多孔粒状铵油炸药爆炸后有毒气体含量的常压测试方法❋

孙 晨

中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司检测中心（安徽淮北，235100）

引言

作为现场混装炸药的一种，多孔粒状铵油炸药在制造和使用方面具有诸多优点[1]，得到迅速发展且用量大幅提升。随着以现场混装炸药[2]为主导产品的格局的逐步形成，建立以多孔粒状铵油炸药为代表的现场混装炸药爆炸后有毒气体测试方法，对指导现场混装炸药产品配方调整、控制有毒气体产生量等方面均具有重要的现实意义。

目前，国内工业炸药爆炸产生有毒气体方面的研究，基本上采用传统工业炸药测试标准GB18098—2000中规定的方法[3-6]。而对现场混装炸药爆炸产生有毒气体方面的研究鲜有报道。南理工的学者针对多孔粒状铵油炸药爆炸后有毒气体含量进行了研究，且取得一定成果，但依然采用传统方法适当改进后进行检测[7]。传统工业炸药爆炸后有毒气体测试方法中，装药量一般在130 g以下，试验药量较小且限制了炸药装药直径，尤其是后期需对弹筒进行抽真空，导致样品在真空状态下引爆，与实际爆破作业环境不符。

本研究中，将多孔粒状铵油炸药放置在实验室前期建立的有毒气体爆炸箱中，在常压状态下引爆。一方面，可以扩大试验药量，更贴近混装炸药真实爆轰[8]；另一方面，可改变装药直径，分析其有毒气体产生量的影响因素，进而建立常压下多孔粒状铵油炸药爆炸后有毒气体的测试方法。

1 试验部分

1.1 试验装置与主要仪器

试验装置如图1所示。最大试验药量500 g TNT当量；爆炸箱有效容积15.56 m3；内置钢炮的外部尺寸为∅450 mm×600 mm，中心孔尺寸为∅100 mm×420 mm。

图1 有毒气体爆炸箱测试装置Fig.1 Toxic gas explosion box test device

试验仪器设备:数字式温湿度计，KDTH-1型，温度测量精度为±0.5℃，湿度测量精度为±3%；便携式红外一氧化碳分析仪，GXH-3011A1型，分辨率0.001%；U型压力计，量程0～10 kPa，分度值0.1 kPa；紫外-可见分光光度计，UV1900型。

1.2 试验方法及步骤

雷管均选择8＃工业电雷管。以煤矿许用乳化炸药作为起爆药，试验用多孔粒状铵油炸药装药密度为0.94 g/cm3，假定起爆药与受试药爆炸后有毒气体具有加和性。试验用牛皮纸长300 mm、宽200 mm，并按直径要求制成相应纸筒，底部用裁好的规格一致的牛皮纸密封。试验改装用牛皮纸的质量低至几克，与几百克炸药爆炸相比，其产生的有毒气体量相对很小，因此不考虑牛皮纸对有毒气体含量的影响。

试验前，用温湿度计测试爆炸箱内系统的温度和湿度。将改装后的试验药卷放入爆炸箱内起爆；起爆完毕，开启循环风机至少工作5 min，使爆炸箱内的气体混合均匀；打开箱体外壁管路阀门，待压力稳定后，记录U型压力计的压差、爆破后爆炸箱内部的温度和湿度、测试时环境的气压；最后，用取样器进行取气测试。

爆炸箱密封性判定:爆炸后，循环加静置15 min以上，以箱体侧壁U型压力计示数基本保持稳定为准。如压力计示数一直降低，无法稳定读数，则判定为密封不达标。

气体试样中，一氧化碳采用定制量程为0～1.000%的便携式红外一氧化碳分析仪测定，氮氧化物采用紫外-可见分光光度计测定。具体的测定方法参照《工业炸药爆炸后有毒气体含量的测定》中规定的方法进行。

1.3 试验内容

1.3.1 确定石英砂填充量

工业卷装乳化炸药爆炸性能相对稳定，可以作为研究对象。在不改变原药卷状态下，称取500 g卷装乳化炸药，改变石英砂的填充量，分别进行4组试验。在常压下大爆炸箱内，研究石英砂填充量对炸药爆炸后有毒气体含量的影响。

1.3.2 确定起爆药量

称取500 g左右多孔粒状铵油炸药，用牛皮纸改装为直径80 mm的受试药卷，分别在起爆药质量为50、60、70、80、90、100、110 g和120 g下进行起爆试验。

1.3.3 不同装药量和装药直径试验

在确定起爆药量后，改变多孔粒状铵油炸药的装药量为300、400 g和500 g，分别进行试验，记录有毒气体数据；在最佳起爆药量和装药量下，改变装药直径为70、80 mm和90 mm分别进行试验。

1.4 计算公式

由于测试过程为非真空状态，因此参照原有毒气体计算公式进行调整，得到常压下单位质量多孔粒状铵油炸药爆炸产生的有毒气体体积V的计算公式:

式中:V箱表示有毒气体爆炸箱测试装置(含管道部分)的实际有效容积，L；V起为单位质量起爆药爆炸后生成的有毒气体体积，L/kg；p3为U型压力计测定的压力，kPa；p2为试验前、后水蒸气的分压差，kPa；p1为测定时的大气压力，kPa；ϕ1和ϕ2分别为改装药卷(含起爆药)爆炸后气体试样中一氧化碳和氮氧化物的体积分数，%；m为测定用起爆药量，g；m′为测试用现场混装炸药量，g；t为测定时爆炸箱内室温，℃；101.3为压力换算系数。

测试在常压条件下进行，试验环境为非真空且容积较大，爆炸箱体内本身存在空气且空气中带有水蒸气；因而，初始状态下存在水蒸气分压。分压差p2表示为:

式中:θ1、θ2分别为试验前、后空气的相对湿度；p′、p″分别为试验前、后对应温度下的饱和水蒸气压力。

2 结果与讨论

2.1 石英砂填充量的影响

称取500 g煤矿许用乳化炸药，加入石英砂后，在试验装置中引爆。装药情况如图2所示；测试结果如表1所示。

图2 不同石英砂填充量时的装药Fig.2 Charge with different filling volume of quartz sand

由表1数据可知，常压下起爆时，随着石英砂填充量的增加，有毒气体含量呈降低趋势。未填充石英砂时，炸药与钢炮孔之间存在较大间隙。填充石英砂后，相当于增加了炸药的束缚，使爆轰效果更好；同时，炸药爆炸后，石英砂起到快速冷却周围气体的作用，使反应向不利于一氧化碳生成的方向进行。当石英砂刚好覆盖住受试药卷和雷管尾部后，再增加石英砂量，有毒气体含量基本保持恒定。因为在该条件下，炸药达到稳定爆轰状态，再增加石英砂量对爆炸反应的影响很小，导致有毒气体量趋于稳定。因此，为统一试验条件和便于操作，后续测试时可选择石英砂填充至刚覆盖住受试药卷。

表1 石英砂填充量对有毒气体量的影响Tab.1 Influence of filling amount of quartz sand on content of toxic gas

2.2 起爆药量的影响

以50 g起爆药量起爆，爆炸效果如图3所示。观察爆炸效果发现，试验后装置内无残药，以此判断50 g试验药量可使500 g多孔粒状铵油炸药完全起爆。起爆药量对多孔粒状铵油炸药爆炸产生有毒气体的影响见图4。

图3 起爆药量50g时的爆炸效果Fig.3 Explosion outcome when detonating charge is 50 g

由图4可知:随着起爆药量的增加，多孔粒状铵油炸药爆炸后有毒气体量整体呈下降趋势；起爆药增加到一定药量，有毒气体量基本趋于稳定。造成该差异的主要原因:当起爆药量较小时，虽能起爆多孔粒状炸药，但是由于起爆能量较低，导致爆轰效果不稳定，因而产生较多的有毒气体；当继续增大起爆药量，相当于增加了起爆能量，500 g多孔粒状铵油炸药爆轰效果趋于稳定，从而有毒气体量降低且趋于稳定。为统一变量，后续试验研究中起爆药量选择100 g。

图4 起爆药量与多孔粒状铵油炸药爆炸产生的有毒气体含量的关系Fig.4 Relationship between amount of explosive and content of toxic gas produced by explosion of porous granular ammonium

2.3 装药直径和装药量的影响

多孔粒状铵油炸药在大爆炸箱内试验的装药示意图见图5。

图5 多孔粒状铵油炸药装药图Fig.5 Charge diagram of porous granular ammonium explosive

确定多孔粒状铵油炸药装药量为500 g时，改变装药直径为70、80 mm和90 mm，以100 g起爆药进行起爆。测试结果如表2所示。

由表2结果可知，装药直径为80 mm时，有毒气体含量最少。当装药直径为70 mm时，装药长度较长，多孔粒状铵油炸药的装药本身就具有不稳定性，起爆时药卷传爆效果不理想，爆轰不连续，导致有毒气体含量增加。而药卷直径过大，接近炮孔直径时，有毒气体量也会增加。

表2 装药直径对有毒气体含量的影响Tab.2 Influence of charge diameter on content of toxic gas

造成此现象的原因:改装后的多孔粒状炸药在该炮孔内可能已达到炸药极限直径。同时，在同样500 g药量下，直径90 mm时药卷过短，参照之前研究[9]，炸药并不是在起爆后立即达到稳定爆轰状态，而需要传爆一定距离，爆轰反应才达到稳定；药卷过短导致炸药爆轰未达到稳定状态或稳定爆轰段过小，从而有毒气体含量增加。

确定装药直径为80 mm、起爆药量为100 g时，改变多孔粒状铵油炸药的装药量进行测试，测试结果如表3所示。

表3 多孔粒状铵油炸药装药量对有毒气体含量的影响Tab.3 Influence of charges of porous granular ammonium explosives on content of toxic gas

由表3测试结果可得，对于现场混装炸药而言，在装药直径相同的情况下，装药量(即试验药量)增大，有毒气体含量降低。主要因为针对现场混装炸药而言，在条件允许的情况下，大药量更能真实反应炸药爆轰情况，在一定范围内有利于爆炸的稳定性。由于试验装置对试样药量的限制，继续增大试验药量可行性不高；因此，根据炸药爆炸性能，设想当装药量继续增大，装药长度增加，最终由于装药长度过长可能导致爆炸反应过程不稳定，传爆性能下降，有毒气体量增加。

3 结论

1)基于有毒气体爆炸箱测试装置，建立了多孔粒状铵油炸药在常压环境下大药量爆炸时产生的有毒气体含量的测试方法，试验药量达500 g。该方法同时可为其他现场混装炸药爆炸产生有毒气体含量的测试提供参考。

2)在常压下测试时，石英砂装填量选择刚覆盖住受试药卷为宜；再增加石英砂用量，有毒气体含量无明显变化。

3)以工业卷装乳化炸药作为起爆药起爆多孔粒状铵油炸药的结果是可行的。选择起爆药量为100 g、多孔粒状铵油炸药装药量为500 g、装药直径为80 mm时，有毒气体含量最低。以此作为多孔粒状铵油炸药常压下爆炸产生有毒气体含量测试的最佳试验条件。