t。珍珠巖、多孔粒狀硝酸銨、柴油的最佳質量比為4.6∶89.9∶5.5，計算得添加珍珠巖的ANFO成本約為3 637元。

吸油率:珍珠巖吸油率在3種惰性物質中居中。

2)火山巖。混合均勻性及爆炸穩定性∶火山巖顆粒密度略大于多孔粒狀硝酸銨，混合密度呈良好的線性關系，混合后均勻度最好，爆轟性能穩定。

環境保護方面:火山巖硬度較低，顆粒不規則，混合過程中顆粒易粉碎產生粉塵，不利于操作人員身體健康。

成本:火山巖顆粒可添加質量比為27.5%～30%，市場價格約1 200元/t，火山巖、多孔粒狀硝酸銨、柴油的最佳質量比為30∶64.5∶5.5，材料成本約為2 680元。

吸油率：火山巖吸油率在3種惰性物質中最高。

3)陶粒濾料。混合均勻性及爆炸穩定性：陶粒濾料顆粒密度與多孔粒狀硝酸銨最接近，混合均勻度較好，爆轟性能穩定。

環境保護方面：陶粒濾料硬度較高，球狀顆粒，混合過程中不易粉碎，無粉塵，有利于環保和員工身體健康。

成本：陶粒濾料價格便宜價格約為700元/t，按最佳質量比計算，即陶粒濾料∶多孔粒狀硝酸銨∶柴油為40∶54.5∶5.5，得出成本約為2 300元。

吸油率：陶粒濾料顆粒為球狀，表面較光滑，吸油率3者中最低。

4 結語

1)添加惰性物質調節多孔粒狀銨油炸藥的爆速，延長爆炸作用時間，降低炸藥波阻抗，提高其與煤臺階波阻抗的匹配度，有利于裂隙區發育，從而提高塊煤率。

2)綜合考慮混合均勻性、爆轟穩定性、環保要求、材料成本等幾方面，在珍珠巖、火山巖和陶粒濾料中，陶粒濾料是最佳的惰性添加物。陶粒濾料添加質量比為30%～40%，陶粒濾料∶多孔粒狀硝酸銨∶柴油的最佳質量比為40∶54.5∶5.5。此配比的銨油炸藥爆速為1 631 m/s，波阻抗為1.58×106kg/m2·s，與煤臺階的波阻抗1.1×106kg/m2·s匹配度較高。