某型煤矿许用电雷管高段瞎火原因的分析及改进

阎巧玲，许 勇，张 凯

（西安庆华民用爆破器材公司，陕西 西安，710025）



某型煤矿许用电雷管高段瞎火原因的分析及改进

阎巧玲，许 勇，张 凯

（西安庆华民用爆破器材公司，陕西 西安，710025）

摘 要：针对某型煤矿许用雷管生产中出现的点火失效问题进行了分析，结果表明电点火药头-延期药之间能量匹配裕度不足是导致产品瞎火的主要原因。通过设计改进提高了电点火药头点火能力及延期药的热感度，经试验验证产品发火的可靠性得到有效改善，解决了瞎火的问题。

关键词：煤矿许用雷管；瞎火；热感度；点火能量

通常煤矿许用电雷管在有可燃气和煤尘爆炸危险的矿井中使用，必须进行可燃气安全度试验，即沼气安全性试验。但国内煤矿许用电雷管的沼气试验并不乐观，名义延期时间一般只能达到100ms，落后于国外(其名义时间达到400ms)。庆华民用爆破器材公司2011年研制出了某型电雷管系列，将煤矿许用雷管的名义时间延伸到了300ms，产品可燃气安全度试验可靠，时间精度稳定，但在其后生产验收中，不同程度地出现了两次产品发火失效。为此，对故障进行试验分析，对产品设计进行了优化。

1　煤矿许用电雷管结构及作用过程

煤矿许用电雷管由火雷管、延期元件及电点火头3部分组成，结构见图1。火雷管管壳采用法兰钢壳，内装猛炸药、起爆药。延期元件采用五芯结构的铅延期索。电点火头为灼热桥丝式刚性药头。

图1　煤矿许用雷管结构示意图Fig.1 Schematic of coal mine permissible detonator structure

雷管作用过程为电点火药头脚线通入电流，桥丝产生能量传递给涂覆在周围的点火药，药剂受热发生化学变化，释放的热量使其持续升温至发火，燃烧产生的火焰及残渣喷射到延期元件端面。延期药受热，温度上升达到发火点即开始燃烧并放出大量的热及少许气体，燃烧反应持续，燃烧波面不断向前推进直至完全燃烧，输出火焰冲能点燃底部的起爆药，进而引起雷管爆炸。

2　瞎火现象及原因分析

雷管的瞎火基本都表现为电点火药头输出的火焰冲能不能引燃延期元件，此次两批产品瞎火均为电点火头未点燃延期药。根据点火过程的作用原理可知点火失效主要是两方面因素所致：一方面是点火源即药头输出的能量不足，正常情况下无法将延期药预热到发火点的温度；另一方面是由于延期药的热感度低，药头输出的正常能量无法将其引燃。针对上述两方面因素，对此产品用药头及延期元件分别进行了分析。

煤矿许用雷管用药头有K系及Pb系两种，其中K系药头一直在常规产品中应用，其火焰长、点火能力强、气体量相对较大；Pb系药头是首次在此产品中应用，其气体产物少，产品作用精度高。对瞎火产品进行解剖，解剖后发现作用后药头的导电箔上有未作用的点火药残留，如图2所示。

图2　瞎火产品的药头照片Fig.2 Photo of matchhead of dud product

分析认为该点火药含有的铅起爆药含量高，药剂的猛度大、爆速快，而电感度（热丝感度）低。桥丝加热点火药时，热源小，功率大，除药剂与桥丝接触层温度较高外，大部分点火药仍处于原来的温度，需要持续一定的时间方能达到热点温度。当药剂猛度过大时，部分还未作用的药剂会因作用药剂而被崩飞，产生的能量不足以激发后续药剂，导致部分未作用的药剂继续残留，同时使药头的点火能力下降。

煤矿许用电雷管的延期元件采用五芯索结构，主要是利用其装药量少、金属比例大的特点来降低燃烧温度，达到雷管爆炸时不引起瓦斯爆炸的目的。低段产品采用快燃速毫秒延期药，热感度高，发火传递过程可靠。高段产品采用中等燃速的药剂，其火焰感度及输出能量较快燃速药剂都有明显的减弱。五芯索的索芯直径小，相对于三芯或单芯索药剂接收点火头传递能量的能力较弱，药剂燃烧所需的能量增加，点火会变得困难。

3　设计方案改进

通过上述分析可知，引起产品瞎火的原因是点火药头-延期元件之间点火能量不匹配，点火药头的点火能力裕度不足，延期药的热感度低。为了提高点火可靠性，对药头及延期元件的设计分别进行了改进。

3.1在确保可燃气安全度基础上提高药头输出能量

通过对瞎火产品进行解剖分析，认为点火药因热丝感度低、猛度高而作用不完全是导致点火失效的一个重要因素。药剂热丝感度主要与药剂种类、药剂粒度、涂敷的致密度及粘合剂加入量有关。受生产工艺影响，目前Pb系点火药中的含铅起爆药比重轻，存在大量结块，生产应用过程中如果搅拌不均匀，就不能将其充分分散，在涂敷时会影响药剂与桥丝的接触面积，降低药剂的电感度。另外，由于药剂比重轻，药头涂敷时粘合剂的量就会增大，其感度也就相应地降低。由于提高含铅起爆药假比重的技术不成熟，技术人员将电点火头用药由单质药剂改为复合药剂，将药头第1道涂药由Pb系改为了常用的K系，这样不但可以提高点火药的电感度，而且能够降低其猛度。

对改进前后药头的作用效果进行了对比，如图3～4所示。可以看出，药头第1道涂敷药改为K系点火药，电点火头发火后，导电箔脚片上没有了药剂残留，发火更加集中。

图3　电点火药头作用后的照片Fig.3 Photo of electric matchhead after function

依据某型煤矿许用电雷管技术条件，对改进后电点火头进行了性能测试，结果见表1。测试结果表明，改进后复式电点火头的各项性能能够满足煤矿许用电雷管的技术要求。

图4　电点火药头发火状态高速摄影结果Fig.4 High-speed photograph of electric matchhead fire

表1　复合电点火头性能测试结果Tab.1 Performance test results of compound electric matchhead

3.2提高延期药的热感度

煤矿许用电雷管高段采用的是中等燃速的延期药，相对于低段快燃速延期药，其热感度低。中等燃速药剂应用于导爆管雷管或其它电雷管时一般采用三芯索结构，药芯直径较五芯索粗。针对产品的特殊性，在索芯直径不能变动的情况下唯有提高药剂自身的感度。

3.2.1调整延期药配比

中等燃速硅系延期药的燃速为0.03～0.05mm/ms，药剂主要组成为硅粉、红丹和硫化锑，其中硅粉为可燃剂、红丹作为氧化剂，硫化锑是缓燃剂。硫化锑的化学式为Sb2S3，熔点低、性质安定。当药剂被加热到500℃左右时，硫化锑开始熔融，吸收大量热量，从而对硅-红丹之间的燃烧起抑制作用。对不同配比的延期药剂进行感度测定，结果见表2。

表2　不同配比延期药的发火点Tab.2 Ignition temperature of delay composition with different formulation

从表2测试结果可以看出，延期药的热感度随药剂组成、配比变化而异。当硅粉与红丹比例一定时，药剂的发火温度随着硫化锑含量的增高而提高。因此，为了提高药剂的热感度应该对药剂中硫化锑的含量进行控制。

通过对现有药剂的不同配比进行试验，最终将煤矿许用电雷管高段产品用硅/红丹/硫化锑的配比由16/64/20调整到16.5/65.5/18。

3.2.2选择细粒径硅粉

硅与红丹之间的氧化反应首先从硅粉表面开始，逐渐进入中心，硅粉颗粒小，则比表面大、反应快、药剂的发火点相对较低。选取两批不同比表面积的硅粉，利用激光粒度仪对其粒径进行检测，测试结果见表3。在其它原材料相同的条件下，按照相同配比，分别利用这两种硅粉混制成延期药，用DSC仪对将编号Ⅰ、Ⅱ的药剂进行差示扫描量热试验（温度控制600℃，加热速度10℃/min，氩气流量50mL/min），结果见图5。

表3　硅粉粒径检测结果Tab.3 The measurement result of Si powder diameter

图5　硅系延期药的DSC示意图Fig.5 DSC curves of silicone delay composition

从图5可以看出，药剂Ⅰ在517℃才出现放热峰，而药剂Ⅱ在497℃时就有放热峰出现，较前者提前了20℃。因此，粒度小的硅粉能够降低延期药主反应的起始温度。通过对不同粒径硅粉的试验，最终将煤矿许用电雷管高段产品用中等燃速硅系药剂的硅粉比表面积由目前的18 000～20 000cm2/g调整为21 000～23 000 cm2/g。

3.2.3限定药剂的燃速

针对电雷管结构，对不同索芯的药剂燃烧特性的进行试验，结果见表4。

表4　不同索结构的硅系药延期时间Tab.4 Delay time of silicone system delay composition with different cable structure

从表4可以看出，由于药剂燃烧直径不同，不同燃速药剂采用五芯索结构时的延期时间较三芯索的均长，而且药剂的燃速越慢，其差异就越大。这也说明，药剂的燃速越慢，采用五芯索时其感度下降得就越大，出现瞎火的可能性增高。因此，为了保障产品可靠作用，应该对药剂的燃速作更进一步的规定。经过充分论证及点火裕度试验，将煤矿许用电雷管高段产品用硅系药剂的燃速限定为不小于0.045mm/ms。

4　改进后产品点火可靠性验证

按照改进后的技术条件，分别生产了电点火药头和延期药。为了验证产品改进方案的有效性，通过裕度试验，验证电点火药头-延期药之间点火的可靠性。

4.1减小延期索的直径

随着延期索直径变小，药芯进一步变细，侧向热损失加大，点火变得困难，因此，通过减小药芯直径能够考察点火能量匹配的裕度。试验将延期索拉拔时的终模由正常φ 6.2mm变为φ 5.2mm，切制高度为H=10mm，按照煤矿许用雷管技术条件装配成产品，抽取230发进行发火试验，结果全部发火。

4.2增大点火距离

试验中，装配产品时将气室空位由正常的32～35mm提高到37～40mm，抽取230发进行发火可靠性试验，结果全部发火。

4.3延期元件吸湿

若延期药水分含量较高，在点火燃烧时首先会有一部分热量用于水分的气化，药剂的发火点温度会升高。因此，通过对吸湿后的延期元件进行点火试验以考察点火能量匹配的裕度。

试验中，将切制的延期元件（H=13.2mm）先在密闭容器中进行室温高湿吸潮，再按照煤矿许用雷管技术条件装配成产品，先后抽取了200发进行测时，全部正常作用，测试结果见表5。

表5　延期索吸潮后作用时间Tab.5 Delay time of delay fuse after moisture absorption

按照改进后的技术条件，目前公司已生产某型煤矿许用雷管300ms产品6批次3.2万发，生产验收合格，满足客户需求。

5　结论

通过对某型煤矿许用电雷管瞎火产品的分析及设计改进，得到以下结论：（1）电点火头-延期元件之间点火能量不匹配是造成产品瞎火的主要原因；（2）Pb系点火药电感度低、猛度大，不适合作为电点火药头的第1道涂药；（3）硅系延期药的热感度与药剂配比、硅粉粒度有关，减少硫化锑含量、增大硅粉比表面积能够提高药剂的感度，降低发火点。（4）中等燃速硅系延期药拉制成五芯索结构时，其感度下降，为了确保产品可靠作用，药剂的燃速应控制在0.045mm/ms以上。

参考文献：

[1]孙玉玲.硅系延期药燃烧过程的研究[J].煤矿爆破,2006 (4):1-3.

[2]马志钢.铅芯延期体式雷管延期精度影响因素研究[J].火工品,2012(3):13-14.

[3]侯寒冬.点火能量形式对延期药延时精度的影响[J].淮南职业技术学院学报,2011(6):26-27 .

[4]王志朋,劳允亮.钨系延期药预点火反应机理研究[J].火工品,1996(4):19-22.

[5]黄德华.钨系延期药燃烧的影响因素分析[J].爆破器材,1995 (6):15-17.

[6]吴幼成.宋敬埔.延期药技术综述[J].爆破器材,2000(6):23-27.

[7]陈利魁,盛涤纶.纳米钨系延期药的研究[J].火工品,2005(4):6-9.

[8]胡珍萍.毫秒电雷管延时精度影响因素的分析[J].煤矿爆破,2005(1):26-28.

[9]周光辉.苦味酸钾/铅丹硅系电引火药头的研究[J].煤矿爆破,2012(4):13-16.

Analysis and Improvement of Misfire of Some Permitted Electric Detonator for Coal Mine

YAN Qiao-ling，XU Yong，ZHANG Kai
(Xi’an Qinghua Research Institute of Industrial Explosive Material,Xi’an,710025)

Abstract：Aimed at the ignition failure in the coal mine permissible detonator production,the analysis was presented,which showed that the inadequate margin between the energy of electric matchhead and delay composition is the main reason.Through the design improvement,the ignition capacity of electric matchhead and the thermal sensitivity of delay composition were improved.The product verification test showed that the fire reliability can be effectively improved,and the problems of dud can be solved.

Key words：Coal mine permissible detonator；Misfire；Thermal sensitivity；Ignition energy

作者简介：阎巧玲（1973-），女，工程师，主要从事烟火延期技术研究。

收稿日期：2015-08-07

文章编号：1003-1480（2016）01-0015-04