液态CO2相变爆炸激发药剂的爆炸性与安全性

杨海斌 ,汪旭光 ,王尹军 ,张建如

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；2.河北云山化工集团有限公司，河北 邢台 054011；3.矿冶科技集团有限公司，北京 100160)

CO2相变爆炸技术是指将密闭容器内处于低温和高压状态下的液态CO2瞬间转变为气态，利用其体积快速膨胀完成对外做功的一种工程爆破技术。这种“液-气”相变做功是一种物理爆炸过程。相较于炸药爆炸而言，CO2相变爆炸过程的破坏性较小，危险性较低，具有振动和噪声小、扬尘和飞石少、爆破点温度低、相变过程无有害气体生成等优点，在煤矿掘进、放顶和煤层增透中应用较多，尤其适用于高瓦斯煤矿开采中抽排瓦斯的致裂爆破[1]。欧美国家于1914 年开始研究CO2相变爆炸技术，20世纪50～60年代，一些采矿业比较发达的国家，如英、法、美、俄、波兰、挪威等，将高压气体爆破采煤技术用于大型煤矿压裂增透和地下矿开采[2-3]。20世纪80年代，国内对CO2相变爆炸技术在煤矿的应用进行了相关试验。杜泽生等[4]自2011年开始从CO2爆破管、发热药剂、点火药头等几个部分对Cardox装置进行了改进。周西华等[5]测试了液态CO2爆炸过程中储液管内压力的变化情况。张家行[6]在煤矿井下使用 CO2爆破技术，抽采浓度和纯量明显提升。张开加[7]分析了爆压、地应力对液态CO2致裂爆破裂纹扩展和增透效果的影响。杨百舸等[8]在山西新元煤矿 31002工作面，开展了CO2相变爆炸技术的应用试验，瓦斯抽采浓度从17.3%上升到48.1%。方鹏[9]在斜沟煤矿18205工作面的CO2相变爆炸增透试验结果表明，煤层透气性系数提高了17.52～21.98倍。李稳等[10]开展了CO2相变爆炸激发地震波的野外人工震源激发-接收实验。夏军等[11]研究了CO2相变爆炸技术在台阶破岩、块体破岩、孤石破岩、隧道掘进等环境下的应用。龚政[12]将CO2相变爆炸技术应用于南水北调工程的包封混凝土拆除。李世安[13]在城市地铁车站基坑开挖中采用了直径98 mm的 CO2致裂管。熊宏武[14]将CO2相变爆炸技术应用于综合管廊基坑开挖中。丁海龙等[15]将CO2相变爆炸技术应用于海拔4 000 m高的水库工程隧洞开挖和边坡、槽挖、孤石预裂等。董云涛等[16]采用CO2相变爆炸技术对某单位电石炉软断电极进行了破碎处理。王燕等[17]研究得到CO2相变高压气体动压破岩的机理及岩体裂隙、强度和CO2相变气体压力等参数之间的关系。赵程鹏等[18]对73型液态CO2致裂管单管单孔致裂岩体性能进行了现场试验。衡献伟等[19]在轿子山煤矿M9煤层，通过对比试验考察了致裂孔不同施工顺序和不同装液量对有效抽采半径的影响。赵丹等[20]在王家岭煤矿 2 号煤层 20109 工作面回风巷，开展了液态 CO2相变爆炸增透试验。李青松等[21]在贵州安顺轿子山煤矿平桥井二水平9807进风巷，进行了CO2相变致裂增透钻孔参数优化试验。白鑫等[22]采用液态 CO2相变爆炸技术，在低渗砂岩型铀矿地浸采铀抽、注液孔之间产生大量的联通裂隙。朱宽等[23]就CO2爆破不同步问题，研究了电点火头电阻值、致裂管结构和激发管药剂与CO2气体质量配比3个因素的影响。贾进章等[24]对液态 CO2相变爆破后应力波在煤体中的衰减、煤体损伤程度和致裂半径形成进行研究。李维[25]在临近边坡的综合管廊开挖过程中，采用垂直孔、倾斜孔与控制孔相结合的方式进行液态CO2相变爆破。

在CO2由液态转变为气态的过程中，需要吸收一定的热量，这些热量由激发药剂提供，因此能否可控且稳定地进行有效激发而产生足够的热量，是一个关键问题。常用的方法是通过点火药头对一定质量的化学药剂进行点火，使之快速反应，在短时间内产生大量热量。这类化学药剂通常被称作激发药剂或发热药剂，一般是由氧化剂和还原剂混合而成。激发药剂的爆炸性关系到激发药剂的物质归类、危险性等级和安全使用等问题。郭超等[26]基于最小自由能原理分别计算了3种激发药剂和黑火药、高氯酸铵的爆轰参数，结果表明由Al和Fe2O3组成的铝热剂产热量较大，但是爆炸威力较小，难以维持爆轰，分别由偶氮二甲酰胺、高氯酸钾和水杨酸、高氯酸钾、草酸铵组成的2种激发药剂，性质相仿，爆炸威力均大于黑火药和高氯酸铵。而关于激发药剂爆炸性的试验研究，还未见有关报道。

本文对自主研制的激发药剂进行了爆炸性试验，分别用工业雷管和膨化硝铵炸药，测试了激发药剂的爆轰感度。研究结果不仅对于激发药剂的物质归类、危险性等级划分、性能测试等有参考价值，而且对于CO2相变爆炸技术的可靠应用具有指导意义。

1 爆炸性测试

1.1 测试方法

根据国家标准《危险货物运输 爆炸品的认可和分项试验方法》(GB/T 14372-2013)，开展了试验系列1类型和试验系列2类型的(b)克南试验。该国标是与联合国《关于危险货物运输的建议书 试验和标准手册》相对应的国家标准，以下简称《分项试验方法》。

试验装置主要有试验钢管、加热和保护装置、天平(精度0.1 g)、孔板、温度传感器和数据采集仪(精度0.1 ℃)等，其中试验钢管由符合ASTM 620/620M规定的A620 薄钢板冲压而成，外径25 mm，壁厚0.5 mm；孔板由符合GB/T 20878标准的304号不锈钢做成，本试验采用了2个型号的孔板，其内孔的直径分别为1 mm和2 mm。

1.2 测试步骤

测试过程主要分3步，分别为向试验钢管内装药、加热升温和记录结果。

第1步：向试验钢管内装药。由于激发药剂为粉沫状固体，因此按照《分项试验方法》中固态物质的装药步骤进行操作，即将激发药剂分成3等份依次装入钢管，每1等份装入后都用80 N的压力将其体积压缩成9 cm3，3等份药剂装完之后药剂上端距离管顶端15 mm。然后，将螺纹套筒涂上润滑油，从下端套到钢管上，并用扳手将端帽拧紧。

第2步：加热升温。将第1步中装有27 cm3药剂且配有孔板的试验钢管，夹紧在固定的台钳上，用扳手把螺帽拧紧。然后将钢管悬挂在保护箱内的两根棒之间。打开工业气瓶排气阀门，燃气通过流量计和1根管道分配到4个燃烧器，然后点燃燃烧器，用放在钢管中央距离管口43 mm处、直径为1 mm的热电偶测量液体温度，记录液体温度从135 ℃上升至285 ℃时所需时间，并计算加热速率。通过调节气体压力，使升温速率达到(3.3±0.3) ℃/s。

第3步：记录结果。如果钢管没有破裂，继续加热至少5 min再结束试验。在每次试验之后，如果有钢管破片，收集起来称量破片质量(称重)。

1.3 试验结果

按照上述试验步骤，分别用内孔直径1 mm和2 mm的孔板，测试了1次和2次，结果试验钢管均破裂成多片，且主要是大片，按照《分项试验方法》的判别标准，结果均为“爆炸”，表明研发的药剂具有爆炸特性，属于爆炸性物质。

2 爆轰感度试验

2.1 雷管引爆试验

为了检验研制的激发药剂在常温常压下是否具有雷管感度，将2 kg药剂用塑膜包装，做成直径50 mm的药卷，即规格为φ50 mm×2 000 g。然后，在药卷的一端插入1发8号工业雷管进行引爆试验。与此同时，将相同质量的2 kg药剂自然堆积，也用1发8号工业雷管进行引爆试验。在药卷和自然堆积两种状态下，各做了20次雷管引爆试验。结果表明，无论是卷状，还是自然堆积状，均不能被1发8号工业雷管引爆。

1发雷管引爆直径50 mm激发药剂药卷的试验现场如图1所示，由图1可以看出，雷管爆炸后将插雷管一端的药剂粉沫炸开飞散于附近地面，而没有发生爆炸，也没有燃烧的痕迹，这说明药剂不具有雷管起爆感度。

图1 雷管引爆激发药剂Fig.1 Excitant initiated by detonators

2.2 炸药起爆试验

2.2.1 激发药剂起爆试验

同样将2 kg激发药剂做成直径为50 mm、长度为68～69 mm、密度1.48～1.50 g/cm3的塑膜包装药卷，将其平放在试验场地的沙地上，分别用直径均为32 mm的150、300、450、500 g膨化硝铵炸药作引爆药包，将膨化硝铵炸药引爆后观察药剂是否发生爆炸，每个药量的引爆试验重复做3次。试验结果表明，150 ～500 g膨化硝铵炸药均未引爆激发药剂。500 g膨化硝铵炸药的引爆试验现场如图2所示。

图2 500 g膨化硝铵炸药引爆激发药剂Fig.2 Excitant detonated by 500 g expanded ammonium nitrate explosives

从图2可以看出，与雷管引爆试验的不同之处在于被炸散的药剂量更多，飞散的更远。可见，在常温常压和露天无强约束条件下即使是500 g膨化硝铵炸药，也无法将其引爆，爆炸感度很低。

考虑到药卷直径效应的影响，增加药卷直径进行试验。将2 kg激发药剂做成直径90 mm、长度21.5～22 cm、密度1.43～1.46 g/cm3的塑膜药卷，分别用300、450、500 g膨化硝铵炸药进行引爆(见图3)。每组试验重复做3次，9次试验均未将激发药剂引爆。

图3 500 g膨化硝铵炸药引爆直径90 mm激发药剂药卷Fig.3 Excitant roll with a diameter of 90 mm detonated by 500 g expanded ammonium nitrate explosives

2.2.2 对比试验

多孔粒状铵油炸药是工程爆破常用的炸药品种之一，不具备雷管起爆感度，但可以用一定质量的具备雷管感度的炸药起爆。为了与激发药剂作对照，也将2 kg多孔粒状铵油炸药分别做成直径50、90 mm的塑膜药卷，分别用150、300、450、500 g膨化硝铵炸药进行引爆。试验结果表明，直径为50 mm的多孔粒状铵油炸药药卷没有被膨化硝铵炸药引爆，直径90 mm的多孔粒状铵油炸药塑膜药卷全部被引爆(见图4)。与前文对照，可看出在直径同样为90 mm的塑膜包装情况下，药量大于150 g的膨化硝铵炸药能将多孔粒状铵油炸药引爆，而不能将激发药剂引爆，说明激发药剂的爆轰感度比多孔粒状铵油炸药低。

图4 500 g膨化硝铵炸药引爆直径90 mm多孔粒状铵油炸药Fig.4 Porous granular ammonium nitrate explosives with a diameter of 90 mm detonated by 500 g expanded ammonium nitrate explosives

3 结论

1)克南试验结果表明，由高氯酸钾、水杨酸和草酸铵按一定配比组成的的激发药剂具有爆炸性，应该归类于爆炸性物质，但其爆轰感度很低，不仅不具有雷管起爆感度，而且很难用炸药引爆。

2)在无强约束条件下，直径均为90 mm的塑膜包装药卷，500 g膨化硝铵炸药不能将2 kg激发药剂引爆，而150 g膨化硝铵炸药就可以将2 kg多孔粒状铵油炸药引爆，说明激发药剂的爆轰感度比多孔粒状铵油炸药还低。在激发药剂的生产、运输、使用过程中，相对传统的工业炸药而言，安全性较高。