高威力煤矿许用乳化炸药的研究

黄 嵩，王文斌

(贵州盘江民爆有限公司，贵州 贵阳 551400)

胶状乳化炸药是以硝酸铵、硝酸钠等氧化剂水溶液为内相，以复合燃料油为外相，通过乳化剂和剪切力作用下形成W/O型乳化胶体，再通过敏化形成的胶状炸药。按使用目的可分为岩石型乳化炸药和煤矿许用型乳化炸药[1]。

煤矿许用乳化炸药适用于有沼气或煤尘爆炸危险的煤矿爆破场所。在煤矿井下开采过程中，会逸出可燃性性气体和矿尘，这些可燃性气体和矿尘与空气混合后，当达到爆炸浓度极限时，就具有爆炸性。煤矿许用乳化炸药通过添加有效阻断可燃性气体和粉尘发生意外爆炸反应的阻化剂——消焰剂。常用的消焰剂有氯化钠和氯化钾等，一般是在生产过程中直接加入。随着消焰剂加入量增加，炸药的威力减小[2]。

针对目前煤矿炸药要满足安全性要求，特别是较高安全级别的煤矿许用乳化炸药，必须加入大量惰性无机盐消焰剂，由此导致炸药的爆炸性能大幅降低的问题[3]，从研究煤矿炸药爆炸引燃瓦斯机理出发[4]，运用煤矿炸药理论，结合乳化炸药现有生产技术，开发研究具有爆炸消焰作用的多功能材料及其在乳化炸药中应用的技术，主要解决现有煤矿许用乳化炸药产品存在的由于惰性消焰剂加入而导致炸药爆炸性能大幅降低的问题，目的在于研究开发一种高安全等级、高做功能力的新型煤矿用乳化炸药。通过试验表明：该型号高威力煤矿许用乳化炸药可燃性安全度达到三级煤矿许用乳化炸药要求，做功能力达到岩石乳化炸药要求，满足煤矿使用要求。

1 原 理

1.1 炸药威力影响因素

乳化炸药爆炸时，高温高压的爆炸产物膨胀对外作功[5]，根据热力学第一定律，见式(1)。

A=μQ

(1)

式中：A为炸药的作功能力；Q为炸药的爆热；μ为炸药的作功效率。

由式(1)中可以看出，爆热越大。爆炸产物膨胀程度越高，做功越大。爆炸是决定炸药作功能力的最基本因素，提高爆热是提高炸药作功能力的最有效途径[6-7]。

1.2 煤矿许用乳化炸药消焰原理

煤矿瓦斯燃烧的化学反应遵循链反应机理，外界作用能量大于链起始反应的活化能时，引起反应。煤矿许用炸药消焰剂能够明显阻滞反应的进行或化学反应速度，同时降低爆炸产物的温度，降低可燃气体点火的可能性。

煤矿许用乳化炸药消焰剂主要为碱金属卤化物，其具有较强的极性和活泼性，能够有效地破坏或者束缚链反应中的活泼中心自由基，破坏反应链传递。其主要作用方式有三种：一是自由基在运动过程中与消焰剂产生有效碰撞，产生能量转移，使其衰变；二是多相催化作用，抑制剂晶体表面的原子基团显示强烈的不饱和性和吸附性，因而能够吸附或黏附可燃气体中的自由基团，通过相互作用，使之达到稳定状态；三是消焰剂热量较大，在爆炸过程吸附爆炸产物的能量，降低了炸药爆炸产物的温度[7]。

1.3 消焰剂的副作用

由于消焰剂的工作机理和炸药的威力影响因素可知，消焰剂的使用影响了爆炸能量，在一定范围随着消焰剂量的增加，炸药威力下降[8]。

消焰剂大幅度降低了炸药的爆轰稳定性和爆轰感度，增大了炸药燃烧的可能性。此外，某些消焰剂对燃烧也有一定的催化作用，加剧了燃烧进行。消焰剂的加入也会导致水相析晶点升高、产品保质期缩短等问题。

1.4 消焰剂加入方式

国内外煤矿许用乳化炸药消焰剂加入方式是直接加入到炸药体系中，当炸药爆炸时，产生高温使消焰剂气化并扩散使可燃气体氧化反应得到控制。这种方式使炸药的威力大幅下降，同时降低炸药的感度及爆炸性能。

为了解决消焰剂带来的负面效应，采用在炸药中加入一些无机盐，这些无机盐的离子或离子团在高温高压的爆轰瞬间可以相互作用形成消焰剂，使炸药不但有安全性，爆炸威力损失也不大[9]。其机理见式(2)和式(3)。

NaNO3+NH4Cl→NH4NO3+NaCl

(2)

KNO3+NH4Cl→NH4NO3+KCl

(3)

消焰剂化合物中的阳离子基团对消焰效果是至关重要的，大量试验表明，碱金属具有最好的效果，碱土金属次之，顺序为：Li+、Na+、K+、Ca2+、Ba2+、NH4+、Ph4+[1]。NH4Cl消焰剂加入炸药中也会有一定的消焰作用同时降低炸药的威力，但其与NaCl和KCl相比消焰效果较差，反应生成的NH4NO3会提高炸药的爆炸威力。

结果形成分子级的微细消焰剂，其消焰效果比直接加入方式要更为有效。

1.5 配方设计要求

1) 煤矿许用炸药的爆炸热能应受到一定的限制。

2) 爆炸反应必须完全。

3) 配方设计中必须含有消焰剂。

4) 煤矿许用炸药的氧平衡为零氧平衡或微负氧平衡。

2 试 验

2.1 配方

高威力煤矿许用乳化炸药组分配比以我国炸药生产单位常用的较为成熟的二级煤矿许用乳化炸药配方为基础，在油相中加入一定比例的NaNO3、KNO3和NH4Cl，各组分进行微调，使组分配比炸药为微负氧平衡，组分配比见表1，油相中加入无机盐材料。

表1 高威力煤矿许用乳化炸药组分配比

2.2 工艺流程

高威力煤矿许用乳化炸药工艺流程如图1所示。

2.3 性能测试结果

对生产的高威力乳化炸药进行性能测试，结果见表2。

该高威力煤矿许用乳化炸药殉爆距离5.5 cm，高于岩石乳化炸药和二级煤矿许用乳化炸药；爆速为4 570 m/s，高于延时乳化炸药；猛度16.7 mm，高于岩石乳化炸药；可燃气安全度≥400 g，符合三级煤矿许用乳化炸药要求；做功能力为268 mL，高于岩石乳化炸药和二级煤矿许用乳化炸药。

图1 高威力煤矿许用乳化炸药工艺流程图

表2 高威力乳化炸药与乳化炸药国标产品性能要求比较

高威力乳化炸药岩石乳化炸药二级煤矿许用乳化炸药三级煤矿许用乳化炸药殉爆距离/cm5．5≥4≥3≥3爆速/(m/s)4570≥4200≥2800≥2800猛度/mm16．7≥12≥10≥10作功能力/mL268≥260≥200≥200可燃气安全度/g≥400/≥180≥400

该高威力煤矿许用乳化炸药威力高于岩石乳化炸药和二级煤矿许用乳化炸药，可燃气安全度达到三级煤矿乳化炸药要求。

2.4 储存性试验

通过储存试验见表3，该型号高威力煤矿许用乳化炸药在保质期内产品性能变化不大，殉爆距离、

爆速和猛度稍有下降。

表3 产品储存性能

3 结 论

1) 该型号高威力煤矿许用乳化炸药在原材料中加入无机盐，炸药在爆炸过程中生成消焰剂的方式是可行的，可燃气安全度达到三级煤矿乳化炸药的可燃气安全度要求。

2) 该型号高威力煤矿许用乳化炸药满足煤矿的高安全性要求，作功能力达到岩石乳化炸药的要求，解决了煤矿许用乳化炸药的低威力的问题。

3) 该型号高威力煤矿许用乳化炸药储存性较好，保质期内爆炸性能变化较小。

4) 该型号高威力煤矿许用乳化炸药满足煤矿使用要求。

[1] 黄文尧，颜事龙.炸药化学与制造[M].北京：冶金工业出版社，2009.

[2] 汪旭光．乳化炸药[M]．北京：冶金工业出版社，2008．

[3] 耿一平，杜明阳.二级煤矿许用高威力乳化炸药的研制[J].爆破器材，2006，35(3)：11-13.

[4] 王文斌，高娜娜，杨祖一,等.乳化器内乳胶基质热爆炸条件探讨[J].矿业研究与开发，2015，35(3)：23-26.

[5] 王肇中，汪旭光.含铝工业炸药作功能力测试研究[J].工程爆破，2008，14(4)：70-72.

[6] 孙德勇.一种新型高威力乳化炸药的研究[J].爆破器材，2009，38(2)：16-18.

[7] 陈晓春，郭子如.添加AP的乳化炸药爆轰参数的理论研究[J].工程爆破，2014，20(3)：43-45.

[8] 吴国群，黄文尧，王晓光.二级煤矿许用乳化炸药爆参数的理论计算[J].安徽理工大学学报：自然科学版，2008，28(1)：78-80.

[9] Niekerk A P,Brower K R.Decomposition of composite explosives containing ammonium nitrate by transient adiabatic gas compression[J].Propellants Explosives Pyrotechnics,1995,20(5):273-278.