乳化炸药爆炸引燃瓦斯的影响因素研究

吴 竞,崔珍珍,陈 龙,宋家良

(中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司,安徽 淮北 235000)

0 引言

炸药爆炸引燃瓦斯性能是煤矿用炸药最重要的安全性指标,也是煤矿炸药技术的核心,通常用试验巷道中模拟井下裸露爆破或炮孔作业时的悬吊试验和发射臼炮试验,以引燃瓦斯的炸药量大小来衡量被测炸药的瓦斯安全性[1-4]。这个方法能判定炸药的瓦斯安全性优劣,不能获取炸药爆炸引燃瓦斯的过程特征和不同爆破条件下爆炸作用的更多信息,导致分析炸药爆炸引燃瓦斯因素和有针对性进行煤矿乳化炸药配方和性能调整工作受到极大限制。

国外在煤矿炸药安全性理论方面的研究较早,在瓦斯点火机理及抑制方面的研究较多。我国煤矿炸药发展与国外不同,国外目前煤矿炸药是铵锑类和离子交换型不含水的粉状炸药,我国煤矿炸药则是以煤矿乳化炸药为主的含水炸药[5-8]。国外以无水的粉状炸药为基础建立起来的理论应用于含水炸药时具有局限性,所以有必要对我国煤矿乳化炸药的瓦斯安全性及影响因素进行较为深入的研究。国内关于煤矿乳化炸药瓦斯安全性方面的研究大多集中在炸药爆炸性能与瓦斯安全性的关系,手段仅限于前面述及的模拟瓦斯巷道试验,不能反映炸药爆炸能力输出形式、引燃瓦斯过程与瓦斯安全性的关系,不利于我国煤矿乳化炸药的研究与应用。

利用光电转换模拟量测试系统,对悬吊和发射臼炮两种炸药爆炸和引燃瓦斯的光信号进行测试,考察药量、消焰剂含量变化与光信号的关系,揭示不同爆破作用方式下炸药爆炸对瓦斯引燃特性的影响,结合样品的瓦斯安全性测试结果,探讨消焰剂作用及其影响。不但有利于提升我国煤矿乳化炸药产品质量,而且对煤矿乳化炸药瓦斯消焰理论和高安全性炸药的研究也十分有利。在测试方法上,国内外没有类似方法研究炸药瓦斯安全性的报道。

1 测试系统与炸药样品

1.1 测试系统

测试系统由炸药瓦斯安全性试验系统(包括模拟瓦斯巷道、臼炮试验装置和悬吊试验装置)和光电测试系统(包括光电探头、瞬态波形、计算机、绘图仪和相机)组成,如图1所示。

图1 炸药瓦斯安全性试验测试系统

1)炸药瓦斯安全性试验测试系统原理:在Φ1.8 m×9.0 m 封闭空间内充入瓦斯以模拟瓦斯巷道,经循环系统使瓦斯和空气混合至所需浓度,用悬吊试验和臼炮试验模拟巷道内炸药裸露爆炸情况和炸药炮孔内爆炸引燃瓦斯情况,用半数引火药量大小来衡量炸药安全级别。

2)光电测试系统:炸药爆炸产生的光信号被光电传感器接收并进行光/电转换,经瞬态波形存贮器进行模/数转换,通过计算机进行处理输出数据和图形。对于给定的光电传感器,灵敏度和光敏面的面积一定,入射到光敏面上的光通量Φ和传感器所输出的电压U都与入射到光电传感器光敏面上的光照度成正比,因此,光通量也与电压U成正比,据此,光能Qv(光通量Φ对时间t的积分)与电压U对时间t的积分成正比,即:

根据上述分析,对于给定的光电传感器,可以用U和∫Udt分别表示爆炸火焰的光强度D及光能Qv相对大小。爆炸产物燃烧主要是可见光,选用响应速度 3 μs,波长为 0.5～1.0 μm 的 3DU 型光电三极管作为光电传感器,可以满足试验需要。放大部分采用参考文献[9]介绍的射极输出电路。

1.2 试验样品

乳化炸药样品的配方见表1。

表1 乳化炸药试样组成 %

2 试验结果及其分析

炸药瓦斯安全性试验分为悬吊试验和发射臼炮试验两种,也代表炸药在瓦斯环境中裸露和炮孔约束两种条件下爆炸作用的结果。

2.1 药量与炸药爆炸火焰光强度、持续时间和火焰光能的关系

炸药试验样品为珍珠岩敏化的,外加质量分数为8.5%KCl 的煤矿乳化炸药,在悬吊和发射臼炮两种约束条件下爆炸的光信号测试结果见图2、图3。

图2 炸药爆炸光信号的波形

图3 药量(W)与爆炸火焰光信号的关系

由图2、图3可知:

1)试验药量下,悬吊试验光信号为单峰曲线,臼炮试验则为双峰曲线。说明炮孔约束使得炸药爆炸产物发生二次反应。

2)悬吊和臼炮试验中,炸药爆炸火焰光能量Qv和持续时间tc,随药量增加而显著增大；最大光强度D则随药量增加表现出不同趋势:悬吊试验随药量增加总体呈上升趋势,药量250 g 后增加不明显；臼炮试验则总体呈下降趋势。无约束条件下爆炸产物温度有一个上限值,这个值在一定药量范围内不随药量增加而增大；有炮孔约束情况下,药量增加可能会使爆炸产物的不完全氧化程度加深,致使火焰最大光强度D降低。

3)臼炮试验测得的爆炸光信号除最大光强度D外,光能Qv和持续时间tc都显著大于悬吊试验。这说明臼炮条件下炸药爆炸能转化为爆炸火焰的能量远大于悬吊条件。

2.2 药量与瓦斯点火延滞期的关系

悬吊试验和发射臼炮试验的结果见图4和表2。

图4 炸药爆炸与引燃瓦斯的典型光信号

表2 药量与瓦斯点火延滞期的关系

炸药爆炸能量释放分为冲击波和燃烧产物两种形式。试验条件下,瓦斯首先被冲击波绝热压缩,并受到随后而来的爆炸产物的作用,光信号呈波浪形,当冲击波点火能较弱时,瓦斯点火主要取决于爆炸产物的作用,有时会在一两个波浪后熄灭(见图4(a)),有的可以发展成为点火(见图4(b))。如果冲击波强度大则形成冲击波点火,不受随后爆炸产物的影响,其燃烧波形是逐渐上升的曲线,从炸药爆炸到瓦斯被点燃并能持续燃烧的时间小于1 ms,如图4(c)所示。

试验结果表明:

1)两种条件下,点火延滞期td差别较大,但都随着药量W的增加而缩短。

2)相对于有炮孔约束的发射臼炮试验,悬吊试验的点火延滞期明显小于臼炮试验点火延滞期。这是由于约束条件不同,爆炸能对瓦斯作用的形式有很大不同,悬吊条件下冲击波能占爆炸能量的70%以上[10-12]。所以,即使悬吊的爆炸火焰能量小,但对瓦斯的引燃能力却远大于在臼炮中爆炸。

3)从点火延滞期td的测试结果可以看出,臼炮条件下不形成冲击波点火,爆炸产物对引燃瓦斯起主导作用。

2.3 消焰剂含量对最大光强度、火焰光能和半数引火药量的影响

从煤矿乳化炸药的发展历程可以看出,消焰剂是煤矿乳化炸药必不可少的瓦斯引燃抑制剂,对消焰剂KCl 作用矛盾性的研究是煤矿乳化炸药的应用和发展的基础[13-16]。煤矿乳化炸药作为我国特有的产品品种,对消焰剂作用研究的系统性和深度不够。

在药量不变(225 g)情况下,消焰剂KCl 对模拟炮孔内炸药爆炸火焰光信号的影响试验结果见图5,在50%引火率不变条件下,消焰剂对半数引火量及其爆炸火焰光信号的影响见图6。

图5 固定药量条件下消焰剂对爆炸火焰光信号的影响

图6 相同引火率条件下消焰剂对半数引火量及其爆炸火焰光信号的影响

图5表明:在爆炸药量不变的前提下,爆炸火焰光信号总体上随炸药中消焰剂含量的增加而减弱,说明消焰剂的加入,可以降低炸药爆炸产物的温度、能量和火焰持续时间。

图6的试验结果表明:

1)随消焰剂含量增加,炸药半数引火药量大幅提高,近似直线关系。

2)在保持瓦斯引火率不变的情况下,随消焰剂含量增加,爆炸火焰光信号最大光强D减小、爆炸火焰持续时间tc和光能量Qv增大,瓦斯被点燃的延滞期td延长。出现这种随爆炸药量和爆炸火焰能量增加而引火率不变的情况,说明消焰剂具有物理和化学两方面的作用。一方面由于消焰剂是无机盐,在炸药中作为惰性物添加,稀释了炸药能量、吸收热量,降低了爆炸产物温度,使得光强D减小；另一方面,说明消焰剂组分混合在爆炸产物中具有抑制瓦斯引燃连锁反应的化学作用,即捕捉瓦斯连锁反应游离基的功能,使得爆炸药量增加、爆炸火焰持续时间tc和光能量Qv增大的情况下,延长瓦斯的点火延滞期,保持瓦斯引火率不变。

3 结语

1)针对煤矿炸药爆炸引燃瓦斯的研究,辅以光电测试手段,可以获取更多关于炸药爆炸和瓦斯引燃的过程信息,对炸药配方设计和组分选择,以及应用都具有实际意义。

2)不同的约束条件,炸药爆炸能量输出与作用形式的差异较大,对炸药爆炸引燃瓦斯的影响显著。裸露条件下以冲击波作用为主,炮孔约束条件下以爆炸产物作用为主。

3)煤矿炸药的消焰剂组分,一方面通过降低爆炸能量、产物温度和火焰持续时间的物理作用,减弱炸药自身对外的爆炸作用,有效延长了瓦斯引燃的点火延滞时间；另一方面通过捕捉瓦斯连锁反应游离基的化学作用,中止瓦斯燃烧,实现其对瓦斯的控制作用。