多孔粒状铵油炸药油相组分研究进展

崔 刚，叶 辉，马 平，谭本岭

(1 北京矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2 北京北矿亿博科技有限责任公司，北京 102628)

多孔粒状铵油炸药，简称ANFO，是一种常见的现场混装炸药，具有生产工艺简单，成本低廉，性价比高等优点，在露天岩石爆破应用较为广泛，特别是2018年11月13日，工业和信息化部出台的《推进民爆行业高质量发展的意见》，将鼓励推广现场混装炸药生产方式，因此未来几年其使用量将有较大地提升。

ANFO是将多孔粒状硝酸铵和油相通过物理混合制备而成，所用多孔粒状硝酸铵是一种具有高孔隙率、高比表面积的物质，比表面积可高达1000 cm2·g-1，达到零氧平衡时，较适宜的重量占比为94%～95%[1]。所用油相从理论上讲，凡是燃烧后能生成二氧化碳和水的碳氢燃料都可以作为ANFO的油相组分，但是为了使多孔粒状硝酸铵保持一定的吸附量和吸附速率，油相组分必须具有粘度低、流动性能好、吸附强度高等特点。在实际生产中最常用的油相组分是柴油，其具有较高的热值和优异的流动性能，与多孔粒状硝酸铵通过物理吸附、充分接触会形成为稳定的物质，具有良好的爆轰性能[2]。但是柴油缺点同样明显：闪点较低、挥发性强，在现场操作上会有较为强烈的刺激性气味。且从微观上看，在吸附过程中，柴油会在多孔粒状硝酸铵的表层铺展，由于两者较大的表面张力差，且在外界振动颠簸下，两者容易发生脱附，造成ANFO的溢油现象，影响了其使用性能的稳定。

通常情况下，油相组分只占ANFO总量的5%～6%，但是其性能的优劣却影响甚至决定着ANFO的各种爆轰性能。近年来，对于ANFO的油相组分研究较多，研究者将很多材料应用于ANFO，取得了优异的效果，本文将最新研究和使用进展进行介绍。

1 废弃油在ANFO中的应用

近年来随着能源危机的加剧，能源日趋短缺，石油衍生产品常常出现供不应求的局面，与之对应的是国内每年产生大量的废弃油，如废弃矿物油、废食用油等。如果大量的废弃油的后处理不得当，不但造成较大的能源浪费，并且对环境造成不可估量地污染。因此很多研究人员将废弃油引入到ANFO的应用中，实现了废弃油再生的循环利用[3]。

露天大型矿山机械设备使用过程中会产生大量的废矿物油，这些矿物油长期使用后物理属性会发生变化，但是其化学性质未发生较大的改变，仍然具有较高的热焓。宋日[4]将产生的废矿物油替代部分柴油，油相组分为2.75%废矿物油和2.75%柴油，40 ℃运动粘度为为12.0～17.7 mm2·s-1，吸油率为9.8%。废矿物油和柴油的组合物既保证了油相组分适宜的黏度和吸油率，且制备的ANFO符合GB 17583-1998的各项规定。

邵振宇等[5]将废弃矿物油(废机油、液压油、齿轮油等)、热值增加剂(二茂铁、过氧化锌、硝酸酯等)和抗冻剂(醇类、环烷酸、航空煤油等)等制备的油相组分，调节粘度低至0.82 g·cm-3，热值高达4200 kJ·kg-1，其抗冻性能好，适宜于北方寒冷地区现场混装ANFO的使用，其爆速最高可达3612 m·s-1。

中国每年会产生500万吨废弃食用油脂，这些油脂的再回收利用已经越来越得到关注，岳中文等[6]利用油脂和柴油良好的相容性，按照废弃食用油脂和柴油1:1的配比，运动黏度适宜，且保证了多孔粒状硝酸铵的吸油率，生产出的ANFO爆速高达3287 m·s-1。

总之，再生油在ANFO的应用，不但大幅降低了生产成本，提高了经济效益，且对产生的大量的废弃油的循环利用和环境保护起到了一定的作用，具有较强的社会意义。

2 生物质燃料在ANFO中的应用

生物质燃料具有低污染、可再生、热值高等优点，属于国家大力提倡和发展的优质能源，在ANFO中也较多的应用。

2.1 生物柴油在ANFO中的应用

生物柴油是指将动植物油脂与低碳醇经酯交换反应制备的脂肪酸酯，具有较高的热值(与柴油热值接近)，其黏度、流动性能和扩散性能与柴油差别不大，可以完全替代或部分替代柴油，而且脂肪酸酯闪点大于130 ℃，无刺激挥发性气味，安全性远高于柴油[7]。

许畅[8]将氢化油(氢化大豆油、氢化棕榈油或氢化菜籽油等)在催化剂(碳酸盐、碱金属氢氧化物、金属氧化物等)通过高温催化裂解(350～450 ℃)、石油醚收集冷却裂解产物、蒸馏、收集等流程制备的生物质燃料油，具有更好的稳定性和高热值，且提高了油相闪点和生产安全性，抑制了多孔粒状硝酸铵与柴油混拌后溢油的缺点，建议添加量为3%～7%，制得的新型ANFO炸药性能得到明显地提升。

2.2 木粉在ANFO中的应用

木粉是一种经过粉碎的天然材料，碳氢质量分数高，负氧平衡大，可调节炸药体系的疏松程度，是一种优良的可燃剂、敏化剂和疏松剂。郭占江等[9]和刘万荣等[10]采用93%多孔粒状硝酸铵和3%木粉预混合，然后与4%柴油混拌成为ANFO。添加了木粉的ANFO降低了炸药密度，爆速可高达3486 m·s-1，减少了炮孔装药量，降低了爆破单耗，适用于露天矿和软岩层爆破。

2.3 竹炭粉在ANFO中的应用

竹材是天然产物，将竹材在700～800 ℃下经炭化、粉碎而制备成为竹炭粉，其具有较高的比表面积(直径0.5～1 mm粒径的竹炭粉可达350 m2·g-1)，具有较强的调湿能力和吸附功能，当其与柴油、多孔粒状硝酸铵混合后，可在一定程度上减少柴油组分的挥发和阻止外界水分的进入，提高ANFO的稳定性，且其表面较多的孔隙形成热点，在一定程度上可提高ANFO的炸药感度。采用93%～95%的多孔粒状硝酸铵、2.5%～3%的轻柴油和1.5%～4%的竹炭粉混合后，爆速可高达3486 m·s-1。添加竹炭粉后，在一定程度上可改变ANFO的理化性质和爆轰性能，且大大降低了生产成本[11]。

3 煤粉的利用

我国是富煤国家，近年来煤炭一直处于供过于求的局面。煤炭经粉碎后形成一定粒径的煤粉，是一种以碳元素为主的含能燃料，热值较高，市场来源稳定，与柴油复配可制备为良好的复合可燃剂[12]。

神华准能集团公司率先将煤粉应用于ANFO领域[13]，张智俊等[14]经过试验后，确定了多孔粒状硝酸铵94%，柴油3.5%和煤粉2.5%的配比，ANFO爆速可达3061 m·s-1，猛度18.5 cm，宋日等[15]使用细小的煤粉与多孔粒状硝酸铵混合，由于细小的煤粉粒径与多孔粒状硝酸铵的孔径接近，会在其表面形成良好的接触和均匀的覆盖，用2.5%～3%的煤粉替代柴油后，ANFO爆轰性能有极大的提高，爆破效果好，且波阻抗与岩石波阻抗接近，发挥了ANFO的最大威力。由于炸药单耗低，不但降低了生产成本，而且扩大了对煤粉的应用范围。

4 乳化柴油在ANFO中的应用

乳化柴油是柴油和水或醇类等在乳化剂作用下通过机械作用剪切形成的油包水型乳状液，是将互不相容的、极性和表面张力差别较大的柴油和水或醇类形成均相有效的方法。

丁海峰[16]用Span 80、十二烷基苯磺酸钠和亚甲基纤维素钠等乳化剂，利用超声波乳化制备了稳定的含水乳化柴油。当制备的ANFO在爆炸冲击波下时会产生迅速的热膨胀，形成高温高压的作用，水分子微粒会在此体系条件下迅速汽化，形成的二次雾化促进油膜的充分反应，实验结果证明：此乳化柴油与多孔粒状硝酸铵紧密融合后，ANFO的猛度和爆速(2870～3200 m·s-1)明显提高，且其储存期明显改善；

刘晓明等[17]将75%～85%的燃料油、5%～10%的复合乳化剂和0～5%的水制备了复合油相微乳状液，通常情况下由于油-水较高的表面张力很难相容，但在合适的乳化剂的作用下能够进行油-水增溶，从而可实现稳定的油水相容状态，其微粒可达纳米级，闪点较普通柴油高15 ℃，试验表明：新型油相制备的ANFO的爆速较传统ANFO提高了20.7%，作功能力提高11%，有毒气体排放降低12%；

倪欧琪等[18]传统的燃料油(柴油、润滑油、汽油、植物油、动物油、煤制油等)、乳化剂(油酸酯、聚异丁烯丁二酰亚胺、聚氧乙烯醚、吐温、曲拉通、十二烷基苯磺酸钠等)、低碳醇溶液和无机盐溶液(硝酸盐、碳酸盐、硫酸盐、磺酸盐等)制备的乳化油或微乳化油，安全性上远高于柴油，和多孔粒状硝酸铵混合后制备的ANFO具有较高的爆速(3300 m·s-1)和做功能力，有毒气体含量降低了大约三分之一，具有较强的环保意义。

5 结 语

目前ANFO所用油相材料要求高安全、低成本、高性能。废弃油、生物质燃料、煤粉应用于ANFO中，能够解决目前柴油闪点较低、挥发度高、气味刺激等问题，且有效缓解了炸药生产对柴油的依赖，提高了炸药性能，降低了生产成本。近年来，乳化柴油研究炙手可热，已经应用于内燃机领域，其主要特点是添加水或醇类后，乳化柴油制备的ANFO会有较多的“气化核心”，形成“微爆助燃”的作用，能有效提高炸药的爆轰威力。目前乳化柴油在ANFO应用的技术瓶颈是如何保证适宜的黏度、较高的吸油率和开发高效经济的乳化剂，这将是乳化柴油在ANFO应用的重要研究方向。