低爆速多孔粒状铵油炸药的实验研究

武 轩，郭占江，闫海勇，王建英

(神华准能集团炸药厂，内蒙古 鄂尔多斯 010300)

1 工程背景

黑岱沟露天煤矿设计开采的煤层为二叠纪6#煤层，平均厚度为31 m，为复合煤层，分6上、6中、6下3层。其中6上厚10 m、6中厚16 m、6下厚5 m，优质煤集中于6中煤层，发热量为4 200～5 700 kcal。煤台阶分3层开采，现场工作面空间狭窄，穿孔和爆破作业受到很大限制。如何在此不利条件下，使煤台阶爆破[1]的粉碎区范围减小，裂隙区范围增大，以提高块煤率，是一个亟待解决的技术难题[2-3]。

多孔粒状铵油炸药ANFO(Ammonium nitrate fuel oil)具有生产工艺简单、成本低、原材料来源广、施工操作简单、可现场混装等优点，在各类岩石工程爆破中被广泛应用。多孔粒状铵油炸药的爆速通常为3 400 m/s左右，密度为0.86 g/cm3左右，波阻抗为2.92×106kg/m2·s。煤台阶波阻抗为1.1×106kg/m2·s，两者相差较大。如果炸药爆炸峰值压力高，作用时间短，则易造成炮孔周围岩石过度粉碎，裂隙区发育范围小，块煤率低。因此，降低炸药的波阻抗是解决问题的关键[2]。

低爆速炸药是指一类极限爆速较低的炸药，其极限爆速通常在1 500～2 200 m/s。目前国内低爆速炸药主要由改性铵油炸药添加高分子材料[4]、乳化炸药中添加黏土或硫酸钠[5-6]、单质炸药添加金属粉末[5]等制成，这些产品生产工艺复杂，成本较高，生产、贮存、使用的安全性较差。自20世纪80年代以来，国外研制了许多品种的低爆速炸药，如瑞典的纳必特、古立恃及日本的SB光爆炸药等都是含有硝化甘油的粉状炸药，但爆速均在3 000 m/s以上。

国内刘晓明[4]在改性的铵油炸药中添加聚苯乙烯微球来降低爆速，结果表明当聚苯乙烯球的加入量在0.5%～1.0%时，爆速由原来的2 857 m/s降低至2 564 m/s，降低程度并不明显。马宏昊等[5]在乳化炸药中添加5%～25%的黏土，爆速为2 000～ 2 800 m/s主要适用于低爆速爆炸焊接。李占荣等[6]在粉状乳化炸药中添加20%～33%的工业硫酸钠，爆速为2 100～2 200 m/s，主要应用于高端异相金属板材的爆炸焊接。王鹏等[7]在单质炸药中添加10%～25%的铝粉，爆速在2 510～2 760 m/s之间，爆速调节范围较窄，且安全性能不佳，机械感度较高。近年来低爆速的多孔粒状铵油炸药研究较少，能适用于露天矿生产的低爆速炸药更少。

为了降低多孔粒状铵油炸药的爆速，作者在铵油炸药中添加不同的惰性物质，主要成分是SiO2、Al2O3等氧化物，在低爆速铵油炸药中不参与反应，只是在局部隔断了铵油炸药连续性，延长爆炸反应时间，从而降低了爆速和威力。并探索出了一条生产工艺简单、成本较低、适合露天矿生产要求且环境友好的工艺路线。

2 实验研究

2.1 实验材料与仪器

实验材料有多孔粒状硝酸铵(乌拉山化肥厂)、柴油(-35#神华煤制油化工有限公司)、珍珠岩(内蒙古华亨有限责任公司)、火山岩(河北万景浮石科技有限公司)、陶粒滤料(河南博达净水材料有限公司)。

仪器有BSW-3A智能爆速测定仪(湖南湘西州奇博矿山仪器厂)，密度杯(自制，体积1 L，不锈钢材质)。

2.2 炸药配方

炸药配方如表1～表3所示，将多孔粒状硝酸铵、惰性添加物和柴油按表中配比混合均匀，即可得到低爆速粒状铵油炸药。

表1 添加珍珠岩的炸药配方

表2 添加火山岩的炸药配方

表3 添加陶粒滤料的炸药配方

2.3 数据测试与结果分析

2.3.1 吸油率

准确称取惰性物质样品20 g(精确至0. 000 1 g)，放置入100 mL干燥洁净的烧杯中，用柴油浸湿并覆盖试样，不断搅拌，浸泡24 h后倾入砂芯漏斗中，用真空泵抽滤10 min后称取试样(精确至0.000 1 g)。 吸油率按下式计算：

(1)

式中：x为粒状硝酸铵吸油率，%；m1为试样吸油前的总质量，g；m2为试样吸油后的总质量，g。

珍珠岩、火山岩、陶粒滤料在柴油中的吸油情况，火山岩的吸油率最高达8.3%，陶粒滤料的吸油率最低为6.32%，珍珠岩的吸油率为6.70%。多孔粒状硝酸铵吸油率为8%～10%。惰性物质吸油率越低越好，造成柴油的浪费少。对比数据可知，陶粒滤料的吸油率最低。

2.3.2 密度

炸药的密度是炸药爆炸性能的重要参数之一。用密度杯盛样粒状铵油炸药，用刮刀将杯口刮平，电子秤称量，计算炸药密度。

随着珍珠岩质量比的增加，ANFO的密度下降(见图1)。当珍珠岩含量在4%～9%之间变化时，炸药的密度在0.45～0.69 g/cm3之间变化。多孔粒状硝酸铵的堆积密度为0.73～0.86 g/cm3，本实验选取的珍珠岩的堆积密度为0.08～0.10 g/cm3。由于两者密度差异较大，珍珠岩质量比越大，ANFO的密度下降就会越多。

图1 添加珍珠岩后ANFO的密度

ANFO密度随着火山岩质量比的增加而增大(见图2)，当火山岩含量在25%～35%之间变化时，炸药的密度在0.85～0.88 g/cm3之间变化，且呈现良好的线性关系，说明火山岩与多孔粒状硝酸铵混合的均匀度最好。本实验选取的火山岩堆积密度为1.00～1.05 g/cm3，密度略大于多孔粒状硝酸铵。

图2 添加火山岩后ANFO的密度

ANFO密度随着陶粒滤料质量比的增加而增大(见图3)，当陶粒滤料含量在15%～40%之间变化时，炸药的密度在0.77～0.91 g/cm3之间变化，陶粒滤料的堆积密度为0.85～0.95 g/cm3，与多孔粒状硝酸铵的堆积密度差异最小，混合均匀度较好。

图3 添加陶粒滤料后ANFO的密度

2.3.3 爆速与波阻抗

将配制的炸药装在直径为150 mm 的PVC管内，运送至实验场，用爆速仪测试爆速。测试前，将两根把线插入炸药内部，相距200 mm，通过测试炸药爆炸时两根把线前后导通的时间差，计算出爆速。

波阻抗按照下式计算：

Z=ρD

(2)

式中：Z为波阻抗 ；ρ为密度；D为爆速。

添加不同质量比的惰性物质后多孔粒状铵油炸药的爆速与波阻抗如表4～表6所示，当珍珠岩的质量比为4.6%～9%时，爆速在1 500～2 200 m/s范围内，其中含量为4.6%爆速为2 046 m/s时，波阻抗为0.98×106kg/m2·s与煤台阶波阻抗1.1×106kg/m2·s匹配程度较高，应用于露天矿煤台阶松动爆破，块煤的产出率提高了3%。当火山岩的质量比在27.5%～30%时，爆速在1 500～2 200 m/s范围内，其中含量为30%时，爆速为1 506 m/s，波阻抗为1.31×106kg/m2·s，此时的质量比最佳。当陶粒滤料的质量比为30%～40%时，爆速在1 500～2 200 m/s范围内，其中含量为40%时，爆速为1 631 m/s，波阻抗为1.58×106kg/m2·s，此时的质量比最佳。

表4 添加珍珠岩后ANFO的爆速与波阻抗

表5 添加火山岩后ANFO的爆速与波阻抗

表6 添加陶粒滤料后ANFO的爆速与波阻抗

3 3种惰性添加物的优缺点分析

1)珍珠岩。混合均匀性及爆炸稳定性：珍珠岩颗粒密度很低，与多孔粒状硝酸铵混合后飘在上层，混合均匀度很差，易导致炸药的爆轰性能不稳定。

环境保护方面：珍珠岩混合过程中有粉尘，车间生产环境差，不利于操作人员身体健康。

成本：珍珠岩价格约为12 000元/t，多孔粒状硝酸铵价格约为3 000元/t，-35#柴油价格约为7 000元/t。珍珠岩、多孔粒状硝酸铵、柴油的最佳质量比为4.6∶89.9∶5.5，计算得添加珍珠岩的ANFO成本约为3 637元。

吸油率:珍珠岩吸油率在3种惰性物质中居中。

2)火山岩。混合均匀性及爆炸稳定性∶火山岩颗粒密度略大于多孔粒状硝酸铵，混合密度呈良好的线性关系，混合后均匀度最好，爆轰性能稳定。

环境保护方面:火山岩硬度较低，颗粒不规则，混合过程中颗粒易粉碎产生粉尘，不利于操作人员身体健康。

成本:火山岩颗粒可添加质量比为27.5%～30%，市场价格约1 200元/t，火山岩、多孔粒状硝酸铵、柴油的最佳质量比为30∶64.5∶5.5，材料成本约为2 680元。

吸油率：火山岩吸油率在3种惰性物质中最高。

3)陶粒滤料。混合均匀性及爆炸稳定性：陶粒滤料颗粒密度与多孔粒状硝酸铵最接近，混合均匀度较好，爆轰性能稳定。

环境保护方面：陶粒滤料硬度较高，球状颗粒，混合过程中不易粉碎，无粉尘，有利于环保和员工身体健康。

成本：陶粒滤料价格便宜价格约为700元/t，按最佳质量比计算，即陶粒滤料∶多孔粒状硝酸铵∶柴油为40∶54.5∶5.5，得出成本约为2 300元。

吸油率：陶粒滤料颗粒为球状，表面较光滑，吸油率3者中最低。

4 结语

1)添加惰性物质调节多孔粒状铵油炸药的爆速，延长爆炸作用时间，降低炸药波阻抗，提高其与煤台阶波阻抗的匹配度，有利于裂隙区发育，从而提高块煤率。

2)综合考虑混合均匀性、爆轰稳定性、环保要求、材料成本等几方面，在珍珠岩、火山岩和陶粒滤料中，陶粒滤料是最佳的惰性添加物。陶粒滤料添加质量比为30%～40%，陶粒滤料∶多孔粒状硝酸铵∶柴油的最佳质量比为40∶54.5∶5.5。此配比的铵油炸药爆速为1 631 m/s，波阻抗为1.58×106kg/m2·s，与煤台阶的波阻抗1.1×106kg/m2·s匹配度较高。